Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία του Ορέστη Παναγόπουλου Πτυχιούχου Φυσικού Αριθμός Μητρώου:

Transcript

1 Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών «Κατανεμημένη πράσινη ηλεκτρική ενέργεια και οι προηγμένες δικτυακές υποδομές για τη διαχείριση και την οικονομία της» Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία του Ορέστη Παναγόπουλου Πτυχιούχου Φυσικού Αριθμός Μητρώου: Θέμα: Βελτίωση απόδοσης υβριδικών φωτοβολταϊκών/θερμικών συστημάτων αέρα Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής: Καθηγητής Ι. Τρυπαναγνωστόπουλος Αριθμός Διατριβής: Πάτρα, 19/12/2016

2 Πανεπιστήμιο Πατρών, Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών [Ορέστης Παναγόπουλος] [2016] Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος Το σύνολο της εργασίας αποτελεί πρωτότυπο έργο, παραχθέν από τον Ορέστη Παναγόπουλο, και δεν παραβιάζει δικαιώματα τρίτων καθ οιονδήποτε τρόπο. Αν η εργασία περιέχει υλικό, το οποίο δεν έχει παραχθεί από τον ίδιο, αυτό είναι ευδιάκριτο και αναφέρεται ρητώς εντός του κειμένου της εργασίας ως προϊόν εργασίας τρίτου, σημειώνοντας με παρομοίως σαφή τρόπο τα στοιχεία ταυτοποίησής του, ενώ παράλληλα βεβαιώνει πως στην περίπτωση χρήσης αυτούσιων γραφικών αναπαραστάσεων, εικόνων, γραφημάτων κλπ., έχει λάβει τη χωρίς περιορισμούς άδεια του κατόχου των πνευματικών δικαιωμάτων για την συμπερίληψη και επακόλουθη δημοσίευση του υλικού αυτού.

3 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία με θέμα: «Βελτίωση απόδοσης υβριδικών φωτοβολταϊκών/θερμικών συστημάτων αέρα» του κ. Ορέστη Παναγόπουλου, Πτυχιούχου Φυσικού παρουσιάστηκε δημοσίως στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών στις 19/12/2016 και εξετάστηκε και εγκρίθηκε από την ακόλουθη Εξεταστική Επιτροπή: Ι. Τρυπαναγνωστόπουλος, Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Επιβλέπων Καθηγητής Γ. Λευθεριώτης, Αναπληρωτής Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Ι. Μαναριώτης, Επίκουρος Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών, Μέλος τριμελούς εξεταστικής επιτροπής Πάτρα, 19/12/2016 Ο Επιβλέπων Σύμβουλος Καθηγητής Ο Διευθυντής του ΔΜΔΕ Καθηγητής Ι. Τρυπαναγνωστόπουλος Καθηγητής Ν. Βοβός

4 Περίληψη Στα πλαίσια της προσπάθειας αντιμετώπισης του παγκόσμιου ενεργειακού προβλήματος έχουν αναπτυχθεί συστήματα ηλιακής ενέργειας και ειδικότερα φωτοβολταϊκά συστήματα. Η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια των φωτοβολταϊκών έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας τους με αρνητικές επιπτώσεις στην ηλεκτρική τους απόδοση. Ο συνδυασμός τους με κατάλληλες διατάξεις κυκλοφορίας νερού ή αέρα για την απολαβή θερμότητας από αυτά μπορεί να διατηρήσει την ηλεκτρική απόδοση σε ικανοποιητικά επίπεδα και να παρέχει ταυτόχρονα θερμική ενέργεια. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα. Με κατάλληλες τεχνικές βελτίωσης είναι δυνατή η αύξηση της συνολικής αποδιδόμενης ενέργειας από τα συστήματα αυτά με σκοπό την αποτελεσματικότερη εφαρμογή τους. Στην παρούσα εργασία γίνεται θεωρητική ανάλυση της λειτουργίας των φωτοβολταϊκών/θερμικών συστημάτων αέρα καθώς και πειραματική μελέτη και σύγκριση δυο διαφορετικών φωτοβολταϊκών/θερμικών συστημάτων. Εξετάζεται η προσθήκη ενισχυτικού ανακλαστήρα ως τεχνική βελτίωσης, με στόχο την εκτίμηση της αύξησης της ενέργειας που λαμβάνεται από τη συσκευή. Με βάση τα αποτελέσματα από τα πειράματα που διεξήχθησαν, εξάγονται συμπεράσματα και προτείνονται εφαρμογές των συγκεκριμένων διατάξεων. Λέξεις κλειδιά Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ηλιακή ενέργεια, ηλεκτρική ενέργεια, θερμική ενέργεια, φωτοβολταϊκά

5 Abstract During the effort assessed in order to solve the world s energy problem, solar energy systems have been developed, including photovoltaic systems. Incident solar radiation on the surface of the photovoltaic modules increases the module s temperature, resulting in electrical efficiency drop. The combination of photovoltaic cells with systems of proper fluid circulation can lead to heat extraction from the photovoltaic and preserve the electric efficiency at satisfactory levels and simultaneously provide useful thermal energy. These systems are called hybrid photovoltaic/thermal systems. Making use of proper improvement aspects, the total energy received from the system can be increased, so these systems can be more effective in their applications. In the present thesis, a theoretical analysis of photovoltaic/thermal systems where air is used for heat extraction is presented. During the experimental study, two different types of systems are compared. A booster diffuse reflector is studied as a low-cost improvement method, aiming to estimate the increase in the total energy output of the system. According to the experimental results, conclusions are made and possible applications of the studied systems are proposed. Keywords Renewable Energy Sources, solar energy, electric energy, thermal energy, photovoltaics

6 Πρόλογος Με την παρούσα εργασία ολοκληρώνεται η φοίτησή μου στο Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών: «Κατανεμημένη πράσινη ηλεκτρική ενέργεια και οι προηγμένες δικτυακές υποδομές για τη διαχείριση και την οικονομία της» του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Η εργασία εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του Τμήματος Φυσικής με επιβλέποντα Καθηγητή τον κ. Τρυπαναγνωστόπουλο ως μέρος της ευρύτερης ερευνητικής προσπάθειας του Εργαστηρίου για την ανάπτυξη των υβριδικών φωτοβολταϊκών/ θερμικών συστημάτων. Στην πρώτη ενότητα γίνεται αναφορά στις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας και στα Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας, σε στοιχεία ηλιακής γεωμετρίας που είναι απαραίτητα για τη θεωρητική ανάλυση του θέματος. Στη δεύτερη ενότητα παρουσιάζονται συνοπτικά οι εργασίες που έχουν δημοσιευθεί πάνω στα υβριδικά φωτοβολταϊκά/ θερμικά συστήματα σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά. Επίσης, γίνεται θεωρητική προσέγγιση των φωτοβολταϊκών και των υβριδικών φωτοβολταϊκών/θερμικών συστημάτων. Στο τέλος της ενότητας περιγράφονται τεχνικές βελτίωσης των συστημάτων που έχουν μελετηθεί από το Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας. Στην τρίτη ενότητα παρουσιάζονται εφαρμογές των υβριδικών φωτοβολταϊκών/θερμικών συστημάτων αέρα στα κτίρια καθώς και στον αγροτοβιομηχανικό τομέα αξιοποιώντας την απολαβή θερμότητας σε συνδυασμό με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το σύστημα. Στην τέταρτη ενότητα, αρχικά περιγράφονται τα χαρακτηριστικά των πειραματικών διατάξεων που χρησιμοποιήθηκαν για τη διεξαγωγή μετρήσεων, καθώς και των οργάνων με τα οποία ελήφθησαν. Στη συνέχεια, εξηγείται ο τρόπος που λαμβάνονται οι μετρήσεις και συγκεντρώνονται σε διαγράμματα τόσο μεμονωμένα όσο και συγκριτικά μεταξύ των συνθηκών και καταστάσεων που μελετήθηκε το σύστημα. Τα πειραματικά αποτελέσματα συγκεντρώνονται σε πίνακες σύμφωνα με τους οποίους σχεδιάστηκαν διαγράμματα. Τέλος, εξάγονται συμπεράσματα για τη συμπεριφορά των πειραματικών διατάξεων κατά την πειραματική διαδικασία.

7 Περιεχόμενα 1 Εισαγωγή Ηλιακή γεωμετρία Τεχνολογία PV και PV/T Αναδρομή στις εργασίες για τα PV/T Διεθνείς επιστημονικές εργασίες Δημοσιεύσεις του Εργαστηρίου Ηλιακής Ενέργειας Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Ηλεκτρικό ισοδύναμο φωτοβολταϊκού στοιχείου Συντελεστής πλήρωσης Fill Factor (FF) Απόδοση φωτοβολταϊκού Θεωρητική ανάλυση συστήματος PV/T-air Εξισώσεις θερμικού ισοζυγίου Παράγωγη ηλεκτρικής ενέργειας Παραγωγή θερμικής ενέργειας Θερμικές απώλειες Πτώση πίεσης Περιγραφή φωτοβολταϊκών/θερμικών συστημάτων Συστήματα PV/T-water Συστήματα PV/T- air Τεχνικές βελτίωσης συστημάτων PV/T-air Προσθήκη διάχυτου ανακλαστήρα Βελτιώσεις αεραγωγού Εφαρμογές PV/T Εφαρμογές στον κτιριακό τομέα Συνδυασμός με αντλία θερμότητας Συνδυασμός με αποθήκη θερμότητας Εφαρμογές στον αγροτοβιομηχανικό τομέα Ηλιακή ξήρανση Πειραματική διαδικασία... 50

8 4.1 Πειραματική συσκευή Όργανα μετρήσεων Μέτρηση/ρύθμιση παροχής αέρα Μέτρηση θερμοκρασίας Μέτρηση ακτινοβολίας Διεξαγωγή μετρήσεων Σύγκριση με συσκευή αναφοράς Προσθήκη ανακλαστήρα Λειτουργία PV/T-air με θερμική αποθήκη νερού Απόκριση συστήματος Ηλεκτρική απόδοση Συμπεράσματα Αναφορές Ανακεφαλαίωση Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 1

9 Περιεχόμενα σχημάτων Σχήμα 1.1 : φασματική κατανομή ηλιακής ακτινοβολίας και ακτινοβολία μέλανος σώματος 5780 Κ (διακεκομμένη γραμμή). Πηγή: (2)... 4 Σχήμα 2.1 Σχηματική παράσταση της μετατροπής των ενεργειακών σταθμών σε ζώνες κατά το σχηματισμό κρυσταλλικού στερεού Σχήμα 2.2 Απλοποιημένο ενεργειακό διάγραμμα ημιαγωγού Σχήμα 2.3 Πιθανά ενεργειακά διαγράμματα ενός κρυστάλλου Σχήμα 2.1 Επαφή p-n. Πηγή: (4) Σχήμα 2.2 Ενεργειακό διάγραμμα επαφής p-n (α)πριν (β)μετά την ένωση. Πηγή: (4) Σχήμα 2.3 φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Πηγή: (6) Σχήμα 2.4 Ισοδύναμο κύκλωμα ιδανικού φωτοβολταϊκού στοιχείου Σχήμα 2.5 Ισοδύναμο κύκλωμα φωτοβολταϊκού στοιχείου με εσωτερική αντίσταση Σχήμα 2.6 Ισοδύναμο κύκλωμα φωτοβολταϊκού στοιχείου με εσωτερική και παράλληλη αντίσταση Σχήμα 2.7 Τομή αεραγωγού, χαρακτηριστικές θερμοκρασίες και συντελεστές μεταφοράς θερμότητας. Πηγή: [61] Σχήμα 2.8 Προφίλ ταχυτήτων και οριακό στρώμα. Πηγή: ΙΧ Σχήμα 2.9 PV/T-water. Πηγή: [62] Σχήμα 2.10 PV/T-water με γυάλινο κάλυμα. Πηγή: [62] Σχήμα 2.11 Σύστημα PV/T-air χωρίς κάλυμμα Πηγή: [60] Σχήμα 2.12 PV/T-air με γυάλινο κάλυμα Πηγή: [60] Σχήμα 2.13 Αρχή λειτουργίας διάχυτου ανακλαστήρα σε PV/T. Πηγή: [50] Σχήμα 2.14 Ανακλαστήρες (REF) σε PV/T συστοιχία Πηγή: [50] Σχήμα 2.15 Προσθήκη TMS. Πηγή: [60] Σχήμα 2.16 Προσθήκη CS. Πηγή: [60] Σχήμα 2.17 Προσθήκη FIN. Πηγή: [60] Σχήμα 2.18 Προσθήκη RIBS. Πηγή: [60] Σχήμα 2.19 Προσθήκη σωλήνων. Πηγή: [60] Σχήμα 3.1 Ψυκτικός κύκλος συμπίεσης ατμών. Πηγή: (10) Σχήμα 3.2 Κατηγοριοποίηση ηλιακών ξηραντηρίων. Πηγή: (4) Σχήμα 4.1 Τομή πειραματικής συσκευής... 55

10 Περιεχόμενα εικόνων Εικόνα 4.1 φωτοβολταϊκό πλαίσιο Εικόνα 4.2 Σύστημα PV/T- air Εικόνα 4.3 Αεραντλία και σύστημα ρύθμισης παροχής αέρα Εικόνα 4.4 Σύστημα PV/T-air συνδεδεμένο στην αεραντλία Εικόνα 4.5 Τομή ροτάμετρου και δυνάμεις στον πλωτήρα. Πηγή: (29) Εικόνα 4.6 Θερμόμετρο Εικόνα 4.7 Επιλογέας θερμοζευγών και θερμόμετρο Εικόνα 4.8 Πυρανόμετρο Kipp & Zonen CM3. Πηγή: (30) Εικόνα 4.9 Πυρανόμετρο πολύμετρο Εικόνα 4.10 Σύστημα PV/T-air με ανακλαστήρα Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 1

11 Περιεχόμενα πινάκων Πίνακας 1: Σειρές μετρήσεων steady- state (ροή48 L/h) Πίνακας 2: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για διάγραμμα Πίνακας 3: Σειρές μετρήσεων συσκευής αναφοράς με δυο ροές Πίνακας 4: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για διάγραμμα Πίνακας 5: Σειρές μετρήσεων ως PV/T-water με δυο ροές Πίνακας 6: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για διάγραμμα Πίνακας 7: Σειρές μετρήσεων συσκευής νερού-αέρα Πίνακας 8: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για διάγραμμα Πίνακας 9: Σειρές μετρήσεων συσκευής αναφοράς με ανακλαστήρα Πίνακας 10: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για το διάγραμμα Πίνακας 11: Σειρές μετρήσεων συσκευής PV/T-water με ανακλαστήρα Πίνακας 12: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για το διάγραμμα Πίνακας 13: Σειρές μετρήσεων συσκευής PV/T-air με ανακλαστήρα Πίνακας 14: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για το διάγραμμα

12 Συντομεύσεις ΑΠΕ ΦΒ ΦΒ/Θ COP PV PVC PV/T steady - state Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Φωτοβολταϊκό Φωτοβολταϊκό/Θερμικό Coefficient Of Performance Photovoltaic Polyvinyl chloride Photovoltaic/Τhermal σταθερή κατάσταση

13 1 Εισαγωγή Ενεργειακό πρόβλημα και Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας Ως Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ορίζονται οι ενεργειακές πηγές που βρίσκονται σε αφθονία στο φυσικό περιβάλλον, των οποίων τα αποθέματα ανανεώνονται και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Οι ΑΠΕ χρησιμοποιήθηκαν σχεδόν αποκλειστικά από την απαρχή της ανθρωπότητας μέχρι τη στροφή στην εντατική χρήση άνθρακα και υδρογονανθράκων τον προηγούμενο αιώνα. Παρόλα αυτά, η συστηματοποιημένη αξιοποίησή τους εμφανίστηκε στο προσκήνιο τη δεκαετία του 70. Η σταδιακή αύξηση των παγκόσμιων ενεργειακών αναγκών οδήγησε σε αύξηση της ζήτησης σε καύσιμα και υπερεκμετάλευση του τότε διαθέσιμου ορυκτού πλούτου. Άμεση συνέπεια ήταν η ραγδαία αύξηση της τιμής των συμβατικών καυσίμων και η ανησυχία για την εξάντληση των αποθεμάτων τους. Οι παρατηρούμενες αρνητικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις της ανθρώπινης δραστηριότητας οδήγησαν στη διαμόρφωση παγκόσμιας περιβαλλοντικής ευαισθησίας. Ο συνδυασμός των παραπάνω είχε σαν αποτέλεσμα τη χάραξη διαφορετικής ενεργειακής πολιτικής από τις κυβερνήσεις πολλών χωρών και την εντατικοποίηση της ερευνητικής προσπάθειας για αποτελεσματικότερη αξιοποίηση των ΑΠΕ. Στις ΑΠΕ συγκαταλέγονται η αιολική ενέργεια, η βιομάζα, η γεωθερμία, η ενέργεια του νερού και η ηλιακή ενέργεια. Πιο αναλυτικά, η αιολική ενέργεια προέρχεται από την μετατροπή της κινητικής ενέργεια του ανέμου σε μηχανική ενέργεια και κατόπιν σε ηλεκτρική. Η γεωθερμία είναι η θερμική ενέργεια ατμού, νερού ή πετρωμάτων που βρίσκονται στο υπέδαφος και χρησιμοποιείται απευθείας ή μετατρέπεται σε ηλεκτρική. Η βιομάζα προέρχεται από βιολογική ή χημική επεξεργασία ή καύση ζωικών, φωτοσυνθετικών προϊόντων αλλά και αστικών απορριμμάτων. Τα συστήματα υδροηλεκτρικής ενέργειας μετατρέπουν τη διαφορά κινητικής και δυναμικής ενέργειας του νερού ποταμών σε μηχανική και κατόπιν ηλεκτρική. Υπάρχουν επίσης συστήματα μετατροπής της ενέργειας των θαλάσσιων κυμάτων σε ηλεκτρική. Η ηλιακή ενέργεια προέρχεται από την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας μέσω Συστημάτων Ηλιακής Ενέργειας. Βασικότερο πλεονέκτημα χρήσης ηλιακής ενέργειας έναντι των ορυκτών καυσίμων ή της πυρηνικής ενέργειας είναι ότι αξιοποιείται η ενέργεια που προσπίπτει ούτως ή άλλως στην επιφάνεια της Γης, άρα δεν επηρεάζεται το ενεργειακό ισοζύγιο του πλανήτη. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 1

14 Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας Τα Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας αφορούν στην συλλογή και μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε άλλη μορφή και χωρίζονται σε συστήματα: απευθείας μετατροπής σε θερμότητα ή ηλεκτρισμό μετατροπής σε χημική ενέργεια και μετατροπής με ενδιάμεσο θερμοδυναμικό μετασχηματισμό. Τα Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας αποτελούνται από τα υποσυστήματα: συλλογής και μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας αποθήκευσης της ενέργειας ελέγχου λειτουργίας μεταφοράς και χρήσης της ενέργειας. Στην παρούσα εργασία θα μελετηθεί σύστημα ηλιακής ενέργειας με τη χρήση του οποίου γίνεται συλλογή και μετατροπή της ηλιακής ενέργειας απευθείας σε ηλεκτρισμό με φωτοβολταϊκό φαινόμενο, που θα αναλυθεί στο κεφ. 2.1 αλλά και σε θερμότητα με μηχανισμούς που θα αναλυθούν στο κεφ. 2.3 Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 2

15 1.1 Ηλιακή γεωμετρία Ο Ήλιος είναι μια σφαίρα διαμέτρου 1.39x 10 9 m που αποτελείται από υπέρθερμα αέρια. Θα μπορούσε να περιγραφεί ως ένας τεράστιος θερμοπυρηνικός αντιδραστήρας όπου πυρήνες Υδρογόνου συνδέονται μεταξύ τους και σχηματίζουν Ήλιο. Η συνολική ισχύς του Ήλιου είναι 3.8x10 20 MW, που αναλογεί σε 63 MW/m 2 στην επιφάνειά του και εκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις, αλλά μόνο 1.7x10 14 kw από τη αυτή προσπίπτουν στη Γη. Οι ετήσιες παγκόσμιες ενεργειακές απαιτήσεις αντιστοιχούν σε πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας την επιφάνεια της Γης για 30 λεπτά. Ο Ήλιος εκπέμπει εδώ και 4.5 δισεκατομμύρια χρόνια και εκτιμάται ότι θα συνεχίσει να εκπέμπει για άλλα τόσα, επομένως είναι μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας για τον άνθρωπο. Η θέση του ήλιου στον ουρανό αλλάζει από ώρα σε ώρα αλλά και από μέρα σε μέρα με αποτέλεσμα η φαινόμενη τροχιά του Ήλιου στον ουράνιο θόλο να είναι ψηλότερα το καλοκαίρι απ ότι το χειμώνα. Η σχετική κίνηση Ήλιου- Γης είναι μεν σύνθετη αλλά συστηματική και άρα απόλυτα προβλέψιμη. Καθώς η Γη εκτελεί μια περιφορά σε ελλειπτική τροχιά γύρω από τον Ήλιο με περίοδο ενός έτους έχοντας περίοδο ιδιοπεριστροφής 24 ώρες. Ο άξονας περιστροφής της Γης αποκλίνει κατά γωνία δ = από το επίπεδο περιφοράς καθ όλη τη διάρκεια του έτους. Η θερμοκρασία της φωτόσφαιρας του Ήλιου είναι περίπου 5800 Κ, άρα σύμφωνα με την κλασσική θεωρία η φασματική κατανομή της ηλιακής ακτινοβολίας μοιάζει με αυτήν της ακτινοβολίας μέλανος σώματος θερμοκρασίας περίπου 5800 Κ όπως στο σχήμα 1.2. Παρότι η παραπάνω προσέγγιση είναι ικανοποιητική για θερμικά ηλιακά συστήματα, για φωτοβολταϊκά είμαστε υποχρεωμένοι να εξετάσουμε τη φωτονική σύσταση της ακτινοβολίας καθώς στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο συνεισφέρουν φωτόνια με ενέργεια μεγαλύτερη ή ίση του ενεργειακού χάσματος του ημιαγωγού. Ώς ηλιακή σταθερά G SC ορίζουμε την πυκνότητα ροής της ηλιακής ακτινοβολίας σε επιφάνεια έξω από την ατμόσφαιρα, προσανατολισμένη στον ήλιο στη μέση απόσταση Γης- Ήλιου και είναι G sc= 1353 W/m 2. Η ακριβής τιμή της σταθεράς είναι δύσκολο να προσδιοριστεί από την επιφάνεια της Γης λ;oγω της ύπαρξης της ατμόσφαιρας. Όταν η Γη είναι πλησιέστερα στον Ήλιο, στις 21 Δεκεμβρίου, η τιμή της ηλιακής σταθεράς είναι 1400 W/m 2 και όταν βρίσκεται μακρύτερα, στις 21 Ιουνίου είναι 1310 W/m 2. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 3

16 Σχήμα 1.1 : φασματική κατανομή ηλιακής ακτινοβολίας και ακτινοβολία μέλανος σώματος 5780 Κ (διακεκομμένη γραμμή). Πηγή: (2) Για την απλούστευση της ανάλυσης των συστημάτων ηλιακής ενέργειας χρησιμοποιείται ως σύστημα αναφοράς η Γη και όχι ο Ήλιος και σύμφωνα με αυτό ορίζονται οι παρακάτω γωνίες που θα χρησιμοποιηθούν στη θεωρητική προσέγγιση του συστήματος (Κεφ. 2.3) : Ζενίθεια γωνία θζ : Η γωνία μεταξύ της κατακορύφου σε έναν τόπο και τον Ήλιο κατά την ηλιακή μεσημβρία. Κλίση επιφανείας: η γωνία που σχηματίζει μια επιφάνεια με το οριζόντιο επίπεδο. Παίρνει τιμές από 0 0 έως 90 0 (0 0 για οριζόντιο επίπεδο). Αζιμούθια γωνία επιφανείας γ: Η γωνία μεταξύ της προβολής της καθέτου της επιφάνειας στο οριζόντιο επίπεδο και τη διεύθυνση του νότου. Το εύρος τιμών της είναι έως Ωριαία γωνία: η γωνιακή απόκλιση του Ήλιου από τον τοπικό μεσημβρινό. Παίρνει τιμές από (αρνητικές τιμές για π.μ. και θετικές για μ.μ.) Γωνία πρόσπτωσης άμεση της ηλιακής ακτινοβολίας θ: Η γωνία μεταξύ του ήλιου και της καθέτου της επιφάνειας. Ηλιακή απόκλιση δ: Η γωνία μεταξύ του επιπέδου του ισημερινού και του Ήλιου. Παίρνει τιμές από ως Εξαιτίας της απόκλισης του άξονα περιστροφής της Γης παρατηρείται διαφορετική θέση ανατολής και δύσης του Ήλιου στο οριζόντιο επίπεδο κατά τη διάρκεια του έτους. Η ηλιακή απόκλιση πρέπει να λαμβάνεται υπ όψη κατά το σχεδιασμό συστημάτων ηλιακής ενέργειας, την ενσωμάτωσή τους σε κτίρια καθώς και το βιοκλιματικό σχεδιασμό κτιρίων. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 4

17 2 Τεχνολογία PV και PV/T 2.1 Αναδρομή στις εργασίες για τα PV/T Διεθνείς επιστημονικές εργασίες Η ιδέα για τα PV/T βρίσκεται στο προσκήνιο για πάνω από σαράντα χρόνια. Το πρώτο βήμα για την έρευνα πάνω στα PV/T ξεκίνησε με τους Kern και Russel [26] το 1978, οι οποίοι μελέτησαν για πρώτη φορά το σχεδιασμό και την απόδοση συστημάτων PV/T ψυχόμενα με νερό και αέρα. Καθώς την περίοδο εκείνη το κόστος των φωτοβολταϊκών πάνελ ανά μονάδα επιφανείας ήταν αρκετά υψηλό, προέκυψε η ιδέα για τη συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας σε μικρότερη επιφάνεια φωτοβολταϊκού με τη χρήση συγκεντρωτικών φακών, των οποίων το κόστος ήταν σημαντικά μικρότερο. Η συγκέντρωση όμως της ηλιακής ακτινοβολίας είχε σαν αποτέλεσμα την υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού, επομένως δεν ήταν δυνατή η πλήρης εκμετάλλευση των δυνατοτήτων του φωτοβολταϊκού για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Για να διατηρηθεί η απόδοση του φωτοβολταϊκού σε αποδεκτά επίπεδα ήταν απαραίτητη η ψύξη του και έτσι χρησιμοποιήθηκε ρευστό ως μέσο απολαβής θερμότητας. Η υποχρεωτική ψύξη του φωτοβολταϊκού οδήγησε στην ιδέα για την ταυτόχρονη χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας μαζί με τη θερμική. Το πρώτο σύστημα PV/T για συμπαραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας μελετήθηκε το 1978 από τους Kern και Russel [26]. Στο 13th ΙΕΕΕ Photovoltaic Specialists Conference παρουσίασαν τα πειραματικά αποτελέσματα της ηλεκτρικής και θερμικής απόδοσης πέντε διαφορετικών PV/T συστημάτων που σχεδίασαν και προέβλεψαν τη συμπεριφορά τους σε τέσσερις διαφορετικές κλιματικές ζώνες. To 1979, ο Florschuetz [13] ανάλυσε PV/T σύστημα με βάση το μοντέλο Hottel-Whillier-Bliss, το οποίο χρησιμοποιείται στη θερμική ανάλυση επίπεδων θερμικών ηλιακών συλλεκτών. Λαμβάνοντας υπόψη τη φθίνουσα γραμμική εξάρτηση της απόδοσης του φωτοβολταϊκού με τη θερμοκρασία λειτουργίας, παρουσίασε και συζήτησε τις σχεδιαστικές παραμέτρους για την ηλεκτρική και θερμική απόδοση PV/T συστημάτων. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 5

18 Το 1981, οι Raghuraman et al [20] παρουσίασαν τις πρώτες προσομοιώσεις με τη χρήση υπολογιστή για επίπεδους φωτοβολταϊκούς συλλέκτες για τη πρόβλεψη της ηλεκτρικής και της θερμικής απόδοσης PV/T συστήματος νερού και μονοδιάστατη ανάλυση για την εξομοίωση PV/T συστήματος αέρα. Το 1991, οι Duffie και Beckmann [12], μελέτησαν PV/T συστήματα αέρα απλής και διπλής κυκλοφορίας με τη χρήση μοντέλων μεταβλητών κατάστασης. Στηριγμένοι πάνω στη γραμμική σχέση που συνδέει την απόδοση του φωτοβολταϊκού με τη θερμοκρασία λειτουργίας του, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το σύστημα διπλής κυκλοφορίας είχε μεγαλύτερη απόδοση από το σύστημα απλής. Επίσης μελετήθηκαν διεξοδικά συγκεκριμένες σχεδιαστικές παράμετροι, οι οποίες έχουν σχέση με το μήκος του συλλέκτη, το βάθος του αεραγωγού και τη ροή του αέρα στον αγωγό, ώστε το υβριδικό σύστημα να καλύπτει τις ανάγκες λειτουργίας του. Το 1994, οι A. Ricaud και P.Roubeau [35], παρουσίασαν ένα σύστημα PV/T αέρα, το Capthel με απόδοση 66% και ένα μοντέλο συμπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και θερμού αέρα το Ecothel. Πραγματοποίησαν μεταβατική ανάλυση του συστήματος PV/T κατά τη διάρκεια της ημέρας. Το μαθηματικό μοντέλο βασίζεται στις εξισώσεις ενεργειακού ισοζυγίου γραμμένες για κάθε κόμβο του συστήματος. Με βάση αυτό προέβλεψαν τη θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού καθώς και τη θερμοκρασία εξόδου του αέρα σε συνάρτηση με το χρόνο. Το 1994, οι H.A. Ossenbrink et al [29] δημοσίευσαν μελέτη για την ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών στην πρόσοψη υπάρχοντος βιομηχανικού κτιρίου. Χρησιμοποιήθηκαν φωτοβολταϊκά άμορφου πυριτίου για την κάλυψη όσο το δυνατόν μεγαλύτερης επιφάνειας με το μικρότερο δυνατό κόστος. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία τοποθετήθηκαν εντός πρόσοψης με διπλό τζάμι συνολικής επιφάνειας 770 τ.μ. (η μεγαλύτερη φωτοβολταική επιφάνεια κτιρίου ως τότε). Έμφαση δόθηκε στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό ώστε να είναι δυνατή η οπτικοποίηση της λειτουργίας του συστήματος στο ευρύ κοινό. Το 1995 οι Β. Moshfegh et al [28], παρουσίασαν τα αποτελέσματα μελέτης για τη μετάδοση θερμότητας σε πειραματική συσκευή προσομοίωσης πρόσοψης κτιρίου με ενσωματωμένο φωτοβολταϊκό και παθητική ροή αέρα. Μελετήθηκε η θερμοκρασία και η ροή του αέρα για διάφορα διάκενα πίσω από τα φωτοβολταϊκά. To 1996, οι K. Sopian et al [37], [38], παρουσίασαν ανάλυση για την απόδοση δυο συστημάτων PV/T με απλή και διπλή κυκλοφορία αέρα με μοντέλο μεταβλητών κατάστασης. Διαπιστώθηκε ότι το σύστημα διπλής κυκλοφορίας είχε υψηλότερη απόδοση και Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 6

19 μελετήθηκαν λεπτομερώς οι επιδράσεις των σχεδιαστικών παραμέτρων στην απόδοση του συστήματος. Το 1997 οι Η.Χ. Yang et al [5], [68]. δημοσίευσαν εργασία τους για προσομοιωτικό μοντέλο για φωτοβολταϊκά ενσωματωμένα σε προσόψεις κτιρίων με σκοπό την ανάλυση και την πρόβλεψη της ηλεκτρικής και θερμικής συμπεριφοράς του συστήματος. Οι αριθμητικές λύσεις των εξισώσεων για τη ροή του αέρα στον αεραγωγό δίνουν την ταχύτητα του αέρα και την κατανομή της θερμοκρασίας κατά μήκος του αεραγωγού. Διαπιστώθηκε ότι ο αεραγωγός με το μικρότερο ύψος και το μεγαλύτερο βάθος δίνει μεγαλύτερη απόδοση και έτσι επιτυγχάνεται καλύτερη ψύξη του φωτοβολταϊκού. Για την επιβεβαίωση των θεωρητικών αποτελεσμάτων κατασκευάστηκε εξομοιωτής εσωτερικού χώρου. Η πρώτη εργασία στα PV/T των Y. Tripanagnostopoulos et al [48] από το Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας του τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών παρουσιάστηκε το 1996 στο European Conference of Solar Architecture στο Βερολίνο, με τα πρώτα αποτελέσματα από την έρευνα που ξεκίνησε στο αντικείμενο αυτό. Η εργασία αυτή οδήγησε σε Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα, που εγκρίθηκε και υλοποιήθηκε αργότερα και σηματοδότησε την αρχή της πολυετούς ερευνητικής προσφοράς του Εργαστηρίου Ηλιακής Ενέργειας στο αντικείμενο των PV/T. Την ίδια χρονιά, οι C. Choudhury και H.P. Garg [8], παρουσίασαν μοντέλο προσομοίωσης με χρήση υπολογιστή για την ανάλυση συστήματος PV/T αέρα καθώς και αλγόριθμο για την ποσοτική πρόβλεψη της απόδοσης του συστήματος. Εξήχθησαν επίσης οι καμπύλες θερμικής απόδοσης για διάφορους τύπους απορροφητών και πραγματοποιήθηκαν αριθμητικοί υπολογισμοί για την απόδοση του συστήματος για τις κλιματολογικές συνθήκες του Δελχί. Το 2000, ο A.A. Hegazy [19], δημοσίευσε μια εκτενή μελέτη σχετικά με τη θερμική και ηλεκτρική απόδοση επίπεδου συστήματος PV/T αέρα. Εξετάστηκαν τέσσερα μοντέλα με ροή α)πάνω από τον απορροφητή β) κάτω από αυτόν γ) πάνω και κάτω από τον απορροφητή με απλή κυκλοφορία δ)πάνω και κάτω από αυτό με διπλή κυκλοφορία αέρα. Έγινε αριθμητική επίλυση των εξισώσεων θερμικού ισοζυγίου λαμβάνοντας υπόψη μετεωρολογικά δεδομένα. Εξετάστηκαν επίσης, οι επιδράσεις της ροής αέρα και της επιλεκτικότητας του απορροφητή στη θερμική απόδοση των συστημάτων Το 1996, οι Ρ.Α. Strachan et al [11], [40], μελέτησαν πειραματικά ενσωματωμένα συστήματα PV/T σε πρόσοψη κτιρίου στην Αγγλία. Ανέπτυξαν προσομοιωτικό πρόγραμμα και σύγκριναν τα πειραματικά αποτελέσματα με συγκρίθηκαν με αυτά της προσομοίωσης. Κατόπιν, Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 7

20 καταστρώθηκε εμπειρική σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού και της απολαβής θερμικής ενέργειας από το σύστημα. Το 2000 οι Ν. Κelly και Ρ.Α. Strachan [25], παρουσίασαν μια επέκταση του λογισμικού ανοικτού κώδικα ESP-r για την προσομοίωση φωτοβολταϊκών ενσωματωμένων σε προσόψεις και οροφές κτιρίων κτίρια. Γίνεται περιγραφή των αλγορίθμων για την πρόβλεψη της παραγόμενης ηλεκτρικής ισχύος σαν συνάρτηση των χαρακτηριστικών των φωτοβολταϊκών στοιχείων, της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και τη θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού. Η ενσωμάτωση του αλγόριθμου στα μοντέλα του ESP-r για ροή αέρα και ενεργειακά δίκτυα αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για τη μελέτη υβριδικών φωτοβολταϊκών συστημάτων. Ο Β.J. Brinkworth [6], δημοσίευσε εργασία για την εκτίμηση της ταχύτητας αέρα και της μετάδοσης θερμότητας με στρωτή ροή και αγωγή σε κεκλιμένους αγωγούς. Οι λύσεις των εξισώσεων προκύπτουν από την εξίσωση των αθροισμάτων των διαφορών πιέσεων που δημιουργούν τη ροή αέρα από αυτών που αντιτίθενται σε αυτή. Επίσης, η συνεισφορά της μεταφοράς θερμότητας με αγωγή αναπαρίσταται με τη μορφή διαφοράς πίεσης ίσης με αυτή της άνωσης σε ακίνητη στήλη ρευστού του ίδιου ύψους με τον αγωγό. Στην αρχική ανάλυση θεωρείται ότι η τριβή στα τοιχώματα του αγωγού και η μεταφορά θερμότητας αναπαρίστανται από εκφράσεις για εξαναγκασμένη κυκλοφορία λαβαίνοντας υπόψη τα φαινόμενα εισόδου στον αεραγωγό. Το 2002, Οι Κ. Sopian και Μ.Υ. Othman [30],μελέτησαν το κόστος σε σχέση με την απολαβή ενέργειας από την εγκατάσταση συστήματος PV/T αέρα διπλής κυκλοφορίας. Υπολόγισαν το ετήσιο κόστος -annual cost (AC)- και την ετήσια απολαβή ενέργειας - annual energy gain (AEG) του συστήματος και παρουσίασαν γραφικά το λόγο AC/AEG για διάφορες ταχύτητες αέρα, διαστάσεις φωτοβολταϊκών και αεραγωγών. Από τα διαγράμματα αυτά μπορούν οι κατασκευαστές να επιλέξουν τα κατάλληλα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά ώστε να επιτύχουν τον ελάχιστο λόγο κόστους /κέρδους. Την ίδια χρονιά, οι Κ. Sopian et al 22), μελέτησαν πειραματικά τη χρήση συστήματος PV/T αέρα διπλής κυκλοφορίας για εφαρμογές ξήρανσης. Πραγματοποίησαν steady state ανάλυση για την πρόβλεψη της θερμοκρασίας εξόδου του αέρα και της θερμοκρασίας του φωτοβολταϊκού για τις διαφορικές εξισώσεις των δυο αεραγωγών του συστήματος. Τέλος, παράθεσαν τα πειραματικά αποτελέσματα και τα σύγκριναν με τα θεωρητικά. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 8

21 Το 2000, οι H.P. Garg και R.S. Adhikari [16], παρουσίασαν οικονομοτεχνική ανάλυση συστήματος PV/T αέρα. Κατέστρωσαν τις εξισώσεις ενεργειακού ισοζυγίου για τον υπολογισμό την απολαβή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Στην οικονομική ανάλυση ελήφθησαν υπόψη το κόστος αγοράς, συντήρησης και λειτουργίας, η διάρκεια ζωής του συστήματος και άλλοι οικονομικοί παράγοντες όπως τοκισμός κ.α. Την ίδια χρονιά, οι H. Sorensen και D. Munro [39], δημοσίευσαν εργασία πάνω στα συστήματα PV/T αέρα που είναι διαθέσιμα στο εμπόριο καθώς και σε μια ενιαία μέθοδο αξιολόγησης της λειτουργίας των συστημάτων. Το 2001 οι R.J. Hacker et al [18], παρουσίασαν μία μελέτη για χρήση φωτοβολταϊκών σε κτίρια με ενεργό έλεγχο της θερμοκρασίας. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, αυξάνοντας την παροχή αέρα παρατήρησαν μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας του φωτοβολταϊκού και αύξηση της ηλεκτρικής απόδοσης. Στο δεύτερο μέρος μελετήθηκαν οι θετικές και αρνητικές επιπτώσεις ενσωματωμένου φωτοβολταϊκού σε κτίριο. Παρατηρήθηκε μικρή ελάττωση της θερμοκρασίας λειτουργίας του φωτοβολταϊκού με την απαγωγή θερμότητας. Επομένως, η ηλεκτρική απόδοση δεν αυξήθηκε ικανοποιητικά και άρα κανένα από τα μοντέλα που μελετήθηκαν δεν ήταν οικονομικά αποδοτικό. Το 2003 οι Chow et al [9], δημοσίευσαν συγκριτική μελέτη τριών διαφορετικών επιλογών στην ενσωμάτωση φωτοβολταϊκών σε μεγάλη κλίμακα στην ανατολική Κίνα. Το υπολογιστικό μοντέλο βασίστηκε σε φωτοβολταϊκό τοίχο επιφάνειας 260 m 2 μονοκρυσταλλικού πυριτίου ενσωματωμένο σε ξενοδοχειακή μονάδα 30 ορόφων. Για την αριθμητική ανάλυση χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό προσομοιωτικό πακέτο ESP-r. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι διάφορες σχεδιαστικές επιλογές σε σύντομα χρονικά διαστήματα παρουσιάζουν σημαντικές διαφοροποιήσεις στην ηλεκτρική απόδοση, σε βάθος χρόνου όμως η απολαβή ηλεκτρικής ενέργειας ήταν παρόμοια. Παρόλα αυτά, κάποια συστήματα βοήθησαν στη μείωση των αναγκών του κτιρίου για κλιματισμό. Την ίδια χρονιά, ο Chow [10], παρατήρησε ότι παρόλο που τα περισσότερα συστήματα ΡV/Τ έχουν μελετηθεί και θεωρητικά, τα υπολογιστικά μοντέλα χρησιμοποιούσαν κυρίως steadystate ανάλυση για να προβλέψουν την ετήσια απολαβή θερμότητας. Η συμπεριφορά όμως των ηλιακών θερμικών συστημάτων είναι εγγενώς δυναμική. Με προσέγγιση πεπερασμένων διαφορών, καταστρώθηκε δυναμικό μοντέλο επίπεδου συστήματος PV/T νερού με γυάλινο κάλυμμα. Το προτεινόμενο μοντέλο κρίθηκε κατάλληλο για προσομοίωση δυναμικών Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 9

22 συστημάτων, καθώς επιτρέπει λεπτομερέστερη ανάλυση της ροής ενέργειας μεταβατικής αλλά και σταθερής κατάστασης Δημοσιεύσεις του Εργαστηρίου Ηλιακής Ενέργειας Στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας έχουν δημοσιευθεί σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά ερευνητικές εργασίες σχετικά με τα Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας, και συγκεκριμένα για ηλιακούς θερμικούς συλλέκτες, φωτοβολταϊκά, συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα, και υβριδικά φωτοβολταϊκά/θερμικά συστήματα. Παρακάτω αναφέρονται περιληπτικά δημοσιευμένες εργασίες σχετικές με τα συστήματα PV/T-air. Το 2000, [49] παρουσιάστηκαν χαμηλού κόστους τεχνικές βελτίωσης απόδοσης υβριδικών φωτοβολταϊκών συστημάτων ενσωματωμένων σε κτίρια. Αντί να εγκατασταθούν απλοί φωτοβολταικοί συλλέκτες, συστήματα PV/T μπορούν να ενσωματωθούν σε προσόψεις και οροφές κτιρίων παρέχοντας ταυτόχρονα ηλεκτρική και θερμική ενέργεια. Απάγοντας θερμότητα από το φωτοβολταϊκό, διατηρείται η ηλεκτρική απόδοση του σε ικανοποιητικά επίπεδα, μπορεί να επιτευχθεί θέρμανση του κτιρίου το χειμώνα και δροσισμός το καλοκαίρι. Έγινε σύγκριση της θερμικής και της ηλεκτρικής απόδοσης πειραματικών συσκευών PV/Twater, PV/T-air και φωτοβολταϊκών με μόνωση και χωρίς. Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων συμπεραίνεται ότι η προσθήκη τραχείας επιφάνειας εντός του αεραγωγού απέναντι από το φωτοβολταϊκό και η προσθήκη λεπτού μεταλλικού φύλλου στο εσωτερικό του αεραγωγού βελτιώνουν την απόδοση των PV/T-air διατηρώντας χαμηλά το κόστος. Το 2001, [50] δημοσιεύθηκαν πειραματικά αποτελέσματα σε υβριδικά φωτοβολταϊκά θερμικά συστήματα. Προτάθηκαν εφαρμογές των συστημάτων κυρίως σε κτίρια για συμπαραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας σε περιοχές με υψηλές τιμές έντασης ηλιακής ακτινοβολίας. Οι πειραματικές συσκευές που κατασκευάστηκαν ήταν βασισμένες σε εμπορικά διαθέσιμα φωτοβολταϊκά στοιχεία και τα αποτελέσματα έδειξαν αύξηση της ηλεκτρικής απόδοσης των φωτοβολταϊκών. Μελετήθηκε επίσης βελτίωση της συνολικής απόδοσης του συστήματος με τη χρήση γυάλινου καλύμματος πάνω από το φωτοβολταϊκό με σκοπό την αύξηση της θερμικής απόδοσης του συστήματος. Επίσης, χρησιμοποιήθηκε επίπεδος διάχυτος ανακλαστήρας, χάρη στον οποίο αυξήθηκε η προσπίπτουσα ακτινοβολία Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 10

23 στην επιφάνεια του συλλέκτη και παρατηρήθηκε βελτίωση της συνολικής απόδοσης στο σύστημα. Την ίδια χρονιά, [51] παρουσιάστηκαν πειραματικά αποτελέσματα μελέτης συστημάτων PV/T- air. Χρησιμοποιήθηκαν δύο πρωτότυπες πειραματικές συσκευές PV/T- air, μια με φωτοβολταϊκό p-si εμπορίου, ως συσκευή αναφοράς και μία με φωτοβολταϊκό p-si με επικάλυψη διαφανούς Tedlar στην μπροστινή επιφάνεια και απλό γυαλί στην πίσω. Τα δυο συστήματα τοποθετήθηκαν κάθετα στο έδαφος και ελήφθησαν μετρήσεις με φυσική και εξαναγκασμένη ροή αέρα καθώς και χωρίς ροή. Επίσης προστέθηκε λεπτό μεταλλικό φύλλο στο μέσο του αεραγωγού της μιας συσκευής και συγκρίθηκε με τη συσκευή αναφοράς. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι μετατροπές στη νέα συσκευή συνέβαλλαν στην αποτελεσματικότερη ψύξη του φωτοβολταϊκού και στη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης του συστήματος. Επίσης, [52]μελετήθηκαν υβριδικά φωτοβολταϊκά θερμικά συστήματα με δυνατότητα χρήσης είτε νερού είτε αέρα ώς θερμοαπαγωγού ρευστού. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε αποτελούταν από φωτοβολταϊκό p-si με αεραγωγό πίσω από αυτό κατάλληλα σχεδιασμένο ώστε είναι δυνατή η προσθήκη εναλλάκτη θερμότητας με κυκλοφορία νερού. Το σύστημα δοκιμάστηκε με τρεις διαφορετικούς τρόπους τοποθέτησης του εναλλάκτη με αποτελεσματικότερη την τοποθέτησή του σε επαφή με την πίσω επιφάνεια του. Στοχεύοντας στην βελτίωση της απόδοσης του συστήματος αυξήθηκε η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας, όπως και επιβεβαιώθηκε πειραματικά με κυκλοφορία αέρα. Επιπλέον, το σύστημα συνδυάστηκε με διάχυτο ανακλαστήρα, χάρη στον οποίο η ενεργειακή απολαβή του συστήματος αυξήθηκε κατά 30%. Το 2005,[42] δημοσιεύθηκε εργασία πάνω στη βελτίωση συστημάτων PV/T- air σε κτιριακές εφαρμογές. Προτάθηκε η μετατροπή φωτοβολταϊκού εγκατεστημένου σε οροφή κτιρίου σε ηλιακό συλλέκτη οροφής (SRC) με στόχο τη συνεισφορά του στο δροσισμό του εσωτερικού χώρου κατά τους θερινούς μήνες. Επίσης, μελετήθηκε η προσθήκη λεπτού επίπεδου μεταλλικού φύλλου (TFMS) στο μέσο του αεραγωγού για την αύξηση της ταχύτητας φυσικής ροής του αέρα και τη θερμική προστασία της οροφής. Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν η μετατροπή βελτιώνει την απόδοση του συστήματος και άρα αυξάνει την ταχύτητα του αέρα σε ικανοποιητικό βαθμό. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 11

24 Το 2006, [64] στο 8 ο Εθνικό Συνέδριο του ΙΗΤ στη Θεσσαλονίκη, παρουσιάστηκαν εφαρμογές των υβριδικών φωτοβολταϊκών/θερμικών συστημάτων σε σπίτια, σε μεγαλύτερες εγκαταστάσεις (πολυκατοικίες ή συγκροτήματα γραφείων) και στην βιομηχανία. Στον οικιακό τομέα διερευνώνται συστήματα φυσικής και βεβιασμένης κυκλοφορίας ενώ στις μεγαλύτερες εγκαταστάσεις όλα τα συστήματα είναι βεβιασμένης κυκλοφορίας. Οι περιπτώσεις αναλύθηκαν με το πρόγραμμα TRNSYS για τις κλιματικές συνθήκες της Λευκωσίας και της Αθήνας, και διερευνήθηκε η χρήση φβ πλαισίων p-si και άμορφου πυριτίου, θεωρώντας ότι σε κάθε συσκευή χρησιμοποιείται νερό για απολαβή θερμότητας. Το μέγεθος των συστημάτων που διερευνήθηκαν είναι για τις μικρές οικιακές μονάδες, 4 m 2 συλλέκτες με 160 λίτρα δεξαμενή αποθήκευσης ζεστού νερού, για τις μεγαλύτερες εγκαταστάσεις 40 m 2 συλλεκτών και 1500 λίτρα δεξαμενή και για την βιομηχανική εφαρμογή 300 m 2 συλλέκτες με 10 m 3 δεξαμενή. Τόσο στον οικιακό όσο και στις βιομηχανίες, που έχουν υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, τα υβριδικά φβ/θ συστήματα μπορούν να καλύψουν μέρος αυτών των απαιτήσεων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ηλεκτρική απόδοση των συστημάτων που χρησιμοποιούν πολυκρυσταλλικό πυρίτιο είναι μεγαλύτερη από αυτά που χρησιμοποιούν άμορφο πυρίτιο, όμως η θερμική συνεισφορά τους είναι ελαφρώς μικρότερη. Επίσης, τα υβριδικά φβ/θ συστήματα συμφέρουν από οικονομικής άποψης από τα τυπικά φβ, ενώ οι συσκευές με άμορφο πυρίτιο, αν και λιγότερο αποδοτικές στην παραγωγή ηλεκτρισμού, είναι πιο συμφέρουσες οικονομικά λόγω του μικρότερου αρχικού κόστους. Το 2007, [43] δημοσιεύθηκε μελέτη πάνω σε χαμηλού κόστους τεχνικές βελτίωσης απόδοσης συστημάτων PV/T-air. Συγκρίθηκαν η προσθήκη μεταλλικού φύλλου (TMS) στο μέσο του αεραγωγού και η προσθήκη μεταλλικών πτερυγίων (FIN) στην πλευρά του αεραγωγού απέναντι από το φωτοβολταϊκό. Αναπτύχθηκε θεωρητικό μοντέλο και επιβεβαιώθηκε πειραματικά η ορθότητά του. Το επιβεβαιωμένο πειραματικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε στη μελέτη της επίδρασης του βάθους και του μήκους του αεραγωγού και της ροής μάζας αέρα στην ηλεκτρική και θερμική απόδοση απλού και βελτιωμένου συστήματος. Τόσο η θεωρητική πρόβλεψη όσο και τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι οι προτεινόμενες προσθήκες στο σύστημα έχουν σαν αποτέλεσμα τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης του συστήματος. Το 2007, [46] μελετήθηκαν βελτιωμένα συστήματα PV/T-air, φυσικής και εξαναγκασμένης ροής. Τοποθετήθηκε λεπτό μεταλλικό φύλλο (TMS) στο μέσο του αεραγωγού και μεταλλικά Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 12

25 πτερύγια (FIN) στην πλευρά του αεραγωγού απέναντι από το φωτοβολταϊκό προκειμένου να αυξηθεί η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας με τον αέρα. Συγκρίθηκαν οι αποδόσεις σταθερής κατάστασης των βελτιωμένων συστημάτων με αυτές των τυπικών PV/T air. Παρουσιάστηκαν τα ημερήσια προφίλ θερμοκρασιών εξόδου, πίσω επιφάνειας φωτοβολταϊκού και αεραγωγού, επιβεβαιώνοντας τη συνεισφορά των μετατροπών στην αύξηση της απολαβής θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Οι συγκεκριμένες τεχνικές αναμένεται να συνεισφέρουν στην ευρύτερη διάδοση εφαρμογών φωτοβολταϊκών συστημάτων χάρη στη βελτίωση της συνολικής ενεργειακής απόδοσής τους. Το 2008, [47] δημοσιεύθηκε μελέτη σχετική με τη βελτίωση συστημάτων PV/T-air με φυσική ροή αέρα. Χρησιμοποιήθηκαν οι χαμηλού κόστους προσθήκες TMS και FIN για βελτίωση της απαγωγής θερμότητας. Δημιουργήθηκε αριθμητικό μοντέλο, το οποίο και επιβεβαιώθηκε πειραματικά για απλό σύστημα PV/T-air και για σύστημα με γυάλινο κάλυμμα. Τα βελτιωμένα συστήματα είχαν καλύτερη απόδοση από τα απλά και είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν ενσωματωμένα σε κτίρια για φυσικό αερισμό, θέρμανση και δροσισμό χώρου. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 13

26 2.1 Φωτοβολταϊκό φαινόμενο Το φωτοβολταϊκό στοιχείο ή φωτοβολταϊκή κυψελίδα είναι μια επιφάνεια διόδου p-n η οποία αποτελείται από τον ημιαγωγό τύπου p και τον ημιαγωγό τύπου n. Σε ένα μεμονωμένο άτομο, τα ηλεκτρόνια βρίσκονται γύρω από τον πυρήνα και οι ενέργειές τους είναι κβαντισμένες, μπορεί δηλαδή να έχουν μόνο μια συγκεκριμένη διακριτή τιμή Ε (n=1,2,3.). n Οι επιτρεπόμενες ενεργειακές στάθμες είναι διακριτές, υπάρχουν ανάμεσά τους απαγορευμένες περιοχές και περιλαμβάνουν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονικών καταστάσεων. Σχήμα 2.1 Σχηματική παράσταση της μετατροπής των ενεργειακών σταθμών σε ζώνες κατά το σχηματισμό κρυσταλλικού στερεού. Πηγή: (4) Όταν Ν άτομα συνδέονται μεταξύ τους για το σχηματισμό ενός κρυσταλλικού στερεού, καθώς οι αποστάσεις μεταξύ τους μικραίνουν, οι τροχιές των ηλεκτρονίων σθένους υπερκαλύπτονται και τα ηλεκτρόνια «βλέπουν» τους πυρήνες των γειτονικών ατόμων. Όμως, σύμφωνα με την απαγορευτική αρχή του Pauli, δυο ηλεκτρόνια ενός ατόμου δεν μπορεί να υπάρχουν στην ίδια κατάσταση, άρα το ενεργειακό διάγραμμα θα πρέπει να διαχωριστεί σε Ν διακριτές πολύ κοντά διατεταγμένες ενεργειακές στάθμες. Καθώς η απόσταση μεταξύ των ατόμων ελαττώνεται, αρχίζει να εμφανίζεται αλληλοεπικάλυψη τροχιακών και οι ενεργειακές τους στάθμες χωρίζονται επίσης σε Ν πολύ κοντά διατεταγμένες στάθμες. Κάθε ομάδα ενεργειακών σταθμών ονομάζεται ενεργειακή ζώνη. Οι ζώνες διαχωρίζονται μεταξύ τους από ενεργειακά χάσματα, δηλαδή απαγορευμένες τιμές ενέργειας στις οποίες δεν μπορούν να υπάρξουν ελεύθερα ηλεκτρόνια. Σε θερμοκρασία Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 14

27 Τ=0 K, η πλήρης ζώνη ονομάζεται ζώνη σθένους και τα ηλεκτρόνια δεν συμμετέχουν στην αγωγιμότητα του στερεού, καθώς δεν υπάρχουν επιτρεπόμενες ενεργειακές καταστάσεις, που να μπορούν να καταληφθούν υπό την επίδραση εξωτερικού πεδίου. Η αμέσως επόμενη κενή ή μερικώς συμπληρωμένη ζώνη, λέγεται ζώνη αγωγιμότητας. Ένα απλοποιημένο ενεργειακό διάγραμμα ημιαγωγού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, όπου διακρίνεται η σχεδόν κενή ζώνη αγωγιμότητας και E c είναι ο πυθμένας της ζώνης. E v είναι η κορυφή της ζώνης σθένους. Το ενεργειακό χάσμα E g βρίσκεται μεταξύ των E c και E v. Δηλαδή ισχύει E g = E c - E v Σχήμα 2.2 Απλοποιημένο ενεργειακό διάγραμμα ημιαγωγού. Πηγή: (4) Ακόμα και αν γνωρίζουμε την ενεργειακή δομή ενός υλικού, χρειάζεται να ξέρουμε ποιες ενεργειακές στάθμες είναι κατειλημμένες και ποιες ενεργειακές ζώνες είναι κενές, μερικώς συμπληρωμένες ή πλήρεις. Οι κενές ζώνες, καθώς δεν περιέχουν ηλεκτρόνια, δεν είναι δυνατόν να συνεισφέρουν στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού. Οι μερικώς συμπληρωμένες ζώνες έχουν ελεύθερες λίγο υψηλότερες ενεργειακές στάθμες. Αυτές, επιτρέπουν στους φορείς να αποκτήσουν ενέργεια, όταν μετακινούνται υπό την επίδραση εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου. Τότε τα ηλεκτρόνια συνεισφέρουν στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού. Οι πλήρεις ζώνες, παρόλο που περιέχουν μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων, αυτά δεν μπορούν να συνεισφέρουν στην ηλεκτρική αγωγιμότητα του υλικού, αφού δεν υπάρχουν διαθέσιμες ενεργειακές στάθμες για να αποκτήσουν ενέργεια καταλαμβάνοντάς τες. Για να βρούμε τις πλήρεις ή κενές ζώνες θα πρέπει να γνωρίζουμε τον αριθμό των διαθέσιμων ηλεκτρονίων και πόσα ηλεκτρόνια κατανέμονται σε κάθε ζώνη. Μια ενεργειακή ζώνη δημιουργείται από το διαχωρισμό μιας ή περισσότερων ατομικών ενεργειακών σταθμών. Επομένως, ο ελάχιστος αριθμός σταθμών σε μια ζώνη ισούται με το διπλάσιο του ατομικού αριθμού υλικό. Και αναφερόμαστε στο διπλάσιο διότι σε κάθε ενεργειακή στάθμη μπορούν Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 15

28 να υπάρξουν δύο ηλεκτρόνια με αντίθετους κβαντικούς αριθμούς σπιν. Η ανάλυση απλουστεύεται αν θεωρήσουμε σημαντικά μόνο τα ηλεκτρόνια σθένους και ότι τα ηλεκτρόνια κοντά στον πυρήνα δεν μπορούν να κινηθούν ελεύθερα στο υλικό λόγω της ισχυρής ελκτικής δύναμης που δέχονται από αυτόν. Σχήμα 2.3 Πιθανά ενεργειακά διαγράμματα ενός κρυστάλλου. Πηγή: (4) (α) Μερικώς συμπληρωμένη ζώνη (β) Αλληλοεπικαλυπτόμενες ζώνες (γ) Σχεδόν πλήρης ζώνη και σχεδόν κενή με μικρό ενεργειακό χάσμα (δ) Πλήρης και κενή ζώνη με μεγάλο ενεργειακό χάσμα. Η περίπτωση (α) παρατηρείται σε υλικά, με άτομα που έχουν ένα ηλεκτρόνιο σθένους ανά άτομο. Αυτά τα υλικά παρουσιάζουν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, π.χ. Cu, Au, Ag. Στην περίπτωση (β) έχουμε υλικά με άτομα που έχουν δυο ηλεκτρόνια σθένους, παρουσιάζουν υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα όταν η πλήρης και η κενή ζώνη αλληλοεπικαλύπτονται. Στην περίπτωση (δ)το υλικό συμπεριφέρεται σαν μονωτής διότι το ενεργειακό χάσμα είναι πολύ μεγάλο. Στην περίπτωση (γ), η πλήρης ζώνη ξεχωρίζει από την κενή και το ενεργειακό χάσμα είναι μικρό (περίπου 1eV), κι έτσι τα ηλεκτρόνια μπορούν να μετακινηθούν προς την αμέσως επόμενη ενεργειακή ζώνη. Έτσι στους ημιαγωγούς έχουμε μια σχεδόν πλήρη ζώνη τη ζώνη σθένους- και πάνω από αυτήν μια σχεδόν κενή ζώνη τη ζώνη αγωγιμότητας. Τα ηλεκτρόνια σθένους μπορούν να μεταπηδήσουν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, είτε με θερμική είτε με οπτική διέγερση ελάχιστης ενέργειας ίσης με το ενεργειακό χάσμα του κρυστάλλου E g. Τα ηλεκτρόνια που μεταπήδησαν στη ζώνη αγωγιμότητας μπορούν να κινηθούν στον κρύσταλλο ανταποκρινόμενα σε ηλεκτρικά πεδία, καταλαμβάνοντας κενές ενεργειακές ζώνες που βρίσκονται κοντά του. Το φωτοβολταϊκό στοιχείο ή φωτοβολταϊκή κυψελίδα είναι μια επαφή p-n η οποία αποτελείται από τον ημιαγωγό τύπου p και τον ημιαγωγό τύπου n. H επαφή p-n, αποτελείται από δυο περιοχές ημιαγωγού με προσμίξεις δοτών και αποδεκτών. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η τομή μιας επαφής p-n: Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 16

29 Σχήμα 2.4 Επαφή p-n. Πηγή: (4) Αριστερά στο σχήμα φαίνεται η περιοχή τύπου p με συγκέντρωση αποδεκτών N α και δεξιά η περιοχή τύπου n με συγκέντρωση δοτών Ν d. Συνήθως, για απλούστευση της ανάλυσης θεωρούμε ότι η πυκνότητα των ηλεκτρονίων στην περιοχή τύπου n είναι ίση με την πυκνότητα των δοτών (δηλαδή δεν έχουμε βαριές προσμίξεις). Το αντίστοιχο συμβαίνει στην περιοχή p. Παρακάτω φαίνεται το ενεργειακό διάγραμμα μιας επαφής p-n: Σχήμα 2.5 Ενεργειακό διάγραμμα επαφής p-n (α)πριν (β)μετά την ένωση. Πηγή: (4) Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο έχει ως εξής: η απορρόφηση από μια επαφή p-n φωτονίων με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα της, έχει σαν αποτέλεσμα τη μετάβαση ηλεκτρονίων από τη ζώνη σθένους (περιοχή n) στη ζώνη αγωγιμότητας (περιοχή p). (φωτόρευμα) και άρα την εμφάνιση διαφοράς δυναμικού στα άκρα της επαφής. Σχήμα 2.6 φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Πηγή: (6) Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 17

30 Στο παραπάνω σχήμα (Σχ. 2.6) φαίνεται ο μηχανισμός δημιουργίας του φωτοβολταϊκού φαινομένου καθώς και η δυναμική ενέργεια των ηλεκτρονίων σε συνάρτηση με το βάθος από την επιφάνεια Ηλεκτρικό ισοδύναμο φωτοβολταϊκού στοιχείου Για την καλύτερη κατανόηση της ηλεκτρικής συμπεριφοράς του φωτοβολταϊκού στοιχείου είναι χρήσιμη η θεώρηση του ηλεκτρικού ισοδύναμου κυκλώματος, αποτελούμενο από διακριτά ιδανικά ηλεκτρικά στοιχεία, των οποίων η συμπεριφορά είναι καλά ορισμένη. Ένα ιδανικό φωτοβολταϊκό στοιχείο μπορεί να παρασταθεί από μια δίοδο, που αναπαριστά την επαφή p-n, συνδεδεμένη παράλληλα σε μια ιδανική πηγή ρεύματος όπως στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 2.7 Ισοδύναμο κύκλωμα ιδανικού φωτοβολταϊκού στοιχείου Χωρίς φορτίο, η τάση που αναπτύσσεται στις δυο πλευρές του φωτοβολταϊκού προκαλεί ρεύμα τέτοιο ώστε να αντισταθμίζει το φωτόρευμα Το ρεύμα της διόδου σύμφωνα με την εξίσωση Shockley θα είναι: I I I (1) PH D Όπου: I D qv I0 exp 1 nkt (2) I ph : Φωτόρευμα I 0 : Ανάστροφο ρεύμα κόρου της διόδου Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 18

31 n : Παράγοντας εκπομπής της διόδου. Παίρνει τιμές από 1 ως 2 ανάλογα με τη διαδικασία κατασκευής της διόδου(1 για ιδανική δίοδο) q : Στοιχείώδες ηλεκτρικό φορτίο (1.6x10-19 Coulomb) V : Τάση της διόδου k : Σταθερά Boltzmann (1.38x10-23 Joule/Kelvin) T : Απόλυτη θερμοκρασία της επαφής p-n (Kelvin) Άρα η τάση ανοικτού κυκλώματος V oc θα είναι: nkt I ph Voc ln 1 q I0 Κατά τη λειτουργία του φωτοβολταϊκού στοιχείου I ph >> I 0 άρα: (3) nkt I ph VL Voc ln q I0 Το ρεύμα βραχυκύκλωσης I sc ισούται με το φωτόρευμα: Isc Iph για V=0 (4) Κατά τη λειτουργία του φωτοβολταϊκού στoιχείου υπό φορτίο R L το ρεύμα Ι L θα είναι: qvl IL I ph I0 exp 1 nkt ή IR L L IL I ph I0 expq 1 nkt (5) (6) Καθώς το ιδανικό μοντέλο στερείται ακρίβειας, λαβαίνουμε υπόψη τις απώλειες λόγω της ισοδύναμης εσωτερικής αντίστασης του φωτοβολταϊκού στοιχείου, οπότε θεωρούμε σε σειρά την αντίσταση R s όπως στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.8 Ισοδύναμο κύκλωμα φωτοβολταϊκού στοιχείου με εσωτερική αντίσταση Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 19

32 Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πρέπει να είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε η αντίσταση που παρεμβάλλεται στην κίνηση των φορέων να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη, δηλαδή η τιμή της R s να είναι όσο γίνεται κοντά στο μηδέν. Το ρεύμα φορτίου τώρα θα είναι: VL ILRS IL I ph I0 exp q 1 nkt Κατά την εν κενώ λειτουργία είναι V L=V oc και I L=0, άρα: (7) Voc 0 I ph I0 exp q 1 nkt (8) Το ρεύμα βραχυκύκλωσης ισούται με το ρεύμα φορτίου δηλαδή Isc IL για V=0, άρα: IscRs Isc I ph I0 expq 1 nkt (9) Μια ακόμη ακριβέστερη θεώρηση επιτυγχάνεται με την προσθήκη της παράλληλης αντίστασης R shunt στο φωτοβολταϊκό στοιχείο η οποία εκφράζει τις απώλειες λόγω πτώσης τάσης στις ηλεκτρικές επαφές. Η συνηθέστερη τιμή της R sh είναι περίπου 500Ω Σχήμα 2.9 Ισοδύναμο κύκλωμα φωτοβολταϊκού στοιχείου με εσωτερική και παράλληλη αντίσταση Στη συγκεκριμένη περίπτωση το ρεύμα φορτίου προκύπτει από τη σχέση: V I R V I R IL I ph I0 exp q 1 nkt Rsh Για εν κενώ λειτουργία, V L=V oc και I L=0, άρα: L L S L L S (10) V V 0 exp 1 oc oc I ph I0 q nkt R sh (11) Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 20

33 Σε συνθήκες βραχυκύκλωσης, Isc IL για V=0, άρα: I R I R Isc IL I0 exp q 1 nkt R sh sc s sc s (12) Συντελεστής πλήρωσης Fill Factor (FF) Ως παράγοντα πλήρωσης ή Fill Factor ορίζουμε το λόγο: FF P I V MPP ή SC OC Όπου: FF I V I V MPP MPP (13) SC OC P MPP : Η μέγιστη ηλεκτρική ισχύς (στο Maximum Power Point) I SC : Το ρεύμα βραχυκύκλωσης V OC : Η τάση ανοικτού κυκλώματος Απόδοση φωτοβολταϊκού Ως απόδοση του φωτοβολταϊκού ορίζουμε το λόγο της μέγιστης ηλεκτρικής ισχύος προς την ισχύ της ακτινοβολίας που προσπίπτει στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού: P MPP VI AI AI Η αντικαθιστώντας τον παράγοντα πλήρωσης στην παραπάνω σχέση: m m (14) Όπου: FF I V AI SC OC (15) A : η επιφάνεια του φωτοβολταϊκού (m 2 ) I : η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας(w/m 2 ) Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 21

34 2.2 Θεωρητική ανάλυση συστήματος PV/T-air Εξισώσεις θερμικού ισοζυγίου Προκειμένου να πραγματοποιηθεί ανάλυση σε συνθήκες σταθερής κατάστασης, με σταθερές θερμοκρασίες, θεωρούμε σταθερή την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Ένα μέρος της ηλιακής ενέργειας που προσπίπτει στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού ανακλάται, το υπόλοιπο μέρος απορροφάται από το φωτοβολταϊκό και μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια και θερμότητα. Η θερμότητα μεταδίδεται στην μπροστινή και πίσω επιφάνεια του φωτοβολταϊκού με αγωγή. Από την μπροστινή επιφάνεια μεταδίδεται στην ατμόσφαιρα με μεταφορά ακτινοβολία. και με Από την πίσω επιφάνεια μεταδίδεται στον αέρα που κυκλοφορεί στον αεραγωγό με μεταφορά και ακτινοβολία. Άρα το ενεργειακό ισοζύγιο (εκφρασμένο σε μονάδες ισχύος) θα είναι: Όπου: Q Q Q Q Q s u el L op (16) Q s : η ισχύς της προσπίπτουσας ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού Q u : η ωφέλιμη θερμική ισχύς Q el : η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς Q L : οι θερμικές απώλειες του συστήματος Q op : οι οπτικές απώλειες του συστήματος Αν είναι A PV (m 2 ) η ενεργός συλλεκτική επιφάνεια του φωτοβολταϊκού και G (Wm -2 s -1 ) η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, τότε η προσπίπτουσα ηλιακή ισχύς στο συλλέκτη θα είναι: Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 22

35 Q s A G (17) pv Αν η pv ο συντελεστής ηλεκτρικής απόδοσης του φωτοβολταϊκού, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς θα είναι: Qel A G (18) pv pv Αν η th ο συντελεστής θερμικής απόδοσης του συστήματος, η ωφέλιμη θερμική ισχύς θα είναι: Q A G (19) u th pv Αν τ η διαπερατότητα και α η απορροφητικότητα του φωτοβολταϊκού, οι οπτικές απώλειες λόγω ανάκλασης από την μπροστινή επιφάνεια Q op Qop είναι: (1 ) A G (20) pv Για την απλούστευση των εξισώσεων μετάδοσης θερμότητας σε σταθερή κατάσταση (steady state) για την πειραματική διάταξη μπορούμε να θεωρήσουμε: Μονοδιάστατη μετάδοση θερμότητας με αγωγή Αμελητέα θερμοχωρητικότητα του περιβλήματος των φωτοβολταϊκών συλλεκτών Ίδιο συντελεστή μεταφοράς θερμότητας μεταξύ των τοιχωμάτων του αεραγωγού και του αέρα Σταθερή θερμοκρασία περιβάλλοντος προς την οποία έχουμε θερμικές απώλειες από τις εξωτερικές επιφάνειες του συστήματος Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται τομή του συστήματος κάθετη στη ροή του αέρα καθώς και οι χαρακτηριστικές θερμοκρασίες του συστήματος και οι συντελεστές μεταφοράς θερμότητας: Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 23

36 Σχήμα 2.10 Τομή αεραγωγού, χαρακτηριστικές θερμοκρασίες και συντελεστές μεταφοράς θερμότητας. Πηγή: [61] Οι εξισώσεις μεταφοράς θερμότητας καταστρώθηκαν σύμφωνα με την ανάλυση των J.K. Tonui και Y. Tripanagnostopoulos [44] : Για το φωτοβολταϊκό συλλέκτη έχουμε : Apv ( )(1 th ) G ApvUt ( Tpv Ta ) Apvhc ( Tpv Tf ) Apvhr, pvw( Tpv Tw ) (21) Όπου : h c : Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας από τα τοιχώματα του αεραγωγού προς τον αέρα hr, pv w : Ο συντελεστής μετάδοσης θερμότητας με ακτινοβολία μεταξύ της πίσω επιφάνειας του φωτοβολταϊκού συλλέκτη και των τοιχωμάτων του αεραγωγού U t : ο συντελεστής θερμικών απωλειών από την ενεργό επιφάνεια των φωτοβολταϊκών συλλεκτών προς το περιβάλλον (W m -2 K -1 ) T pv : Η θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού συλλέκτη T w : Η θερμοκρασία του τοιχώματος του αεραγωγού απέναντι από το συλλέκτη T f : Η θερμοκρασία του αέρα στο εσωτερικό του αγωγού T a : Η θερμοκρασία περιβάλλοντος Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 24

37 Για τον αέρα έχουμε: Όπου : mc ( T T ) A h ( T T ) A h ( T T ) (22) p out in pv c pv f int c w f C p : Η ειδική θερμότητα του αέρα (J Kg -1 K -1 ) A int : Το εμβαδόν της επιφάνειας του αεραγωγού απέναντι από το συλλέκτη m : Η παροχή μάζας αέρα (Kg s -1 ) T in : Η θερμοκρασία εισόδου του αέρα στο σύστημα T out : Η θερμοκρασία εξόδου του αέρα από το σύστημα Για την εξωτερική επιφάνεια του αεραγωγού: Όπου: Apvhr, pvw( Tpv Tw ) ApvUb ( Tw Ta ) Ainth c( Tw Tf ) (23) U b : Ο συντελεστής θερμικών απωλειών από την εξωτερική επιφάνεια του αγωγού προς το περιβάλλον (W m -2 K -1 ) Παράγωγη ηλεκτρικής ενέργειας Η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από το σύστημα είναι: Q A G (24) el pv pv Ο συντελεστής ηλεκτρικής απόδοσης η pv των φωτοβολταϊκών συλλεκτών εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία σύμφωνα με τη σχέση Florschuetz [13]: Όπου pv ref 1 ref ( Tpv Tref ) (25) η ref : Ο συντελεστής ηλεκτρικής απόδοσης στη θερμοκρασία αναφοράς Τ ref : Θερμοκρασία αναφοράς β ref : Συντελεστής θερμοκρασίας Τόσο η θερμοκρασία αναφοράς όσο και ο συντελεστής θερμοκρασίας υπολογίζονται πειραματικά για κάθε φωτοβολταϊκό συλλέκτη. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 25

38 2.2.3 Παραγωγή θερμικής ενέργειας Για τον υπολογισμό της ωφέλιμης θερμικής ενέργειας χρησιμοποιείται το μοντέλο σταθερής κατάστασης των Hottel-Whillier-Bliss [4], το οποίο έχει εφαρμογή σε θερμικούς ηλιακούς συλλέκτες νερού αλλά και αέρα και επιβεβαιώθηκε από τους Duffie και Beckmann, το 1991 [12]. Άρα η ωφέλιμη θερμική ενέργεια από το σύστημα είναι: Όπου : Q A F ( ) G U ( T T ) (26) u pv R L in a U L: Ο συντελεστής ολικών θερμικών απωλειών από το σύστημα F R: Ο συντελεστής θερμικής μεταφοράς ως λόγος της μεταφοράς θερμότητας προς τη μέγιστη δυνατή μεταφορά θερμότητας Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του συντελεστή ολικών θερμικών απωλειών U L για ένα σύστημα τόσο μεγαλύτερες είναι οι θερμικές απώλειες, άρα μικρότερη θερμική ισχύς. Αντίθετα, όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του συντελεστή θερμικής μεταφοράς F R τόσο αποδοτικότερα μεταφέρεται θερμότητα στο ρευστό, άρα και μεγαλύτερη ωφέλιμη θερμική ισχύς στην έξοδο του συστήματος. Ο παράγοντας F R δίνεται από τη σχέση των Duffie και Beckmann [12]: mc p ApvU LF FR 1 exp (27) ApvU L mc p Όπου F ο λόγος του καθαρού ενεργειακού κέρδους προς το ενεργειακό κέρδος που θα είχαμε αν η θερμοκρασία του συλλέκτη ήταν ίση με τη μέση θερμοκρασία του ρευστού. Σύμφωνα με τα πειραματικά δεδομένα των Kern και Russel [26], η θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών είναι υψηλότερη όταν δεν αποδίδουν ηλεκτρική ισχύ αν θεωρήσουμε ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος είναι ανεξάρτητη διαδικασία από την παραγωγή θερμικής ισχύος. Έτσι, λαμβάνοντας υπόψη την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ο Florschuetz [13] πρότεινε την τροποποίηση του μοντέλου Hottel-Whillier-Bliss για συστήματα PV/T ως εξής: Qu Apv FR ( )(1 ) G UL( Tin Ta ) (28) Όπου η α ο συντελεστής ηλεκτρικής απόδοσης του φωτοβολταϊκού σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Τ α. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 26

39 Άρα ο συντελεστής απόδοσης του συστήματος PV/T είναι: Tin Ta th F R ( )(1 ) U L G (29) Η παραπάνω εξίσωση είναι φορμαλιστικά όμοια με την αντίστοιχη του μοντέλου Hottel- Whillier-Bliss για ηλιακούς θερμικούς συλλέκτες, μόνο που διαφέρουν πλέον οι τιμές των συντελεστών U L και F R, και έχει εισαχθεί ο συντελεστής η α. Η συγκεκριμένη τροποποίηση δεν αλλάζει τη φυσική σημασία της αρχικής σχέσης που διατύπωσαν οι Duffie και Beckmann [12]. Ο συντελεστής F για συστήματα PV/T υπολογίζεται από τη σχέση: R F Και ο συντελεστής F θα είναι: R mc p ApvU L F 1 exp A mc pvul p (30) U L( hc hr ) F 1 2 (31) hc 2hchr Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας h c από τα τοιχώματα το αεραγωγού προς τον αέρα εξαρτάται από τις εξής ιδιότητες του αέρα: 1 Το δυναμικό ιξώδες μ Τη θερμική αγωγιμότητα k Την πυκνότητα ρ Την ειδική θερμότητα C p Την ταχύτητα ροής υ Επίσης, εξαρτάται από τη γεωμετρία και την τραχύτητα των τοιχωμάτων του αεραγωγού, με τις οποίες έρχονται σε επαφή τα μόρια του αέρα και από το είδος της ροής, δηλαδή αν είναι στρωτή η τυρβώδης. Σύμφωνα με την ανάλυση των Duffie και Beckmann [12], ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας h c δίνεται από τη σχέση: k hc Nu (32) D H Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 27

40 Όπου: Nu: ο αδιάστατος αριθμός Nusselt, που ορίζεται ως ο λόγος της θερμότητας που άγεται προς τη θερμότητα που μεταφέρεται από την επιφάνεια του αεραγωγού στον αέρα D H: η η υδραυλική διάμετρος της διάταξης (m) και δίνεται από τη σχέση: D H 2ws ( w s) Όπου w το βάθος του καναλιού (m) s το πλάτος του καναλιού (m) Για τον αριθμό Nusselt χρησιμοποιείται η εμπειρική σχέση των Randal et al [33], δηλαδή: Nu Όπου Ra ο αδιάστατος αριθμός Rayleigh ο οποίος προκύπτει από το γινόμενο των αδιάστατων αριθμών Grashof και Prandtl: Ra (33) Ra Gr Pr (34) Ο αριθμός Grashof εκφράζει το λόγο της άνωσης προς των δυνάμεων ιξώδους και δίνεται από τη σχέση: Όπου: 3 2 l g sin Gr (35) l: το μήκος του συλλέκτη (m) ρ: η πυκνότητα του αέρα (Kg/m 3 ) g: η επιτάχυνση της βαρύτητας (m/s 2 ) θ: η κλίση του συλλέκτη β: συντελεστής διαστολής κατ όγκο (Κ -1 ) ΔΤ: η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των τοιχωμάτων του αεραγωγού Ο αδιάστατος αριθμός Prandtl είναι ο λόγος του κινηματικού ιξώδους προς τη θερμική διαχυτότητα του αέρα και δίνεται από τη σχέση: C p Pr (36) k Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 28

41 Επειδή οι θερμικές ιδιότητες του αέρα εξαρτώνται από τη θερμοκρασία, είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η μέση θερμοκρασία του στον αεραγωγό. Αν θεωρήσουμε, λοιπόν γραμμική θερμοκρασιακή αύξηση κατά μήκος του αεραγωγού από θερμοκρασία εισόδου Τ in σε θερμοκρασία εξόδου T out, η μέση θερμοκρασία θα είναι: T f Tin Tout (37) Θερμικές απώλειες Οι θερμικές απώλειες του συστήματος οφείλονται στη μετάδοση θερμότητας από το σύστημα προς το περιβάλλον με αγωγή, μεταφορά και ακτινοβολία. Ο συντελεστής ολικών θερμικών απωλειών U L υπολογίζεται από το άθροισμα των επιμέρους συντελεστών θερμικών απωλειών και με τους τρεις τρόπους μετάδοσης θερμότητας. Πιο συγκεκριμένα, θεωρούμε συντελεστή U f το συντελεστή θερμικών απωλειών από την μπροστινή επιφάνεια του συστήματος, U b το συντελεστή θερμικών απωλειών από την πίσω επιφάνεια και U e το συντελεστή θερμικών απωλειών από τα πλευρικά τοιχώματα του συστήματος. Επειδή το εμβαδό των πλαϊνών είναι πολύ μικρότερο από των άλλων δυο επιφανειών, οι πλευρικές θερμικές απώλειες μπορούν να θεωρηθούν αμελητέες ή να συμπεριληφθούν στις θερμικές απώλειες από την πίσω επιφάνεια του συστήματος. Άρα έχουμε: U U U (38) L t b Όσον αφορά την μπροστινή επιφάνεια του συστήματος έχουμε μετάδοση θερμότητας με αγωγή από το φωτοβολταϊκό συλλέκτη προς τον ατμοσφαιρικό αέρα με συντελεστή h w, και με ακτινοβολία από το φωτοβολταϊκό συλλέκτη προς τον ουρανό με συντελεστή h r,pv-a. Άρα σύμφωνα με την ανάλυση των Duffie και Beckmann [12] έχουμε: Ut hw hr, pv a (39) Με h 2.8 3V όπου V w η ταχύτητα ανέμου. w w Η τιμή του συντελεστή h r,pv-a υπολογίζεται από τη σχέση: 2 2 h r, pv a pv( T pv Ts )( T pv Ts ) (40) Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 29

42 Όπου: σ = (W m 2 K 4 ) η σταθερά Stefan Boltzmann T s T η ισοδύναμη θερμοκρασία ουρανού 1.5 a ε pv : ο συντελεστής εκπομπής του φωτοβολταϊκού συλλέκτη Ο αεραγωγός και το φωτοβολταϊκό περιβάλλονται από μονωτικό υλικό διαμέσου του οποίου διαρρέει θερμότητα προς το περιβάλλον. Άρα ο συντελεστής θερμικών απωλειών με αγωγή από την πίσω πλευρά και τα πλευρικά τοιχώματα του συστήματος είναι: Όπου: U b k ins (41) ins k ins: η θερμική αγωγιμότητα του μονωτικού υλικού δ ins : το πάχος του μονωτικού υλικού Η θερμότητα που άγεται μέσω του μονωτικού μεταδίδεται από την πίσω εξωτερική επιφάνεια προς το περιβάλλον κυρίως με μεταφορά και λιγότερο με ακτινοβολία. Στην περίπτωση που μελετάται μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η θερμοκρασία πίσω από τα τοιχώματα του αεραγωγού είναι περίπου ίση με την θερμοκρασία της πίσω εξωτερικής επιφάνειας και με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος όποτε οι θερμικές απώλειες λόγω ακτινοβολίας είναι αμελητέες. Οι θερμικές απώλειες του συστήματος λόγω μεταφοράς είναι: h w 2.8 3V (42) Ο τροποποιημένος συντελεστής ολικών θερμικών απωλειών για συστήματα PV/T σύμφωνα με την εξίσωση Florschuetz [13] είναι: w U U ( ) G (43) L L ref ref Σύμφωνα με τις αναλύσεις των Florschuetz, [13] και Hendrie, [20] η διαφορά του τον U L είναι αρκετά μικρή ώστε να θεωρήσουμε ότι F F και FR FR. UL από Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 30

43 2.2.5 Πτώση πίεσης Η πτώση πίεσης του αέρα κατά μήκος του αεραγωγού μεταξύ εισόδου και εξόδου καθορίζει την ταχύτητα του αέρα στον αεραγωγό και άρα την θερμική απολαβή του συστήματος και τη θερμοκρασία λειτουργίας του. Η πτώση πίεσης παίζει καθοριστικό ρόλο στη λειτουργία των θερμικών συστημάτων αέρα και ιδίως στα PV/T-air-natural. Ενώ τα συνήθη ρευστά συμπεριφέρονται με καλή προσέγγιση ως «ιδανικά», σε περιοχές του πεδίου ροής όπου εμφανίζονται μεγάλες και απότομες βαθμίδες ταχύτητας κάθετες στη διεύθυνση της ροής οι οποίες ορίζονται ως dvx dy όπου Vx η ταχύτητα στην x κατεύθυνση. Στα σημεία αυτά αναπτύσσονται διατμητικές τάσεις λόγω ιξώδους οι οποίες είναι ανάλογες με τις βαθμίδες ταχύτητας: dv dy x xy. Η φυσική σημασία των διατμητικών τάσεων συνδέεται με τη μεταφορά ορμής στα αέρια και τις δυνάμεις συνοχής και συνάφειας στα υγρά. Τα αποτελέσματα της δράσης των διατμητικών τάσεων γίνονται ορατά με τη δημιουργία του οριακού στρώματος. Αν υποθέσουμε ότι έχουμε ροή πάνω από μια επίπεδη επιφάνεια όπως στο παρακάτω σχήμα, λόγω των δυνάμεων συνάφειας μεταξύ του ρευστού και της επιφάνειας, η ταχύτητα του ρευστού ακριβώς πάνω στην επιφάνεια είναι μηδενική σύμφωνα με την αρχή της μη ολίσθησης (V x=0, για y=0). Αυτή είναι η βασική διαφορά ενός πραγματικού ρευστού από το ιδανικό, το οποίο μπορεί να ολισθαίνει ελεύθερα γύρω από οποιαδήποτε στερεή επιφάνεια. Δημιουργείται, λοιπόν ένα προφίλ ταχυτήτων στην κατεύθυνση y, το οποίο ονομάζεται οριακό στρώμα (boundary layer). Το πάχος του οριακού στρώματος (δ)ορίζεται ως η απόσταση y δ στην οποία ισχύει V ( y ) 0.99V. Σχήμα 2.11 Προφίλ ταχυτήτων και οριακό στρώμα. Πηγή: ΙΧ. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 31

44 Το πάχος αυτό, παρότι στις περισσότερες περιπτώσεις είναι μικρό σε σχέση με τις διαστάσεις του στερεού σώματος, δημιουργεί σημαντικά αποτελέσματα και αλλοιώνει τη ροή, η οποία διαφοροποιείται σε μεγάλο βαθμό από εκείνη του ιδανικού ρευστού. Κατ αρχήν, μέσω του επιφανειακού στρώματος γίνεται μεταφορά ορμής από το ρευστό στην επιφάνεια (λόγω διατμητικών τάσεων) και ασκείται δύναμη τριβής από το ρευστό στην επιφάνεια, παράλληλη προς την κατεύθυνση της ροής. Επομένως, στο σύστημά μας παρατηρούνται απώλειες ορμής του αέρα κυρίως λόγω τριβών που σύμφωνα με την ανάλυση των Schmidt et al (1984), αναφέρονται ως μείζονες απώλειες. Οι απώλειες ορμής του αέρα που οφείλονται σε βαροβαθμίδες λόγω διαφοράς διατομών μεταξύ εισόδου και εξόδου και σε πιθανή παρουσία αντικειμένων όπως θερμοζεύγη στο εσωτερικό του αεραγωγού αναφέρονται ως ήσσονες απώλειες. Απώλειες ορμής συμβαίνουν επίσης εξαιτίας του ανέμου στην περιοχή κοντά στο σύστημα οι οποίες θεωρούνται αμελητέες. Για συστήματα PV/T-air-natural η ταχύτητα του αέρα στον αεραγωγό εξαρτάται άμεσα από τις καιρικές συνθήκες. Κατά τη λειτουργία του συστήματος, με τους τρόπους που αναλύθηκαν παραπάνω μεταφέρεται θερμότητα στον αέρα που βρίσκεται στο εσωτερικό του αεραγωγού. Η αύξηση της θερμοκρασίας του αέρα έχει σαν αποτέλεσμα τη διαστολή του αέρα και άρα μείωση της πυκνότητας του. Η διαφορά πυκνότητας ανάμεσα στην είσοδο και την έξοδο του καναλιού έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία δυνάμεων ρευστότητας οι οποίες είναι υπεύθυνες για την κίνηση του αέρα. Άρα, όσο μεγαλύτερη η διαφορά θερμοκρασίας εισόδου εξόδου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα ροής του αέρα στον αεραγωγό. Σύμφωνα με την ανάλυση των Brinkworth et al [5], [6], ο νόμος Bernoulli για φυσικό αερισμό έχει τη μορφή: Όπου: fl ( ) sin (44) gl k4 2 DH 2 2 ρ 1, ρ 2 : οι πυκνότητες του αέρα στην είσοδο και την έξοδο αντίστοιχα (kg/m 3 ) θ : η κλίση του συστήματος f : ο συντελεστής τριβής μεταξύ αέρα και τοιχωμάτων του αεραγωγού Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 32

45 Ο συντελεστής τριβών για στρωτή ροή ανάμεσα στις δυο επιφάνειες του αεραγωγού δίνεται από τη σχέση που διατύπωσαν οι Tsuji και Nagano [66]: Gr f (45) Pr Ο όρος ( 1 2) glsin εκφράζει την κινούσα δύναμη του αέρα στον αεραγωγό, ο όρος fl την κινητική ενέργεια στην έξοδο, ο όρος 2 D 2 H τις μείζονες απώλειες λόγω τριβών κατά το μήκος L αεραγωγού και ο όρος k 4 τις ήσσονες απώλειες στην είσοδο 2 του αεραγωγού, με συντελεστή k 4, που στην περίπτωσή μας θεωρείται μηδενικός. Η πυκνότητα σε ορισμένη θερμοκρασία υπολογίζεται βάσει της προσέγγισης Boussinesq και είναι: Όπου T f Tin Tout και 2 T 1 T Tf 1 T f (46) Αντικαθιστώντας την ρ Τ στο νόμο Bernoulli για τον αεραγωγό και λύνοντας ως προς την ταχύτητα του αέρα προκύπτει: fl 2 A ch 2Tout Tin g Lsin (47) DH 1 Tout Tf A 2 Όπου Α ch και Α 2 τα εμβαδά των επιφανειών διατομής του αεραγωγού και της εξόδου αντίστοιχα. Η εξίσωση συνέχειας για τον αεραγωγό είναι: m A A (48) ch Αντικαθιστώντας στην προηγούμενη σχέση προκύπτει η παροχή μάζας του αέρα: 2 fl 2 A ch 2 sin DH 1 Tout Tf A 2 2 m Ach Tout Tin g L 2 1 (49) Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 33

46 O συντελεστή θερμικής απόδοσης είναι: mc T Tin p out th (50) ApvG Αντικαθιστώντας το η th στην προηγούμενη σχέση προκύπτει η τελική έκφραση της παροχής μάζας του αέρα στον αεραγωγό [44]: m 2 2g Ach Apv thglsin 2 C fl Ach / A2 p 2 D H 1 T T out f 1 3 (51) Το παραπάνω θεωρητικό μοντέλο της συσκευής PV/T/air, έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά [45]. Παρουσιάζει ενδιαφέρον η τροποποίηση του παραπάνω θεωρητικού μοντέλου για τις βελτιώσεις που έγιναν στη συγκεκριμένη συσκευή που μελετήθηκε. Αυτό απαιτεί μεγάλο αριθμό πειραμάτων σε διάφορες συνθήκες καθ όλη τη διάρκεια του έτους, πράγμα που δεν είναι δυνατό στα πλαίσια μιας διπλωματικής εργασίας και μπορεί να μελετηθεί στα πλαίσια εκπόνησης διδακτορικής διατριβής. Η παρούσα εργασία περιορίζεται στην πειραματική μελέτη βελτίωσης της ηλεκτρικής και της θερμικής απόδοσης του συγκεκριμένου συστήματος PV/T-air. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 34

47 2.3 Περιγραφή φωτοβολταϊκών/θερμικών συστημάτων Τα συστήματα PV/T συνδυάζουν την ταυτόχρονη μετατροπή ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική και θερμική. Με τη χρήση συστημάτων PV/T επιτυγχάνεται ψύξη του φωτοβολταϊκού, άρα διατήρηση της ηλεκτρικής απόδοσης σε ικανοποιητικά επίπεδα καθώς και απολαβή ωφέλιμης θερμικής ενέργειας. Η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στην αντικατάσταση του απορροφητή ενός θερμικού ηλιακού συλλέκτη από φωτοβολταϊκό. Μέσω ρευστού ή υλικού αλλαγής φάσης (PCM), απάγεται θερμική ενέργεια από το φωτοβολταϊκό με σκοπό τη χρήση της όπου απαιτείται, ανάλογα με την εφαρμογή. Τα συστήματα PV/T κατηγοριοποιούνται ανάλογα με το ρευστό απολαβής θερμότητας σε δύο κύριες κατηγορίες: PV/T-water και PV/T-air. Τα συστήματα αυτά μπορούν να είναι είτε φυσικής είτε εξαναγκασμένης ροής αν χρησιμοποιείται αντλία για την κυκλοφορία του ρευστού ή επιτυγχάνεται θερμοσιφωνική ροή λόγω διαφοράς πυκνότητας στο θερμαινόμενο ρευστό αντίστοιχα Συστήματα PV/T-water Εάν χρησιμοποιείται νερό για την απολαβή θερμότητας, τότε έχουμε σύστημα PV/T-water. Σε θερμική επαφή με τον απορροφητή βρίσκονται συνήθως αγωγοί μέσα στους οποίους κυκλοφορεί νερό απάγοντας θερμότητα από τον απορροφητή/ φωτοβολταϊκό. Το πίσω μέρος του συστήματος καθώς και τα πλαϊνά είναι θερμικά μονωμένα για να ελαχιστοποιούνται οι θερμικές απώλειες προς το περιβάλλον. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η τομή συστήματος PV/T-water: Σχήμα 2.12 PV/T-water. Πηγή: [62] Βελτίωση της θερμικής απόδοσης του παραπάνω συστήματος γίνεται με την προσθήκη γυάλινου καλύμματος πάνω από το συλλέκτη όπως στο παρακάτω σχήμα: Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 35

48 Σχήμα 2.13 PV/T-water με γυάλινο κάλυμα. Πηγή: [62] Με τον τρόπο αυτό μειώνονται σημαντικά οι θερμικές απώλειες λόγω μεταφοράς και ακτινοβολίας από τον συλλέκτη προς το περιβάλλον αλλά μειώνεται η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτόν, επηρεάζοντας αρνητικά την ηλεκτρική απόδοση του φωτοβολταϊκού Συστήματα PV/T- air Εάν η θερμότητα απάγεται από τον συλλέκτη μέσω κυκλοφορίας αέρα, έχουμε σύστημα τύπου PV/T- air στον οποίο επικεντρώνεται και η παρούσα εργασία. Στον συγκεκριμένο τύπο συστήματος, πίσω από τον συλλέκτη βρίσκεται κατάλληλα διαμορφωμένος αγωγός, μέσα στον οποίο κυκλοφορεί αέρας, απάγοντας θερμότητα από το συλλέκτη. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η τομή του συστήματος PV/T- air: Σχήμα 2.14 Σύστημα PV/T-air χωρίς κάλυμμα Πηγή: [60] Όπως και στα συστήματα PV/T-water, είναι δυνατή η προσθήκη γυάλινου καλύμματος πάνω από το συλλέκτη, με τη διαφορά ότι ο αέρας μπορεί να κυκλοφορεί πίσω ή μπροστά από το συλλέκτη. Με την προσθήκη γυάλινου καλύμματος ελαχιστοποιούνται οι θερμικές απώλειες από την επιφάνεια του συλλέκτη στο περιβάλλον λόγω μεταφοράς. Σχήμα 2.15 PV/T-air με γυάλινο κάλυμα Πηγή: [60] Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 36

49 Εάν η κυκλοφορία του αέρα γίνεται με φυσική ροή, το σύστημα είναι τύπου PV/T-air natural flow, ενώ αν γίνεται χρησιμοποιώντας αεραντλία ή ανεμιστήρα είναι τύπου PV/T-air forced flow, όπως και το σύστημα που μελετάται στην παρούσα εργασία. Ο θερμός αέρας μπορεί να διοχετευθεί απευθείας στο χώρο που απαιτείται, ή σε αποθήκη θερμότητας κλπ ανάλογα με την εφαρμογή. Η θερμική λειτουργία του συστήματος παρουσιάζεται εν συντομία στην επόμενη παράγραφο. Ένα μέρος της ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό συλλέκτη έχει ως αποτέλεσμα τη θέρμανση της επιφάνειας του. Μέρος αυτής της θερμότητας άγεται στον αεραγωγό και μέρος της στον αέρα με μεταφορά και ακτινοβολία. Επίσης, η πίσω επιφάνεια του συλλέκτη θερμαίνει την απέναντί της εσωτερική επιφάνεια του αεραγωγού με ακτινοβολία. Ο αεραγωγός αποδίδει θερμότητα στον αέρα με μεταφορά. Οι θερμικές απώλειες του συστήματος οφείλονται στο (μικρότερο) μέρος της θερμότητας που ρέει προς το περιβάλλον με αγωγή μέσω του μονωτικού υλικού που περιβάλλει το σύστημα. Με τις παραπάνω διαδικασίες επιτυγχάνεται η θέρμανση του αέρα και χάρη στην κυκλοφορία του η θερμοκρασία εξόδου είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία εισόδου και άρα έχουμε θερμικό κέρδος. Οι κυριότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμική απόδοση του συστήματος είναι ο τύπος της ροής (φυσική- εξαναγκασμένη), οι διαστάσεις του αεραγωγού και η παροχή του αέρα. Τα συστήματα PV/T-air natural προσφέρουν μια χαμηλότερου κόστους λύση, αλλά συνήθως χαμηλότερης θερμικής απόδοσης. Τα συστήματα PV/T-air forced είναι συνήθως αποδοτικότερα θερμικά αλλά η απολαβή θερμικής ενέργειας είναι μικρότερη, καθώς απαιτείται δαπάνη ηλεκτρικής ενέργειας για τη λειτουργία της αεραντλίας ή του ανεμιστήρα. Για μικρή διατομή αεραγωγού, απαιτείται μεγαλύτερη ταχύτητα ροής αέρα για να διατηρηθεί η θερμική απόδοση σε ικανοποιητικά επίπεδα. Για να επιτευχθεί κάτι τέτοιο, πρέπει να αυξηθεί η διαφορά πίεσης ανάμεσα στην είσοδο και την έξοδο του αεραγωγό, με άμεση συνέπεια την αύξηση στην κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από την αεραντλία, που συνεπάγεται μείωση της απολαβής ηλεκτρικής ενέργειας. Προκειμένου να εκτιμηθεί σωστά το ενεργειακό κέρδος ενός συστήματος PV/T-air forced είναι απαραίτητο να συνυπολογίσουμε την ηλεκτρική ενέργεια που καταναλώνεται για τη λειτουργία του συστήματος. Η ηλεκτρική ισχύς που παράγεται από το φωτοβολταϊκό συλλέκτη εξαρτάται από τη θερμοκρασία λειτουργίας για δεδομένη ένταση ηλιακής ακτινοβολίας, θερμοκρασία περιβάλλοντος και ταχύτητα ανέμου. Όσο χαμηλότερη η θερμοκρασία του φωτοβολταϊκού, Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 37

50 τόσο μεγαλύτερη η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς. Για να διατηρηθεί η θερμοκρασία του αέρα χαμηλότερη από το φωτοβολταϊκό, απαιτείται μεγαλύτερη ταχύτητα ροής αέρα. Αποτέλεσμα αυτού είναι η μείωση της θερμικής απολαβής του συστήματος, αφού η θερμοκρασία εξόδου είναι μικρότερη. Τέτοια συστήματα κρίνονται κατάλληλα για εφαρμογές που δεν απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες, όπως θέρμανση/προθέρμανση χώρων, πισίνας ή ξήρανση αγροτικών προϊόντων. Αντίθετα, αν απαιτούνται υψηλότερες θερμοκρασίες, το σύστημα είναι προτιμότερο να λειτουργεί έτσι ώστε το θερμικό κέρδος να είναι μεγαλύτερο. Τα πλεονεκτήματα των συστημάτων PV/T-air έναντι των PV/T-water Χαμηλό κόστος κατασκευής και συντήρησης Δεν υπάρχουν προβλήματα υδατοστεγανότητας /υγρασίας Χρήση του αέρα απευθείας για θέρμανση χώρου Δυνατότητα δροσισμού χώρου Ταυτόχρονος αερισμός θερμαινόμενου/δροσιζόμενου χώρου Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 38

51 2.4 Τεχνικές βελτίωσης συστημάτων PV/T-air Κατά τη διάρκεια της πολυετούς ερευνητικής προσπάθειας του Εργαστηρίου Ηλιακής Ενέργειας του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών έχουν μελετηθεί πειραματικά τεχνικές βελτίωσης απόδοσης συστημάτων PV/T και έχουν δημοσιευθεί σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά, ορισμένες από αυτές μπορούν να εφαρμοστούν στο PV/T σύστημα που μελετάται στην παρούσα διπλωματική και παρουσιάζονται στις επόμενες παραγράφους. Τη δεκαετία του 70, όταν αναπτύχθηκαν τα πρώτα συστήματα PV/T, το κόστος των φωτοβολταϊκών ήταν πολύ υψηλότερο απ ότι σήμερα, οπότε το κόστος των τεχνικών βελτίωσης απόδοσης ήταν πολύ μικρότερο από το συνολικό κόστος του συστήματος. Υπό αυτές τις συνθήκες, η επένδυση σε μια τεχνική βελτίωσης για παράδειγμα της τάξης του 10% επί του συνολικού κόστους της συσκευής που μπορεί να αυξήσει τη θερμική απόδοση κατά περίπου 20% οδηγεί σε μεγαλύτερη απολαβή θερμικής ενέργειας, οπότε γίνεται απόσβεση κεφαλαίου ταχύτερα και η επένδυση κρίνεται συμφέρουσα. Σήμερα όμως, χάρη στην πρόοδο της τεχνολογίας και τη μαζικότερη παραγωγή φωτοβολταϊκών πλαισίων, η τιμή των ΦΒ είναι πολύ χαμηλότερη, οπότε το κόστος των συμβατικών τεχνικών βελτίωσης αποτελεί πλέον σημαντικό μέρος του συνολικού κόστους του συστήματος. Για το λόγο αυτό, προέκυψε η ιδέα των τεχνικών βελτίωσης χαμηλού κόστους (low cost). Για παράδειγμα, αν σε ένα σύστημα PV/T-water χρησιμοποιηθούν αγωγοί από πλαστικό υλικό, το κόστος του συστήματος συλλογής θερμικής ενέργειας είναι αμελητέο σε σχέση με το κόστος του ΦΒ πλαισίου, ενώ αν χρησιμοποιηθούν χάλκινοι αγωγοί, το κόστος τους είναι υπολογίσιμο. Προφανώς, η θερμική αγωγιμότητα του χαλκού είναι μεγαλύτερη από οποιουδήποτε πλαστικού, άρα ένα σύστημα PV/T-water με χάλκινους αγωγούς είναι αποδοτικότερο από το αντίστοιχο με πλαστικούς, όμως, το κατά πολύ χαμηλότερο κόστος των πλαστικών αγωγών αποσβαίνεται ταχύτερα. Το γεγονός αυτό κάνει την επένδυση σε ένα low cost σύστημα PV/T ή σε μία low cost τεχνική βελτίωσης πιο συμφέρουσα και αξίζει να μελετηθεί. Παρακάτω περιγράφονται συνοπτικά τεχνικές βελτίωσης χαμηλού κόστους που έχουν προταθεί και μελετηθεί από το Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας, ορισμένες από τις οποίες μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία Προσθήκη διάχυτου ανακλαστήρα Όπως αναφέρθηκε στο κεφ. 2.4, και σύμφωνα με δημοσιευμένες εργασίες [46], [60], [62], η προσθήκη γυάλινου καλύμματος πάνω από τον ΦΒ συλλέκτη ενός ΦΒ/Θ συστήματος οδηγεί σε βελτίωση της θερμικής απόδοσης κατά περίπου 20%. Η τεχνική αυτή, όμως έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση της ηλεκτρικής απόδοσης, καθώς μειώνεται η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του ΦΒ λόγω ανάκλασης στην Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 39

52 επιφάνεια του γυαλιού. Επίσης, με την προσθήκη γυάλινου καλύμματος, αυξάνεται η θερμοκρασία λειτουργίας του ΦΒ, γεγονός που οδηγεί σε περαιτέρω μείωση της ηλεκτρικής απόδοσης. Προκειμένου να αντισταθμιστούν τα αρνητικά αποτελέσματα του γυάλινου καλύμματος και να διατηρηθεί η ηλεκτρική απόδοση σε ικανοποιητικά επίπεδα μελετήθηκε η ιδέα της προσθήκης ανακλαστήρα [50], με στόχο την αύξηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στο ΦΒ. Η αρχή λειτουργίας του διάχυτου ανακλαστήρα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.16 Αρχή λειτουργίας διάχυτου ανακλαστήρα σε PV/T. Πηγή: [50] Ένα παράδειγμα της παραπάνω βελτίωσης που έχει προταθεί από το Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.17 Ανακλαστήρες (REF) σε PV/T συστοιχία Πηγή: [50] Τα φωτοβολταϊκά, όταν εγκαθίστανται σε συστοιχίες σε οριζόντιες επιφάνειες όπως οροφές κτιρίων ή στο έδαφος, αυτές είναι απαραίτητο να απέχουν μεταξύ τους ορισμένη απόσταση ώστε να μην σκιάζει η μία σειρά την άλλη. Έτσι, ανάμεσα στις συστοιχίες υπάρχει χώρος ο οποίος δεν επαρκεί για τοποθέτηση εξοπλισμού ή άλλη. Η τοποθέτηση διάχυτου ενισχυτικού ανακλαστήρα (Booster Diffuse Reflector) που προτείνεται μπορεί ταυτόχρονα να βοηθήσει στην καλύτερη αξιοποίηση του χώρου μεταξύ των συστοιχιών PV/T. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 40

53 2.4.2 Βελτιώσεις αεραγωγού Οι τεχνικές βελτίωσης της θερμικής απόδοσης των συστημάτων PV/T-air στηρίζονται κυρίως στην αύξηση της επιφάνειας εναλλαγής θερμότητας μεταξύ του συστήματος και του αέρα. Οι σημαντικότερες από αυτές παρουσιάζονται συνοπτικά παρακάτω. Μια τεχνική βελτίωσης απόδοσης που έχει μελετηθεί από το Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας [60] είναι η προσθήκη λεπτού μεταλλικού φύλλου (Thin Metallic Sheet - TMS) στο μέσο του αεραγωγού όπως στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.18 Προσθήκη TMS. Πηγή: [60] Ικανοποιητικά πειραματικά αποτελέσματα έδωσε η τροποποίηση της προηγούμενης τεχνικής με προσθήκη μεταλλικού φύλλου τραπεζοειδούς διατομής (Corrugated Sheet CS) στο μέσο του αεραγωγού όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.19 Προσθήκη CS. Πηγή: [60] Μια διαφορετική τεχνική βελτίωσης αποτελεί η προσθήκη μεταλλικών πτερυγίων (FIN) ή αυλακώσεων κάθετων στην πίσω επιφάνεια του αεραγωγού όπως στα παρακάτω σχήματα: Σχήμα 2.20 Προσθήκη FIN. Πηγή: [60] Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 41

54 Σχήμα 2.21 Προσθήκη RIBS. Πηγή: [60] Στο Εργαστήριο Ηλιακής Ενέργειας έχει μελετηθεί επίσης η προσθήκη μεταλλικών σωλήνων (TUBES) στο εσωτερικό του αεραγωγού όπως στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 2.22 Προσθήκη σωλήνων. Πηγή: [60] Σε όλες τις παραπάνω βελτιώσεις στον αεραγωγό πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι παρόλο που αυξάνεται η επιφάνεια εναλλαγής θερμότητας μεταξύ των τοιχωμάτων του αεραγωγού και του αέρα, αυξάνεται και η τριβή, επομένως μειώνεται η ταχύτητα του αέρα εντός του αεραγωγού. Επομένως, αν η βελτίωση αφορά σύστημα PV/T-air natural συνήθως απαιτούνται κατάλληλες τροποποιήσεις για να διατηρηθεί η ταχύτητα του αέρα σε ικανοποιητικά επίπεδα όπως αύξηση της διατομής του αεραγωγού ή αύξηση του μήκους της συσκευής αν αυτό είναι δυνατό. Αν πρόκειται για σύστημα PV/T-air forced το πρόβλημα αντιμετωπίζεται συνήθως με αύξηση της ισχύος της αεραντλίας. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 42

55 3 Εφαρμογές PV/T 3.1 Εφαρμογές στον κτιριακό τομέα Συνδυασμός με αντλία θερμότητας Για κλιματικές συνθήκες όπως της χώρας μας, όπου οι ανάγκες για θέρμανση και δροσισμό χώρων δεν είναι ιδιαίτερα απαιτητικές, οι αντλίες θερμότητας προσφέρουν μια ενεργειακά αποδοτικότερη εναλλακτική έναντι των καυστήρων και των καθιερωμένων κλιματιστικών διαιρούμενου τύπου (split systems). Κατά την λειτουργία ψύξης, μέσω του ψυκτικού κύκλου συμπίεσης ατμών, μεταφέρεται θερμότητα από την ψυχρή δεξαμενή (εσωτερικός χώρος) στην θερμή (εξωτερικός χώρος). Κατά τη λειτουργία θέρμανσης, με αναστροφή του ψυκτικού κύκλου μεταφέρουν θερμότητα από τον ψυχρή δεξαμενή (εξωτερικός χώρος) στη θερμή δεξαμενή (εσωτερικός χώρος). Επειδή και στις δύο παραπάνω διαδικασίες, δεν έχουμε φυσική ροή θερμότητας, αλλά αντίθετη, απαιτείται δαπάνη ηλεκτρικής ενέργειας. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι μια τυπική αντλία θερμότητας καταναλώνοντας μια ηλεκτρική κιλοβατώρα αποδίδει 3 έως 5 θερμικές κιλοβατώρες ανάλογα με τον συντελεστή απόδοσης της (Coefficient Of Performance - COP). Ψυκτικός κύκλος συμπίεσης ατμών Ο ψυκτικός κύκλος συμπίεσης ατμών, κατά τον οποίο το ψυκτικό μέσο υποβάλλεται σε αλλαγές φάσης, είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος κλιματισμού σε κτίρια, οχήματα, σε αρκετά οικιακά ψυγεία καθώς και σε μεγαλύτερα εμπορικά και βιομηχανικά συστήματα ψύξης. Μία ψυκτική διάταξη που λειτουργεί με συμπίεση ατμών αποτελείται από τα εξής βασικά στοιχεία: το συμπιεστή, το συμπυκνωτή, τον ατμοποιητή, και τη στραγγαλιστική/ εκτονωτική διάταξη, και είναι δομημένα όπως στο παρακάτω ενδεικτικό διάγραμμα. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 43

56 Σχήμα 3.1 Ψυκτικός κύκλος συμπίεσης ατμών. Πηγή: (10) Συνοπτικά οι διεργασίες στις οποίες υποβάλλεται το ψυκτικό μέσο στα βασικά δομικά στοιχεία της ψυκτικής διάταξης έχουν ως εξής: Ο συμπιεστής αντλεί από τον ατμοποιητή ψυκτικό αέριο που έχει χαμηλή πίεση και θερμοκρασία, το συμπιέζει με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του και το ωθεί προς το συμπυκνωτή. Το ψυκτικό μέσο σε μορφή υπέρθερμου ατμού υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας εισέρχεται στον συμπυκνωτή όπου αποβάλλει θερμότητα στο περιβάλλον οπότε υγροποιείται υπό σταθερή πίεση. Στη στραγγαλιστική βαλβίδα μειώνεται η πίεση του ψυκτικού χωρίς την παραγωγή έργου (ισενθαλπικά), με αποτέλεσμα το ψυκτικό να εισέλθει στον ατμοποιητή σε κατάσταση υγρή και αέρια υπό χαμηλή πίεση. Στον ατμοποιητή το υγρό απορροφά θερμότητα από το περιβάλλον και ατμοποιείται υπό σταθερή πίεση και θερμοκρασία. Από εκεί το αέριο πηγαίνει και πάλι προς τον συμπιεστή Συνδυασμός με αποθήκη θερμότητας Η λειτουργία των συστημάτων PVT εξαρτάται άμεσα από την ηλιακή ακτινοβολία, επομένως η απολαβή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας παρουσιάζει μέγιστο και ελάχιστο κατά τη διάρκεια της ημέρας. Για την εξομάλυνση και τον έλεγχο της παροχής θερμότητας, τα Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 44

57 συστήματα PVT και ειδικότερα τα PVT-air συνδυάζονται με αποθήκες θερμότητας (Thermal Storage) και υλικά αλλαγής φάσης. Υλικά αλλαγής φάσης (Phase Change Materials PCMs) ονομάζονται τα υλικά που προσφέρονται για αξιοποίηση της λανθάνουσας θερμότητας που αποθηκεύουν ή αποδίδουν κατά την αλλαγή φάσης τους από στερεή σε υγρή ή από υγρή σε αέρια και αντίστροφα. Τα PCMs, ως μέσον αύξησης της ικανότητας αποθήκευσης θερμικής ενέργειας, εφαρμόζονται στα κτίρια στους τοίχους, τα δάπεδα, τις οροφές, ακόμη και στα κουφώματα. Επίσης, χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρομηχανολογικά συστήματα που υποστηρίζουν τις λειτουργίες κτιρίων (θέρμανση, κλιματισμός, ζεστό νερό). Εφαρμογές στον αγροτοβιομηχανικό τομέα Ηλιακή ξήρανση Ξήρανση αγροτικών προϊόντων Οι απώλειες αγροτικών προϊόντων μετά τη σοδειά εκτιμώνται περίπου στο 30-40% της συνολικής παραγωγής. Οι απώλειες αυτές μειώνονται δραστικά με τη χρήση καλά σχεδιασμένων συστημάτων ξήρανσης. Η ξήρανση παρουσιάζει ενδιαφέρον για τον αγροτοβιομηχανικό τομέα, καθώς το τελικό προϊόν συντηρείται για πολύ μεγαλύτερο χρόνο απ ότι το αρχικό νωπό, έχει μικρότερη μάζα, μεγαλύτερη πυκνότητα αλλά και μικρότερο όγκο ανά τεμάχιο, οπότε αποθηκεύεται και μεταφέρεται ευκολότερα και φθηνότερα. Στη χώρα μας, αρκετές βιομηχανίες επεξεργασίας τροφίμων παράγουν ξηρά προϊόντα, καθώς διευκολύνεται σημαντικά η μεταφορά και αποθήκευση των τροφίμων ενώ προστίθεται ωφέλιμη υπεραξία στο προϊόν. Η ηλιακή ξήρανση είναι μια από τις αρχαιότερες εφαρμογές ηλιακής ενέργειας. Η ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιείται από την απαρχή του κόσμου κυρίως για συντήρηση τροφίμων, αλλά και για ξήρανση χρήσιμων υλικών, όπως ενδυμάτων και δομικών υλικών κ.α. Η πρώτη εγκατάσταση ηλιακής ξήρανσης έχει βρεθεί στη Νότια Γαλλία και χρονολογείται περίπου στο 8000 πχ. Η ηλιακή ενέργεια ήταν η μόνη μορφή διαθέσιμης ενέργειας στην ανθρωπότητα προτού να διαδοθεί η χρήση ξύλου και βιομάζας ως καύσιμης ύλης. Ακόμα και σήμερα, σε Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 45

58 απομακρυσμένες μικρές κοινότητες, σε αναπτυσσόμενες χώρες, αλλά και σε αρκετές δυτικές χώρες, συμπεριλαμβανομένης και της χώρας μας, οι άνθρωποι εκμεταλλεύονται την ηλιακή ακτινοβολία για την ξήρανση τόσο μικρών ποσοτήτων για ιδιοχρησιμοποίηση όσο μεγαλύτερων ποσοτήτων στην αγροτοβιομηχανία. Η ηλιακή ξήρανση δεν έχει εμπορευματοποιηθεί ευρέως ακόμα. Η κατασκευή ηλιακών ξηραντηρίων βασίζεται κυρίως σε εμπειρικά δεδομένα παρά σε θεωρητικές μελέτες. Η πλειοψηφία των ηλιακών ξηραντηρίων που είναι διαθέσιμα στο εμπόριο προορίζονται για ξήρανση αγροτικών προϊόντων είτε για νοικοκυριά είτε για μικρές βιοτεχνίες επεξεργασίας τροφίμων. Τα ηλιακά ξηραντήρια μπορούν να κατηγοριοποιηθούν όπως στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 3.2 Κατηγοριοποίηση ηλιακών ξηραντηρίων. Πηγή: (4) Τα συστήματα PV/T-air ενδείκνυνται για εφαρμογή τόσο σε παθητικά ξηραντήρια όσο και σε ξηραντήρια εξαναγκασμένης ροής ως αυτόνομα συστήματα, παρέχοντας την ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία της αεραντλίας τους. Επειδή στα συστήματα PV/Tair η θερμοκρασία εξόδου του αέρα δεν μπορεί να πάρει τόσο υψηλές τιμές όσο στα ηλιακά θερμικά συστήματα, τα καθιστά κατάλληλα για ξήρανση προϊόντων που δεν απαιτούν σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Το 2008 στο 2nd WSEAS/IASME International Conference on RENEWABLE ENERGY SOURCES (RES'08) Corfu, Greece οι Sopian et al (22) παρουσίασαν εργασία τους όπου συστήματα PV/T αέρα για ξήρανση μελετήθηκαν πειραματικά σε πραγματικές συνθήκες. Το τελικό προϊόν των δοκιμών ήταν υψηλής ποιότητας. Ο ξηραντήρας μπορεί να κατασκευαστεί με απλά εργαλεία και λίγη εργασία. Η λειτουργία και η συντήρηση του συστήματος είναι σχετικά εύκολη και Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 46

59 μπορεί να γίνει από ανειδίκευτο προσωπικό. Η θερμική απόδοση του συστήματος προκειμένου να θερμανθεί ο αέρας που θα ξηράνει τα προϊόντα είναι ικανοποιητική. Η ποιότητα, το χρώμα και η γεύση των τελικών προϊόντων είναι αξιοσημείωτα καλύτερα από ότι των προϊόντων που ξηραίνονται με απευθείας έκθεση στην ηλιακή ακτινοβολία, καθώς καθ όλη τη διαδικασία προστατεύεται από τη βροχή, σκόνη, έντομα κλπ. Η τροφοδοσία των ανεμιστήρων που απαιτούνται για τη ροή του αέρα από το φωτοβολταϊκό απορροφητή καθιστά τη λειτουργία του συστήματος δυνατή ακόμα και εκτός δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας Ξήρανση ξυλείας Το ξύλο, ως βιολογικό προϊόν, περικλείει μεγάλες ποσότητες νερού, υπό υγρή μορφή και υδρατμών στις κυτταρικές κοιλότητες και στα κυτταρικά τοιχώματα. Το νερό αποτελεί από 30% έως 300% της ξηρής μάζας του ξύλου ανάλογα με το είδος, την εποχή κλπ. Για να είναι δυνατή η χρήση του ξύλου είτε ως δομικό υλικό είτε ως καύσιμο είναι απαραίτητη η ξήρανσή του. Πλεονεκτήματα ξήρανσης ξυλείας: Μείωση βάρους, άρα διευκόλυνση χειρισμού και μεταφοράς, Ευκολότερη κατεργασία Αύξηση αντοχής σε μηχανική καταπόνηση, πιο προβλέψιμη συμπεριφορά Αντισηψία- ελαχιστοποίηση μυκήτων για υγρασία κάτω από 20%. Όταν η ξήρανση γίνεται σε θερμοκρασία άνω των 50 C επιτυγχάνεται ταυτόχρονα πλήρης αποστείρωση και απεντόμωση της ξυλείας. Μειονεκτήματα ξήρανσης ξυλείας: Χρονοβόρα διαδικασία Δεσμεύονται κεφαλαία και χώροι Αυξάνονται τα εργατικά Κόστος αγοράς, λειτουργίας και συντήρησης εξοπλισμού και εγκαταστάσεων Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 47

60 Η ξήρανση της ξυλείας πραγματοποιείται είτε φυσικά σε εξωτερικό χώρο είτε τεχνητά σε ειδικά διαμορφωμένους θαλάμους υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Οι σύγχρονοι θάλαμοι είναι κατασκευασμένοι συνήθως από μονωμένα πλαίσια αλουμινίου. Η θερμοκρασία αυξάνεται με την καύση πετρελαίου ή υπολειμμάτων ξύλου. Η υγρασία ελέγχεται με συστήματα ψεκασμού νερού στο χώρο και μέσω του συστήματος εξαερισμού όπου χρησιμοποιούνται ανεμιστήρες για την κυκλοφορία του αέρα. Η παραπάνω μέθοδος χρησιμοποιείται πάνω από 100 χρόνια και παρά τις τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα, εξακολουθεί να είναι η πιο συνηθισμένη. Άλλες μέθοδοι τεχνητής ξήρανσης, με ελάχιστη ή και καθόλου διάδοση στη χώρα μας, κυριότερες από τις οποίες είναι η αφύγρανση, η ξήρανση σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, η ξήρανση σε κενό, η ξήρανση με υψίσυχνα ρεύματα, η ξήρανση με υψίσυχνα και κενό κ.α. Όλες απαιτούν χρήση ηλεκτρικής ενέργειας. Η συμβατική μέθοδος μπορεί να αξιοποιήσει την ηλιακή ενέργεια με σημαντικά ωφέλη. Έχει δοκιμαστεί επιτυχώς στην Ελλάδα, στο Ινστιτούτο Μεσογειακών Δασικών Οικοσυστημάτων & Τεχνολογίας Δασικών Προϊόντων (ΙΜΔΟ & ΤΔΠ). Χρησιμοποιήθηκαν ηλιακοί θερμικοί συλλέκτες αέρα σε συνδυασμό με αποθήκη θερμότητας για να είναι δυνατή η παροχή θερμότητας και κατά τη διάρκεια της νύχτας και να είναι πιο εύκολα ελέγξιμη η ροή θερμότητας στο χώρο ξήρανσης. Μετά από συγκριτική μελέτη φυσικής ξήρανσης σε ανοικτό χώρο και συμβατικής τεχνητής ξήρανσης διαπιστώθηκε ότι: Η ηλιακή ξήρανση είναι 2 έως 10 φορές ταχύτερη της φυσικής ξήρανσης σε ανοικτό χώρο. Η υπεροχή αυτή είναι μεγαλύτερη το χειμώνα από ότι καλοκαίρι. Η ηλιακή ξήρανση είναι 1,4 έως 4,5 φορές βραδύτερη της συμβατικής τεχνητής. Οι χρονικές διαφορές ήταν μικρότερες τους καλοκαιρινούς μήνες. Με ηλιακή ξήρανση επιτυγχάνονται χαμηλότερες τιμές σχετικής υγρασίας στο τελικό προϊόν ειδικά αν πρόκειται για είδος που ξηραίνεται γενικά δύσκολα. Η θερμοκρασία στο ηλιακό ξηραντήριο ήταν κατά μέσο όρο 20,4 C μεγαλύτερη από του περιβάλλοντος. Η ηλιακή ξήρανση, με κατάλληλο σύστημα ελέγχου δίνει ποιοτικά καλύτερο ποιοτικά ξήρανσης, απ ότι στη φυσική ξήρανση. Το σύστημα ελέγχου υγρασίας του θαλάμου Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 48

61 βοηθά στη διόρθωση προβλημάτων που δημιουργούνται λόγω βεβιασμένης ξήρανσης, όπως ακριβώς και στη συμβατική μέθοδο. Οι θερμικές απαιτήσεις των ηλιακών ξηραντηρίων μπορούν να καλυφθούν από συστήματα PV/T-air ή από συνδυασμό τους με ηλιακούς θερμικούς συλλέκτες. Δεδομένου όμως ότι τα PV/T παρέχουν και ηλεκτρική ενέργεια, ιδιαίτερα χρήσιμη για την εγκατάσταση, ειδικότερα σε περιοχές εκτός δικτύου ηλεκτροδότησης. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 49

62 4 Πειραματική διαδικασία 4.1 Πειραματική συσκευή Φωτοβολταϊκό πλαίσιο Χρησιμοποιήθηκε φωτοβολταϊκό πλαίσιο πολυκρυσταλικού πυριτίου p-si ενεργού συλλεκτικής επιφάνειας 0.4 m 2. Προκειμένου να είναι δυνατός ο προσανατολισμός του φωτοβολαικού στον ήλιο καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας, το φωτοβολταϊκό τοποθετήθηκε σε κυλιόμενη μεταλλική βάση. Η κλίση της μεταλλικής βάσης ήταν η βέλτιστη για την περιοχή της Πάτρας και για το χρονικό διάστημα κατά το οποίο πραγματοποιήθηκαν οι μετρήσεις, δηλαδή για τους θερινούς μήνες του Εικόνα 4.1 φωτοβολταϊκό πλαίσιο Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 50

63 Αεραγωγός Η συσκευή που μελετήθηκε μπορεί να λειτουργήσει είτε με αέρα είτε με νερό. Πίσω από το φωτοβολταϊκό βρίσκεται κύκλωμα αγωγού από PVC μέσα από τον οποίο μπορεί να διοχετευτεί νερό, ώστε η συσκευή να λειτουργήσει ως PV/T-water. Ο κενός χώρος που δημιουργείται ανάμεσα στους υδραγωγούς, το φωτοβολταϊκό και τη μόνωση χρησιμεύει ως αεραγωγός. Το στόμιο εισαγωγής αέρα βρίσκεται στο κάτω δεξιά μέρος της συσκευής όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα: Εικόνα 4.2 Σύστημα PV/T- air Η συσκευή περιβάλλεται στις πλευρικές επιφάνειες και στο πίσω μέρος από θερμομονωτικό υλικό. Όπου είναι απαραίτητο έχει τοποθετηθεί αυτοκόλλητη ταινία αλουμινίου ώστε ο αέρας να εισέρχεται μόνο από το στόμιο εισαγωγής και να ελαχιστοποιηθεί ανεπιθύμητη εισαγωγή αέρα στο εσωτερικό του συστήματος από άλλα σημεία. Επίσης, η υψηλή ανακλαστικότητα της ταινίας αλουμινίου συμβάλλει στην ελαχιστοποίηση των θερμικών απωλειών λόγω ακτινοβολίας. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 51

64 Αεραντλία Χρησιμοποιήθηκε αεραντλία με σύγχρονο ηλεκτροκινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος ισχύος 2kW η οποία φαίνεται στην παρακάτω εικόνα μαζί με το σύστημα ρύθμισης/ μέτρησης της παροχής αέρα. Εικόνα 4.3 Αεραντλία και σύστημα ρύθμισης παροχής αέρα Η αεραντλία συνδέεται με το σύστημα PV/T-air με εύκαμπτο αεραγωγό από πλαστικό υλικό. Η εισαγωγή αέρα γίνεται από το κάτω μέρος της συσκευής και η εξαγωγή από το πάνω μέρος όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα: Εικόνα 4.4 Σύστημα PV/T-air συνδεδεμένο στην αεραντλία Στην προηγούμενη εικόνα το σύστημα έχει τεθεί σε λειτουργία κλειστού κυκλώματος αέρα. Λόγω της έλλειψης μηχανισμού ψύξης της αεραντλίας κατά τη λειτουργία της, Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 52

65 παρατηρήθηκε θερμοκρασία εισόδου αέρα μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Κάτι τέτοιο θα είχε αντίθετα αποτελέσματα από τα επιδιωκόμενα, δηλαδή θέρμανση του ΦΒ αντί για ψύξη. Για το λόγο αυτό τα πειράματα εκτελέστηκαν με διάταξη ανοικτού κυκλώματος αέρα οπότε η θερμοκρασία εισόδου στο σύστημα ήταν ίση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 53

66 4.2 Όργανα μετρήσεων Μέτρηση/ρύθμιση παροχής αέρα Πάνω στην αεραντλία είναι προσαρμοσμένο ένα ροόμετρο και δύο στρόφιγγες (για χονδρική και λεπτή ρύθμιση). Οι στρόφιγγες είναι συνδεδεμένες με αεραγωγό από εύκαμπτο πλαστικό ανάμεσα στην έξοδο του αέρα από το PV/T και την αεραντλία. Η μέτρηση της ροής του αέρα στο κύκλωμα γίνεται με ροόμετρο στήλης με πλωτήρα (ροτάμετρο). Αποτελείται από διάφανη κατακόρυφη στήλη της οποίας η διατομή αυξάνει καθ ύψος. Μέσα στην κωνική στήλη βρίσκεται πλαστικός πλωτήρας κωνικού σχήματος με την κορυφή προς τα κάτω, που μπορεί να κινείται καθ ύψος της στήλης. Ο αέρας διοχετεύεται από το κάτω μέρος της στήλης προς το πάνω και διέρχεται γύρω από τον πλωτήρα. Εικόνα 4.5 Τομή ροτάμετρου και δυνάμεις στον πλωτήρα. Πηγή: (29) Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται νερό ως θερμοαπαγωγό ρευστό, η ροή μετράται με βαθμονομημένο δοχείο όγκου 4L και χρονόμετρο. Για τους υπολογισμούς γίνεται μετατροπή σε Kg/s. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 54

67 4.2.2 Μέτρηση θερμοκρασίας Θερμοζεύγη Για τη μέτρηση των θερμοκρασιών χρησιμοποιήθηκαν θερμοζεύγη χαλκού- κωνσταντάνης (Cu- CuNi) τοποθετημένα στις θέσεις που φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 4.1 Τομή πειραματικής συσκευής Τα θερμοζεύγη τοποθετήθηκαν στις εξής θέσεις: Στην μπροστινή επιφάνεια του φωτοβολταϊκού Στην πίσω επιφάνεια του φωτοβολταϊκού Στο μέσο του αεραγωγού Στο στόμιο εισαγωγής αέρα Στο στόμιο εξαγωγής του αέρα Στην επιφάνεια των αγωγών PVC Στο στόμιο εισαγωγής νερού Στο στόμιο εξαγωγής νερού Στο εσωτερικό των αγωγών PVC Στην επιφάνεια του αεραγωγού απέναντι από το φωτοβολταϊκό Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 55

68 Ψηφιακό Θερμόμετρο Λόγω του μεγάλου αριθμού θερμοζευγών και για διευκόλυνση των μετρήσεων όλα τα θερμοζεύγη τοποθετήθηκαν σε επιλογέα με τον κατάλληλο αριθμό θέσεων. Χρησιμοποιήθηκε ψηφιακό θερμόμετρο τύπου Amprobe mod. TMD-56 Εικόνα 4.6 Θερμόμετρο Η διαφορά δυναμικού που αναπτύσσεται λόγω θερμοηλεκτρικού φαινομένου στα θερμοζεύγη μετατρέπεται απευθείας σε 0 C. Εικόνα 4.7 Επιλογέας θερμοζευγών και θερμόμετρο Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 56

69 4.2.3 Μέτρηση ακτινοβολίας Πυρανόμετρο Η μέτρηση της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας έγινε με πυρανόμετρο Kipp & Zonen τύπου CM3 που τοποθετούσαμε παράλληλα στο φωτοβολταϊκό στοιχείο. Εικόνα 4.8 Πυρανόμετρο Kipp & Zonen CM3. Πηγή: (30) Εικόνα 4.9 Πυρανόμετρο πολύμετρο Καθώς η ένδειξη του πολυμέτρου που καταγράφεται είναι σε mv, για τους υπολογισμούς μετατρέπεται σε W/m 2 6 διαιρώντας με τη σταθερά του πυρανομέτρου: 13,02 10 Vm W 2 Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 57

70 4.3 Διεξαγωγή μετρήσεων Για τον υπολογισμό της απόδοσης το σύστημα πρέπει να βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση (steady - state), δηλαδή να έχει επέλθει θερμική ισορροπία. Για να διαπιστωθεί αυτό, είναι απαραίτητη η συστηματική παρακολούθηση και καταγραφή των μετρήσεων. Επίσης, η παρακολούθηση του συστήματος είναι απαραίτητη για να εντοπίζονται έγκαιρα τυχόν δυσλειτουργίες του συστήματος ή των οργάνων μέτρησης. Τα πειραματικά δεδομένα συγκεντρώθηκαν σε ημερήσιους πίνακες μετρήσεων. Για την κατασκευή του διαγράμματος απόδοσης επιλέγεται μια σειρά μετρήσεων από τους πίνακες στην οποία φαίνεται ότι το σύστημα είχε έρθει σε steady- state ή σχεδόν steady- state. Και λέμε «σχεδόν», καθώς οι περιβαλλοντικές συνθήκες που επηρεάζουν το υπό μελέτη σύστημα είναι δύσκολο να είναι απόλυτα σταθερές σε πειράματα που διεξάγονται σε εξωτερικό χώρο. Τέλος, σε όλα τα πειράματα που αφορούσαν τη θερμική συμπεριφορά του συστήματος, η ηλεκτρική ενέργεια εξαγόταν με διοχέτευση του ηλεκτρικού ρεύματος σε αντίσταση Συμβολισμοί μετρούμενων μεγεθών Τα μεγέθη που μετρήθηκαν στη συσκευή με τη δυνατότητα διπλής λειτουργίας (με νερό ή αέρα) συμβολίζονται ως εξής: PV front: θερμοκρασία ενεργού επιφάνειας ΦΒ ( 0 C) PV back: θερμοκρασία πίσω επιφάνειας ΦΒ ( 0 C) Air in: θερμοκρασία εισόδου αέρα ( 0 C) Air out: θερμοκρασία εξόδου αέρα ( 0 C) Air gap: θερμοκρασία αέρα στον αεραγωγό ( 0 C) Pipes: θερμοκρασία επιφανείας σωλήνων PVC ( 0 C) Ta: θερμοκρασία περιβάλλοντος ( 0 C) Ι: ένταση ολικής ηλιακής ακτινοβολίας (mv) Water in: θερμοκρασία εισόδου νερού ( 0 C) Water out: θερμοκρασία εξόδου νερού ( 0 C) Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 58

71 Για τη συσκευή αναφοράς τα μετρούμενα μεγέθη συμβολίζονται ως εξής: Ti: θερμοκρασία εισόδου νερού ( 0 C) Τo: θερμοκρασία εξόδου νερού ( 0 C) PVf: θερμοκρασία ενεργού επιφάνειας φωτοβολταϊκού ( 0 C) PVb: θερμοκρασία πίσω επιφάνειας φωτοβολταϊκού ( 0 C) Back: θερμοκρασία επιφάνειας (μόνωση) απέναντι από το φωτοβολταϊκό Ta: θερμοκρασία περιβάλλοντος ( 0 C) Pipe: θερμοκρασία επιφανείας αγωγού νερού ( 0 C) Ι: ένταση ολικής ηλιακής ακτινοβολίας (mv) dv/dt: παροχή όγκου ρευστού (m 3 /s) Υπολογισμοί Για τους υπολογισμούς επιλέγονται σειρές μετρήσεων τη στιγμή που το σύστημα εκτιμάται ότι βρίσκεται σε steady-state και συμβολίζονται ως εξής: Tin: θερμοκρασία εισόδου ρευστού στο σύστημα ( 0 C) Tout: θερμοκρασία εισόδου ρευστού στο σύστημα ( 0 C) Ta: θερμοκρασία περιβάλλοντος ( 0 C) I: ένταση προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας παράλληλα στην επιφάνεια του ΦΒ (mv) Ts: θερμοκρασία stagnation ( 0 C) Tas: θερμοκρασία περιβάλλοντος κατά το stagnation ( 0 C) Is: ένταση προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας παράλληλα στην επιφάνεια του ΦΒ κατά το stagnation (mv). Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 59

72 Αν γίνεται χρήση ανακλαστήρα υπολογίζεται η τιμή της ακτινοβολίας παράλληλα στην επιφάνεια του ΦΒ σε περιοχή εκτός του ανακλαστήρα Οι σειρές μετρήσεων steady-state που χρησιμοποιούνται για διαγράμματα απόδοσης συγκεντρώνονται σε πίνακες στην περιγραφή κάθε πειράματος. Οι τιμές που προκύπτουν από την επεξεργασία τους και χρησιμοποιούνται για τη σχεδίαση διαγραμμάτων συγκεντρώνονται σε πίνακες υπολογισμών/τιμών πριν από κάθε διάγραμμα. Για τον υπολογισμό της ωφέλιμης θερμότητας ανά μονάδα χρόνου από το σύστημα χρησιμοποιείται η σχέση: dm Qu CP Tout Tin (52) dt Όπου dm η παροχή μάζας του ρευστού και CP η θερμοχωρητικότητα του ρευστού. Το dt νερό και ο αέρας έχουν θερμοχωρητικότητες: C P ύ J 4,18 Kg K J C P έ 1,007 Kg K Ισχύει: dm dv (53) Όπου ρ η πυκνότητα του ρευστού. Στους υπολογισμούς χρησιμοποιήθηκαν οι τιμές: ύ 1000 kg / m 1 kg / m έ Αντικαθιστώνας την (53) στη σχέση (52) προκύπτει: 3 3 dv Qu CP Tout Tin (54) dt Η προσπίπτουσα ηλιακή ενέργεια στην επιφάνεια του φωτοβολταικού είναι: Όπου Apv 2 0,4m η επιφάνεια του φωτοβολταικού. Q u I A (55) pv Τελικά η θερμική απόδοση του συστήματος υπολογίζεται από τη σχέση: Q u th (56) Qr Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 60

73 4.4 Σύγκριση με συσκευή αναφοράς Η συσκευή τέθηκε σε λειτουργία με νερό ως θερμοαπαγωγό ρευστό στο εσωτερικό των αγωγών PVC και ελήφθησαν μετρήσεις προκειμένου να συγκριθεί η θερμική απόδοση του ίδιου συστήματος ως PV/T-water και PV/T-air. Επίσης, συγκρίθηκε η απόδοση του υπό μελέτη συστήματος με σύστημα PV/T-water το οποίο είχε μελετηθεί εκτενέστερα και χρησιμοποιήθηκε ως συσκευή αναφοράς. Οι ιδιότητες του φωτοβολταϊκού πλαισίου καθώς και οι διαστάσεις της συσκευής αναφοράς είναι πανομοιότυπες με της υπό μελέτης συσκευής. Η συσκευή αναφοράς διαθέτει απλό τύλιγμα (Coil) αγωγού νερού σε θερμική επαφή με την πίσω επιφάνεια του φωτοβολταϊκού. Ελήφθησαν μετρήσεις ταυτόχρονα και στις δυο πειραματικές συσκευές ώστε να γίνει σύγκριση της απόδοσης και της θερμοκρασίας λειτουργίας των δυο συσκευών. Οι δυο συσκευές είχαν την ίδια παροχή νερού. Για την κατασκευή του συγκριτικού διαγράμματος απόδοσης των δυο συσκευών χρησιμοποιούνται τα εξής δεδομένα: 27-Jul Stagnation Ti Tout Ta I (mv) Ts Ta s Is (mv) Συσκευή αναφοράς PVC Πίνακας 1: Σειρές μετρήσεων steady- state (ροή48 L/h) Από τα πειραματικά δεδομένα του πίνακα 1 και χρησιμοποιώντας τις σχέσεις (54), (55) και (56), προκύπτει ο πίνακας 2: I (W/m 2 ) Is (W/m 2 ) Tout - Ti ( 0 C) Qu (W) Qr (W) n th (Ts - Tas)/Is (Ti- Ta)/I Συσκευή αναφοράς PVC Πίνακας 2: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για διάγραμμα 4.1 Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 61

74 Από την επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων του πίνακα 1 προκύπτει το παρακάτω συγκριτικό διάγραμμα θερμικής απόδοσης για τις δυο συσκευές: Διάγραμμα 4-1: Σύγκριση με συσκευή αναφοράς (ροή48 L/h) Η απόδοση κάθε συσκευής για ΔΤ/Ι=0 δίνεται από το σημείο τομής της ευθείας με τον κάθετο άξονα και είναι περίπου n th = 0.38 για τη συσκευή με τους αγωγούς PVC σε σύγκριση με n th = 0.32 της συσκευής αναφοράς. Οι αρνητικές τιμές που προκύπτουν στον οριζόντιου άξονα οφείλονται στο ότι η θερμοκρασία εισόδου του νερού στη συσκευή είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, δηλαδή είναι T T 0. Το γεγονός αυτό είναι αναμενόμενο, αφού το νερό εισάγεται στη συσκευή απευθείας από το δίκτυο ύδρευσης του κτιρίου Φυσικής, του οποίου οι αγωγοί έχουν μικρότερη θερμοκρασία από του περιβάλλοντος. i a Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 62

75 Εξετάστηκε η λειτουργία των συσκευών με διαφορετικές ροές νερού (συμβολισμός dm/dt στους πίνακες) προκειμένου να βρεθεί η ροή στην οποία έχουμε τη βέλτιστη απόδοση. Ενδεικτικά παρουσιάζονται δυο ροές για κάθε συσκευή. Για το διάγραμμα της συσκευής αναφοράς χρησιμοποιήθηκαν τα εξής δεδομένα: 27 jul COIL Stagnation dm/dt Ti Tout Ta I (mv) Ts Ta s Is (mv) L/h L/h Πίνακας 3: Σειρές μετρήσεων συσκευής αναφοράς με δυο ροές dm/dt I (W/m2) Is (W/m2) Tout - Ti Qu Qr n th (Ts - Tas)/Is(Ti- Ta)/I (Ti- Ta)/I L/h L/h Πίνακας 4: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για διάγραμμα 4.2 Παρακάτω παρουσιάζεται συγκριτικό διάγραμμα θερμικής απόδοσης της συσκευής αναφοράς για τις δυο διαφορετικές ροές: Διάγραμμα 4-2: Συσκευή αναφοράς για δυο ροές Παρατηρούμε ότι η συσκευή αναφοράς για ΔΤ/Ι=0, έχει θερμική απόδοση n th = 0,16 για dm/dt = 44,31 L/h και n th = 0,33 για dm/dt = 107,16 L/h. Η θερμοκρασία στασιμότητας μετρήθηκε ίδια, όπως αναμενόταν, αφού είναι δεν έχουμε ροή νερού μέσα στη συσκευή. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 63

76 Στον παρακάτω πίνακα φαίνονται οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν για το διάγραμμα απόδοσης της υπό μελέτη συσκευής για λειτουργία ως PV/T-water με δυο ίδιες ροές με τη συσκευή αναφοράς: 27 jul PVC Stagnation dm/dt Ti Tout Ta I (mv) Ts Ta s Is (mv) L/h L/h Πίνακας 5: Σειρές μετρήσεων ως PV/T-water με δυο ροές dm/dt I (W/m2) Is (W/m2) Tout - Ti Qu Qr n th (Ts - Tas)/Is (Ti- Ta)/I (Ti- Ta)/I L/h L/h Πίνακας 6: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για διάγραμμα 4.3 Διάγραμμα 4-3: Λειτουργία ως PV/T-water με δυο ροές Παρατηρούμε ότι για 44,31 L/h, ο συντελεστής θερμικής απόδοσης της υπό μελέτης συσκευής είναι περίπου n th =0,19 και για 107,16 L/h είναι n th =0,38. Σε όλα τα πειράματα που διεξήχθησαν διαπιστώθηκε ότι η συμπεριφορά των δυο συσκευών είναι παρόμοια όσον αφορά τη ροή του νερού. Βέλτιστη απόδοση παρατηρήθηκε για ροή νερού περίπου 50 L/h και για τις δυο συσκευές. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 64

77 Κατά τη λειτουργία της συσκευής με αέρα, σε όλες τις μετρήσεις που ελήφθησαν, η παροχή αέρα διατηρήθηκε σταθερή στα 50 m 3 /s για να είναι δυνατή η σύγκριση της συμπεριφοράς του συστήματος μεταβάλλοντας άλλες παραμέτρους όπως για παράδειγμα την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Προκειμένου να συγκριθεί η απόδοση της συσκευής ως PV/Twater ή PV/T-air χρησιμοποιήθηκαν οι εξής σειρές μετρήσεων: 27 jul PVC Stagnation Ti Tout Ta I (mv) Ts Ta s Is (mv) Νερό Αέρας Πίνακας 7: Σειρές μετρήσεων συσκευής νερού-αέρα I (W/m2) Is (W/m2) Tout - Ti Qu Qr n th (Ts - Tas)/Is (Ti- Ta)/I Νερό Αέρας Πίνακας 8: Πίνακας υπολογισμών/τιμών για διάγραμμα 4.4 Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 65

78 Στο παρακάτω διάγραμμα παρουσιάζονται η θερμική απόδοση για λειτουργία με νερό και αέρα ως θερμοαπαγωγό ρευστό: Διάγραμμα 4-4: Σύγκριση απόδοσης συσκευής νερού/αέρα Από το διάγραμμα 4.5 φαίνεται ότι η λειτουργία της συσκευής με νερό έχει συντελεστή θερμικής απόδοσης περίπου n th = 0,36 για λειτουργία με νερό και περίπου n th = 0,3 για λειτουργία με αέρα, γεγονός αναμενόμενο, αφού η πυκνότητα του αέρα είναι μικρότερη από του νερού. Οι αρνητικές τιμές του ΔΤ/Ι της ευθείας απόδοσης του νερού δεν παρατηρούνται στη λειτουργία με αέρα γιατί η θερμοκρασία εισόδου του αέρα είναι ίση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, δηλαδή T T 0, που είναι το σημείο τομής της ευθείας με τον κάθετο S a άξονα. Η διαφορά στην απόδοση της λειτουργίας της συσκευής με διαφορετική ροή οφείλεται πιθανότατα στη θερμική αδράνεια του συστήματος. Για τον ακριβέστερο προσδιορισμό των Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 66

79 αποδόσεων απαιτούνται πολύ περισσότερα πειράματα τόσο όσον αφορά τη ροή, όσο και τη θερμοκρασία εισόδου-εξόδου και την κλίση της συσκευής. Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 67

80 4.5 Προσθήκη ανακλαστήρα Για την αύξηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στο σύστημα χρησιμοποιήθηκε διάχυτος ενισχυτικός ανακλαστήρας από γαλβανισμένο χάλυβα. Ο ανακλαστήρας τοποθετήθηκε σε κυλιόμενη μεταλλική βάση ώστε να επιτυγχάνεται ο επιθυμητός προσανατολισμός του στον ήλιο. Η κλίση του ανακλαστήρα είναι δυνατόν να ρυθμιστεί ώστε να προσπίπτει η ανακλώμενη από αυτόν ηλιακή ακτινοβολία σε όλη την ενεργό επιφάνεια του φωτοβολταϊκού. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται ο ανακλαστήρας και το σύστημα σε λειτουργία: Εικόνα 4.10 Σύστημα PV/T-air με ανακλαστήρα Ως ανακλαστήρας χρησιμοποιήθηκε φύλλο γαλβανισμένου χάλυβα. Ο συγκεκριμμένος τύπος ανακλαστήρα είναι αφενός μικρού οικονομικού κόστους και αφετέρου κατάλληλος για χρήση σε συνδυασμό με ΦΒ πλαίσια καθώς διαμορφώνει σχετικά ομοιόμορη πρόσθετη ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια του ΦΒ ώστε να μην μειώνεται η απόδοσή του λόγω ανομοιόμορφου φωτισμού. Στην περίπτωση που τοποθετήθηκε διάχυτος ανακλαστήρας μετρήθηκε η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας εκτός της περιοχής που επιδρά ο ανακλαστήρας. Η συγκεκριμένη τιμή (με συμβολισμό Ι) χρησιμοποιήθηκε στον υπολογισμό της αποδοτικότητας του συστήματος. Με τον τρόπο αυτό, στον υπολογισμό της αποδοτικότητας λαμβάνεται υπόψη μόνο η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει απ ευθείας στο φωτοβολταϊκό και όχι η ανακλώμενη από την επιφάνεια του ανακλαστήρα για να είναι εμφανής η σύγκριση της θερμικής συμπεριφοράς της διάταξης με ανακλαστήρα και χωρίς. Σχεδιάζοντας στο διάγραμμα της απόδοσης και την Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα ΗΜ/ΤΥ 68