ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΟΡ. ΜΑΡΤΙΝΟΠΟΥΛΟΥ ιπλ. Μηχανολόγου Μηχανικού, MSc ΣΧΕ ΙΑΣΗ, ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥ ΓΙΑ ΨΥΧΡΑ ΚΛΙΜΑΤΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009

2

3 ΓΕΩΡΓΙΟΥ ΟΡ. ΜΑΡΤΙΝΟΠΟΥΛΟΥ ΣΧΕ ΙΑΣΗ, ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥ ΓΙΑ ΨΥΧΡΑ ΚΛΙΜΑΤΑ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Ενεργειακός Τομέας Ημερομηνία Προφορικής Εξέτασης: 09/11/2009 Εξεταστική Επιτροπή Καθηγητής Ν. Α. Κυριάκης, Επιβλέπων Καθηγητής. Τσιπάς, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Επ. Καθηγητής Γ. Τσιλιγκιρίδης, Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Καθηγητής Ν. Μουσιόπουλος, Εξεταστής Αν. Καθ. Α. Παπαδόπουλος, Εξεταστής Επ. Καθ. Ι Καούρης, Εξεταστής Επ. Καθ. Κ. Υάκινθος, Εξεταστής

4 Γεώργιος Ορ. Μαρτινόπουλος Α.Π.Θ. Σχεδίαση, κατασκευή και αξιολόγηση πρότυπου επίπεδου ηλιακού συλλέκτη κατάλληλου για ψυχρά κλίματα ISBN ***-******-***** «Η έγκριση της παρούσης ιδακτορικής ιατριβής από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Τα τελευταία χρόνια η Ευρωπαϊκή Ένωση έθεσε ως στόχο την κάλυψη της συνολικής τελικής ενέργειας, σε ποσοστό 20% από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας. Καθώς μόνο τρεις μορφές Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ηλιακή ενέργεια, γεωθερμία και βιομάζα) μπορούν να δώσουν άμεσα θερμική ενέργεια, είναι σημαντική η οριοθέτηση των αναμενόμενων στόχων από κάθε μία. Προφανώς, τα ηλιακά θερμικά συστήματα τα οποία χρησιμοποιούνται ευρύτατα από τα τέλη της δεκαετίας του 70, θα πρέπει να παρέχουν μεγάλο ποσοστό της συνολικά παραγόμενης θερμικής ενέργειας, κυρίως χαμηλών θερμοκρασιακών εφαρμογών. Παρόλη τη διείσδυση των ηλιακών θερμικών συστημάτων, κυρίως στις χώρες της ανατολικής Μεσογείου (Κύπρος, Ελλάδα ) και όλο και περισσότερο στις κεντροευρωπαϊκές (Γερμανία και Αυστρία), ο στόχος που τέθηκε θα είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί αν δεν αυξηθεί η διείσδυση των συστημάτων και στις υπόλοιπες χώρες της ανατολικής και κεντρικής Ευρώπης (Πολωνία, ανία, κλπ). Για να αυξηθεί η διείσδυση στις χώρες αυτές θα πρέπει να αναπτυχθούν ηλιακά συστήματα προσαρμοσμένα στις περιοχές αυτές, τα οποία να συνδυάζουν ικανοποιητική λειτουργία με χαμηλό κόστος. Η συμμετοχή μου σε ένα ιακρατικό Πρόγραμμα Συνεργασίας με την Πολωνία με επιστημονικό υπεύθυνο τον Επικ. Καθηγητή κ. Τσιλιγκιρίδη, αποτέλεσε την απαρχή μιας σειράς σκέψεων και προβληματισμών σχετικών με την σχεδίαση ενός πρότυπου συλλέκτη ο οποίος θα μπορούσε να καλύψει τις προαναφερθέντες ανάγκες, και τελικά οδήγησε στην απόφαση για την εκπόνηση της διατριβής. Όπως θα φανεί και στα επόμενα κεφάλαια, η διατριβή αυτή αποτελεί ένα πρώτο βήμα για την ολοκληρωμένη σχεδίαση ηλιακών συλλεκτών λαμβάνοντας υπόψη την βελτίωση της αποδοτικότητας τους, τόσο ενεργειακής όσο και περιβαλλοντικής, σε συνάρτηση με τις συνθήκες λειτουργίας του χώρου εγκατάστασης τους. Με την ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής θα ήθελα να εκφράσω τις βαθύτατες ευχαριστίες μου στον πρόεδρο της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, καθηγητή κ. Νικόλαο Κυριάκη για τις υποδείξεις του και την υποστήριξη του τόσο στην εκπόνηση της διατριβής όσο και κατά την αντιμετώπιση των προβλημάτων που εμφανίστηκαν κατά την εκπόνηση της. i

6 Πολλές ευχαριστίες οφείλω τόσο στον Επίκουρο Καθηγητή κ. Γεώργιο Τσιλιγκιρίδη, για την ευκαιρία που μου έδωσε να ασχοληθώ, ως φοιτητής ακόμα, με τα ηλιακά θερμικά συστήματα αλλά και για την υπόδειξη του να αναλάβω τη συγκεκριμένη διατριβή, οι καίριες υποδείξεις του συνέβαλαν ουσιαστικά στη διαμόρφωση της διατριβής όσο και στο τρίτο μέλος της συμβουλευτικής επιτροπής καθηγητή κ. ημήτριο Τσιπά, για τις υποδείξεις του. Θερμές ευχαριστίες στον φίλο και συνάδερφο ρ. ημήτριο Μισηρλή για την ουσιαστική βοήθεια του στην διερεύνηση του ροϊκού πεδίου με τη χρήση τεχνικών υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Ιδιαίτερες ευχαριστίες σε όλο το προσωπικό του Εργαστηρίου Κατασκευής Συσκευών ιεργασιών για την βοήθεια τους στην αντιμετώπιση διάφορων προβλημάτων και την ολοκλήρωση της διατριβής. Τέλος, ευχαριστίες οφείλω και στο Ίδρυμα Κρατικών Υποτροφιών για την ενίσχυση που προσέφερε κατά την εκπόνηση της διατριβής. Θεσσαλονίκη, Σεπτέμβριος 2009 ii

7 Αφιερωμένο Στην οικογένεια μου iii

8 iv

9 Περιεχόμενα ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. ΗΛΙΑΚΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΗΛΙΑΚΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ: Ο ΕΠΙΠΕ ΟΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΚΑΙ ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑ ΚΑΙ ΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΥΛΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΑΣΤΙΚΑ Ε ΟΜΕΝΑ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗΣ ΙΑΤΑΞΗΣ ΚΑΜΠΥΛΗ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ - ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΟΠΤΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΙΑΦΑΝΩΝ ΚΑΛΥΜΜΑΤΩΝ ΑΝΑΚΛΩΜΕΝΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΙΣΟ ΥΝΑΜΕΣ ΓΩΝΙΕΣ ΠΡΟΣΠΤΩΣΗΣ ΙΑΧΥΤΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΓΙΝΟΜΕΝΟ ΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΟΛΙΚΕΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΟΥΡΑΝΙΟΥ ΘΟΛΟΥ ΣΥΝΑΓΩΓΗ ΜΕΤΑΞΥ ΠΑΡΑΛΛΗΛΩΝ ΠΛΑΚΩΝ ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΠΙΣΩ ΜΕΡΟΥΣ ΚΑΙ ΠΛΑΪΝΩΝ ΤΟΙΧΩΜΑΤΩΝ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΟΛΙΚΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟ ΟΣΗΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΑΠΟΜΑΚΡΥΝΣΗΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΜΕΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗ ΚΑΙ ΡΕΥΣΤΟΥ ΠΤΩΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕΣΑ ΣΤΗΝ Υ ΡΑΥΛΙΚΗ ΙΑΤΑΞΗ ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΓΩΝΙΑΣ ΠΡΟΣΠΤΩΣΗΣ ΜΕΓΙΣΤΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΛΟΓΙΚΟ ΙΑΓΡΑΜΜΑ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΡΕΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΤΗΣ ΡΟΗΣ ΣΤΟ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΜΕ ΤΗ ΧΡΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗΣ ΡΕΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΕΠΙΒΑΡΥΝΣΗΣ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΛΛΕΚΤΩΝ- ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 77 I

10 Περιεχόμενα 6.1 ΜΕΘΟ ΟΛΟΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ECO-TOOLS ΕΡΓΑΛΕΙΑ ΤΗΣ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΚΥΚΛΟΥ ΖΩΗΣ (LCA/LCI Tools) ΕΠΙΛΟΓΗ ΤΟΥ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥ ΕΡΓΑΛΕΙΟΥ ΑΚΖ ΑΚΖ ΤΥΠΙΚΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΠΙ ΟΣΗ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΕΠΙ ΟΣΗ ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ 101 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 103 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α 1 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β 7 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ 19 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 25 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ε 69 II

11 Κατάλογος Συμβόλων ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΛΛΗΝΙΚΩΝ ΣΥΜΒΟΛΩΝ α : β : β ν : ε g : ε c : ε p : μ : ν : σ : τ : τ α : ( τα ): τ r : συντελεστής απορροφητικότητας κλίση του συλλέκτη συντελεστής θερμικής διαστολής συντελεστής εκπομπής γυαλιού συντελεστής εκπομπής καλύμματος συντελεστής εκπομπής πλάκας δυναμικό ιξώδες κινηματικό ιξώδες σταθερά Boltzman συντελεστής ολικής διαπερατότητας καλύμματος συντελεστής ολικής διαπερατότητας λόγω απορρόφησης γινόμενο διαπερατότητας-απορροφητικότητας συντελεστής ολικής διαπερατότητας λόγω ανάκλασης ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΛΑΤΙΝΙΚΩΝ ΣΥΜΒΟΛΩΝ a : A c : A e : C p : θερμική διαχυτότητα του αέρα επιφάνεια του συλλέκτη πλαϊνή επιφάνεια ειδική θερμοχωρητικότητα f: συντελεστής τριβής F R : συντελεστής θερμικής απομάκρυνσης συλλέκτη F : συντελεστής απόδοσης συλλέκτη g : h w : σταθερά της βαρύτητας συντελεστής συναγωγής ανέμου hcp, c: συντελεστής συναγωγής πλάκας-καλύμματος hrc, α : συντελεστής ακτινοβολίας καλύμματος-περιβάλλοντος hrp, c: συντελεστής ακτινοβολίας πλάκας-καλύμματος I T : k : ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας θερμική αγωγιμότητα III

12 Κατάλογος Συμβόλων L : L e : m : Ν : Q : u απόσταση μεταξύ των πλακών/ όταν υπάρχει δείκτης εκφράζουμε το πάχος μόνωσης (οι δείκτες b, e δείχνει σε πια μόνωση αναφερόμαστε κάθε φορά) χαρακτηριστικό μήκος παροχή μάζας αριθμός των καλυμμάτων του συλλέκτη ωφέλιμη ενέργεια Q : θερμικές απώλειες του συλλέκτη απωλειών r : Re: συντελεστής ανάκλασης αριθμός Reynolds S: απορροφούμενη ενέργεια T in : θερμοκρασία εισόδου του νερού Τ dp : Τ s : T α : θερμοκρασία ξηρού θερμομέτρου θερμοκρασία ουράνιου θόλου θερμοκρασία περιβάλλοντος T pm : μέση θερμοκρασία πλάκας U t : U : b U : e U : L V : συντελεστής απωλειών της μπροστινής πλευράς του συλλέκτη συντελεστής απωλειών της πίσω πλευράς του συλλέκτη, συντελεστής απωλειών της πλευρικής επιφάνειας του συλλέκτη συντελεστής ολικών απωλειών ταχύτητα ανέμου ΕΙΚΤΕΣ b : e : t : d : g : c : p : αναφέρεται στη πίσω πλευρά του συλλέκτη/ άμεση ακτινοβολία αναφέρεται στη πλαϊνή επιφάνεια του συλλέκτη αναφέρεται στη πάνω πλευρά του συλλέκτη διάχυτη ακτινοβολία ανακλώμενη ακτινοβολία/ γυαλί κάλυμμα πλάκα IV

13 Κατάλογος Πινάκων ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1.1: Υλικά κατασκευής ενός συστήματος παραγωγής ζεστού νερού Πίνακας 2.1: Τεχνικά Χαρακτηριστικά Συλλέκτη Πίνακας 3.1: Μέγιστος Στιγμιαίος Βαθμός Απόδοσης και Συντελεστής θερμικών Απωλειών Επίπεδων Ηλιακών Συλλεκτών Πίνακας 3.2: Μετεωρολογικά και μετρούμενα μεγέθη κατά τη διάρκεια της μέτρησης Πίνακας 6.1: υνατή χρήση των διαφόρων κατηγοριών Eco-Tools σε κάθε στάδιο του κύκλου ζωής ενός προϊόντος Πίνακας 6.2: Συστήματα που λήφθησαν υπόψη Πίνακας 6.3: Κατανάλωση κατά μάζα υλικών ηλιακού συστήματος Πίνακας 6.4: Τεχνικά Χαρακτηριστικά Ηλιακών Συστημάτων Ετήσιο f Καλυπτόμενο φορτίο Βοηθητική Ενέργεια Πίνακας 7.1: Συγκριτική επιβάρυνση συστημάτων (Ποσοστιαία) VI

14 Κατάλογος Πινάκων VII

15 Κατάλογος Εικόνων ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1.1: Σύγκριση της εγκατεστημένης ισχύος διαφόρων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Εικόνα 1.2: Παγκόσμια Εγκατεστημένη Ισχύς Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων (2006) Εικόνα 1.3: Εικόνα 1.4: Εικόνα 1.5: Εικόνα 1.6: Εικόνα 1.7: Εικόνα 1.8: Εικόνα 1.9: Εικόνα 2.1: Εικόνα 2.2: Εικόνα 2.3: Εικόνα 2.4: Εικόνα 3.1: Εικόνα 3.2: Εικόνα 3.3: Εικόνα 4.1: Εικόνα 4.2: Εικόνα 4.3: Εξέλιξη των πωλήσεων ηλιακών συλλεκτών στην Ελλάδα Εξέλιξη της εγκατεστημένης επιφάνειας ηλιακών συλλεκτών στην Ελλάδα Ηλιακός συλλέκτης σε τομή Σχηματική λειτουργία θερμοσιφωνικού συστήματος κλειστού κυκλώματος ιάφοροι τρόποι διαμόρφωσης απορροφητικής επιφάνειας Μέγιστη στιγμιαία απόδοση n o και συντελεστής απωλειών U o για διάφορους τύπους συλλεκτών (+: μαύρης βαφής, x: ημι-επιλεκτικός, ο: επιλεκτικός) ιάφορες ιαμορφώσεις Πολυμερικών Απορροφητών (1. ιάφανο Κάλυμμα, 2. Απορροφητής, 3. Πλαίσιο) (Liu W. et al, 1999) Τομή ηλιακού συλλέκτη Υδραυλική διάταξη συλλέκτη με τα σημεία εισόδου και εξόδου του ρευστού. Τομή του συλλέκτη στον κάτω συλλεκτήριο αγωγό σε κάθετο επίπεδο Η υδραυλική διάταξη τοποθετημένη στο πλαίσιο ιάταξη για τον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης επίπεδου ηλιακών συλλεκτών Τυπικές καμπύλες απόδοσης ηλιακών συλλεκτών Καμπύλη στιγμιαίας απόδοσης πρότυπου ηλιακού συλλέκτη Τυπική θερμική ηλιακή διεργασία ιάγραμμα ροής διεργασίας Σχηματικό διάγραμμα μοντέλου θερμικού ηλιακού συλλέκτη Εικόνα 4.4: Τεχνική παρακολούθησης ακτινών για την διαπερατότητα και την ανακλαστικότητα καλύμματος Εικόνα 4.5: Εικόνα 4.6: Εικόνα 4.7: Εικόνα 4.8: Προσπίπτουσα και διαθλώμενη ακτινοβολία Απορρόφηση σε μέσο. Απορροφούμενη ηλιακή ακτινοβολία από τον απορροφητή. Μηχανισμοί μεταφοράς-μετάδοσης θερμότητας μέσω του καλύμματος. Net Radiation μέθοδος για δύο διαφανή καλύμματα. VIII

16 Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 4.9: Λογικό διάγραμμα μοντέλου Εικόνα 4.10: Βαθμός Απόδοσης Συλλέκτη (Εξίσωση πρώτου βαθμού Προσομοίωση και Πειραματικά)) Εικόνα 5.1: Εικόνα 5.2: Εικόνα 5.3: Εικόνα 5.4: Γεωμετρία του συλλέκτη, συμπεριλαμβανομένων των σωλήνων εισόδου και εξόδου του ρευστού Πλέγμα για Α) την κύρια περιοχή του συλλέκτη, Β) την περιοχή του Στομίου Εισόδου και Γ) την Στομίου Εξόδου Συλλέκτης τοποθετημένος υπό κλίση φ Κατανομή Σχετικής (ως προς την πίεση εξόδου) Στατικής Πίεσης (Pa) στο μέσο επίπεδο του στομίου εισόδου Εικόνα 5.5: ιανύσματα ταχυτήτων (m/sec) στο μέσο επίπεδο του στομίου εισόδου, Α) Γενική εικόνα, Β) μεγέθυνση στο εσωτερικό του στομίου, Γ) μεγέθυνση στο εσωτερικό του συλλέκτη Εικόνα 5.6: Εικόνα 5.7: Εικόνα 5.8: Εικόνα 5.9: Κατανομή Σχετικής Στατικής Πίεσης (ως προς την πίεση εξόδου) (Pa) στο μέσο επίπεδο συλλέκτη ιανύσματα ταχυτήτων (m/sec) στο μέσο επίπεδο του συλλέκτη Κατανομή Σχετικής Στατικής Πίεσης (ως προς την πίεση εξόδου) (Pa) στο μέσο επίπεδο του στομίου εξόδου ιανύσματα ταχυτήτων (m/sec) στο στόμιο εξόδου (μέσο επίπεδο) Εικόνα 5.10: Κατανομή της απόλυτης στατικής πίεσης (Pa) στο μέσο επίπεδο του συλλέκτη Εικόνα 5.11: Ροϊκό πεδίο μέσα στον συλλέκτη Εικόνα 5.12: Κατανομή στατικής θερμοκρασίας στην επιφάνεια του συλλέκτη Εικόνα 5.13: Σύγκριση στιγμιαίου βαθμού απόδοσης μετρήσεων και θεωρητικού Εικόνα 6.1: Εικόνα 6.2: Εικόνα 6.3: Εικόνα 6.4: Εικόνα 6.5: Κύκλος ζωής προϊόντος και ανταλλαγές με το περιβάλλον ιάγραμμα ροής ενός προϊόντος και των επιπτώσεων της παραγωγικής του διαδικασίας στο περιβάλλον κατά την διάρκεια του κύκλου ζωής του Ενδεικτικός Πίνακας Πληροφοριών ενός προγράμματος LCA/LCI Επιφάνεια Εργασίας SimaPro Επιφάνεια Εργασίας SimaPro IX

17 Κατάλογος Εικόνων Εικόνα 6.6: Εικόνα 6.7: Εικόνα 6.8: Εικόνα 6.9: Επιβάρυνση Ανθρώπινης Υγείας Επιβάρυνση στο Οικοσύστημα Πηγές που χρησιμοποιήθηκαν Ημερήσιο Προφίλ Κατανάλωσης Ζεστού Νερού Χρήσης (TRANSOL) Εικόνα 6.10: Ετήσιο Προφίλ Κατανάλωσης Ζεστού Νερού Χρήσης (TRANSOL) Εικόνα 6.11: Καθαρά περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση των συστημάτων ως ποσοστό της επιβάρυνσης του ηλεκτρισμού Εικόνα 7.1: Εικόνα 7.2: Εικόνα 7.3: Συγκριτική απόδοση ανά είδος επιβάρυνσης με τον συλλέκτη αναφοράς Συγκριτική απόδοση ανά κατηγορία επιβάρυνσης με τον συλλέκτη αναφοράς Συγκριτική απόδοση επιβάρυνσης (συνολικά) με τον συλλέκτη αναφοράς X

18 Κατάλογος Εικόνων XI

19 Περίληψη ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σήμερα τα ηλιακά θερμικά συστήματα ενσωματώνουν τεχνολογίες που τα καθιστούν αποδοτικά και αξιόπιστα, προσφέροντας ενέργεια για ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών. Η θέρμανση νερού χρήσης και η θέρμανση χώρων σε οικιακές και εμπορικές εφαρμογές, η θέρμανση νερού κολυμβητικών δεξαμενών, η ηλιακή ψύξη καθώς και η παραγωγή ατμού για βιομηχανικές εφαρμογές όπως και η αφαλάτωση είναι μερικές μόνο από της εφαρμογές των ηλιακών θερμικών συστημάτων. Αν και η τεχνολογία αλλά και η θεωρία που διέπει τους ηλιακούς συλλέκτες είναι θεμελιωμένη, η περαιτέρω διείσδυση των ηλιακών θερμικών συστημάτων βασίζεται στην ταυτόχρονη μείωση του κόστους και στην αύξηση της απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών. Κάτι τέτοιο προϋποθέτει τη χρήση υλικών χαμηλού κόστους (όπως είναι τα πολυμερή), κατάλληλης τεχνικής που να βελτιστοποιεί τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συλλέκτη και βέβαια σωστό σχεδιασμό. Για τον λόγο αυτό στα πλαίσια της διατριβής, υιοθετήθηκε η χρήση διάφανης υδραυλικής διάταξης κατασκευασμένης από πολυμερές, μέσα στην οποία ρέει το ρευστό μεταφοράς της θερμότητας το οποίο είναι χρωματισμένο μαύρο και λειτουργεί και ως απορροφητής. Η συγκεκριμένη διάταξη είχε χρησιμοποιηθεί και στα τέλη της δεκαετίας του 70, χωρίς όμως επιτυχία κυρίως λόγω προβλημάτων που σχετίζονταν με τα τότε διαθέσιμα υλικά. Κύριο πλεονεκτήματα της συγκεκριμμένης διάταξης, είναι η μείωση των σταδίων εναλλαγής της θερμότητας κατά ένα, η απορρόφηση της ακτινοβολίας απευθείας από το αδιαφανές ρευστό μεταφοράς της θερμότητας, η αύξηση των θερμομονωτικών στρωμάτων επίσης κατά ένα, η μεγιστοποίηση της επιφάνειας εναλλαγής-απορρόφησης του συλλέκτη καθώς και η ποιο ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η διάταξη να εμφανίζει μικρότερες θερμικές απώλειες. Μετά την ολοκλήρωση της μελέτης και σχεδίασης, κατασκευάσθηκε ένας πρότυπος συλλέκτης του οποίου τα τεχνικά χαρακτηριστικά μετρήθηκαν πειραματικά ώστε να αποτελέσουν την βάση σύγκρισης για την ανάπτυξη ενός αναλυτικού αλγορίθμου ο οποίος προσομοιώνει την λειτουργία του συλλέκτη. Για να είναι δυνατή η βελτιστοποίηση αυτού του τύπου συλλέκτη μελλοντικά, ο αλγόριθμος παραμετροποιήθηκε ώστε να λαμβάνει υπόψη του όλα τα δυνατά χαρακτηριστικά σχεδιασμού. Επιπρόσθετα, με χρήση τεχνικών υπολογιστικής ρευστομηχανικής διερευνήθηκε το ροϊκό πεδίο σε όλη την επιφάνεια του συλλέκτη ώστε να είναι δυνατή η βελτιστοποίηση των XII

20 Περίληψη σημείων εισόδου και εξόδου του ρευστού, αλλά και της διατομής της υδραυλικής του διάταξης. Τέλος, καθώς η ολοκληρωμένη εκτίμηση της τεχνολογίας της ηλιακής ενέργειας απαιτεί την αποτίμηση των έμμεσων περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκαλούνται από τις ανταλλαγές που συνοδεύουν τα ηλιακά σύστημα καθ όλη την διάρκεια ζωής τους (χρήση φυσικών πόρων, χρήση ενέργειας, αέριες εκπομπές, υγρά και στερεά απόβλητα), χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής και έγινε σύγκριση του πρότυπου συλλέκτη με τυπικούς επίπεδους ηλιακούς. Με την κατασκευή του συλλέκτη και τον πειραματικό προσδιορισμό των τεχνικών χαρακτηριστικών, επιβεβαιώθηκε η αρχική σκέψη για την καταλληλότητα του συλλέκτη καθώς τα τεχνικά του χαρακτηριστικά είναι συγκρίσιμα με αυτά τυπικών επίπεδων συλλεκτών. Επιπρόσθετα η ακρίβεια του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε για τον υπολογισμό της επίδρασης των σχεδιαστικών και κατασκευαστικών αλλαγών επιβεβαιώθηκε από τη σύγκριση με την πειραματική αξιολόγηση του εν λόγω συλλέκτη, παρουσιάζοντας RMSE μικρότερο από 1.5%. Η χρήση των τεχνικών υπολογιστικής ρευστομηχανικής, με τις οποίες λήφθησαν υπόψη τα ροϊκά φαινόμενα και η επίδραση τους στην απόδοση του συλλέκτη έδειξε ότι αν και η συσχέτιση με τα πειραματικά αποτελέσματα ήταν πολύ καλή, η μεγάλη υπολογιστική ισχύς που απαιτεί το εν λόγω μοντέλο (και ο χρόνος που απαιτεί) περιορίζει την εφαρμογή του, ουσιαστικά στο στάδιο της σχεδίασης της υδραυλικής διάταξης του συλλέκτη. Στη συνέχεια οποιαδήποτε αλλαγή και η επίδραση που θα έχει στην απόδοση του συλλέκτη είναι σκόπιμο να διερευνάται με την χρήση του θεωρητικού αλγορίθμου. Τέλος με την εφαρμογή της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής πιστοποιήθηκε η περιβαλλοντική απόδοση του συλλέκτη τόσο κατά την κατασκευή του όσο και σε μακροχρόνια χρήση. Γενικά ο πρότυπος συλλέκτης παρουσίασε απόδοση αντίστοιχη των «συμβατικών» επίπεδων και έχει περιθώρια βελτίωσης τόσο μέσω αλλαγών στην σχεδίαση όσο και μέσω της χρήσης νέων υλικών κάτι το οποίο θα πρέπει να διερευνηθεί σε επόμενο στάδιο. XIII

21 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα 1. ΗΛΙΑΚΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σήμερα τα ηλιακά θερμικά συστήματα ενσωματώνουν τεχνολογίες που τα καθιστούν αποδοτικά και αξιόπιστα, προσφέροντας ενέργεια για ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών. Η θέρμανση νερού χρήσης και η θέρμανση χώρων σε οικιακές και εμπορικές εφαρμογές, η θέρμανση νερού κολυμβητικών δεξαμενών, η ηλιακή ψύξη καθώς και η παραγωγή ατμού για βιομηχανικές εφαρμογές όπως και η αφαλάτωση είναι μερικές μόνο από της εφαρμογές των ηλιακών θερμικών συστημάτων. Το ηλιακό δυναμικό το οποίο αξιοποιείται (με τη μορφή θερμότητας) αν και σημαντικό, απέχει πολύ από την πλήρη εκμετάλλευσή του. Σε αντίθεση με άλλες μορφές Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), η συμβολή των ηλιακών θερμικών συστημάτων παρουσιαζόταν μέχρι πρόσφατα αρκετά υποβαθμισμένη, αν και πολύ σημαντικότερη, συγκρινόμενη για παράδειγμα με την αιολική ενέργεια ή τα φωτοβολταΐκά συστήματα (Εικόνα 1.1) (UNDP 2004). Εικόνα 1.1: Σύγκριση της παγκόσμιας εγκατεστημένης ισχύος διαφόρων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Οι λόγοι μπορούν να αναζητηθούν στο μικρό μέγεθος των εγκαταστάσεων, στο ότι δεν παραπέμπουν ευθέως σε κατανάλωση ηλεκτρικού ρεύματος και, κυρίως, ότι μετρούμενο σε m 2, το εγκατεστημένο θερμικό ηλιακό δυναμικό δεν συμπεριλαμβανόταν συνήθως στις ενεργειακές στατιστικές λόγω ανομοιογένειας των μονάδων μέτρησης. 1

22 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Για το λόγο αυτό, μετά από σχετική διερεύνηση και πρόταση της Ευρωπαϊκής Ένωσης Ηλιακών Θερμικών Βιομηχανιών (ESTIF) που έγινε αποδεκτή από πολλούς φορείς, υιοθετήθηκε ένας συντελεστής μετατροπής της συλλεκτικής επιφάνειας σε θερμική ισχύ, ο οποίος ορίστηκε, για τους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, ίσος με 0.7 kw th m -2 (IEA-SHC, 2005). Έτσι, επιφάνεια συλλέκτη ίση με 1 m 2 αντιστοιχεί σε 0.7 kw th, με την ίδια λογική που ορίζεται η ισχύς αιχμής (Peak power) για τα φωτοβολταϊκά. Υπολογίζεται ότι σήμερα στον κόσμο είναι σε λειτουργία περίπου εκ. m 2 θερμικοί ηλιακοί συλλέκτες, κατανεμημένοι όπως φαίνεται στην Εικόνα 1.2, ενώ η αγορά εκτιμάται ότι ανέρχεται σε 26.1 εκ. m 2 το χρόνο (IEA-SHC, 2008). FYROM Εικόνα 1.2: Παγκόσμια Εγκατεστημένη Ισχύς Ηλιακών Θερμικών Συστημάτων (2006) Τόσο τα τελευταία στοιχεία για την εξέλιξη των αγορών, όσο και οι εκτιμήσεις διαφόρων φορέων που ασχολούνται με την διερεύνηση των τάσεων στις αγορές, συγκλίνουν στο ότι τα επόμενα χρόνια η αγορά θα συνεχίσει να κινείται με ανοδικό ρυθμό. 1.2 ΗΛΙΑΚΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑ Α Η Ελλάδα αποτελεί παγκοσμίως μια από τις πρωτοπόρες χώρες στη χρήση θερμικών ηλιακών, η συντριπτική πλειοψηφία των οποίων είναι θερμοσιφωνικά. Για μεγάλο διάστημα κατείχε την πρώτη θέση στην κατά κεφαλή εγκατεστημένη επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών στην Ευρωπαϊκή Ένωση και σχετικά πρόσφατα ξεπεράστηκε από την Κύπρο και την Αυστρία (ESTIF, 2008), (ESTIF, 2003). Στις μέρες μας, τα ηλιακά θερμοσιφωνικά συστήματα χρησιμοποιούνται από περισσότερες από 850,000 οικογένειες, σχεδόν το 25% του συνόλου (ESTIF, 2003), ενώ η Ελληνική αγορά εκτιμάται σε 298,000 m² για το 2008 (ESTIF, 2008). 2

23 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Στα τέλη του 2008, η συνολική εγκατεστημένη επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών στην Ελλάδα ανέρχονταν σε 3.87 εκατ. m 2. Το 99% αυτών αφορά συστήματα παραγωγής ζεστού νερού κλειστού κυκλώματος (ESTIF, 2003), (EBHE, 2003). Κατά τη περίοδο έγιναν οι πρώτες μαζικές πωλήσεις ηλιακών συλλεκτών, λόγω της πετρελαϊκής κρίσης καθώς και της υιοθέτησης από την ελληνική κυβέρνηση κινήτρων για τους χρήστες, με αποτέλεσμα τη συνεχή αύξηση της εγκατεστημένης επιφάνειας. Κατά την αμέσως επόμενη περίοδο , οι πωλήσεις κυμαίνονταν στα m 2 ετησίως ως αποτέλεσμα μεγάλης διαφημιστικής καμπάνιας με χορηγό το ελληνικό κράτος, αλλά και εξαιτίας του φόβου ότι ο φόρος προστιθέμενης αξίας (ΦΠΑ), που για πρώτη φορά θα εφαρμόζονταν την 1η Ιανουαρίου 1987 θα αύξανε τις τιμές των συστημάτων [m 2 ] [Έτος] Εικόνα 1.3: Εξέλιξη των πωλήσεων ηλιακών συλλεκτών στην Ελλάδα Την περίοδο αυτή όλα τα συστήματα κατασκευάζονταν από εγχώριες βιομηχανίες και ένα πολύ μικρό ποσοστό εισάγονταν, κυρίως από το Ισραήλ. Από το 1987 έως το 1993 οι πωλήσεις παρέμειναν σταθερές και η εγκατεστημένη επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών αυξάνεται με σταθερό ρυθμό. Μία μεγάλης κλίμακας διαφημιστική καμπάνια με χορηγούς την Ένωση Βιομηχανιών Ηλιακής Ενέργειας (ΕΒΗΕ) και τον Οργανισμό για την Προώθηση των Ελληνικών Προϊόντων βελτίωσε την εικόνα της αγοράς. Το κίνητρο της έκπτωσης φόρου διατηρήθηκε μέχρι το 1991 οπότε και καταργήθηκε. Η συνεχώς αυξανόμενη τιμή του ηλεκτρικού ρεύματος, η επιβολή του ΦΠΑ και οι πολλές υποτιμήσεις του εθνικού νομίσματος κατά τη περίοδο αυτή μπόρεσαν να προστατεύσουν την αγορά από μία πτωτική πορεία. Η οικονομική κρίση που επήλθε στις αρχές του 90, οι κυβερνητικές παρεμβάσεις για τη μείωση της τιμής του ηλεκτρικού ρεύματος, η ελλιπής προώθηση των ηλιακών συστημάτων από τη βιομηχανία και η κατάργηση των οικονομικών κινήτρων από την κυβέρνηση είχαν ως αποτέλεσμα τη μείωση των πωλήσεων προς το τέλος αυτής της περιόδου. Από το 1994 έως 3

24 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα το 2004 η αγορά ηλιακών συστημάτων ήταν πρακτικά σταθερή (Εικόνα 1.3) (ESTIF, 2003), (EBHE, 2003), (IOBE, 1985)με τις νέες αγορές να αφορούν ουσιαστικά αντικατάσταση παλιών συστημάτων και όχι νέες εγκαταστάσεις (Εικόνα 1.4), ενώ τα τελευταία χρόνια η αγορά παρουσιάζει ανοδικές τάσεις [m²] [Έτος] Εικόνα 1.4: Εξέλιξη της εγκατεστημένης επιφάνειας ηλιακών συλλεκτών στην Ελλάδα Μετά την συνδιάσκεψη στο Ρίο και την υπογραφή της συμφωνίας σχετικά με την κλιματική αλλαγή, η Ελληνική κυβέρνηση στην προσπάθεια της να συμμετάσχει στην μείωση των αερίων του θερμοκηπίου, κατέστρωσε δύο προγράμματα για την κλιματική αλλαγή. Το 2002 ολοκληρώθηκε το δεύτερο πρόγραμμα, το οποίο τέθηκε σε εφαρμογή το Σε αυτό ορίζονται τα μέτρα και η πολιτική που πρέπει να ακολουθηθούν που συμπεριλαμβάνουν, την υιοθέτηση κινήτρων για εγκατάσταση και χρήση ηλιακών θερμικών συστημάτων στον ευρύτερο κτιριακό τομέα, για την επίτευξη των στόχων που έθεσε η χώρα στο Κυότο (ΥΠΕΧΩ Ε, 2003). Ένας από τους στόχους που ορίσθηκαν ήταν η αύξηση της χρήσης ηλιακών θερμικών συστημάτων στον οικιακό τομέα. Σύμφωνα με αυτή τουλάχιστον το 35% των αναγκών σε ζεστό νερό χρήσης θα έπρεπε να καλυφτεί από ηλιακά συστήματα μέχρι το 2010, δηλαδή, περίπου 1.37 GWh el (ΥΠΕΧΩ Ε, 2003). Σύμφωνα με την ESTIF το τεχνικό δυναμικό της χώρας υπολογίζεται σε περίπου 28.5 εκατομμύρια m² (ESTIF, 2003). Η εκτίμηση αυτή θεωρεί τεχνικά δυνατή την εγκατάσταση 2.7 m² συλλεκτικής επιφάνειας για κάθε άτομο στην Ελλάδα, χωρίς να λαμβάνει υπόψη φυσικούς περιορισμούς που δυσκολεύουν την δυνατότητα εγκατάστασης ηλιακών συστημάτων, οι 4

25 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα οποίοι περιορίζουν το μέγιστο τεχνικά δυναμικό σε περίπου 9,73 εκατομμύρια m 2 (Tsilingiridis et al, 2010). Η μελέτη της ESTIF εκτιμούσε ότι για την περίοδο , ο ετήσιος ρυθμός αύξησης θα κυμαινόταν μεταξύ 7 και 9.5%, κάτι που θα οδηγούσε σε συνολικά εγκατεστημένη επιφάνεια εκατομμύρια m² ηλιακών συλλεκτών. Στην πραγματικότητα ο ρυθμός αύξησης δεν ξεπέρασε το 6%, με εξαίρεση το 2007, με αποτέλεσμα τα 4.2 εκατομμύρια m² να αποτελούν μια πιο ρεαλιστική πρόβλεψη. 1.3 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΗΛΙΑΚΩΝ: Ο ΕΠΙΠΕ ΟΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗΣ Παρά τις όποιες προσπάθειες ανάπτυξης νέων τύπων, ο επίπεδος ηλιακός συλλέκτης εξακολουθεί να κυριαρχεί στην αγορά. Στην Ευρώπη για παράδειγμα το 95% των συλλεκτών που τοποθετήθηκαν το 2008 ήταν επίπεδοι (ESTIF, 2009). Κύριο πλεονέκτημα των επίπεδων ηλιακών συλλεκτών είναι ότι συνδυάζουν χαμηλό σχετικά κόστος με μεγάλο εύρος εφαρμογών όπως θέρμανση χώρου και ζεστού νερού χρήσης αλλά και βιομηχανικές εφαρμογές. Οι συλλέκτες αυτοί, εκμεταλλεύονται τόσο την άμεση όσο και την διάχυτη ακτινοβολία με αποτέλεσμα ένας καλά σχεδιασμένος και κατασκευασμένος συλλέκτης να έχει την δυνατότητα να προσδώσει θερμοκρασία κοντά σε αυτή του βρασμού στο νερό. Στους επίπεδους συλλέκτες η επιφάνεια συλλογής συμπίπτει με την επιφάνεια μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμική ενέργεια ενώ, επιδιώκεται η βελτίωση του βαθμού απόδοσης n R με μείωση των απωλειών ή με αύξηση του λόγου της απορροφητικότητας στο ηλιακό φάσμα προς την εκπεμψιμότητα στο μακρυνό υπέρυθρο. Εικόνα 1.5: Ηλιακός συλλέκτης σε τομή Οι τυπικοί επίπεδοι συλλέκτες αποτελούνται από τη μαύρη απορροφητική επιφάνεια στην οποία γίνεται μετατροπή της ηλιακής ενέργειας που απορροφάται σε θερμότητα, η οποία στη 5

26 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα συνέχεια μεταφέρεται σε κάποιο ρευστό. Ο απορροφητής καλύπτεται στην πάνω πλευρά από ένα διάφανο κάλυμμα με στόχο τη μείωση των απωλειών λόγω συναγωγής και ακτινοβολίας προς την ατμόσφαιρα. Για τον ίδιο λόγο, η πλάτη και τα πλαϊνά του απορροφητή είναι μονωμένα και ο απορροφητής έχει ενσωματωμένους και τους αγωγούς διέλευσης του ρευστού. Όλα τα παραπάνω βρίσκονται «συσκευασμένα» σε ένα μεταλλικό συνήθως πλαίσιο που προσφέρει ακαμψία (Εικόνα 1.5). Για την κατασκευή των επίπεδων συλλεκτών χρησιμοποιείται μια πληθώρα υλικών στην οποία περιλαμβάνονται ο χαλκός, ο χάλυβας, το αλουμίνιο, διάφορα είδη γυαλιού, μονωτικά κ.α. Ειδικά τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην απορροφητική επιφάνεια αλλά και τα διαφανή υλικά που την καλύπτουν παίζουν σημαντικό ρόλο στην απόδοση του συλλέκτη καθώς οι ιδιότητες τους με το πέρασμα του χρόνου υποβαθμίζονται επηρεάζοντας έτσι σε μεγάλο βαθμό την απόδοση τους (M. Kohl et al, 2004)], (M. Kohl et al, 2005). Εικόνα 1.6: Σχηματική λειτουργία θερμοσιφωνικού συστήματος κλειστού κυκλώματος Πιθανή συμπύκνωση υγρασίας στην εσωτερική πλευρά του καλύμματος ή ανάμεσα σε δύο καλύμματα μειώνει την διαπερατότητα με αποτέλεσμα μείωση της απόδοσης του συλλέκτη εξαιτίας της λιγότερης διατιθέμενης ακτινοβολίας για απορρόφηση (Kehrer M. et al, 2003). Επίσης τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των συλλεκτών δεν πρέπει να περιέχουν πτητικές ουσίες γιατί, κατά τη λειτουργία σε περιόδους υψηλής θερμοκρασίας μπορεί να εξατμισθούν και να συμπυκνωθούν στην συνέχεια στην εσωτερική πλευρά του διάφανου καλύμματος μειώνοντας την διαπερατότητα. Σημαντική μέριμνα πρέπει να ληφθεί τέλος και για την δομική αντοχή του συλλέκτη η οποία πρέπει να είναι τέτοια ώστε να αντέχει την διαδικασία μεταφοράς, εγκατάστασης καθώς και την ανεμοπίεση. 6

27 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Η πιο διαδεδομένη εφαρμογή των επίπεδων ηλιακών συλλεκτών είναι ο ηλιακός θερμοσίφωνας (Εικόνα 1.6) με συνολική απόδοση μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα περίπου 30 40% (Close D. J., 1962). Τα πιο κοινά υλικά κατασκευής ενός ηλιακού συστήματος αναφέρονται στον Πίνακα 1.1. Υλικά απορροφητή Επιφάνεια απορροφητή Μόνωση Συλλέκτη / οχείου Υλικό καλύμματος Πίνακας 1.1: Υλικά κατασκευής ενός συστήματος παραγωγής ζεστού νερού Πλαίσιο συλλέκτη Αλουμίνιο εξαμενή αποθήκευσης Κάλυμμα δεξαμενής Χαλυβδοέλασμα ή ανοξείδωτη λαμαρίνα Πτερύγια αλουμινίου ή χαλκού με σωλήνες ανοξείδωτου χάλυβα Σωλήνες χαλκού εκτονωμένοι σε πτερύγια αλουμινίου Σωλήνες χαλκού εκτονωμένοι σε πτερύγια χαλκού Επικάλυψη με μαύρη βαφή Επικάλυψη με επιλεκτική βαφή Υαλοβάμβακας σε συνδυασμό με Πολυουρεθάνη (PU-non CFC) Πολυουρεθάνη (PU-non CFC) Ηλιακό Γυαλί με χαμηλή περιεκτικότητα σε σίδηρο 3-5 mm Πολυκαρβονικό ή Ακρυλικό ιάφανο κάλυμμα Ανοξείδωτος χάλυβας Χαλυβδοέλασμα με εσωτερική υάλωση ή Χαλκός Ανοξείδωτος ή Γαλβανισμένος χάλυβας Αλουμίνιο Ανοξείδωτος χάλυβας ή Χαλυβδοέλασμα Οι ιδιότητες καθώς και τα μειονεκτήματα και προτερήματα των διαφόρων υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή του ηλιακού συλλέκτη, ο οποίος αποτελεί το βασικότερο τμήμα των ηλιακών θερμοσιφωνικών συστημάτων αναφέρονται λεπτομερώς παρακάτω. Ο απορροφητής αποτελεί ουσιαστικά ένα σύστημα, το οποίο περιλαμβάνει την απορροφητική επιφάνεια και τους αγωγούς κυκλοφορίας του ρευστού μαζί με το ρευστό. Η αποδοτική λειτουργία του απορροφητή καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό και από τη διαμόρφωσή του. Οι κυριότεροι τρόποι διαμόρφωσης είναι είτε σωλήνες σε επαφή με την πλάκα της απορροφητικής επιφάνειας, είτε σωλήνες σε επαφή με πτερύγια (Εικόνα 1.7(1),(2),(3)), είτε αγωγοί διαμορφωμένοι στο σώμα της απορροφητικής επιφάνειας (τύπος «σάντουιτς») (Εικόνα 1.7(4)). 7

28 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Εικόνα 1.7: ιάφοροι τρόποι διαμόρφωσης απορροφητικής επιφάνειας Ο συλλέκτης με απορροφητική επιφάνεια τύπου «σάντουιτς», αποτελείται από δύο παράλληλες πλάκες σε μικρή απόσταση (1-2 mm), με κατάλληλη διαμόρφωση ώστε να δημιουργούνται αυλάκια μέσα στα οποία κυκλοφορεί το ρευστό. Τα βασικότερα πλεονεκτήματα αυτής της διαμόρφωσης είναι: Ευκολότερη κατασκευή, υλικό χαμηλού κόστους Χρήση σχεδόν, του συνόλου της επιφάνειας του απορροφητή Ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του απορροφητή Ομοιόμορφη κατανομή της ροής του ρευστού μεταφοράς της θερμότητας, μεταξύ των δύο πλακών Παρά τα πλεονεκτήματα του τύπου όμως, υπάρχουν και ορισμένα βασικά μειονεκτήματα. Έτσι δεν εμφανίζει μεγάλη αντοχή σε πίεση με αποτέλεσμα να υπάρχει κίνδυνος διαρροής, ιδιαίτερα σε υψηλές πιέσεις, όπως όταν χρησιμοποιείται αντλία (συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας). Οι συλλέκτες, στους οποίους οι σωλήνες βρίσκονται σε επαφή είτε με την πλάκα της απορροφητικής επιφάνειας είτε με πτερύγια, είναι οι πλέον διαδεδομένοι αν και εμφανίζουν μια σειρά μειονεκτημάτων, όπως: Μη ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στην απορροφητική επιφάνεια Μικρότερη επιφάνεια εναλλαγής (γραμμική ή επαφής) και επομένως υψηλότερες θερμοκρασίες στις περιοχές απορρόφησης (πτερύγια) με αποτέλεσμα μεγαλύτερες απώλειες ακτινοβολίας 8

29 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Για την κατασκευή της απορροφητικής επιφάνειας χρησιμοποιούνται συνήθως μέταλλα, όπως χαλκός, αλουμίνιο, χάλυβας (ανοξείδωτος ή μη) εξαιτίας του σχετικά χαμηλού κόστους τους, της υψηλής αντοχής τους και των καλών θερμομηχανικών ιδιοτήτων τους. Η επιλογή των υλικών τα οποία θα χρησιμοποιηθούν επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό και από τον τρόπο διαμόρφωσης της απορροφητικής επιφάνειας. Υλικά με υψηλή θερμική αγωγιμότητα, όπως ο χαλκός ή το αλουμίνιο, χρησιμοποιούνται κυρίως σε κατασκευές πλάκας και σωλήνων, ή πτερυγίων και σωλήνων. Τα υλικά με μέση αγωγιμότητα χρησιμοποιούνται συνήθως σε απορροφητικές επιφάνειες τύπου «σάντουιτς». Για τους αγωγούς του ρευστού χρησιμοποιείται επίσης κάποιο από τα παραπάνω υλικά. Βασική απαίτηση για τους σωλήνες του ρευστού είναι εκτός από τις καλές θερμομηχανικές ιδιότητες και η αντοχή σε διαβρωτικό περιβάλλον. Επειδή σε γενικές γραμμές η απορροφητικότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή της απορροφητικής επιφάνειας δεν είναι μεγάλη, στην επιφάνειά τους τοποθετείται κατάλληλη επικάλυψη υψηλής απορροφητικότητας (Koltun M. et al, 1994) Για τον περιορισμό των θερμικών απωλειών προς το περιβάλλον, γίνεται χρήση μονωτικών υλικών στην πίσω πλευρά και στα πλαϊνά του ηλιακού συλλέκτη. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται ποικίλουν. Ο υαλοβάμβακας υψηλής ποιότητας και ο πετροβάμβακας εμφανίζουν καλές μονωτικές ιδιότητες και αντοχή στις θερμοκρασίες που αναπτύσσονται μέσα στον συλλέκτη. Όπως όλα τα μονωτικά υλικά είναι απαραίτητο να προστατευθούν από την υγρασία. Χρησιμοποιούνται σε πάχη μέχρι και 50 mm καθώς το όφελος για μεγαλύτερα πάχη είναι μηδαμινό (De Winter F., 1990). Οι αφροί πολυουρεθάνης και η εξηλασμένη πολυστερίνη είναι δημοφιλή μονωτικά υλικά εξαιτίας του πολύ χαμηλού συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας, αλλά και της μεγαλύτερης αντοχής τους στην υγρασία. Κύριο μειονέκτημά τους είναι ότι δεν αντέχουν σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 120 C. Στην Ελληνική βιομηχανία σήμερα, οι περισσότεροι κατασκευαστές χρησιμοποιούν για την κατασκευή του απορροφητή σωλήνες χαλκού εκτονωμένους σε προφίλ χαλκού, ενώ κάποιοι κάνουν χρήση αλουμινίου. Ως μονωτικά υλικά χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο αφρός πολυουρεθάνης στη πίσω πλευρά με πετροβάμβακα στα πλαϊνά ή δευτερευόντως πετροβάμβακας παντού. Τέλος ως διάφανο κάλυμμα οι Έλληνες κατασκευαστές στο μεγαλύτερο ποσοστό, σχεδόν 90%, χρησιμοποιούν ηλιακό τζάμι χαμηλής περιεκτικότητας σε σίδηρο. Λίγοι είναι αυτοί που κάνουν χρήση ακρυλικού ενώ χρησιμοποιούν σχεδόν αποκλειστικά αλουμίνιο και γαλβανισμένο χάλυβα για τα πλαίσια του συλλέκτη, αλουμίνιο για τα πλαϊνά και 9

30 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα γαλβανισμένη λαμαρίνα για το πίσω μέρος (Argiriou A. et al, 2003),(Σωτηρόπουλος Β. Α., 1997). 1.4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΚΑΙ ΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΕΠΙΠΕ ΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ Αν και οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες αποτελούν μια ώριμη και αρκετά διαδεδομένη τεχνολογία, τόσο στην Ευρώπη όσο και γενικότερα σε όλο τον κόσμο, γίνονται συνεχείς προσπάθειες βελτίωσης της ποιότητας και της απόδοσης τους. Οι προσπάθειες αυτές εστιάζονται κατά κύριο λόγο στα παρακάτω σημεία, τα οποία χαρακτηρίζουν και τις σημερινές τεχνολογικές τάσεις: Στη γενίκευση της χρήσης της επιλεκτικής επιφάνειας η οποία αποτελεί προϋπόθεση για την επίτευξη υψηλών αποδόσεων σε γενικής φύσης εφαρμογές. Στη σταδιακή επικράτηση των ενιαίων απορροφητικών επιφανειών (full face absorber) οι οποίες επιτρέπουν σημαντική μείωση των θερμικών απωλειών λόγω της μείωσης της κυκλοφορίας του αέρα στο εσωτερικό του συλλέκτη και της καλύτερης εκμετάλλευσης της διαθέσιμης επιφάνειας παραθύρου. Στην εισαγωγή νέων τεχνολογιών συγκόλλησης (soldering, laser). Στη χρήση μονωτικών υλικών που είναι φιλικά προς το περιβάλλον και ικανοποιούν τις σχετικές νομοθετικές απαιτήσεις. Επιπρόσθετα παραμένουν αρκετά σημεία για τα οποία οι λύσεις δεν είναι δεδομένες, όπως για παράδειγμα για την προστασία από τον παγετό ή η δυνατότητα εύκολης ένταξης σε μεγάλα ηλιακά πεδία και η ενσωμάτωση σε κεραμοσκεπές. Η μεγαλύτερη όμως πρόκληση συνίσταται στο σχεδιασμό του προϊόντος ώστε να αξιοποιούνται στο μέγιστο δυνατό βαθμό οι δυνατότητες που παρέχει η χρήση πιο αποδοτικών αλλά και πιο φιλικών προς το περιβάλλον υλικών. Η χρήση επιλεκτικής επιφάνειας ή η ενσωμάτωση έξυπνων τεχνολογικά λύσεων δεν οδηγεί σε καλύτερες αποδόσεις, αν συνολικά ο συλλέκτης δεν έχει σχεδιαστεί σωστά. Αυτό είναι εμφανές στην Εικόνα 1.8 όπου φαίνονται τα αποτελέσματα δοκιμών διαφόρων τύπων επίπεδων συλλεκτών (Μαθιουλάκης, 2006). Για τον λόγο αυτό είναι απαραίτητος ο σωστός σχεδιασμός, ο οποίος θα λάβει υπόψη του την αποφυγή θερμογεφυρών, την επιλογή του μεγέθους των σωληνώσεων και τον ορθό τρόπο σύνδεσής τους με την απορροφητική επιφάνεια, τη διάμετρο των σωληνώσεων, την αναγκαία απόσταση μεταξύ διάφανου ή διάφανων καλυμμάτων και απορροφητή ώστε να μειωθεί κατά το δυνατόν η εσωτερική κυκλοφορία του αέρα η οποία αυξάνει τις απώλειες. 10

31 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα 10 U Μαύρη βαφή Ημιεπιλεκτικό 6 5 Επιλεκτικό Μεγαλύτερη Απόδοση Εικόνα 1.8: Μέγιστη στιγμιαία απόδοση n o και συντελεστής απωλειών U o για διάφορους τύπους συλλεκτών (+: μαύρης βαφής, x: ημι-επιλεκτικός, ο: επιλεκτικός) Γενικά, η επιλογή του κατάλληλου τύπου συλλέκτη είναι συνάρτηση της εφαρμογής για την οποία προορίζεται, σε συνδυασμό βεβαίως με τα υπόλοιπα τεχνικοοικονομικά δεδομένα της εγκατάστασης. Για παράδειγμα, για εφαρμογές οι οποίες απαιτούν χαμηλές θερμοκρασίες ακόμα και ένας συλλέκτης απλής βαφής μπορεί να είναι το ίδιο ή και περισσότερο αποδοτικός από έναν επιλεκτικό. Επιπρόσθετα, λόγω της ραγδαίας εξέλιξης της πετροχημικής βιομηχανίας και της παραγωγής πολυμερών υλικών, με τεχνικά χαρακτηριστικά συγκρίσιμα των συμβατικών που χρησιμοποιούνται στους ηλιακούς συλλέκτες, αλλά και σε μια προσπάθεια μείωσης του κόστους, έγιναν αρκετές προσπάθειες για την ενσωμάτωση ή και αντικατάσταση τμημάτων των επίπεδων ηλιακών συλλεκτών από πολυμερή. Τα πολυμερή χρησιμοποιούνται, με αρκετή επιτυχία, ως διάφανα καλύμματα, υλικά κατασκευής του πλαισίου και σε αρκετές περιπτώσεις ως απορροφητές (Tsilingiris P.T., 2002), (Meir M., et al, 2003). Εξαιτίας της μικρής θερμικής αγωγιμότητάς τους, στις περισσότερες περιπτώσεις ο σχεδιασμός πολυμερών συλλεκτών στοχεύει στην μεγιστοποίηση της επιφάνειας του απορροφητή που έρχεται σε επαφή με το ρευστό μεταφοράς της θερμότητας. Επιλέγονται συνήθως, απορροφητές κατασκευασμένοι από πολυμερές με μικρά και κοντινά αυλάκια με τα οποία επιτυγχάνεται η μεγιστοποίηση της επιφάνειας επαφής με αποτέλεσμα n 0 11

32 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα βελτιστοποίηση της μεταφοράς θερμότητας. Οι πιο διαδεδομένες διαμορφώσεις απορροφητών κατασκευασμένων από πολυμερές παρουσιάζονται στην Εικόνα 1.9. Εικόνα 1.9: ιάφορες ιαμορφώσεις Πολυμερικών Απορροφητών (1. ιάφανο Κάλυμμα, 2. Απορροφητής, 3. Πλαίσιο) (Liu W. et al, 1999) 1.4 ΣΤΟΧΟΣ ΤΗΣ ΠΑΡΟΥΣΑΣ ΙΑΤΡΙΒΗΣ Αν και όπως προκύπτει και από τα παραπάνω, η τεχνολογία αλλά και η θεωρία που διέπει τους ηλιακούς συλλέκτες είναι θεμελιωμένη, η περαιτέρω διείσδυση των ηλιακών θερμικών συστημάτων βασίζεται στην ταυτόχρονη μείωση του κόστους και στην αύξηση της απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών. Κάτι τέτοιο προϋποθέτει τη χρήση υλικών χαμηλού κόστους (όπως είναι τα πολυμερή), κατάλληλης τεχνικής που να βελτιστοποιεί τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συλλέκτη και βέβαια σωστό σχεδιασμό. Για τον λόγο αυτό, μετά από εκτεταμένη βιβλιογραφική έρευνα, στα πλαίσια της διατριβής, υιοθετήθηκε η χρήση διάφανης υδραυλικής διάταξης κατασκευασμένης από πολυμερές, μέσα στην οποία ρέει το ρευστό μεταφοράς της θερμότητας το οποίο είναι χρωματισμένο μαύρο και λειτουργεί και ως απορροφητής. Η συγκεκριμένη διάταξη είχε χρησιμοποιηθεί και στα τέλη της δεκαετίας του 70, χωρίς όμως επιτυχία κυρίως λόγω προβλημάτων που σχετίζονταν με τα τότε διαθέσιμα υλικά (DeWinter F., 1991). Κύριο πλεονεκτήματα της συγκεκριμμένης διάταξης, είναι η μείωση των σταδίων εναλλαγής της θερμότητας κατά ένα,η απορρόφηση της ακτινοβολίας απευθείας από το αδιαφανές ρευστό μεταφοράς της θερμότητας, η αύξηση των θερμομονωτικών στρωμάτων επίσης κατά 12

33 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα ένα, η μεγιστοποίηση της επιφάνειας εναλλαγής-απορρόφησης του συλλέκτη καθώς και η ποιο ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η διάταξη να εμφανίζει μικρότερες θερμικές απώλειες. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε αναλυτικά ο συγκεκριμένος τύπος συλλέκτη. Αρχικά κατασκευάσθηκε ένας πρότυπος συλλέκτης του οποίου τα τεχνικά χαρακτηριστικά μετρήθηκαν πειραματικά ώστε να αποτελέσουν την βάση σύγκρισης για την ανάπτυξη ενός αναλυτικού αλγορίθμου ο οποίος προσομοιώνει την λειτουργία του συλλέκτη. Για να είναι δυνατή η βελτιστοποίηση αυτού του τύπου συλλέκτη μελλοντικά, ο αλγόριθμος παραμετροποιήθηκε ώστε να λαμβάνει υπόψη του όλα τα δυνατά χαρακτηριστικά σχεδιασμού. Επιπρόσθετα, με χρήση τεχνικών υπολογιστικής ρευστομηχανικής διερευνήθηκε το ροϊκό πεδίο σε όλη την επιφάνεια του συλλέκτη ώστε να είναι δυνατή η βελτιστοποίηση των σημείων εισόδου και εξόδου του ρευστού, αλλά και της διατομής της υδραυλικής του διάταξης. Τέλος, καθώς η ολοκληρωμένη εκτίμηση της τεχνολογίας της ηλιακής ενέργειας απαιτεί την αποτίμηση των έμμεσων περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκαλούνται από τις ανταλλαγές που συνοδεύουν τα ηλιακά σύστημα καθ όλη την διάρκεια ζωής τους (χρήση φυσικών πόρων, χρήση ενέργειας, αέριες εκπομπές, υγρά και στερεά απόβλητα), χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής και έγινε σύγκριση του πρότυπου συλλέκτη με τυπικούς επίπεδους ηλιακούς. 1.5 ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑ ΚΑΙ ΟΜΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Η πρωτοτυπία της διατριβής εστιάζεται στους εξής βασικούς άξονες: Στη δημιουργία και επαλήθευση ενός αλγορίθμου που βασίζεται στη χρήση αναλυτικών εξισώσεων, για τη πρόβλεψη της θερμοκρασίας εξόδου του ρευστού από τον πρότυπο ηλιακό συλλέκτη, καθώς και των ολικών (οπτικών και θερμικών) απωλειών του, ως συνάρτηση των κατασκευαστικών δεδομένων του και των απαραίτητων μετεωρολογικών στοιχείων. Στη διερεύνηση του ροϊκού πεδίου του συλλέκτη με σκοπό την πληρέστερη μελέτη της λειτουργίας του πρότυπου συλλέκτη, καθώς και της δυνατότητας βελτίωσης του μέσω αλλαγών στη γεωμετρία του. Στην ενεργειακή και περιβαλλοντική αξιολόγηση, μέσω της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής, του πρότυπου συλλέκτη και σύγκριση του με τυπικούς επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, ώστε σε συνδυασμό με τους αναπτυχθέντες αλγόριθμους να είναι δυνατή η περαιτέρω βελτιστοποίηση του εν λόγω συλλέκτη. 13

34 Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Η δομή της εργασίας έχει ως εξής: Στο Πρώτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται συνοπτικά τα ηλιακά θερμικά συστήματα, οι σημαντικότερες κατασκευαστικές τους διαφορές καθώς και τα υλικά τα οποία χρησιμοποιούνται. Επιπρόσθετα αναπτύσσεται συνοπτικά ο σκοπός της εργασίας και αναφέρονται τα στοιχεία της πρωτοτυπίας της. Στο εύτερο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η σχεδιομελέτη του πρότυπου ηλιακού συλλέκτη, τα υλικά τα οποία χρησιμοποιηθήκαν στη κατασκευή του καθώς και ο λόγος της επιλογής τους. Στο Τρίτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη η οποία δημιουργήθηκε για να μετρηθεί ο στιγμιαίος βαθμός απόδοσης του πρότυπου ηλιακού συλλέκτη, το πρωτόκολλο μέτρησης που χρησιμοποιήθηκε καθώς και τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Στο Τέταρτο Κεφάλαιο αναπτύσσεται το θεωρητικό υπόβαθρο, υπό μορφή εξισώσεων, για την περιγραφή της λειτουργίας του πρότυπου ηλιακού συλλέκτη και τον υπολογισμό της θερμοκρασίας εξόδου του ρευστού καθώς και των ολικών (οπτικών και θερμικών) απωλειών του συλλέκτη, ως συνάρτηση των κατασκευαστικών δεδομένων του και των απαραίτητων μετεωρολογικών στοιχείων. Στη συνέχεια γίνεται επαλήθευση του αλγορίθμου με σύγκριση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με τα μετρούμενα μεγέθη. Το Πέμπτο Κεφάλαιο παρουσιάζει τη διερεύνηση του ροϊκού πεδίου του πρότυπου ηλιακού συλλέκτη με τη χρήση τεχνικών υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του δεύτερου αυτού αλγόριθμου, συγκρίνονται τόσο με τα πειραματικά όσο και με τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη χρήση του αλγορίθμου του προηγούμενου κεφαλαίου. Το Έκτο Κεφάλαιο αφιερώνεται στην περιβαλλοντική αξιολόγηση επίπεδων ηλιακών συλλεκτών. Αναπτύσσεται η μεθοδολογία της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής, περιγράφονται τα υπάρχοντα εργαλεία και αξιολογούνται τυπικοί επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες. Στο Έβδομο Κεφάλαιο γίνεται η αξιολόγηση της μακροχρόνιας χρήσης του πρότυπου επίπεδου ηλιακού συλλέκτη τόσο ενεργειακά όσο και περιβαλλοντικά και τα αποτελέσματα της αξιολόγησης συγκρίνονται με αυτά των τυπικών επίπεδων ηλιακών συλλεκτών. Στο Όγδοο Κεφάλαιο γίνεται ανακεφαλαίωση της διατριβής και παρουσιάζονται τα συμπεράσματα. Η διατριβή ολοκληρώνεται με την σχετική βιβλιογραφία και τα τέσσερα παραρτήματα. 14

35 Μελέτη Περιγραφή Κατασκευή Πρότυπου Συλλέκτη 2. ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ 2.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΛΛΕΚΤΗ Ο συλλέκτης περιλαμβάνει όλα τα συνηθισμένα τμήματα ενός τυπικού συλλέκτη. Η διαφορά του με τους τυπικούς επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες έγκειται στον απορροφητή. Αντί για ένα τυπικό σκουρόχρωμο απορροφητή (κατασκευασμένο από μέταλλο ή πολυμερές), το ρευστό μεταφοράς της θερμότητας είναι χρωματισμένο μαύρο και ρέει σε μια διάφανη υδραυλική διάταξη λειτουργώντας και ως απορροφητής. Ο πρότυπος συλλέκτης σε τομή παρουσιάζεται σχηματικά στην Εικόνα 2.1. Ηλιακή ακτινοβολία Πλαστικό Κάλυμμα Πλαίσιο Κυψελωτή Σωλήνωση από όπου περνάει το μαύρο υγρό απορρόφησης μεταφοράς της θερμότητας Μόνωση Εικόνα 2.1: Τομή ηλιακού συλλέκτη Στους συλλέκτες μεταλλικής πλάκας η μέγιστη θερμοκρασία αναπτύσσεται στην εμπρόσθια επιφάνεια (επιφάνεια πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας), ενώ το ρευστό που ρέει από την πίσω επιφάνεια (ή μέσα σε σωλήνες προσκολλημένους στην πίσω πλευρά της μεταλλικής πλάκας) απορροφά θερμότητα και την ψύχει. Στην περίπτωση που το ρευστό, μαύρου χρώματος, ρέει στα αυλάκια/κυψέλες πολυμερούς υλικού η μέγιστη θερμοκρασία θα αναπτύσσεται στο ρευστό και ταυτόχρονα μειώνονται τα στάδια εναλλαγής της θερμότητας κατά ένα. 15

36 Μελέτη Περιγραφή Κατασκευή Πρότυπου Συλλέκτη Παράλληλα έχουμε λιγότερες απώλειες προς το περιβάλλον λόγω αφενός της χαμηλότερης θερμοκρασίας που αναπτύσσεται στην υδραυλική διάταξη, σε σχέση με την μεταλλική επιφάνεια, και αφετέρου των περισσότερων θερμομονωτικών στρωμάτων που παρεμβάλλονται. Επιπρόσθετα, με τη χρήση της διαφανούς υδραυλικής διάταξης μεγιστοποιείται η επιφάνεια εναλλαγής-απορρόφησης του συλλέκτη η οποία και ταυτίζεται με το ορατό παράθυρο του συλλέκτη. 2.2 ΥΛΙΚΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΤΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ εδομένου ότι το ρευστό μεταφοράς της θερμότητας θα ενεργεί και ως μέσο απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας και μετατροπής της σε θερμότητα, είναι σημαντικό το υλικό της διάφανης υδραυλικής διάταξης να διαθέτει αντίστοιχα χαρακτηριστικά με αυτά των υλικών που χρησιμοποιούνται ως διάφανα καλύμματα στους τυπικούς επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες. ηλαδή, να παρουσιάζει δείκτες διάθλασης και διαπερατότητας παρόμοιους με αυτούς του γυαλιού προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας και μεγάλη φωτοσταθερότητα, ειδικά στην υπεριώδη ακτινοβολία. Σε μια προσπάθεια περιορισμού του βάρους κρίθηκε σκόπιμο η υδραυλική διάταξη να κατασκευαστεί από κάποιο διάφανο πολυμερές υλικό. Επιπρόσθετα πλεονεκτήματα της επιλογής αυτής αποτελεί το χαμηλότερο κόστος καθώς και η μικρότερη θερμική αγωγιμότητα που παρουσιάζουν τα πολυμερή σε σύγκριση με τα συνηθισμένα μεταλλικά υλικά που χρησιμοποιούνται στους κλασσικούς επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες. Μόνη πιθανή εναλλακτική λύση στη χρησιμοποίηση διάφανου πολυμερούς, αποτελούσε η χρήση γυαλιού. Παρά όμως τις άριστες οπτικές και θερμικές του ιδιότητες, το βάρος του, το αυξημένο κόστος αλλά και οι μηχανικές του ιδιότητες καθιστούν την χρήση του στον εν λόγω συλλέκτη μη συμφέρουσα. Από τα πρώτα βήματα της εξέλιξης της επιστήμης και της τεχνολογίας των ηλιακών, ένα μεγάλο μέρος της προσοχής των σχεδιαστών επικεντρώθηκε στα πολυμερή, εξ αιτίας των ευνοϊκών χαρακτηριστικών τους. Από τα μέσα της δεκαετίας του 70, αμέσως μετά τις πετρελαϊκές κρίσεις, έγιναν προσπάθειες για την κατασκευή ηλιακών συλλεκτών από πολυμερή υλικά, αλλά η τότε απουσία κατάλληλων χαρακτηριστικών οδήγησε γρήγορα στην εγκατάλειψη τους (Landstrom D. et al, 1979), και η χρήση τους περιορίστηκε ουσιαστικά στην Β. Αμερική και στην Αυστραλία, για θέρμανση κολυμβητικών δεξαμενών. Σήμερα, η τεχνολογία των πολυμερών έχει αναπτυχθεί σε μεγάλο βαθμό με αποτέλεσμα να είναι πλέον ευρέως διαθέσιμα χαμηλού κόστους υλικά, τα οποία θα μπορούσαν να επιτρέψουν μεγάλη παραγωγή ελαφρών, χαμηλού κόστους συλλεκτών, ανθεκτικών στη διάβρωση και στον παγετό. 16

37 Μελέτη Περιγραφή Κατασκευή Πρότυπου Συλλέκτη Τα τελευταία χρόνια, εξαιτίας των εξελίξεων στο χώρο των πολυμερών αναζωπυρώθηκε το ενδιαφέρον για κατασκευή αποδοτικών συλλεκτών χαμηλού κόστους κατασκευασμένων από πολυμερή. Ενδεικτικά αναφέρονται κάποιες από αυτές τις προσπάθειες: Πλαστικές απορροφητικές επιφάνειες με επιλεκτική επικάλυψη. Η έρευνα είχε επικεντρωθεί στην χρήση των αναπτυσσόμενων συστημάτων για αφαλάτωση (Rommel M. et al, 1997), Σχεδιασμός συλλέκτη με πλαστική απορροφητική επιφάνεια στην οποία το πίσω τοίχωμα του συλλέκτη παίζει τον ρόλο του απορροφητή (Tsilingiris, P.T., 2002). Όπως προαναφέρθηκε, τα απαραίτητα χαρακτηριστικά του πολυμερούς από το οποίο θα κατασκευαστεί η υδραυλική διάταξη είναι αντίστοιχα με αυτά του διάφανου καλύμματος του συλλέκτη. Τα απαραίτητα χαρακτηριστικά των υλικών που θα χρησιμοποιηθούν ως διαφανή καλύμματα περιλαμβάνουν υψηλή διαπερατότητα σε όλο το ηλιακό φάσμα και αντοχή στη μακροπρόθεσμη (10-20 έτη) έκθεση σε συνθήκες λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένων των αυξημένων θερμοκρασιών (55-90 C) και του υπεριώδους (UV) ηλιακού φωτός. Επιπρόσθετα πρέπει να διατηρούν τη μηχανική ακεραιότητά τους κάτω από κάθε τύπου καιρικές συνθήκες. Πολλές έρευνες έχουν πραγματοποιηθεί με βάση τα πολυμερή ως υλικά ηλιακών συλλεκτών (Garg H.P., et al, 1986). Λεπτόπαχα κυψελοειδή υλικά πολυκαρβονικών υπό μορφή τετραγωνικών κυψελών χρησιμοποιούνται εκτενώς ως υλικά καλυμμάτων συλλεκτών (Hollands K. G. T., 1965), (Nahar N.M. et al 1995). Από τα διάφορα πολυμερή ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα διαφανή καλύμματα τετραφθαλικού πολυαιθυλενίου (PET) τα οποία έχουν υψηλή οπτική ευκρίνεια, χαμηλό κόστος και καλές μηχανικές ιδιότητες. Εντούτοις, η συνήθης θερμοκρασία χρήσης του PET είναι αρκετά χαμηλή και η αντίστασή του στην υπεριώδη ακτινοβολία είναι γενικά μικρή. Τα τελευταία χρόνια, έχουν αναπτυχθεί προϊόντα ανθεκτικά στην υπεριώδη ακτινοβολία. Το πολυαιθυλενοναφθαλενοδικαρβοξύλιο (PEN) έχει αναπτυχθεί ως μια ακριβότερη εναλλακτική λύση του PET, με βελτιωμένες ως προς αυτό, τις θερμικές και τις μηχανικές ιδιότητες. Παρουσιάζει επίσης αυξημένη αντοχή στην γήρανση κατά την έκθεση του σε UV ακτινοβολία. Ανθεκτικά στη UV ακτινοβολία είναι και τα ακρυλικά, ωστόσο, γενικά δεν μπορούν να αντέξουν στις θερμοκρασίες λειτουργίας των ηλιακών συλλεκτών. Επιπλέον, είναι αρκετά εύθραυστα και επομένως ευαίσθητα σε καταστροφές όπως αυτές που μπορεί να προκαλέσει το χαλάζι (Alghoul M.A. et al, 2005). 17