Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας Ενότητα : Ηλιακή Ενέργεια II Θερμικοί Ηλιακοί Συλλέκτες Σκόδρας Γεώργιος, Αν. Καθηγητής gskodras@uowm.gr Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ψηφιακά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Στόχοι Η ανάλυση των επίπεδων ηλιακών συλλεκτών και της αποδοτικότητας τους Η σύγκριση επίπεδων και παραβολικών συλλεκτών Ο προσδιορισμός της γεωγραφικής θερμαντικής αξίας της ηλιακής ενέργειας Η εξέταση των οικιακών συστημάτων θέρμανσης χώρων Η μελέτη των οικιακών συστημάτων θέρμανσης νερού Η ανάλυση του κόστους εφαρμογής της τεχνολογίας ηλιακής ενέργειας 4
Ορολογία Ηλιοστάτης Υδρονικός συλλέκτης Προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία Κόστος κύκλου ζωής Παραβολικά πιάτα ή Συλλέκτες σημειακής εστίασης ή Συλλέκτες υψηλής θερμοκρασίας Βαθμός απόδοσης ηλιακού συλλέκτη Ηλιακή σταθερά Ηλιακός προσανατολισμός 5
GREECE 6
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (1/15) Σήμερα έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί πολλοί τύποι ενεργητικών επίπεδων ηλιακών συλλεκτών, οι περισσότεροι εκ των οποίων τοποθετούνται σε κατοικίες Γενικά υπάρχουν δύο κύριοι τύποι τέτοιων συλλεκτών: Θερμού αέρα. Χρησιμοποιεί ρεύματα αέρα για την θέρμανση οικιών και μερικές φορές την θέρμανση νερού 7
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (2/15) Νερού (υδρονικός) Χρησιμοποιούν συνήθως νερό (με ή χωρίς αντιψυκτικό) για την μεταφορά θερμότητας Το υγρό μεταφέρεται από μικρές σωληνώσεις στην επιφάνεια του απορροφητή του συλλέκτη Το αντιψυκτικό αποτρέπει το πάγωμα του νερού στις χαμηλές θερμοκρασίες και ταυτόχρονα ενεργεί ως λιπαντικό για την αντλία Υπάρχουν συστήματα εκροής για την εκκένωση του υγρού σε συνθήκες παγώματος, εφόσον δεν χρησιμοποιείται αντιψυκτικό Μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την θέρμανση νερού Το θερμαινόμενο νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε απευθείας ή είτε για θέρμανση χώρων 8
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (3/15) Οι συλλέκτες στεγάζονται πάνω σε ένα σταθερό σκελετό από πλαστικό, ξύλο, μέταλλο ή άλλο κατάλληλο υλικό ανθεκτικό στα καιρικά φαινόμενα Το πίσω τμήμα του σκελετού είναι μονωμένο ώστε να χάνεται η ελάχιστη δυνατή θερμική ενέργεια λόγω αγωγής 9
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (4/15) Απορροφητήρας: Ακριβώς πάνω από την μόνωση βρίσκεται ο απορροφητήρας, που έχει σκοπό να συλλέξει όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία, που μετατρέπεται σε θερμότητα και μεταφέρεται έξω από τον συλλέκτη Υπάρχουν πολλές σχεδιάσεις απορροφητήρων, ενδεικτικά σε ένα υδρονικό σύστημα ο απορροφητής αποτελείται από μια υψηλής θερμικής αγωγιμότητας σωλήνωση για την μεταφορά του υγρού 10
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (5/15) Ο χαλκός είναι ένα από τα συνηθέστερα υλικά που χρησιμοποιούνται λόγω της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας του που επιτρέπει την ταχεία μεταφορά θερμότητας στο υγρό Ένας άλλος δοκιμασμένος τύπος απορροφητήρα υδρονικών συστημάτων αποτελείται από λεπτού πάχους πλαστικές σωληνώσεις που μεταφέρουν κάποιο υγρό με σκούρο χρώμα για την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας 11
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (6/15) Απορροφητήρας - Χρήση λεπτού φύλλου αλουμινίου: Ένας, ευρέως δοκιμασμένος, τύπος ηλιακού συλλέκτη χρησιμοποιεί λεπτά φύλλα αλουμινίου για να συλλέγει την μεγάλου και μικρού μήκους κύματος ακτινοβολία Το λεπτό φύλλο αλουμινίου έχει κυψελωτή μορφή και αντανακλά την ακτινοβολία μεγάλου και μικρού μήκους κύματος προς την απορροφητική επιφάνεια, ώστε να επιτυγχάνεται μεγαλύτερη απόδοση 12
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (7/15) Ταυτόχρονα, το κυψελωτό φύλλο αλουμινίου αποτρέπει την δημιουργία ρευμάτων μεταφοράς, που ψύχουν τον απορροφητή και περιορίζουν τον βαθμό απόδοσης Τέλος δεν επιτρέπει την απευθείας επιστροφή πίσω στην ατμόσφαιρα της ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος, συμβάλλοντας στην βελτίωση του συνολικού βαθμού απόδοσης 13
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (8/15) Απορροφητήρας - Ειδικές επιστρώσεις: Στις επιφάνειες των απορροφητήρων έχουν δοκιμαστεί βελούδινες επιστρώσεις, ειδικές βαφές και άλλες ειδικές επιφάνειες (επιστρώσεις νικελίου και θειικού ψευδαργύρου) που επιλέγονται ειδικά ώστε να απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία 14
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (9/15) Τα υλικά των απορροφητήρων πρέπει να είναι υψηλής απορροφητικότητας και χαμηλής εκπεμπτικότητας (ανάκλασης), δηλαδή να απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερη ακτινοβολία και να μην επανεκπέμπουν και ταυτόχρονα να παραμένουν σταθερά κάτω από υπερβολική θερμοκρασία Πρέπει να αντέχουν στις δομικές αλλαγές (πχ διαστολή) ως αποτέλεσμα της απορροφούμενης θερμότητας και των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται 15
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (10/15) Χρώμα απορροφητήρα: Ο τρόπος απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας από τον συλλέκτη αποτελεί παράγοντα που επηρεάζει τον βαθμό απόδοσης Το χρώμα του απορροφητήρα είναι σημαντικό καθώς είναι επιθυμητή η μεγάλη απορρόφηση και η ταχεία μεταφορά θερμότητας Όταν η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει πάνω σε σκοτεινή επιφάνεια τότε απορροφάται και μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια 16
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (11/15) Οποιοδήποτε χρώμα υπάρχει στον απορροφητή ανακλάται πίσω στην ατμόσφαιρα χωρίς να απορροφάται και κατά συνέπεια το πλέον σύνηθες είναι το μαύρο, που σημαίνει απουσία χρώματος Οι ειδικές επιστρώσεις στον απορροφητήρα είναι κάποιο μαύρο μεταλλικό οξείδιο που παρέχει υψηλή θερμική μεταφορά της ηλιακής ακτινοβολίας, έχουν όμως υψηλό κόστος και συνήθως χρησιμοποιούνται μαύρες μπογιές ματ 17
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (12/15) Τζάμωση: Ένα χαρακτηριστικό του επίπεδου συλλέκτη είναι η προστατευτική διαφανής τζάμωση, κατασκευασμένη από διάφορα υλικά πχ. Mylar, tedlar πολυαιθυλένιο και γυαλί Σκοπός είναι η προστασία από τις επικαθήσεις και την υγρασία και κυρίως ο περιορισμός των θερμικών απωλειών από μεταφορά και θερμική ακτινοβολία Οι θερμικές απώλειες εξαρτώνται και από το μέγεθος του διάκενου μεταξύ της τζάμωσης και του απορροφητήρα Διάκενο αέρα μεταξύ 0,95 και 1,27 cm παρέχει μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης 18
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (13/15) 19
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (14/15) Ροή ρευστού μέσα στο συλλέκτη: Συνήθως σε ένα ενεργητικό υδρονικό σύστημα χρησιμοποιούνται πολλαπλοί συλλέκτες παράλληλα συνδεδεμένοι (μια πολλαπλή είσοδος και μια πολλαπλή έξοδος) 20
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης (15/15) Ροή ρευστού μέσα στο συλλέκτη: Στα ενεργητικά ηλιακά συστήματα αέρα χρησιμοποιούνται επίσης πολλαπλοί συλλέκτες της ηλιακής ακτινοβολίας Τυπικά, τοποθετούνται πολλοί συλλέκτες μαζί ώστε ο αέρας να οδηγείται από επάνω προς τα κάτω διερχόμενος μέσα από όλους τους συλλέκτες Οι πολλαπλές είσοδοι και έξοδοι διευκολύνουν στην κατάλληλη διανομή του αέρα 21
Ηλιακοί συλλέκτες (1/14) Συλλέκτες εστίασης: Η χρήση συλλεκτών εστίασης μπορεί να παράγει υψηλότερες θερμοκρασίες από τους επίπεδους συλλέκτες Οι συλλέκτες εστίασης επειδή μπορούν να παράγουν ατμό, χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές από ηλεκτρικές εταιρείες και κατασκευαστικές βιομηχανίες που απαιτούν θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 92 C Οι συλλέκτες εστίασης μπορούν να παράγουν θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 220 C Οι συλλέκτες εστίασης διακρίνονται στα: Παραβολικά πιάτα Παραβολικά σκαφίδια Κεντρικούς δέκτες Ηλιακούς νερόλακκους 22
Ηλιακοί συλλέκτες (2/14) Παραβολικός συλλέκτης (πιάτο): Τα παραβολικά πιάτα ή συλλέκτες υψηλής θερμοκρασίας ή συλλέκτες σημειακής εστίασης χρησιμοποιούν μια παραβολική ανακλαστική επιφάνεια για την συγκέντρωση των παράλληλων ηλιακών ακτίνων σε έναν απορροφητήρα (γνωστό ως δέκτη ή βραστήρα) που βρίσκεται στην εστία του παραβολικού πιάτου Η σύγκλιση των ηλιακών ακτίνων μπορεί να επιτευχθεί με διάφορες ανακλαστικές επιφάνειες, καμπυλωμένους καθρέπτες από γυαλί, μέταλλο ή πλαστικό 23
Ηλιακοί συλλέκτες (3/14) Στην περίπτωση του μετάλλου και του πλαστικού χρησιμοποιείται συνήθως επίστρωση αλουμινίου για την αύξηση της απορροφητικότητας του απορροφητήρα Η απόδοση των παραβολικών συλλεκτών επηρεάζεται από την τοποθέτηση του απορροφητήρα, τον τύπο ανακλαστικής επιφάνειας, το σχήμα του κυκλικού συλλέκτη εστίασης 24
Ηλιακοί συλλέκτες (4/14) Παραβολικός συλλέκτης (πιάτο): Τα παραβολικά πιάτα διαθέτουν μηχανισμό παρακολούθησης ώστε να είναι πάντα προσανατολισμένα προς τον ήλιο Οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες μπορούν να επιτύχουν θερμοκρασίες μέχρι 92 C, ενώ οι παραβολικοί συλλέκτες φθάνουν μέχρι 2182 C παρακολουθώντας την κίνηση του ήλιου Οι υψηλές θερμοκρασίες που επιτυγχάνονται επιτρέπουν την χρήση τους για θέρμανση χώρων, μονάδες ψύξης, παραγωγή ατμού και παραγωγή ηλεκτρισμού Υπάρχουν πειραματικές εφαρμογές των παραβολικών πιάτων στην αποσύνθεση τοξικών αποβλήρτων (PCBs, PCDD/Fs Σε πειραματικές εφαρμογές έχει επιτευχθεί απόδοση ~30% 25
Ηλιακοί συλλέκτες (5/14) 26
Ηλιακοί συλλέκτες (6/14) Παραβολικά σκαφίδια: Τα παραβολικά σκαφίδια είναι παρόμοια με τα παραβολικά πιάτα καθώς και αυτά εστιάζουν την ηλιακή ενέργεια και την μετατρέπουν σε θερμότητα, στην περίπτωση αυτή ο απορροφητήρας είναι ένας υάλινος ή μεταλλικός σωλήνας που εκτείνεται κατά μήκος της εστιακής ευθείας 27
Ηλιακοί συλλέκτες (7/14) Ο σωλήνας αυτός είναι γεμάτος με νερό ή λάδι και όταν θερμανθεί ξεπερνά τους 390 C Όπως και τα παραβολικά κάτοπτρα, τα παραβολικά σκαφίδια παρακολουθούν την κίνηση του ήλιου για την επίτευξη του μεγαλύτερου δυνατού βαθμού απόδοσης Για να συλλαμβάνουν αρκετή ενέργεια μπορούν να πολλοί τέτοιοι συλλέκτες να είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους, 28
Ηλιακοί συλλέκτες (8/14) 29
Ηλιακοί συλλέκτες (9/14) Κεντρικοί δέκτες: Οι κεντρικοί δέκτες είναι ηλιακοί συλλέκτες που χρησιμοποιούν πολλούς μεγάλους καθρέπτες για την εστίαση της ηλιακής ακτινοβολίας σε ένα μεγάλο πύργο απορρόφησης Ο απορροφητήρας αυτός λέγεται δέκτης ενώ ο μεγάλος καθρέπτης με το σύστημα παρακολούθησης λέγεται ηλιοστάτης Στον πύργο απορρόφησης κυκλοφορεί κάποιο υγρό που θερμαίνεται στους ~1400 C από την εστιασμένη ηλιακή ενέργεια Για την αύξηση της απόδοσης οι καθρέπτες ακολουθούν την πορεία του ήλιου, ρυθμιζόμενοι από σύστημα υπολογιστών Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ή ατμού σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις 30
Ηλιακοί συλλέκτες (10/14) Ηλιακοί νερόλακκοι: Οι ηλιακοί νερόλακκοι είναι ρηχές συγκεντρώσεις νερού οι οποίες στο κάτω μέρος παγιδεύουν θερμότητα Σ αυτούς το νερό μπορεί να βρίσκεται σε δύο ή τρία στρώματα διαφορετικής αλατότητας Ο μαύρος βυθός του λάκκου είναι γεμάτος με υψηλής συγκέντρωσης αλατόνερο, πάνω από το οποίο υπάρχει ένα στρώμα γλυκού νερού ή πολλά στρώματα νερού μεταβαλλόμενης αλατότητας 31
Ηλιακοί συλλέκτες (11/14) Όταν το νερό θερμαίνεται από τον ήλιο ανέρχεται ψηλότερα αλλά λόγω της αλατότητας το θερμό νερό παγιδεύεται στον βυθό Μετά από μερικές ημέρες η θερμοκρασία του νερού στον βυθό ανέρχεται σχεδόν στο σημείο βρασμού και χρησιμοποιείται για την παραγωγή ατμού χαμηλής πίεσης Για την αύξηση της απόδοσης του ηλιακού νερόλακκου μπορεί στα υδάτινα στρώματα να τοποθετούνται πλαστικά καλύμματα που μειώνουν την επιφανειακή εξάτμιση του νερού και την επακόλουθη απώλεια θερμότητας 32
Ηλιακοί συλλέκτες (12/14) Πλεονεκτήματα κόστους συλλεκτών εστίασης: Η χρήση συλλεκτών εστίασης παρέχει ορισμένα οικονομικά πλεονεκτήματα συγκριτικά με τις παραδοσιακές μεθόδους παραγωγής από τους υδρογονάνθρακες Η κατασκευή συστημάτων ηλιακών συλλεκτών μπορεί να ολοκληρωθεί και να βρίσκεται στην θέση που έχει επιλεγεί μέσα σε εννέα ως δώδεκα μήνες συγκριτικά με τα τρία ως πέντε χρόνια 33
Ηλιακοί συλλέκτες (13/14) Λόγω της σπονδυλωτής κατασκευής τους, τα συστήματα αυτά μπορούν να επεκτείνονται με την πάροδο του χρόνου, ώστε να ικανοποιούνται οι αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις Οι εξελίξεις στον τεχνολογικό τομέα αναμένεται να μειώσουν τόσο το κόστος επένδυσης όσο και το κόστος της παραγόμενης kwh 34
Ηλιακοί συλλέκτες (14/14) 35
Ηλιακός Προσανατολισμός (1/6) Ο ηλιακός προσανατολισμός είναι η μελέτη του τρόπου τοποθέτησης ενός συστήματος ηλιακής ενέργειας (βόρεια, νότια, ανατολική ή δυτική) ως προς την κατεύθυνση του ήλιου Ο ηλιακός προσανατολισμός απαιτείται τόσο στα ενεργητικά όσο και στα παθητικά συστήματα Στα ενεργητικά συστήματα ο ηλιακός προσανατολισμός βοηθά στον προσδιορισμό της ακριβούς θέσης των συλλεκτών σχετικά με την κίνηση του ήλιου 36
Ηλιακός Προσανατολισμός (2/6) Στα παθητικά ενδιαφέρει η κατεύθυνση από την οποία η ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει πάνω στα παράθυρα με νότια πρόσοψη και θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά την σχεδίαση και την κατασκευή των κτιρίων Για την εφαρμογή του ηλιακού προσανατολισμού στα συστήματα ηλιακής ενέργειας απαιτείται η γνώση της τροχιάς του ήλιου καθόλη την διάρκεια του έτους 37
Ηλιακός Προσανατολισμός (3/6) Κατασκευή ή τοποθέτηση συλλέκτη: Ο ήλιος ανατέλλει και δύει σε διαφορετικές θέσεις κάθε ημέρα και κατά τους χειμερινούς μήνες βρίσκεται χαμηλότερα στον ουρανό απ ότι τους καλοκαιρινούς μήνες, φαινόμενο που εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος Η γωνία αζιμουθίου ορίζεται η γωνία που σχηματίζει ο ήλιος με τον νότο Η γωνία ύψωσης ορίζεται ως η γωνία μεταξύ του ήλιου και του ορίζοντα 38
Ηλιακός Προσανατολισμός (4/6) 39
Ηλιακός Προσανατολισμός (5/6) Γωνία συλλέκτη: Οι ηλιακοί συλλέκτες πρέπει να τοποθετούνται στην καλύτερη γωνιακή θέση, που είναι εκείνη στην οποία η ηλιακή ακτινοβολία είναι κάθετη προς την επιφάνεια του συλλέκτη Οι ενεργητικοί συλλέκτες που χρησιμοποιούνται για την θέρμανση του αέρα πρέπει να τοποθετούνται στην πιο αποδοτική γωνία για τον ψυχρότερο μήνα του έτους 40
Ηλιακός Προσανατολισμός (6/6) Για το βόρειο ημισφαίριο ο ψυχρότερος μήνας συνήθως είναι ο Ιανουάριος και η βέλτιστη γωνία ύψωσης βρίσκεται προσθέτοντας 15 στο γεωγραφικό πλάτος της τοποθεσίας που βρίσκεται ο συλλέκτης Για τον προσδιορισμό της γωνίας ύψωσης ενός ηλιακού συλλέκτη θέρμανσης νερού απαιτείται ηλιακή ενέργεια σε όλη την διάρκεια του έτους, επομένως θα πρέπει να επιλεγεί μια ενδιάμεση γωνία μεταξύ της υψηλότερης και της χαμηλότερης γωνίας ύψωσης του ήλιου 41
Ηλιακά Συστήματα Θέρμανσης (1/6) Χρήση ηλιακής ενέργειας στον οικιακό και εμπορικό τομέα: Οι περισσότερο πρακτικές εφαρμογές της ηλιακής ενέργειας είναι η θέρμανση νερού και αέρα στον οικιακό και εμπορικό τομέα, που χρησιμοποιούν το ~20% της συνολικά καταναλισκόμενης ενέργειας στις ανεπτυγμένες χώρες Οι κύριες χρήσεις της ενέργειας στον οικιακό και εμπορικό τομέα είναι ο κλιματισμός, η θέρμανση των χώρων και θέρμανση νερού, ο φωτισμός και η λειτουργία διαφόρων συσκευών 42
Ηλιακά Συστήματα Θέρμανσης (2/6) Το δυναμικό χρήσης της ηλιακής ενέργειας στον οικιακό και εμπορικό τομέα είναι τεράστιο, λαμβάνοντας υπόψη ότι οι τομείς αυτοί καταναλώνουν σήμερα ετησίως πάνω από 5 δις ΤΙΠ για θέρμανση, ψύξη και φωτισμό Τα συστήματα ηλιακής ενέργειας που βρίσκονται σε εμπορική παραγωγή έχουν την δυνατότητα ικανοποίησης όλων των ενεργειακών αναγκών του οικιακού και εμπορικού τομέα, ορισμένα όμως από αυτά έχουν υψηλό κόστος 43
Ηλιακά Συστήματα Θέρμανσης (3/6) Χρήση ηλιακής ενέργειας στον οικιακό και εμπορικό τομέα: Η ηλιακή ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση αέρα και νερού, αλλά και να καλύψει τις ανάγκες θέρμανσης των τομέων αυτών Ενδεικτικά η κεντρική θέρμανση καταναλώνει το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας και η υποκατάσταση της με ηλιακή ενέργεια θα είχε μια άμεση και σημαντική μείωση της κατανάλωσης ενέργειας Οι δύο κύριοι τύποι που χρησιμοποιούνται στους παραπάνω τομείς είναι τα ενεργητικά και τα παθητικά συστήματα 44
Ηλιακά Συστήματα Θέρμανσης (4/6) 45
Ηλιακά Συστήματα Θέρμανσης (5/6) Ηλιακή ενέργεια και μόνωση: Οι θερμικές απώλειες είναι ένας υπολογισμός που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της μέγιστης ωριαίας ενεργειακής κατανάλωσης μιας κατασκευής (κτιρίου) Συνήθως εκτελείται για τις χειρότερες αναμενόμενες συνθήκες θέρμανσης Με τον τρόπο αυτό υπολογίζονται οι απαιτήσεις σε ψύξη και θέρμανση του κτιρίου 46
Ηλιακά Συστήματα Θέρμανσης (6/6) Η μόνωση έχει απευθείας επίδραση στην ετήσια ενεργειακή κατανάλωση και στην ικανότητα εξοικονόμησης των περιορισμένων αποθεμάτων ενέργειας Ενδεικτικά, μια κατασκευή κακής μόνωσης σε ψυχρό κλίμα μπορεί να παρουσιάζει απώλειες ~205 W/m2/h, ενώ η ίδια κατασκευή, στο ίδιο κλίμα, αλλά με κατάλληλη μόνωση μπορεί να παρουσιάζει απώλειες ~57 W/m2/h 47
Παθητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (1/9) Τα παθητικά συστήματα ηλιακής ενέργειας ενσωματώνουν φυσικά ρεύματα μεταφοράς, αγωγή και ακτινοβολία για την μετάδοση της θερμικής ηλιακής ενέργειας σε όλο το κτίριο 48
Παθητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (2/9) 49
Παθητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (3/9) Σχεδίαση φακέλου: Η τεχνική αυτή λέγεται σχεδίαση φακέλου Η αριστερή πλευρά της κατασκευής αποτελείται κυρίως από γυαλί και έχει νότια πρόσοψη Το ίδιο το κτίριο είναι και ο συλλέκτης 50
Παθητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (4/9) Η αποθήκευση της ενέργειας γίνεται μέσα στην μάζα του υλικού και στο κάτω πέτρωμα Ο έλεγχος και η διανομή γίνεται με φυσικά ρεύματα μεταφοράς Κατά την λειτουργία του συστήματος καθώς η ηλιακή ακτινοβολία θερμαίνει την αριστερή πλευρά αρχίζει και αναπτύσσεται ένας βρόγχος ρεύματος αέρα, ο οποίος ανέρχεται με φυσικό τρόπο μέσα από έναν φάκελο που περιβάλει το κτίριο Για να είναι ένα τέτοιο σύστημα ανταγωνιστικό πρέπει να εκμεταλλεύεται αποδοτικά τον ηλιακό προσανατολισμό 51
Παθητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (5/9) 52
Παθητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (6/9) Παθητικό ηλιακό θερμοκήπιο με βορινό τοίχο αποθήκευσης της θερμότητας 53
Παθητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (7/9) Παθητικό ηλιακό θερμοκήπιο με σωλήνες στο έδαφος για την αποθήκευση της θερμότητας 54
Παθητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (8/9) Παθητικό ηλιακό θερμοκήπιο με αποθήκευση θερμότητας με σύστημα από λίθους, εντέχνως συσσωρευμένων/τοποθετημένων στο υπέδαφος 55
Παθητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (9/9) Για να είναι ένα τέτοιο σύστημα ανταγωνιστικό πρέπει να εκμεταλλεύεται αποδοτικά τον ηλιακό προσανατολισμό, την μετάδοση θερμότητας με ρεύματα μεταφοράς, αγωγή και ακτινοβολία, καθώς επίσης και τις αποθηκευτικές μάζες 56
Ενεργητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (1/5) Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα θέρμανσης για κατοικίες μπορεί να χρησιμοποιούν είτε υδρονικούς (νερό με αντιψυκτικό) είτε ηλιακούς συλλέκτες αέρα Η διαφορά συνίσταται στο χρησιμοποιούμενο μέσο απορρόφησης, με τα συστήματα αέρα να συναντώνται κυρίως για κατοικίες, ενώ τα υδρονικά για θέρμανση νερού Είναι δυνατή η εγκατάσταση κάποιου συστήματος υποστήριξης με οποιοδήποτε επίπεδο πολυπλοκότητας 57
Ενεργητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (2/5) Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα υδρονικών ή συστημάτων αέρα: Τα ενεργητικά ηλιακά συστήματα επιτρέπουν την καθοδήγηση της θερμότητας μέσα από τους αγωγούς για αποθήκευση ή θέρμανση χώρων, γεγονός που βοηθά στην μείωση του κόστους εγκατάστασης και βελτιώνει την ευελιξία του συστήματος Οι διαρροές σε ένα σύστημα αέρα δεν είναι τόσο σοβαρές όσο σε ένα τδρονικό σύστημα, καθώς στο πρώτο απλώς μειώνουν την απόδοση ενώ στο δεύτερο μπορεί να προκαλέσουν ζημίες 58
Ενεργητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (3/5) Τα συστήματα αέρα απαιτούν σχεδόν μηδενική συντήρηση, σε αντίθεση με τα υδρονικά όπου εμφανίζονται προβλήματα διαβρώσεων και επικαθήσεων αλάτων Οι συλλέκτες των συστημάτων με αέρα είναι απλούστεροι στη σχεδίαση και φθηνότεροι, απαιτούνται όμως περισσότεροι από ότι στα υδρονικά συστήματα 59
Ενεργητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (4/5) Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα υδρονικών ή συστημάτων αέρα: Οι συλλέκτες συστημάτων αέρα μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες(~38 C) από τους αντίστοιχους των υδρονικών συστημάτων (~60 C) Για τα συστήματα αέρα απαιτείται μεγαλύτερος χώρος, λόγω των αεραγωγών, συγκριτικά με τα υδρονικά συστήματα, μειονέκτημα σημαντικό όταν πρόκειται να γίνει εκ των υστέρων εγκατάσταση 60
Ενεργητικά Συστήματα Ηλιακής Ενέργειας (5/5) Τα συστήματα αέρα εφαρμόζουν εξαναγκασμένη ροή, εκτός εάν χρησιμοποιούνται εναλλάκτες θερμότητας για το ζεστό νερό, οπότε θα υπάρχει πρόσθετη απώλεια απόδοσης Ο βαθμός απόδοσης ενός συστήματος αέρα είναι χαμηλότερος από ένα σύστημα νερού Τα συστήματα αέρα δεν συνιστώνται για σπίτια ανθρώπων, οι οποίοι είναι ευαίσθητοι στην σκόνη και την μούχλα 61
Εναλλάκτες Θερμότητας Οι εναλλάκτες θερμότητας χρησιμοποιούνται όταν η συλλεγόμενη ηλιακή θερμότητα πρέπει να μεταδοθεί σε άλλα τμήματα του συστήματος θέρμανσης Όλα τα κλιματιστικά μηχανήματα χρησιμοποιούν κάποια μορφή εναλλάκτη θερμότητας Υπάρχουν τρεις τρόποι μεταφοράς θερμότητας η μεταφορά, η αγωγή και η ακτινοβολία Στους εναλλάκτες η θερμότητα μεταφέρεται με διάφορα μέσα Οι συνηθέστεροι τύποι εναλλακτών είναι Από υγρό σε αέρα/από αέρα σε υγρό Από υγρό σε υγρό Από αέρα σε αέρα 62
Εναλλάκτες Θερμότητας από υγρό σε αέρα και από αέρα σε υγρό (1/3) Για την απαιτούμενη θερμική μετάδοση σε συστήματα θέρμανσης και ψύξης χρησιμοποιούνται δύο τύποι εναλλακτών θερμότητας και με συνδυασμό αυτών μπορεί να επιτευχθεί οποιαδήποτε θερμική μεταφορά Οι υδρονικοί συλλέκτες απαιτούν την μετάδοση θερμικής ενέργειας από υγρό σε αέρα και κατά την λειτουργία τους το θερμό υγρό μέσο του συλλέκτη διέρχεται μέσα από τις σωληνώσεις του εναλλάκτη θερμότητας 63
Εναλλάκτες Θερμότητας από υγρό σε αέρα και από αέρα σε υγρό (2/3) Η θερμική ενέργεια του υγρού μεταδίδεται στις σωληνώσεις και στα γύρω πτερύγια Στη συνέχεια η θερμότητα μεταδίδεται στο ρεύμα αέρα που ρέει γύρω από τα πτερύγια Όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια των πτερυγίων τόσο μεγαλύτερη είναι η μετάδοση θερμότητας Όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασιακή διαφορά τόσο μεγαλύτερο είναι το ποσό θερμότητας που μεταφέρεται 64
Εναλλάκτες Θερμότητας από υγρό σε αέρα και από αέρα σε υγρό (3/3) 65
Εναλλάκτες Θερμότητας από υγρό σε υγρό (1/2) Η θερμική ενέργεια μεταφέρεται από υγρό σε υγρό Τυπικό παράδειγμα αποτελεί η μεταφορά θερμότητας από το νερό με αντιψυκτικό του συλλέκτη προς το νερό που χρησιμοποιείται για θέρμανση χώρων ή νερού Υπάρχουν πολλές διατάξεις του τύπου αυτού, αλλά οι πλέον συνηθέστερες χρησιμοποιούν σερπαντίνες που βρίσκονται τοποθετημένες μέσα στο άλλο υγρό 66
Εναλλάκτες Θερμότητας από υγρό σε υγρό (2/2) 67
Εναλλάκτες Θερμότητας από αέρα σε αέρα (1/2) Στο σύστημα υπάρχει μια σειρά από μεταλλικά πτερύγια εισόδου, διασυνδεδεμένο με μια δεύτερη ομάδα μεταλλικών πτερυγίων εξόδου Το σύστημα επιτρέπει μια κύρια και μια δευτερεύουσα ροή αέρα που δεν έρχονται σε επαφή μεταξύ τους Καθώς η κύρια ροή αέρα διέρχεται μέσα από τα πτερύγια, η θερμική ενέργεια μεταφέρεται στην δευτερεύουσα ροή του αέρα 68
Εναλλάκτες Θερμότητας από αέρα σε αέρα (2/2) 69
Εναλλάκτες Θερμότητας σύστημα εξαναγκασμένης ροής αέρα με ηλιακή υποστήριξη (1/4) Είναι ένα χαμηλού κόστους σύστημα εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας Στο σύστημα αυτό η ηλιακή ενέργεια προστίθεται μέσα από μια σειρά από συλλέκτες αέρα, τοποθετημένους στην οροφή Η είσοδος των ηλιακών συλλεκτών λαμβάνεται από μια επιστροφή ψυχρού αέρα στην καμινάδα Η έξοδος των συλλεκτών αποστέλλεται απευθείας στην επιστροφή της καμινάδας Η επικοινωνία ελέγχεται ηλεκτρονικά με ένα κλαπέ, ενώ ένα δεύτερο κλαπέ κλείνει την επικοινωνία με τον ψυχρό αέρα των συλλεκτών κατά την διάρκεια της νύχτας 70
Εναλλάκτες Θερμότητας σύστημα εξαναγκασμένης ροής αέρα με ηλιακή υποστήριξη (2/4) 71
Εναλλάκτες Θερμότητας σύστημα εξαναγκασμένης ροής αέρα με ηλιακή υποστήριξη (3/4) Ένα περισσότερο πολύπλοκο ενεργητικό σύστημα ηλιακής ενέργειας περιλαμβάνει τρεις τρόπους λειτουργίας Θέρμανση του κτιρίου απ ευθείας από τους συλλέκτες Αποθήκευση της θερμικής ενέργειας για μελλοντική χρήση Θέρμανση από την αποθηκευτική μάζα Το σύστημα χρησιμοποιεί είκοσι συλλέκτες εξαναγκασμένης ροής αέρα, ένα αποθηκευτικό πέτρωμα, ένα βοηθητικό θερμαντήρα, έναν ανεμιστήρα και μερικά σωληνοειδούς ελέγχου στόμιο 72
Εναλλάκτες Θερμότητας σύστημα εξαναγκασμένης ροής αέρα με ηλιακή υποστήριξη (4/4) 73
Οικιακά Συστήματα Θέρμανσης Νερού (1/5) Το οικιακό ηλιακό σύστημα του σχήματος χρησιμοποιείται για την θέρμανση νερού που χρησιμοποιείται στο μαγείρεμα, πλύσιμο κλπ 74
Οικιακά Συστήματα Θέρμανσης Νερού (2/5) Με το υδρονικό ηλιακό σύστημα του σχήματος ικανοποιούνται ταυτόχρονα οι ανάγκες θέρμανσης χώρων και νερού 75
Οικιακά Συστήματα Θέρμανσης Νερού (3/5) Σύστημα ηλιακού συλλέκτη, κλειστού κυκλώματος, βεβιασμένης κυκλοφορίας με εναλλάκτη μέσα στην δεξαμενή 76
Οικιακά Συστήματα Θέρμανσης Νερού (4/5) Θερμοσιφωνικός ηλιακός συλλέκτης, ανοιχτού κυκλώματος ή άμεσης θέρμανσης. Η δεξαμενή του νερού στα θερμοσιφωνικά συστήματα πρέπει να ευρίσκεται 20 30 cm πάνω από το άνω άκρο του ηλιακού συλλέκτη 77
Οικιακά Συστήματα Θέρμανσης Νερού (5/5) Θέρμανση κολυμβητικής δεξαμενής όγκου 40 m 3 στην Αυστρία με την βοήθεια ηλιακών συλλεκτών, αντλίας θερμότητας και αποθήκευσης θερμότητας στο έδαφος 78
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (1/10) Η θερμική αποθήκευση είναι απαραίτητη στα ηλιακά συστήματα θέρμανσης, καθώς αρκετή ποσότητα ηλιακής ακτινοβολίας προσπίπτει στον συλλέκτη όταν αυτή δεν απαιτείται για θέρμανση Με την θερμική αποθήκευση μεγάλο μέρος της ενέργειας αυτής αποθηκεύεται για μετέπειτα χρήση Τέτοια συστήματα επιτρέπουν την αποθήκευση της ενέργειας κατά την διάρκεια ημερών με ηλιοφάνεια και την χρησιμοποίηση της την νύχτα ή ημέρες χωρίς ηλιοφάνεια Η θερμική αποθήκευση μπορεί να εφαρμοστεί είτε σε υδρονικά συστήματα είτε σε συστήματα αέρα 79
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (2/10) Θερμική αποθήκευση σε νερό: Στα συστήματα θερμικής αποθήκευσης σε νερό, η θερμότητα μεταδίδεται σε μια μονωμένη δεξαμενή νερού, η οποία συνήθως βρίσκεται στο υπόγειο του κτιρίου Το νερό μπορεί να απορροφήσει και να αποθηκεύσει μεγάλη ποσότητα θερμικής ενέργειας Η δεξαμενή αποθήκευσης νερού θα πρέπει: Να προστατεύεται από θερμοκρασίες παγοποίησης Να είναι προστατευμένη από την διάβρωση με την χρήση κατάλληλων υλικών Να μονώνεται κατάλληλα ώστε να μην διαφεύγει η θερμότητα 80
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (3/10) Το μέγεθος της δεξαμενής αποθήκευσης εξαρτάται από το εκτιμώμενο πλήθος των ημερών χωρίς ηλιοφάνεια και από τον αριθμό των εξυπηρετούμενων κατοίκων Σύμφωνα με τον εμπειρικό κανόνα, για θερμική αποθήκευση 2-3 ημερών απαιτούνται 1,5 gal νερού ανά sqft επιφάνειας συλλέκτη 81
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (4/10) Θερμική αποθήκευση σε πέτρες: Στα ηλιακά συστήματα με αέρα για την αποθήκευση της θερμικής ενέργειας συνήθως χρησιμοποιούνται πέτρες ή βότσαλα Ο θερμός αέρας του συλλέκτη κατευθύνεται προς τις πέτρες αποθήκευσης ενέργειας και όσο μεγαλύτερη επιφάνεια πετρών έρχεται σε επαφή με τον θερμό αέρα τόσο περισσότερη θερμική ενέργεια αποθηκεύεται σε αυτές Συνήθως χρησιμοποιούνται πέτρες μεγέθους 1,30 έως 2,50 cm 82
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (5/10) Μειονέκτημα αποτελεί η ανάπτυξη σκόνης και μούχλας που μπορεί να προκαλέσει άσθμα ή άλλα αναπνευστικά προβλήματα Το μεγαλύτερο μειονέκτημα είναι ότι οι πέτρες καταλαμβάνουν περισσότερο χώρο από το νερό καθώς απαιτείται 2,5 φορές μεγαλύτερος χώρος και το βάρος είναι πολύ μεγαλύτερο Κατά κανόνα, χρησιμοποιούνται 60 lbs πέτρες ανά sqft επιφάνειας συλλέκτη 83
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (6/10) Αποθήκευση θερμικής ενέργειας με αλλαγή κατάστασης Η αποθήκευση ενέργειας με αλλαγή κατάστασης θεωρείται ο πιο αποδοτικός τρόπος αποθήκευσης θερμικής ενέργειας Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί υλικά όπως τα εύτηκτα άλατα, σε ορισμένα από τα οποία η θερμική ενέργεια αποθηκεύεται ως λανθάνουσα θερμότητα (αλλαγής φάσης) 84
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (7/10) 85
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (8/10) Τα εύτηκτα άλατα περιέχονται σε κάποιο κλειστό περίβλημα Καθώς η θερμοκρασία αυξάνει τα άλατα μέσα στο περίβλημα αλλάζουν κατάσταση από στερεά σε υγρά Η αλλαγή κατάστασης επιτρέπει την αποθήκευση περισσότερης θερμικής ενέργειας ανά μονάδα μάζας Εάν διέλθει ψυχρός αέρας γύρω από το περίβλημα των αλάτων τότε μεταδίδεται θερμική ενέργεια στο κτίριο Κατά την ψύξη η αισθητή και λανθάνουσα θερμότητα αποβάλλονται μέχρι τα άλατα να επανέλθουν και πάλι σε στερεά κατάσταση 86
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (9/10) Πλεονεκτήματα & μειονεκτήματα εύτηκτων αλάτων Σημαντικό πλεονέκτημα είναι η μεγάλη ποσότητα θερμότητας που μπορεί να αποθηκευτεί σε περιορισμένο όγκο Οι αποθηκευτικές πέτρες απαιτούν ~20 φορές μεγαλύτερο όγκο, ενώ το νερό 2,5 φορές Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας μπορεί να γίνεται με χαμηλή θερμοκρασία εισόδου από τον ηλιακό συλλέκτη Κάθε φορά που επιτυγχάνεται στον συλλέκτη θερμοκρασία 32,2 C (90 F) μπορεί να αποθηκευτεί θερμότητα 87
Θερμική Αποθήκευση Ηλιακής Ενέργειας (10/10) Είναι δυνατή η συλλογή ενέργειας ακόμη και σε ημέρες μερικής νέφωσης ή ελαφριάς ομίχλης Η αποθήκευση μπορεί να διατηρηθεί σε χαμηλές θερμοκρασίες, καθώς αρκεί μια θερμοκρασία 32,2 C (90 F) για να διατηρηθούν τα άλατα σε υγρή κατάσταση Με τον τρόπο αυτό οι ηλιακοί συλλέκτες λειτουργούν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες με βελτιωμένους βαθμούς απόδοσης Είναι ακριβά λόγω των υλικών και της τοποθέτησης τους σε δοχεία Ο χρόνος ζωής τους είναι μόλις είκοσι (20) χρόνια) 88
Το Μέλλον της Ηλιακής Ενέργειας (1/2) 89
Το Μέλλον της Ηλιακής Ενέργειας (2/2) 90
Συμπεράσματα (1/2) Το πρόβλημα δημιούργησαν οι τρεις τελευταίοι αιώνες της βιομηχανικής επανάστασης μαζί με τα προβλήματα των μεγάλων πόλεων από τη αρχαιότητα μέχρι σήμερα αποτέλεσαν τα κύρια πεδία αφύπνισης απέναντι στο περιβάλλον. Η τεχνολογική έκρηξη οδήγησε σε καταλυτική πλέον επίδραση του ανθρώπου στο περιβάλλον, απελευθέρωσε νέες δυνατότητες πληθυσμιακής ανάπτυξης της ανθρωπότητας και μια τελείως διαφορετικής κλίμακας επίδραση στην παγκόσμια βιοποικιλότητα. Ο άνθρωπος έχει πλέον τη δυνατότητα να επιδρά ακόμη και στους κλιματικούς συντελεστές, όπως πχ με την εξαιρετικά μεγάλη απελευθέρωση στην ατμόσφαιρα αερίων του θερμοκηπίου. 91
Συμπεράσματα (2/2) Αυτά σε συνδυασμό με την πλάνη της απειρότητας τόσο των φυσικών πόρων όσο και των δυνατοτήτων της φέρουσας ικανότητας του οικοσυστήματος είχαν ως αποτέλεσμα να οδηγηθούμε σε μια ακραία μεταβαλλόμενη παγκόσμια περιβαλλοντική και οικολογική ισορροπία. 92
Τέλος Ενότητας 93
Σημείωμα Αναφοράς Copyright, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Σκόδρας Γεώργιος. «Ήπιες και νέες μορφές ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https:// eclass.uowm.gr/courses/mech244/ 94
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Όχι Παράγωγα Έργα Μη Εμπορική Χρήση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] h t t p ://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό 95
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 96