Τ.Ε.Ι ΠΑΤΡΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Μάθημα 4 0 ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΠΑΤΡΑ 2003
3.1 Τρόποι εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας Οτομέας εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας αποτελεί σήμερα την πλέον διαδεδομένη τεχνολογία μεταξύ των Ήπιων Μορφών Ενέργειας, τουλάχιστον ως προς τον κλάδο της θερμικής ενέργειας. Στόχος είναι η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμική. Εργαλείο για τούτο είναι οι διάφοροι τύποι συλλεκτών που θα εξετάσουμε στη συνέχεια. Ηεκμετάλλευση της Ηλιακής Ενέργειας γίνεται : 1 ον μεάμεσο τρόπο ενεργητικά ηλιακάσυστήματα
2 ον με έμμεσο τρόπο (παθητικάηλιακάσυστήματα). Στο σχήμα αυτό καταδεικνύονται διάφοροι τρόποι άμεσης χρήσης ακτινοβολίας για την θέρμανση των κτιρίων. Η αρχή λειτουργίας της εγλωβιζόμενης και απορροφούμενης από το εσωτερικό του κτιρίου ηλιακής ακτινοβολίας με σκοπό την θέρμανση του χώρου είναι προφανής. Στα σχήματα παρουσιάζονται διάφοροι τρόποι έμμεσης θέρμανση των κτιρίων από ηλιακή ακτινοβολία. Η αρχή εφαρμογής με στόχο τη θέρμανση του χώρου είναι προφανής
Η σύγχρονη τεχνολογία των ημιαγωγών έδωσε ένα νέο προϊόν ή ένα νέο μετατροπέα που συνεχώς αναπτύσσεται: Τα PV-πλαίσια. Για αυτά και την PV-τεχνολογία θα μιλήσουμε στο Β Μέρος αυτών των μαθημάτων. Τα PV-πλαίσια ή PV-κυψελίδες μετατρέπουν απ ευθείας χωρίς ύπαρξή ρευστού την ηλιακή ακτινοβολία σε ηλεκτρική Σχηματική διάταξη ενός PV-στοιχείου. Ηλιακή ακτινοβολία (φωτόνια) προσπίπτει στην εμπρόσθια επιφάνεια της δι-επαφής n-p όπως δείχνει το σχήμα. Το πάχος του στοιχείου με τη νέα τεχνολογία είναι μερικά μm. Εφαρμογή PV σε νέα κτίρια. Πρόσοψη κτιρίου 42 m2 καλυμμένη από PV-πλαίσια, από άμορφο (α)si.
Παθητικά Ηλιακά Συστήματα Στόχος να συνεισφέρουν στο ενεργειακό ισοζύγιο κατ αρχήν με τον σχεδιασμό και αντίστροφα. Οι κύριες εφαρμογές της τεχνολογίας αυτής είναι : α) θέρμανση χώρων είτε σε κτήρια είτε σε θερμοκήπια Κατοικία σχεδιασμένη ώστε να χρησιμοποιεί μηδενική ενέργεια από συμβατικές πηγές στο Wettringen.
β) φυσικό αερισμό και δροσισμό Στην τεχνολογία αυτή πρωταρχικό ρόλο παίζει ο προσανατολισμός, ο σχεδιασμός του κελύφους (αρχιτεκτονικός και δομικός σχεδιασμός) και κατά δεύτερο λόγο το φαινόμενο του θερμοκηπίου όπου μέσα από τον σχεδιασμό (ανοίγματα προσανατολισμός προς Νοτιά αφήνοντας την διέλευση της ηλιακής ακτινοβολίας κατόπιν αυτή παγιδεύεται στον χώρο καθώς τα μεγάλα μήκη κύματος που εκπέμπονται από τα υλικά δεν διέρχονται από τα ανοίγματα.
3.2 Ενεργητικά Παθητικά συστήματα 1.Ταενεργητικά ηλιακά συστήματα τα οποία διακρίνονται σε: α. επίπεδοιηλιακοί συλλέκτες Θερμοσιφωνικός ηλιακός συλλέκτης ανοικτού κυκλώματος ή άμεσης θέρμανσης. Η δεξαμενή του νερού στα θερμοσιφωνικά συστήματα πρέπει να ευρίσκεται περίπου 30 50 cm πάνω από το άνω άκρο του ηλιακού συλλέκτη. β. συλλέκτεςαέραγ. συγκεντρωτικοί συλλέκτες, συλλέκτεςκενού περιλαμβάνουν τουςδιάφορους τύπουςηλιακών συλλεκτών τουςαπλούς επίπεδουςηλιακούςσυλλέκτες για θέρμανση νερού, τους συγκεντρωτικούςηλιακούς συλλέκτες γιαεπίτευξη υψηλότερων θερμοκρασιών ικανοποιώντας τις απαιτήσεις για παραγωγή ατμού. Στα ενεργητικά συστήματα ρευστό θερμαίνεται μέσααπό τους ηλιακούς συλλέκτεςκαι μέρος της θερμότητας (αφαιρούμενων των απωλειών) αποθηκεύεται σε δοχείο υπό μορφή αισθητής θερμότητας (όχι δηλαδή λανθάνουσας θερμότητας). Υπάρχει περίπτωση ηαποθηκευμένη ενέργειανα γίνεται υπό λανθάνουσα θερμότηταήκαι αλλαγή φάσης.
2. Τα παθητικά ηλιακά συστήματα εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια για θέρμανση χώρων (πχκτίρια). Στα Ελληνικά κτίρια, σε συνδυασμό με τις τεχνικές της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής μπορούν να καλύψουν σημαντικά ποσοστά των ενεργειακών αναγκών μέχρι και 60% σε σχέση με τα συμβατικά κτίρια, και την επίτευξη συνθηκών άνεσης στο χώρο της κατοικίας, ιδιαίτερα λόγωτωνήπιων, ευνοϊκών καλώνκλιματολογικών συνθηκών.
Βασικά μέρη ενός επίπεδου ηλιακού συλλέκτη 1. Πλαίσιο από ανοδειωμένο αλουμίνιο 2.Μόνωση (υαλοβάμβακας και πολυουρεθάνη) 3. Χάλκινoi σωλήνες 4. Συλλεκτική επιφάνεια 150-200 cm 5. Γυάλινο κάλυμμα 6. Στήριξη του καλύμματος Φ 11 3-5 mm 3-5 cm 15 cm 80-100 cm περίπου 5 cm
Τομή επίπεδου ηλιακού συλλέκτη 1. Πλαίσιο ηλιακού συλλέκτη από ανοδειωμένο αλουμίνιο 2. Μόνωση από πολυουρεθάνη με επικάλυψη φύλλου αλουμινίου 3. Απορροφητική επιφάνεια συντελεστής α=90-96% 4. Αγωγοί μεταφοράς του ρευστού Λόγω ανάκλασης και ακτινοβολούμενης ενέργειας από την γυάλινη επιφάνεια επειδή η Θερμοκρασία του αέρα του περιβάλλοντος είναι μικρότερη από αυτή της γυάλινης επιφάνειας δηλαδή Τ γ.επ >Τ a 100 % 90 % 25 0 C 100-120 0 C T f,i = 20-30-40 0 C 10 % απώλειες : ανάκλαση εκπομπή Μετάδοση θερμότητας Θερμοκρασία περιβάλλοντος T a = 20 0 C γυάλινο (πρόσοψη 3-4 mm) Διαπερατότητα : 0,76 έως 0,85 Πολύ λίγες προσμίξεις σε FeO ή Fe 2 O 3 μαύρη «ματ» ή επιλεκτική απορροφητική επιφάνεια T f,o = 25-30 0 C
Συγκεντρωτικοί ηλιακοί συλλέκτες Μεγαλύτερης ισχύος συγκεντρωτικός ηλιακός συλλέκτης, Ισπανικής κατασκευής, ο οποίος μπορεί να συλλέγει μεγάλες ποσότητες ηλιακής ακτινοβολίας με καλή απόδοση Τομή ενός συγκεντρωτικού παραβολικού συλλέκτη, όπου οι σωλήνες τοποθετούνται επί του άξονα της παραβολής. Σειρά από συγκεντρωτικούς ηλιακούς συλλέκτες
Συλλέκτες κενού Οι ηλιακοί συλλέκτες με σωλήνα κενού, λειτουργούν με πίεση εντός αυτών ίση με 10-7 Τorr. Ο συλλέκτης αυτού του τύπου, αποτελείται από ένα κλειστό γυάλινο σωλήνα, υπό κενό, και μια μαύρη απορροφητική επιφάνεια εντός αυτού η οποία είναι θερμικά μονωμένη στα δύο άκρα στήριξης της στον γυάλινο σωλήνα. Ένας κυλινδρικός αγωγός, προσαρμοσμένος μηχανικά στο πίσω μέρος της απορροφητικής επιφάνειας μεταφέρει ρευστό (Freon) προς τη δεξαμενή θερμού ρευστού. Ο μικρός αυτός κύλινδρος εντός του οποίου υπάρχει Freon ευρίσκεται σε πολύ καλή θερμική αγωγιμότητα με την μαύρη απορροφητική επιφάνεια. Όταν το Freon θερμανθεί τότε ή εξατμίζεται και κινείται προς το ένα άκρο του σωλήνα. Ηλιακός συλλέκτης με σωλήνα κενού για την παραγωγή θερμικής ενέργειας υψηλής ενθαλπίας. Σχηματικό διάγραμμα ενός ηλιακού συλλέκτη σωλήνων κενού.
Διαφορές επίπεδων συγκεντρωτικών συλλεκτών ΕΠΙΠΕΔΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ 1.Επιφάνεια συλλογής των ηλιακών ακτινών ίση με την επιφάνεια απορρόφησης των. 2.Λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες περί των 70 o C ως προς το ρευστό 3.Mεγάλο ποσοστό απωλειών, χαμηλή θερμική απόδοση 4.Αξιοποίηση άμεσης και διάχυτης ακτινοβολίας 5.Όχι μεγάλες απαιτήσεις για την αντοχή και ποιότητα των υλικών 6.Απλουστευμένη τεχνολογία και κατασκευή 7.Όχι κινούμενα μέρη για να παρακολουθούν τον ήλιο 8.Χαμηλό κόστος κατασκευής 9.Μικρό κόστος συντήρησης 10. Όχι μεγάλη ευπάθεια σε καιρικές συνθήκες 1.Επιφάνεια συλλογής των ακτίνων πολύ μεγαλύτερη από την επιφάνεια απορρόφησης (συγκέντρωση ακτίνων) 2.Λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες >150 o C 3.Μικρότερες απώλειες, υψηλότερη θερμική απόδοση 4.Αξιοποίηση μόνο άμεσης ακτινοβολίας 5.Απαιτούνται υλικά ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες 6.Υψηλή τεχνολογία και πολύπλοκη κατασκευή 7.Απαιτούνται πολύπλοκοι και ακριβείς μηχανισμοί ώστε να παρακολουθεί το σύστημα τον ήλιο κατά την κίνηση του 8.Υψηλό κόστος κατασκευής 9.Μεγάλο κόστος συντήρησης 10.Ευπάθεια των μεγάλων εγκαταστάσεων στους ανέμους,χαλάζι,κλπ
Υπολογισμός ελάχιστης απόστασης μεταξύ σειρών συλλεκτών για την αποφυγή της σκίασης από τους συλλέκτες της μιας σειράς συλλεκτών από την άλλη Ας υπολογίσουμε την ζητούμενη (ελάχιστη) απόσταση για τις 23/12, όπου το ύψος του ηλίου είναι το ελάχιστο,δηλαδή η σκιά που δημιουργεί ο συλλέκτης έχει το μεγαλύτερο μήκος. Είναι φανερό ότι για άλλες ημερομηνίες, π.χ 26/4, ο ήλιος είναι ψηλότερα, άρα εφόσον δεν έχουμε σκίαση στις 23/12 δενθα έχουμεσε καμία άλλη ημερομηνία. Β Α Στην περίπτωση αυτή έχουμε τις ακόλουθες γωνίες: (β) κλίση του συλλέκτη, (α) ύψος του ηλίου για τηνωριακή θέση πουησκιά τουάκρου Β πέφτειστονπόδα Γτης άλλης σειράς. Από τοννόμο των ημίτονωνγια το τρίγωνο ΑΒΓ έχουμε ότι: sin( 180 β D D = L cos( β α) sin α sin = Λ L θ ) / cos θ z z Γ ( 180 β 90 + θ ) D z sin( 90 = L θ z ) Λ ή D= Lsin(β+α)/ sinα
Υπολογισμός της κλίσης συλλέκτη ως προς το οριζόντιο, για κάθετη πρόσπτωση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας σ αυτόν. H παρακάτω σχέση δίνει την γωνία πρόσπτωσης, (θ), της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας σε μια επιφάνεια με κλίση β, σε τόπο με γεωμετρικό πλάτος φ, για μία συγκεκριμένη ημέρα (δ) και για μία συγκεκριμένη ώρα (που αντιστοιχεί σε ωριαία γωνία ω). Έστω ότι η επιφάνεια έχει αζιμούθια γωνία γ. Ισχύει: cos θ = sin δ sin φ cosβ - sinβ cos φ sinβ cos γ + cos δ cos φ cosβ cos ω + cos δ sin φ sinβ cos γ cos ω + cos δ sinβ sin γ sin ω Προφανώς όταν η επιφάνεια αυτή βλέπει στο Νοτιά, δηλ. γ=0, τότε η σχέση αυτή γράφεται: ( φ - β) + sinδ sin( φ - β) cos θ = cos δ cos ω cos Παρατήρηση: Η κλίση β εδώ εξαρτάται από το δ δηλαδή από την ημέρα. Επειδή το σύστημα θα είναι ακίνητο θα πρέπει να επιλέξουμε την κλίση β ώστε σε ετήσια βάση να έχει την βέλτιστη απολαβή 0 ενέργειας οπότε η τιμή της κλίσης θα είναι : β φ ± 15
Υπολογισμός της κλίσης συλλέκτη ως προς το οριζόντιο, για κάθετη πρόσπτωση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας σ αυτόν. Αν ζητούμε την γωνία πρόπτωσης θκατά το ηλιακό μεσημέρι (Α.Η.Χ=12.00) δηλ. ω=0 0 cosω=1, τότε ηανωτέρω σχέση γράφεται : ή cos ή cos θ = cos θ = cos δ cos [( φ -β)-δ] ( φ -β) + sin δ sin( φ -β) και προφανώς για την περίπτωση αυτή προκύπτει: θ = φ - β - δ Για την περίπτωση, που ζητούμε, ποια πρέπει να είναι ηγωνία κλίσης ενός ηλιακού συλλέκτη, ως προς το οριζόντιο επίπεδο, για να πέφτουν οι ακτίνες (άμεση ακτινοβολία) κάθετα σ αυτόν, ήτοι θ=0, για συγκεκριμένη ημέρα του έτους, κατά το ηλιακό μεσημέρι, προκύπτει 0 = φ - β - δ β = φ - δ