Εργαστήριο ΑΠΕ I Ενότητα 3: Ηλιακοί Συλλέκτες: Μέρος Α Πολυζάκης Απόστολος / Καλογήρου Ιωάννης / Σουλιώτης Εμμανουήλ
Ηλιακή Ενέργεια ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 2
Αλληλεπίδραση Ηλιακής Ακτινοβολίας με την Ύλη Με την κλασσική προσέγγιση η ακτινοβολία μπορεί να μελετηθεί με βάση τη θεωρία μεταφοράς ενέργειας με ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Το μήκος κύματος της Ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πρακτικά μας δίνει την Ενέργεια του φορέα μεταφοράς και αυτό έχει ως συνέπεια τη διαφορετική αλληλεπίδρασή της με την Ύλη. Στα πλαίσια της μελέτης των συστημάτων εκμετάλλευσης και μετατροπής της Ηλιακής Ενέργειας σε άλλες μορφές θα εστιάσουμε: Στη Θερμική Ακτινοβολία για την απευθείας μετατροπή της Ηλιακής Ενέργειας σε Θερμότητα (Θερμική Ενέργεια) Στην Ακτινοβολία που αλληλοεπιδρά με ημιαγωγούς για την απευθείας παραγωγή Ηλεκτρισμού (Ηλεκτρική Ενέργεια). Και για τα δύο παραπάνω κρίσιμη παράμετρος είναι το μήκος κύματος της Ηλιακής Ακτινοβολίας ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 3
Φάσμα Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας Ηλιακοί Θερμικοί Συλλέκτες ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 4
Θερμική και Ηλιακή Ακτινοβολία ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 5
Θερμική και Ηλιακή Ακτινοβολία ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 6
Θερμική και Ηλιακή Ακτινοβολία Θερμική Ακτινοβολία (thermal radiation): 0.1<λ<100μm Η θερμική ακτινοβολία περιλαμβάνει την υπέρυθρη, την ορατή και τμήμα της υπεριώδους ακτινοβολίας. Ηλιακή Ακτινοβολία (Solar Radiation): 0.3<λ<3μm Όταν η ακτινοβολία προσπίπτει σε ένα ομογενές σώμα τμήμα της ακτινοβολίας ανακλάται (διαχυτικά ή κατοπτρικά) ενώ το υπόλοιπο εισέρχεται εντός του σώματος. Η ακτινοβολία που εισέρχεται μπορεί να απορροφηθεί ή απλώς να διαπεράσει το σώμα. Τα σώματα τα οποία απορροφούν όλη την εισερχόμενη ακτινοβολία ονομάζονται αδιαφανή (opaque). Στα σώματα αυτά η ακτινοβολία μπορεί να θεωρηθεί σαν επιφανειακό φαινόμενο και όχι ογκομετρικό, αφού η ακτινοβολία που εισέρχεται θα απορροφηθεί σε πολύ μικρή απόσταση, ενώ η ακτινοβολία που εκπέμπεται εσωτερικά δεν θα φθάσει στην επιφάνεια. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 7
Θερμική Ακτινοβολία και Ακτινοβολία Μέλαν Σώματος Η θερμική ακτινοβολία οφείλεται στην περιστροφική και δονητική μετακίνηση των μορίων στα αέρια, υγρά και στερεά λόγω της θερμοκρασίας τους. Εκπέμπεται διαρκώς από οποιαδήποτε μορφή ύλης που η θερμοκρασία της βρίσκεται πάνω από το απόλυτο μηδέν. Η θερμοκρασία του σώματος αποτελεί μέτρο υπολογισμού της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Η θερμική ακτινοβολία βρίσκεται εντός τους εύρους του μήκους κύματος που δίδει στην ανθρωπότητα θερμότητα, φως και φωτοσύνθεση. Η ίδια η ύπαρξη μας οφείλεται στην ηλιακή ακτινοβολία που αποτελεί τμήμα της θερμικής ακτινοβολίας. Το μέλαν σώμα ορίζεται ως το σώμα που επιτρέπει όλη η προσπίπτουσα ακτινοβολία να εισέλθει εντός του σώματος (μηδενική επιφανειακή αντανάκλαση) και στην συνέχεια απορροφά εσωτερικά όλη την ακτινοβολία (τέλεια εσωτερική απορροφητικότητα και μηδενική διαπερατότητα). Το μέλαν σώμα χρησιμοποιείται σαν σημείο αναφοράς σε σχέση με το ποσό ακτινοβολίας που απορροφούν και εκπέμπουν τα πραγματικά σώματα. Λίγες επιφάνειες πλησιάζουν την ικανότητα του μέλανος σώματος να απορροφά ακτινοβολία. Το όνομα, «μέλαν σώμα», έχει προκύψει από το γεγονός ότι τα σώματα που απορροφούν ικανοποιητικά την προσπίπτουσα ορατή ακτινοβολία φαίνονται μαύρα (μελανά) στο ανθρώπινο μάτι. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 8
Θερμική Ακτινοβολία και Ιδιότητες μη Μελανών Επιφανειών ΕΚΠΟΜΠΗ (emissivity): Ιδιότητα επιφάνειας σώματος που ορίζεται ως ο λόγος της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ως προς την αντίστοιχη ακτινοβολία του μέλανος σώματος στην ίδια θερμοκρασία. Η εκπομπή ή ικανότητα εκπομπής ή συντελεστής εκπομπής εξαρτάται από την θερμοκρασία, το μήκος κύματος εκπομπής, τη γωνία εκπομπής και την επιφάνεια (υλικό, κατασκευή, χημικές αντιδράσεις με περιβάλλον). Qemmited ε σ T ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΙΚΟΤΗΤΑ (absorptivity): Ιδιότητα επιφάνειας σώματος που ορίζει το κλάσμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας που απορροφάται από την επιφάνεια. Η απορροφητικότητα ή ικανότητα απορρόφησης ή συντελεστής απορρόφησης εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά (μήκος κύματος, κατεύθυνση, θερμοκρασία) της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (irradiation). Η προσπίπτουσα ακτινοβολία δεν εξαρτάται από την θερμοκρασία της επιφάνειας στην οποία προσπίπτει αλλά από την θερμοκρασία Τ του σώματος που την εκπέμπει. Η ικανότητα απορρόφησης μιας επιφάνειας επίσης εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της επιφάνειας που απορροφά την ακτινοβολία αλλά εξαρτάται πολύ λίγο από την θερμοκρασία της επιφάνειας (εκτός αν ποσοστό ακτινοβολίας που ανακλάται επιστρέφει στην επιφάνεια). Q abs α Q insident 4 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 9
Ηλιακοί Θερμικοί Συλλέκτες Μια οποιαδήποτε επιφάνεια ανεξαρτήτου είδους, χρώματος και κατασκευής μπορεί να θεωρηθεί ένας Θερμικός Ηλιακός συλλέκτης. Το ζήτημα που τίθεται είναι πως μπορεί να μεταφερθεί η θερμική ενέργεια που έχει απορροφηθεί. Έτσι, είναι απαραίτητο ένα ρευστό απολαβής που να βρίσκεται σε επαφή με την απορροφητική επιφάνεια του θερμικού συλλέκτη Ο Ηλιακός Θερμικός Συλλέκτης αποτελεί ένα θερμοδυναμικό σύστημα που ισχύει ο νόμος διατήρησης της ενέργειας (Θερμικής ή θερμότητα) ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 10
Επίπεδος Ηλιακός Θερμικός Συλλέκτης (ΗΘΣ) Βασικά Στοιχεία του ΗΘΣ Ενεργειακό Ισοζύγιο ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 11
Επίπεδος Ηλιακός Θερμικός Συλλέκτης Βασικά Χαρακτηριστικά και Λειτουργία 1. Είναι η πιο συνήθης μορφή θερμικού ηλιακού συλλέκτη. 2. Η επιλογή του ρευστού απολαβής θερμότητας καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη θερμοκρασία απολαβής της θερμότητας. Αυτό με τη σειρά του καθορίζει τη δυνατότητα για διαφορετικές χρήσεις. 3. Η Ειδική Θερμότητα του ρευστού απολαβής σε συνδυασμό με το μηχανισμό μετάδοσης θερμότητας της Συναγωγής είναι οι δύο καθοριστικοί παράμετροι για τη θερμοκρασία λειτουργίας 4. Η Θερμική Απόδοση του θερμικού συλλέκτη ΔΕΝ είναι μια μονοσήμαντη παράμετρος, καθώς αυτή υπολογίζεται με βάση το ισοζύγιο θερμικής ενέργειας (Απορροφούμενη Ηλιακή Ακτινοβολία Ωφέλιμη Θερμική Ενέργεια Θερμικές Απώλειες). 5. Πρόκειται για ένα Δυναμικό Θερμοδυναμικό Σύστημα (ως αποτέλεσμα της μεταβολής της εισερχόμενης ηλιακής ακτινοβολίας στη διάρκεια Ημερήσιας Λειτουργίας 6. Απαιτείται συνήθως αποθήκευση της θερμότητας (Ηλιακά Θερμικά Συστήματα). Η άμεση χρήση της θερμικής ενέργειας καθορίζεται από τις θερμικές ανάγκες της θερμικής διαδικασίας που προορίζεται. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 12
Στοιχεία Μετάδοσης Θερμότητας Θερμικές Αντιστάσεις Αγωγή (Conduction): Είναι η μηχανισμός εκείνος που βασίζεται στη μετάδοση θερμότητας από τα σωματίδια της ύλης που έχουν υψηλότερη εσωτερική ενέργεια προς σε εκείνα χαμηλότερης εσωτερικής ενέργειας μέσω αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους. Μεταφορά ή συναγωγή (Convection): Είναι ο μηχανισμός εκείνος μεταξύ στερεών και υγρών ή αερίων (ρευστά) τα οποία βρίσκονται σε κίνηση και διέπεται από την ταυτόχρονη διεργασία αγωγής και κίνησης του ρευστού. Ακτινοβολία (Radiation): Είναι η ενέργεια που εκπέμπεται από την ύλη μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων (ή φωτονίων) ως αποτέλεσμα μεταβολών στην ηλεκτρονική δομή των ατόμων ή τον μορίων. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 13
Στοιχεία Μετάδοσης Θερμότητας Μετάδοση Θερμότητας Υπό Σταθερές Συνθήκες Η Ιδέα των Θερμικών Αντιστάσεων Αγωγή (Conduction) ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 14
Στοιχεία Μετάδοσης Θερμότητας Η Ιδέα των Θερμικών Αντιστάσεων Μεταφορά (Convection) ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 15
Στοιχεία Μετάδοσης Θερμότητας Η Ιδέα των Θερμικών Αντιστάσεων Μεταφορά (Convection) Ακτινοβολία (Radiation) ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 16
Στοιχεία Μετάδοσης Θερμότητας Η Ιδέα των Θερμικών Αντιστάσεων ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 17
Στοιχεία Μετάδοσης Θερμότητας Η Ιδέα των Θερμικών Αντιστάσεων Ολικός Συντελεστής Μετάδοσης Θερμότητας ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 18
Στοιχεία Μετάδοσης Θερμότητας Η Ιδέα των Θερμικών Αντιστάσεων ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 19
Θερμικές Αντιστάσεις και Ηλιακός Θερμικός Συλλέκτης Οπτική Ανάλυση ΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 20
Οπτική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ Η Διάθλαση, η Ανάκλαση και η Απορρόφηση της Ηλιακής Ακτινοβολίας μέσω των διαφόρων τμημάτων ενός ΗΘΣ είναι σημαντικοί παράμετροι για την απόδοσή του. Σε έναν ΗΘΣ είναι απαραίτητο να τοποθετείται ένα διαφανές μέσο (διαφανές κάλυμμα ή γυαλί) προκειμένου να ελαχιστοποιούνται οι θερμικές απώλειες μέσω συναγωγής. Γενικά οι παραπάνω παράμετροι (μεγέθη) είναι συναρτήσεις της ποιότητας της ηλιακής ακτινοβολίας, του πάχους, του δείκτη διάθλασης και του συντελεστή εξασθένισης του διαφανούς μέσου, από το οποίο οι ηλιακές ακτίνες διέρχονται έως ότου απορροφηθούν από την απορροφητική επιφάνεια του ΗΘΣ. Θα επικεντρωθούμε στην οπτική ανάλυση του διαφανούς μέσου προκειμένου να υπολογίσουμε τη μέγιστη τιμή της πυκνότητας ισχύος της Ηλιακής ακτινοβολίας που δύναται να απορροφηθεί από τον απορροφητή του ΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 21
Οπτική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ Συνολική Διαπερατότητα, Ανακλαστικότητα και Απορροφητικότητα του οπτικού μέσου T T T α 1 T R α T R T 1 T T T α r α 1 α r α Αυτή πρακτικά είναι η σχέση που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της διαπερατότητας του οπτικού μέσου O Συντελεστής Διαπερατότητας - Απορροφητικότητας του ΗΘΣ Η ηλιακή ακτινοβολία που διαπερνά το διαφανές κάλυμμα και προσπίπτει στον απορροφητή δεν απορροφάται πλήρως και κατά ένα ποσοστό ανακλάται διάχυτα προς το γυάλινο κάλυμμα. Αν θεωρήσουμε α s τον συντελεστή απορρόφησης του απορροφητή στο ορατό και κοντινό υπέρυθρο φάσμα, τότε η ηλιακή ακτινοβολία που απορροφάται μπορεί να προσδιοριστεί με τη βοήθεια του γινομένου διαπερατότητα x απορροφητικότητα (τα) που προσεγγίζεται από τη σχέση: (τα) 1.01 τ α s ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 22
Οπτική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ (τα) 1.01 τ α s Η παράμετρος αυτή υπολογίζεται για την άμεση (τα) b, διάχυτη (τα) b και ανακλώμενη από το έδαφος (τα) b ηλιακή ακτινοβολία και πολλαπλασιαζόμενη επί τις αντίστοιχες εντάσεις I b, I d και I g (όπου I t = I b + I d ) δίνει τελικά την απορροφούμενη ενέργεια S από τον απορροφητή του ηλιακού συλλέκτη: 1 cosβ 1 cosβ S I R (τα) I (τα) ρ I (τα) b b b d d g g g 2 2 Θυμίζουμε: ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 23
Οπτική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ 1 cosβ 1 cosβ S I R (τα) I (τα) ρ I (τα) b b b d d g g g 2 2 Αν ορίσουμε ένα μέσο γινόμενο (τα) ave έτσι ώστε: S (τα) I ave (τα) (τα) (τα) (τα) ave b d g (1 cos β) (1 cos β) S (τα) ( ) b I R I ρ I I b b d g b d 2 2 Η τελευταία σχέση συνδυάζει την οπτική συμπεριφορά του συλλέκτη με την προσπίπτουσα σ αυτόν ηλιακή ακτινοβολία ανά μονάδα επιφάνειας. Ο λόγος S / I t είναι η οπτική απόδοση n o του συλλέκτη και είναι: S (τα) I n n (τα) ave t o o ave I I t t ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 24 t
Θερμική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ (Ωφέλιμη Θερμική Ενέργεια) = (Απορροφούμενη Ηλιακή Ενέργεια) (Θερμικές Απώλειες) Qu = S - QL Ενεργειακό Ισοζύγιο Δίκτυο Θερμικών Αντιστάσεων ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 25
Θερμική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ Η επίλυση του προβλήματος πραγματοποιείται σε σταθερές συνθήκες (steady state) ως ακολούθως: ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 26
Θερμική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ Παράγοντας απομάκρυνσης Θερμότητας Heat Removal Factor Είναι εξαιρετικά δύσκολο να γνωρίζουμε τη θερμοκρασία των διαφανών καλυμμάτων ή την θερμοκρασία της επιφάνειας του Επίπεδου ΗΘΣ. Είναι όμως εύκολο να γνωρίζουμε τη θερμοκρασία εισόδου και εξόδου του ρευστού απολαβής της θερμικής ενέργειας. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 27
Θερμική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ Ο παράγοντας F R είναι ισοδύναμος με την αποτελεσματικότητα ενός εναλλάκτη θερμότητας. Εκφράζει το πηλίκο της πραγματικής θερμότητας απολαβής προς τη μέγιστη δυνατή θερμότητα απολαβής ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 28
Θερμική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ Πρόκειται για την πιο σημαντική εξίσωση που εκφράζει την θερμική ενέργεια απολαβής ως συνάρτηση των συνθηκών λειτουργίας του Επίπεδου ΗΘΣ. Τι σημαίνει πρακτικά αυτό? Η μέγιστη δυνατή Θερμική Ενέργεια Απολαβής προκύπτει όταν ολόκληρος ο συλλέκτης βρίσκεται σε θερμοκρασία ίση προς τη θερμοκρασία εισόδου του ρευστού απολαβής και οι θερμικές απώλειες είναι ελάχιστες ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 29
Θερμική Ανάλυση Επίπεδου ΗΘΣ Θερμική Απόδοση Επίπεδου ΗΘΣ S (τα) I ave t η F τ a - F U R R L T- T i I T a Η Θερμική Απόδοση δεν είναι μονοσήμαντος παράγοντας. Δηλαδή ένας Επίπεδος ΗΘΣ ΔΕΝ παρουσιάζει ΜΙΑ ΣΤΑΘΕΡΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ. Αυτή εξαρτάται από τις συνθήκες λειτουργίας και την επιθυμητή θερμοκρασία του ρευστού απολαβής ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 30
Χαρακτηρισμός Επίπεδου ΗΘΣ Ο σκοπός του χαρακτηρισμού ενός Επίπεδου ΗΘΣ είναι: Κρίσιμη τιμή Ηλιακής Πυκνότητας Ισχύος: 1. Ο υπολογισμός της Θερμικής Απόδοσης (Στιγμιαία θερμική Απόδοση) 2. Ο υπολογισμός του συνολικού συντελεστή μετάδοσης θερμότητας (Συντελεστής Θερμικών Απωλειών) 3. Η κρίσιμη τιμή της προσπίπτουσας Ηλιακής Ακτινοβολίας για την οποία ο ΗΘΣ παράγει θερμότητα 4. Το θερμοκρασιακό Εύρος Λειτουργείας του ΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 31
Χαρακτηρισμός Επίπεδου ΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 32
Χαρακτηρισμός Επίπεδου ΗΘΣ Υδραυλικό Κύκλωμα και Στοιχεία της Εγκατάστασης Χαρακτηρισμού της Θερμικής Συμπεριφοράς ΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 33
Χαρακτηρισμός Επίπεδου ΗΘΣ Χαρακτηριστική Καμπύλη Μεταβολής της Θερμικής Απόδοσης Επίπεδου ΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 34
Χαρακτηρισμός Επίπεδου ΗΘΣ Χαρακτηριστικές Καμπύλες Μεταβολής της Θερμικής Απόδοσης διαφόρων τύπων ΗΘΣ a. Ένα Διαφανές Κάλυμμα, Επιλεκτικός Απορροφητής b. Ένα Διαφανές Κάλυμμα, Ημιεπιλεκτικός Απορροφητής c. Ένα Διαφανές Κάλυμμα, ΗΘΣ αέρα d. ΗΘΣ με σωλήνες κενού e. Απουσία Διαφανούς Καλύμματος ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 35
Χαρακτηρισμός Επίπεδου ΗΘΣ Χαρακτηριστικές Καμπύλες Μεταβολής της Θερμικής Απόδοσης ΗΘΣ a. 25 l/min b. 20 l/min c. 10 l/min ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 36
Χαρακτηρισμός Επίπεδου ΗΘΣ Χαρακτηριστικές Καμπύλες Μεταβολής της Θερμικής Απόδοσης ΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 37
Τύποι Επίπεδων ΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 38
Τύποι Επίπεδων ΗΘΣ ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 39
Τύποι Επίπεδων ΗΘΣ και Μεταβολή της Θερμικής Απόδοσης ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 40
Τύποι Επίπεδων ΗΘΣ και Μεταβολή της Θερμικής Απόδοσης ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 41
ΑΣΚΗΣΗ Ένας Επίπεδος Ηλιακός Θερμικός Συλλέκτης έχει επιφάνεια εμβαδού Α = 2 m² και προσανατολίζεται πλήρως στο Νότο υπό γωνία κλίσης 30. Δίνονται οι παρακάτω πειραματικές τιμές της θερμοκρασίας εισόδου (Ti) και εξόδου (Tf) του ρευστού (νερό). Η παροχή του ρευστού είναι Π = 0.015 l/s ανά m². Για τον πειραματικό προσδιορισμό της θερμικής απόδοσης του συλλέκτη μεταβάλλεται η θερμοκρασία εισόδου του ρευστού και λαμβάνεται η τιμή της θερμοκρασίας εξόδου, όταν έχει αποκατασταθεί η θερμική ισορροπία. Δίνονται: η θερμοκρασία περιβάλλοντος Ta = 20 C, η τιμή της της ηλιακής ακτινοβολίας στο ΟΡΙΖΟΝΤΙΟ επίπεδο Ι = 850 W/m², η ειδική θερμότητα του νερού Cp = 4180 J/kg C και η πυκνότητα του νερού ρ = 1000 kg/m 3. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο εκτίμησης της ηλιακής ακτινοβολίας υπολογίστε αρχικά την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του ηλιακού συλλέκτη, ΙΤ. Θεωρείστε ως δεδομένο ότι η πειραματική διαδικασία υλοποιείται στην Πάτρα (φ = 38.25 ) περί του ηλιακού μεσημεριού ( ω = 0 ), στις 21 Ιουνίου. Κατόπιν να υπολογιστεί για κάθε ζεύγος τιμών (Ti, Tf), η ωφέλιμη θερμική ισχύς (Qu) καθώς και η θερμική απόδοση (ηth) του συλλέκτη. Να σχεδιαστεί το διάγραμμα της απόδοσης η συναρτήσει του παράγοντα (Ti-Ta)/ΙΤ. Με βάση το διάγραμμα αυτό, να υπολογιστούν οι συντελεστές FR(τα) και FRUL. Ti ( C) Tf ( C) 30 42 35 47 42 53 45 55.5 52 62 56 65.5 60 69 65 73.5 72 80 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. 42