ΗλιακοίΣυλλέκτες Γιάννης Κατσίγιαννης
Ηλιακοίσυλλέκτες Ο ηλιακός συλλέκτης είναι ένα σύστηµα που ζεσταίνει συνήθως νερό ή αέρα χρησιµοποιώντας την ηλιακή ακτινοβολία Συνήθως εξυπηρετεί ανάγκες θέρµανσης νερού ή θέρµανσης χώρων Η λειτουργία του βασίζεται στο φαινόµενο του θερµοκηπίου Παρέχει θερµοκρασίες 40-150 C, ανάλογα µε τον τύπο του Εφαρµογές: Θέρµανση νερού χρήσης Θέρµανση χώρων Ηλιακή ψύξη Ξήρανση προϊόντων, αφαλάτωση, διαδικασίες απόσταξης και άλλες γεωργικές εφαρµογές, κλπ
Τοµήεπίπεδουηλιακούσυλλέκτη
Τµήµαταεπίπεδουηλιακούσυλλέκτη
Μετάδοσηθερµότητας σεεπίπεδοηλιακόσυλλέκτη
Παράµετροιανάπτυξης φαινόµενουτουθερµοκηπίου Κρίσιµες παράµετροι για την ανάπτυξη του φαινόµενου του θερµοκηπίου στους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες: ιαπερατότητα γυάλινης επιφάνειας στην ηλιακή ακτινοβολία max Απορροφητικότητα της πλάκας στην ηλιακή ακτινοβολία max Συντελεστής εκποµπής της πλάκας για µεγάλα µήκη κύµατος min ιαπερατότητα γυάλινης επιφάνειας για µεγάλα µήκηκύµατος min
Ετήσιαολικήηλιακήακτινοβολίασε οριζόντιαεπιφάνεια -Ευρώπη
Στατιστικάστοιχεία Η παγκόσµια εγκατεστηµένη ισχύς των ηλιακών συλλεκτών ήτανπερίπου 172,4GW th (2009) H συνολική εγκατεστηµένη επιφάνεια συλλεκτών για θέρµανσηνερούστηνεευπολογίζεταιότιείναι 43 10 6 m 2 (µε δυναµικό που φτάνει τα 1,4 10 9 m 2 ) η οποία ισοδυναµεί µε 30,2GW th Στη Γερµανία είναι εγκατεστηµένο το µεγαλύτερο ποσοστό των συλλεκτών (38%) της ευρωπαϊκής αγοράς, ενώ η Αυστρία, η Γαλλία, η Ελλάδα, η Ιταλία και η Ισπανία µαζί διαθέτουν το 39% Η Κύπρος, όπου πάνω από το 90% των κατοικιών είναι εξοπλισµένα µε ηλιακούς συλλέκτες, έχει τον υψηλότερο δείκτη στην Ευρώπη µε 554,0kW th /1000 κατοίκους και ακολουθεί η Αυστρία µε 314,5kW th /1000 κατοίκους και η Ελλάδαµε 265,8kW th /1000 κατοίκους
Αναλογίαηλιακώνσυλλεκτών ανάκάτοικοστηνε.ε.
Τµήµαταθερµικώνηλιακών συστηµάτων Σύστηµα συλλογής της ηλιακής ενέργειας (ηλιακοί συλλέκτες) Σύστηµα αποθήκευσης Βοηθητικό σύστηµα παραγωγής θερµότητας Κυκλοφορητές και συστήµατα ελέγχου (σε µεγάλες εγκαταστάσεις)
Τύποικαιαπόδοσηηλιακούσυλλέκτη Η απόδοση n ενός ηλιακού συλλέκτη σχετίζεται µε την αποδιδόµενη θερµική ισχύ Q u, τη συλλεκτική επιφάνεια A c, την ηλιακή ακτινοβολία G T, τη θερµοκρασία του ρευστού στο συλλέκτη T c, και τη θερµοκρασίαπεριβάλλοντος T α : R ( ) n= F τα n F R U L Tc T G T a
Τύποικαιαπόδοσηηλιακούσυλλέκτη Περιγραφή συλλέκτη Πλαστικός συλλέκτης, χωρίς τζάµι και µόνωση (δοκιµήσεταχύτητααέρα 2.2 m/s) Μαύρο χρώµα µονό τζάµι Μαύρο χρώµα διπλό τζάµι, ή επιλεκτική επιφάνεια µονό τζάµι Σωλήνες κενού F R (τα) n 0.86 0.82 0.75 0.45 F R U L (W/m 2 C) 21.5 7.5 5.0 1.25
Τύποικαιαπόδοσηηλιακού συλλέκτη 1,0 η 0,8 1 τζάµι, επιλεκτική επιφάνεια 0,6 Σωλήνες κενού-αέρος 0,4 0,2 0 Χωρίς τζάµι, χωρίς µόνωση Χωρίς τζάµι, µε µόνωση 1 τζάµι, µαύρο απορροφητή 1 τζάµι, µπλέ απορροφητή 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 ( Τ c - Τ α )/ G T ( ο C m 2 / W)
Σύγκρισητεχνολογιώνηλιακών συλλεκτών Τεχνολογία συλλέκτη Κόστος Απόδοση (kwh/m 2 έτος) Τυπική χρήση Χωρίς κάλυµµα Χαµηλό 300 Θέρµανση πισίνας Επίπεδος συλλέκτης (µαύρο χρώµα) Μεσαίο 650 Θέρµανσηπισίνας, ζεστό νερό χρήσης (ΖΝΧ) Επίπεδος συλλέκτης (επιλεκτικός απορροφητής) Μεσαίο 700 ΖΝΧ, θέρµανσηχώρου, ηλιακός κλιµατισµός Σωλήνες κενού Υψηλό 850 Θέρµανσηχώρου, ηλιακός κλιµατισµός
ΠαραγωγήΖΝΧαπόεπίπεδους ηλιακούςσυλλέκτες Κατανάλωση ζεστού νερού χρήσης (ΖΝΧ): 50 lt / άτοµο / ηµέρα (οικιακός τοµέας, θερµοκρασία νερού 45 C) Εµβαδό επίπεδου ηλιακού συλλέκτη: 0.5 m 2 / 50 ltζνχ Ηλιακήκάλυψη: 40-65% Βάρος: 8-12 kg / m 2 συλλέκτη
Κατηγορίεςηλιακώνσυλλεκτών (1) Φυσικής κυκλοφορίας (παθητικό σύστηµα): εν χρησιµοποιούνται αντλίες για την αποθήκευση του νερού. Εξαναγκασµένης κυκλοφορίας (ενεργό σύστηµα): Χρησιµοποιούν αντλίες κυκλοφορίας για τη κίνηση του θερµού ρευστού από τον συλλέκτη στη δεξαµενή αποθήκευσης.
Κατηγορίεςηλιακώνσυλλεκτών (2) Ανοιχτού βρόχου Κλειστού βρόχου
Κατηγορίεςηλιακώνσυλλεκτών (3) ιπλής ενέργειας: Ο θερµοσίφωνας λειτουργεί εκµεταλλευόµενος είτε την ηλιακή ενέργεια είτε το ηλεκτρικό ρεύµα (π.χ. κατά την διάρκεια συννεφιάς οπότε η ηλιακή ενέργεια δεν είναι αρκετή για να ζεστάνει το νερό). Για τον σκοπό αυτό, υπάρχει ηλεκτρική αντίσταση τοποθετηµένη εντός του τµήµατος αποθήκευσης. Τριπλής ενέργειας: Λειτουργεί όπως ο ηλιακός θερµοσίφωνας διπλής ενέργειας αλλά έχει επιπλέον µια είσοδο για να εκµεταλλευτεί ως θερµαντικό µέσο το ζεστό νερό του καλοριφέρ που παράγεται από τον λέβητα κεντρικής θέρµανσης. Προϋπόθεση για την εγκατάσταση ηλιακού θερµοσίφωνα τριπλής ενέργειας είναι να υπάρχει η κατάλληλη υποδοµή στο οίκηµα υπό την µορφή ξεχωριστών σωληνώσεων (ανά διαµέρισµα εάν πρόκειται για πολυκατοικία) που να συνδέουν το λεβητοστάσιο µε τον χώρο εγκατάστασης του ηλιακού θερµοσίφωνα (ταράτσα ή σκεπή).
Συλλέκτεςκενού ιαφοροποιούνται από τους επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες στον τρόπο απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας και αποδίδουν ακόµα υψηλότερες θερµοκρασίες (της τάξης των 100-150 C) Αποτελούνται από πολλούς γυάλινους σωλήνες, κάθε ένας από τους οποίους περιέχει µια µαύρη µεταλλική ή άλλη απορροφητική επιφάνεια, από τους οποίους περνάει το θερµοαπαγωγό µέσο Στονγυάλινοσωλήναδηµιουργείταικενόαέρος (όπωςπ.χ. σε ένα θερµός) Λειτουργούν αποτελεσµατικά ακόµα και τις µέρες µε συννεφιά
Συλλέκτεςκενού
Λεπτοµέρειασυλλέκτηκενού
Ηλιακοίσυλλέκτεςχωρίςκάλυµµα γιαθέρµανσηπισίνας
Τοµήηλιακούσυλλέκτη χωρίςκάλυµµακαιµόνωση
Ηλιακοίσυλλέκτεςχωρίςκάλυµµα γιαθέρµανσηπισίνας Έχουν εφαρµογές µόνο σε κολυµβητικές δεξαµενές, όπου η επιθυµητή θερµοκρασία είναι σχετικά χαµηλή (25 C) Η επιφάνεια των ηλιακών συλλεκτών χρειάζεται να είναι περίπου το 80% της επιφάνειας της πισίνας εν απαιτείται επιπρόσθετος εξοπλισµός (π.χ. µονάδα αποθήκευσης, εναλλάκτες θερµότητας) που επιβαρύνει τον προϋπολογισµό. Έχουν χαµηλό κόστος (70-100 /m 2 ) και σχετικά σύντοµους χρόνους αποπληρωµής Η αισθητική ένταξη των συλλεκτών του συστήµατος είναι εξαιρετικά οµαλή Ανάλογα µε τις επικρατούσες συνθήκες, το νερό κατευθύνεται είτε προς τους συλλέκτες είτε προς την βοηθητική πηγή ενέργειας (εάν υπάρχει) Η λύση αυτή µπορεί να επεκτείνει την κολυµβητική περίοδο από τον Απρίλιο µέχρι τον Οκτώβριο Σε περίπτωση που χρησιµοποιηθούν επίπεδοι συλλέκτες, η επιφάνειά τους χρειάζεται να είναι περίπου το 60% της επιφάνειας της πισίνας
ιαστασιολόγησηηλιακώνσυλλεκτών
Οικονοµικάστοιχείαηλιακών συλλεκτών Σε µεγάλες εγκαταστάσεις, η δυνατότητα εκµετάλλευσης των ηλιακών συλλεκτών όλο το χρόνο για την παραγωγή ΖΝΧ και την κάλυψη των αναγκών θέρµανσης-ψύξης, βελτιώνει την οικονοµική βιωσιµότητα των εγκαταστάσεων Το κόστος των ηλιακών συλλεκτών χωρίς κάλυµµα είναι περίπου 70-100 /m 2 Το κόστος των επίπεδων ηλιακών συλλεκτών κυµαίνεται στα 400-750 /m 2, και εξαρτάται από τον τύπο του συστήµατος (διπλής ή τριπλής ενέργειας, combi, επιλεκτικού τύπου, κλπ), και τη χωρητικότητα του δοχείου αποθήκευσης Τοκόστοςτωνσωλήνωνκενούξεκινάαπό 750 /m 2
Συστήµατα combi (ΖΝΧκαιθέρµανσηχώρων) Στην Ελλάδα οι περισσότερες εγκαταστάσεις ηλιακών συλλεκτών είναιαυτόνοµοιεπίπεδοιηλιακοίσυλλέκτεςγιατηνπαραγωγήζνχ, που εξυπηρετούν ένα νοικοκυριό, ή κεντρικές εγκαταστάσεις ΖΝΧ σε κτήρια του τριτογενή τοµέα (π.χ., ξενοδοχεία) Στο εξωτερικό, συνηθίζονται κεντρικές εγκαταστάσεις για την παραγωγή ΖΝΧ σε συνδυασµό µε τη θέρµανση χώρων (συστήµατα combi), εκµεταλλευόµενοι το ίδιο πεδίο ηλιακών συλλεκτών Μερίδιοσυστηµάτων combi: Ελλάδα 5%, Αυστρία 40%, Ελβετία 35%, Ολλανδία 20%, ανία 15%, Γαλλία 5%, Ευρώπη (συνολικά) 15%
Χαρακτηριστικάσυστηµάτων combi Μια τυπική εγκατάσταση ηλιακού συστήµατος combi αποτελείται από τους ηλιακούς συλλέκτες, µια δεξαµενή αποθήκευσης ζεστού νερού και ένα εφεδρικό σύστηµα θέρµανσης (π.χ., λέβητα) Ένα σύστηµα combi απαιτεί µεγαλύτερη επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών σε σχέση µε ένα σύστηµα παραγωγής ΖΝΧ προκειµένου να καλύψει τα απαιτούµενα φορτία Η εγκατάσταση µπορεί να περιλαµβάνει µια δεξαµενή αποθήκευσης θερµότητας και ένα ανεξάρτητο µπόιλερ ΖΝΧ Τα παραπάνω µπορούν όµως να συνδυαστούν σε ένα δοχείο µε κάθετη θερµοκρασιακή διαστρωµάτωση έτσι ώστε να µπορούν να καλυφθούν οι διαφορετικές θερµοκρασιακές απαιτήσεις για ΖΝΧ και θέρµανση χώρων
ιάταξησυστήµατος combi
ιάταξησυστήµατος combi
Απόδοσηκαικάλυψη συστηµάτων combi Σε ετήσια βάση, η απόδοση των ηλιακών συλλεκτών (αποδιδόµενη θερµότητα προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία) κυµαίνεται µεταξύ 40 55% και εξαρτάται από τον τύπο του συλλέκτη, την αποθήκη του ζεστού νερού και το εφεδρικό σύστηµα θέρµανσης Ο µέσος ετήσιος συντελεστής εκµετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας, λαµβάνοντας υπόψη τις απώλειες από τη δεξαµενή θερµότητας και την απορριπτόµενη θερµότητα, κυµαίνεται από 20 25% Τα συστήµατα combi µπορούν να καλύψουν 10 60% των συνολικών φορτίων για ΖΝΧ και θέρµανση χώρων στην κεντρική και βόρεια Ευρώπη (απαιτούµενη επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών για µια κατοικία στηναυστρία: 12 20 m 2 ) Απαιτούν συγκεκριµένη µελέτη και σχεδιασµό έτσι ώστε να αποφεύγονται λειτουργικά προβλήµατα το καλοκαίρι, εξαιτίας του µεγάλου πεδίου ηλιακών συλλεκτών σε σχέση µε τα χαµηλά θερµικά φορτία, που έχουν σαν αποτέλεσµα την υπερθέρµανση
Συστήµατα combi-plus (ΖΝΧ, θέρµανσηκαιψύξηχώρων) Τα συστήµατα combi-plus µπορούν να καλύψουν τις ανάγκες για ΖΝΧ, θέρµανση και ψύξη χώρων Εκµεταλλεύονται το γεγονός ότι τα µέγιστα ψυκτικά φορτία το καλοκαίρι συµπίπτουν µε την υψηλή διαθεσιµότητα ηλιακής ενέργειας
Συστήµατα combi-plus
Τµήµαταεγκατάστασης ηλιακούκλιµατισµού Μια τυπική εγκατάσταση ηλιακού κλιµατισµού αποτελείταιαπό: τους ηλιακούς συλλέκτες (παρέχουν την απαιτούµενη θερµότητα για τη λειτουργία του ψύκτη) µια δεξαµενή αποθήκευσης ζεστού νερού τηµονάδαψύξης το σύστηµα κλιµατισµού και το εφεδρικό σύστηµα θέρµανσης ψύξης (ενσωµατώνεται στην εγκατάσταση είτε ως εφεδρική θέρµανση, είτε ως εφεδρικός ψύκτης ή και τα δύο)
Βασικέςτεχνολογίες ηλιακούκλιµατισµού
Σύγκρισητωνβασικώντεχνολογιών ηλιακούκλιµατισµού
Κόστοςσυστηµάτων ηλιακούκλιµατισµού Το µέσο αρχικό κόστος είναι περίπου 4000 /kw Το κόστος ποικίλλει σηµαντικά ανάλογα µε την ψυκτική ισχύ της µονάδας, τον τύπο ηλιακών συλλεκτών, το στάδιο ανάπτυξης και την αρχή λειτουργίας του συστήµατος Τα συστήµατα απορρόφησης µε H 2 O/LiBr έχουν το χαµηλότερο µέσο αρχικό κόστος (3100 /kw), ενώ τα συστήµατα απορρόφησης NH 3 /H 2 O έχουν το υψηλότερο κόστος (6500 /kw) καθώς απαιτούν µεγαλύτερη επιφάνεια ηλιακών συλλεκτών Τα συστήµατα προσρόφησης κοστίζουν κατά µέσο όρο 3500 /kw
Πλεονεκτήµατα-µειονεκτήµατα συστηµάτωνηλιακούκλιµατισµού Πλεονεκτήµατα Σηµαντικός περιορισµός της αιχµής ζήτησης ηλεκτρικού ρεύµατος κατά τους θερινούς µήνες, µε παράλληλη µείωση τωνεκποµπών CO 2 Τα µέγιστα ψυκτικά φορτία απαιτούνται όταν η ηλιακή ακτινοβολία είναι υψηλή Μειονεκτήµατα Υψηλό αρχικό κόστος Περιορισµένη πρακτική εµπειρία για το σχεδιασµό, έλεγχο, λειτουργία, εγκατάσταση και συντήρηση Περιορισµένος αριθµός εµπορικά διαθέσιµων µηχανών µικρής ψυκτικής ισχύος