Συστήματα ηλιακής ενέργειας Άμεση μετατροπή σε θερμότητα http://en.wikipedia.org/wiki/solar_thermal_collector
Τμήματα επίπεδου ηλιακού συλλέκτη
Τομή ηλιακού συλλέκτη Ι
Τομή ηλιακού συλλέκτη ΙΙ
Στοιχεία ανάλυσης επίπεδου ηλιακού συλλέκτη
Υπολογισμοί απόδοσης ηλιακού συλλέκτη (1) Γενικά.. : έ _ έ Q U ί _ έ A G T Q A S U ( T T ) U L s a S U ( T T ) L s a G T T s του απορροφητή δεν είναι σταθερή σε όλη την επιφάνεια του συλλέκτη και για να μετρηθεί χρειάζεται μεγάλος αριθμός αισθητήρων ΔΥΣΧΡΗΣΤΗ Αντίθετα, οι θερμοκρασίες εισόδου, εξόδου του νερού και περιβάλλοντος μετρώνται εύκολα QU max A S UL( Ti Ta ) Για T s =T i
Υπολογισμοί απόδοσης ηλιακού συλλέκτη (2) U Η απόδοση του εναλλάκτη θα είναι F Q F AS U ( T T ) Q R U R L i a QU max F A S U ( T T ) FR S T T UL AG G G R L i a i a T T T S G ( ) T Η U L βρίσκεται με υπολογισμό των θερμικών απωλειών από όλες τις επιφάνειες του συλλέκτη, με χρήση των νόμων διάδοσης θερμότητας (αγωγή-μεταφορά-ακτινοβολία).
Υπολογισμοί απόδοσης ηλιακού συλλέκτη (3) Οπτική απόδοση συλλέκτη Ti Ta FR( ) UL G T Το σημείο η=0 ονομάζεται σημείο στασιμότητας, γιατί, σε συλλέκτη με φυσική κυκλοφορία νερού, σταματάει η ροή. Απόδειξη.. Q mc ( T T ) U p o i mc ( T T ) p o i AG T Είναι προφανές ότι όταν η=0, είτε T o =T i, είτε m 0 Για φυσική ροή του νερού ισχύουν και τα δύο.
Υπολογισμοί απόδοσης ηλιακού συλλέκτη (4) Οπτική απόδοση FR (τα) Συλλέκτης με ένα γυάλινο κάλυμμα Μεγάλο F R (τα) Μικρό ΔΤmax Ti Ta FR( ) UL G T Συλλέκτης με δύο γυάλινα κάλυμματα Μικρότερο F R (τα) Μεγαλύτερο ΔΤmax η=0, ΔΤmax Ti T G T a
Απόδοση διαφόρων τύπων ηλιακού συλλέκτη
Απόδοση διαφόρων τύπων ηλιακού συλλέκτη S.A. Kalogirou / Progress in Energy and Combustion Science 30 (2004) 231 295
απόδοση απόδοση -0.02 0.00 0.02 Άσκηση 2-3 0.95 0.90 0.85 0.80 0.75 AK 1K 2K 1K+Ep 1.2 1.0 0.8 AK 1K 2K 1K+Ep 0.70 0.65 0.60 0.55 0.6 0.4 0.2 0.0-0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 (T i - T a )/G T [m 2 K/W]
Απώλειες επίπεδου ηλιακού συλλέκτη
Συντελεστής εκπομπής: : ή ό b ώ b : ή ό έ Φασματικός συντελεστής εκπομπής: ώ ( ) ( ) b ( ) Συντελεστής απορρόφησης: :έ ύ ί :έ ί ί Φασματικός συντελεστής απορρόφησης: ( ) ( ) ( ) Για το μέλαν σώμα ισχύει: 1, ( ) 1 b b
Κανόνας Kirchhoff: ( ) ( ) Ισχύει σε συνθήκες θερμικής ισορροπίας Γενικά: Όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής εκπομπής, τόσο μεγαλύτερη είναι και η δυνατότητα ενός υλικού να απορροφάει (όταν είναι ψυχρότερο) ή να εκπέμπει (όταν είναι θερμότερο) ανάλογα με τις συνθήκες τη θερμική ακτινοβολία Καλός εκπομπός = καλός απορροφητής
Επιλεκτικές επιφάνειες Υψηλός συντελεστής απορρόφησης στην περιοχή του ορατού Χαμηλός συντελεστής εκπομπής σε μεγάλα μήκη κύματος
Χρήση επιλεκτικών επιφανειών σε παράθυρα
Είδη ηλιακών συλλεκτών Α. Συλλέκτες χωρίς κάλυμμα Ιδιότητες - Πλεονεκτήματα: 1. Δεν απαιτείται επιπρόσθετος εξοπλισμός ( π.χ. μονάδα αποθήκευσης, εναλλάκτες θερμότητας) που επιβαρύνει τον προϋπολογισμό. 2. Χαμηλό κόστος, χρόνος αποπληρωμής 1 5 έτη. 3. Η αισθητική ένταξη των συλλεκτών του συστήματος είναι εξαιρετικά ομαλή. 4. Στα ψυχρά κλίματα παρέχεται νερό σε ιδανική θερμοκρασία για κολύμβηση το καλοκαίρι. Στα θερμά κλίματα η κολυμβητική περίοδος επεκτείνεται από τον Απρίλιο μέχρι τον Οκτώβριο 5. Κύρια εφαρμογή: θέρμανση νερού πίσίνας
Είδη ηλιακών συλλεκτών Β. Επίπεδοι συλλέκτες Ιδιότητες - Πλεονεκτήματα: 1. Υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας (150 200 ο C) 2. Μέσου κόστους, βαρύτερος και πιο εύθραυστος 3. Απορροφητική επιφάνεια: μαύρη μπογιά, ημιεπιλεκτική επιφάνεια και επιλεκτική επιφάνεια 4. Εφαρμογές: Ζεστό νερό χρήσης (ΖΝΧ), Θέρμανση χώρου, Ηλιακός κλιματισμός
Είδη ηλιακών συλλεκτών Γ. Συλλέκτες κενού Ιδιότητες - Πλεονεκτήματα: 1. Αποτελούνται από διπλούς γυάλινους σωλήνες μεταξύ των οποίων υπάρχει κενό αέρος 2. Υψηλό κόστος, αλλά και υψηλή θερμοκρασία λειτουργίας 3. Ιδανικός για ψυχρά κλίματα 4. Απώλειες θερμότητας μόνο λόγω ακτινοβολίας (και όχι λόγω μεταφοράς) 5. Δε συνιστώνται σε κατοικίες, αφού το καλοκαίρι η θερμοκρασία στο εσωτερικό τους ξεπερνάει τους 300 ο C 6. Σχεδόν σταθερή απόδοση σε όλες τις θερμοκρασίες λειτουργίας 7. Εφαρμογές: Ηλιακός κλιματισμός, βιομηχανία
Βελτίωση χαρακτηριστικών συλλέκτη Αύξηση της οπτικής απόδοσης με χρήση κατάλληλου υαλοπίνακα (μείωση ανακλαστικότητας = 4% αύξηση) Μείωση απωλειών θερμικής ακτινοβολίας με χρήση κατάλληλων υλικών ( οι θερμικές απώλειες είναι τα 2/3 των συνολικών απωλειών) ή με χρήση διπλού υαλοπίνακα (μείωση της οπτικής απόδοσης). Χρήση πλαϊνών ανακλαστήρων (απλή και οικονομική λύση). Μπορούν να προκαλέσουν πρόβλημα σκίασης και μη ομοιογενή ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της ημέρας.
Βελτίωση χαρακτηριστικών συλλέκτη Χρήση επιλεκτικών επιφανειών, όπου τα ιδανικά χαρακτηριστικά μιας επιλεκτικής επιφάνειας μπορεί να προσεγγίζουν απορροφητικότητες ~1 για λ<4μm, ενώ ο συντελεστής εκπομπής ~0 για λ>4μm Είδος Επιφάνειας α (λ<4μm) ε (λ>4μm) Οξείδια του χαλκού επί 0,89 0,17 χαλκού Μαύρο νικέλιο 0,89 0,12-0,18 Μαύρο χρώμα σε αλουμίνιο 0,868 0,088
Ηλιακός θερμοσίφωνας ανοικτού κυκλώματος Στους θερμοσίφωνες ανοικτού τύπου, το νερό χρήσης περνάει μέσα από τον συλλέκτη, πράγμα που αφ ενός δημιουργεί πολύ μεγάλο πρόβλημα όταν το νερό περιέχει άλατα και αφ εταίρου θεωρείται ανθυγιεινό..
Ηλιακός θερμοσίφωνας κλειστού κυκλώματος Το νερό χρήσης δεν ρέει, αλλά βρίσκεται αποθηκευμένο στο μπόιλερ, ενώ η μεταφορά ενέργειας απο το συλλέκτη στο μπόιλερ γίνεται με τη βοήθεια του κλειστού κυκλώματος, που περιέχει άλλο νερό, πλήρως διαχωρισμένο από το νερό χρήσης.
Απόσβεση Ηλιακού Θερμοσίφωνα Με την σημερινή τιμή της κιλοβατώρας (kwh) 0,087 ευρώ κατά μέσο όρο και λαμβάνοντας υπόψη ότι ένας ηλεκτρικός θερμοσίφωνας έχει ηλεκτρική αντίσταση 4 KW, η κατανάλωση (σε καθαρή αξία) ανέρχεται στα 0,35 ευρώ ανά ώρα. Αν υπολογίσουμε και τις προσαυξήσεις της ΔΕΗ συν τον ΦΠΑ, τότε το πραγματικό κόστος ανέρχεται στα 0,60 ευρώ ανά ώρα. Για μία τετραμελή οικογένεια απαιτούνται περίπου 600 ώρες κατανάλωσης ηλεκτρικού θερμοσίφωνα τον χρόνο, δηλαδή περίπου 360 ευρώ. Ένας καλός ηλιακός θερμοσίφωνας 120 λίτρων, κοστίζει περίπου 650 ευρώ. Άρα η απόσβεση θα γίνει σε 2 χρόνια περίπου και από εκεί και μετά (για τα υπόλοιπα 15-20 χρόνια) θα προκύπτει μία οικονομία 360 ευρώ το χρόνο.
Αναλογία ηλιακών συλλεκτών ανα 1000 κατοίκους στην Ε.Ε.
Σχέση συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας και θερμοχωρητικότητας