ΙΗΜΕΡΙ Α ΑΝΑΝΕΩΣΙΜΕΣ ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ. Η ΘΕΣΗ ΤΟΥΣ ΣΤΟ ΝΕΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΤΟΠΙΟ ΤΗΣ ΧΩΡΑΣ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΠΕΡΙΟΧΗ ΤΗΣ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ Λάρισα, 29/11-2/12/2007 Η ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΠΟ ΟΣΗ ΤΩΝ ΗΛΙΟΤΡΟΠΙΚΩΝ ΠΑΝΕΛ Άγγελος Τζαχάνης*, Νικόλαος Νίνος *ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ, Τ.Ε.Ι. ΛΑΡΙΣΑΣ
Εισαγωγικά στοιχεία Η ηλιοτροπική κίνηση παρουσιάζει τα τελευταία χρόνια αυξανόµενο ενδιαφέρον σχετικά µε την αύξηση της απόδοσης ηλιακών συλλεκτών και φωτοβολταïκών πάνελ. Ένα τέτοιο αυτόµατο σύστηµα παρακολούθησης της ηλιακής τροχιάς, είναι µια σύνθετη κατασκευή, αρκετά ακριβή σε προµήθεια και συντήρηση, ενώ απαιτεί λειτουργική ακρίβεια και αξιοπιστία. Για τους λόγους αυτούς, η αξιολόγηση της αναµενόµενης απόδοσης σε σύγκριση µε τους σταθερούς δέκτες, θεωρείται αρκετά σηµαντική εν όψει της λήψεως τεχνικών ή και επενδυτικών αποφάσεων. Στην βιβλιογραφία υπάρχει µάλλον έλλειψη των απαραίτητων στοιχείων για µια ολοκληρωµένη συγκριτική αξιολόγηση ηλιοτροπικών και σταθερών συστηµάτων.
Αντίθετα, στην αγορά σήµερα προσφέρονται αρκετά ηλιοτροπικά φωτοβολταïκά πάνελ είτε µε έµβολα είτε µε βηµατικούς κινητήρες, ελεγχόµενα από Η/Υ. Κατασκευαστικές λύσεις
Το ερώτηµα είναι λοιπόν αν η αύξηση της απόδοσης ενός διαξονικού ηλιοτροπικού πάνελ σε περιοχή µε γνωστό ηλιακό δυναµικό, όπως π.χ. η Λάρισα, δικαιολογεί µια τέτοια επένδυση. Στην εργασία αυτή παρουσιάζουµε µια µέθοδο που οδηγεί σε πρόβλεψη και συγκριτική αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης µεταξύ σταθερού και ηλιοτροπικού δέκτη. Η µέθοδος αναπτύχθηκε έχοντας ως βάση το ηλιακό µοντέλο καθαρού ουρανού της ASHRAE,, µε εφαρµογή της τεχνικής αριθµητικής προσοµοίωσης.
Ο Αλγόριθµος Προσοµοίωσης Πρόγραµµα σταθερού δέκτη: Υπολογίζεται και σχεδιάζεται το προφίλ της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας σταθερού δέκτη σε περίοδο 24ώρου µε εισαγωγή παραµέτρων (π.χ., ηµέρα, θέση, κλίση, προσανατολισµός). Οι χρονικά µεταβαλλόµενες θετικές τιµές των γωνιών ηλιακού ύψους (β sun ) και του αντίστοιχου αζιµουθίου (γ sun ), υπολογίζονται και αποθηκεύονται σε αρχείο δεδοµένων (data file). Οι τιµές αυτές χρησιµοποιούνται κατόπιν ως αρχείο εισαγωγής για τον ηλιοτροπικό δέκτη. Πρόγραµµα ηλιοτροπικού δέκτη: Οι τιµές του αρχείου εισαγωγής αντλούνται σε περίοδο 24ωρου βρόγχου και εισάγονται τώρα ως γωνίες κλίσης και προσανατολισµού του δέκτη. Πρακτικά ισχύει (β sun = κλίση δέκτη) και (γ sun = προσανατολισµός δέκτη).. Έτσι υπολογίζεται και σχεδιάζεται κατόπιν το προφίλ ακτινοβολίας του περιστρεφόµενου πάνελ.
Για κάθε δέκτη ολοκληρώνεται κατόπιν η επιφάνεια της καµπύλης µεταβολής και προκύπτει η ηµερήσια ενέργεια που µπορεί να δεχτεί το πάνελ σε [Wh/m² day]. Αντιπροσωπευτική θεωρείται η 21η ηµέρα του µήνα. Η ηµερήσια ενέργεια διαιρείται τέλος µε τις ώρες ηλιοφάνειας. Έτσι αντιπροσωπευτικά για κάθε µήνα υπολογίζουµε την µέση τιµή ακτινοβολίας της 21ης ηµέρας (Im) σε [W/m²]. Τελικά, η µέση ακτινοβολία (Im) σε [W/m²] πολλαπλασιάζεται µε πραγµατικές ώρες ηλιοφάνειας που έχουν καταγραφεί για κάθε µήνα στην περιοχή και καταλήγουµε στα µεγέθη ενέργειας που δέχονται τα πάνελ σε [Wh/m²month]. month].
Μεθοδολογικά εργαλεία Ανυσµατική ανάλυση της ηλιακής γεωµετρίας και ακτινοβολίας
Η µαθηµατική διατύπωση του µοντέλου καθαρού ουρανού της ASHRAE. I DN = Ae-B/ sin β [W/m 2 ], άµεση κατακόρυφη συνιστώσα (λ=0) β = Solar altitude A= Apparent direct normal solar flux at the other edge of the earth s atmosphere B= Apparent atmospheric extinction coefficient I s =C I DN F s [W/m 2 ], διάχυτη συνιστώσα C= the diffuse radiation factor F s = the angle factor between the surface and the sky I g = ρ g Ι C (C + sinβ) F G [W/m 2 ], ανακλώµενη από το έδαφος ρ g = Solar reflectance of the ground F G = 0.5(1-sinφ), angle factor between the surface and the ground φ = Surface tilt I o = I d + I s + I g, ολική όπου I d = I DN cos λ, άµεση προσπίπτουσα λ=solar incidence
Αποτελέσµατα αλγορίθµου (Προφίλ ηµερήσιας ακτινοβολίας (W/m 2 ), σταθερού και περιστρεφόµενου πάνελ) 1200 1000 S ola r Ra dia tion Io in W/m^2 800 600 400 200 0 Tim e in Hours 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Io 45 S ta t. Io Tra ck.
Αποτελέσµατα αλγορίθµου (συνέχεια) 1200 Solar Radiation (Io) in W/m^2 1000 800 600 Ηµερήσια µεταβολή ηλιακής ακτινοβολίας σε σταθερό και ηλιοτροπικό πάνελ. (Λάρισα,21η 21η Μαρτίου). 400 200 0 Time in Hours 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Io 45 Stat. Io Tra ck. 1200 1000 800 Solar Radiation (Io) in W/m^2 600 Ηµερήσια µεταβολή ηλιακής ακτινοβολίας σε σταθερό και ηλιοτροπικό πάνελ. (Λάρισα,21η εκεµβρίου). 400 200 Time in Hours 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Io 45 Stat. Io Tra ck.
Αποτελέσµατα αλγορίθµου (συνέχεια) 1200 1000 S ola r Ra dia tion Io in W/m^2 800 600 400 200 0 Time in Hours 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 Io 45 Stat. Io Tra ck. Ηµερήσια µεταβολή ηλιακής ακτινοβολίας σε σταθερό και ηλιοτροπικό πάνελ. (Λάρισα,21η Ιουνίου). Solar Radiation Io in W/m^2 1200,00 1000,00 800,00 600,00 400,00 Ηµερήσια µεταβολή ηλιακής ακτινοβολίας σε σταθερό και ηλιοτροπικό πάνελ. (Λάρισα,21η 21η Σεπτεµβρίου). 200,00 0,00 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Time in Hours Io 45 Stat Io Track
Η ηµερήσια ένταση ακτινοβολίας από [W/m²] µετατρέπεται κατόπιν σε ηµερήσια απολαβή ενέργειας [Wh/m² day], µε ολοκλήρωση της καµπύλης µεταβολής. 12000 Predicted Solar Energy [Wh/m^2day] incident on a Tracking and on a Stationary System 11000 Daily Energy Gain [Wh/m 2 day] Stationary Receiver (45 o Tilt) Tracking Receiver Difference [%] 10000 January February 6038,50 7002,17 7439,57 8807,33 23,20 25,78 Solar Energy 9000 8000 March April May June 7509,26 7431,56 7144,28 6946,17 9958,62 10899,55 11258,34 11347,18 32,61 46,66 57,58 63,35 7000 July 7051,09 11018,14 56,26 August 7231,92 10430,81 47,23 6000 September 7191,68 9417,75 30,22 Month October 6625,40 8216,00 24,0 5000 November 5890,35 7236,31 22,85 4000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 December 5506,05 6767,47 22,90 Tracking System Stationary System (45 ) Ηµερήσια απολαβή ενέργειας σταθερού και ηλιοτροπικού δέκτη (21η ηµέρα κάθε µήνα)
Me an Daily S olar Inte ns ity Im (W/m^2), incide nt on a s tationary and on a tracking S ys te m 900 800 Radiation Intensity 700 600 500 Η µέση ένταση ακτινοβολίας Im (W/m 2 ),, που δέχεται την 21η ηµέρα κάθε µήνα ο σταθερός και ο ηλιοτροπικός δέκτης. 400 Im(stat) Im(track) Month 300 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ώρες ηλιοφάνειας Λάρισας (δεκαετία 1991-2000)
Πρόβλεψη της ετήσιας απολαβής ενέργειας σταθερού και ηλιοτροπικού πάνελ δύο αξόνων, µε χρήση µέσων τιµών ηλιοφάνειας δεκαετίας της Λάρισας. 300 Solar Energy in kwh/m^2mo 250 200 150 100 50 Mo nth 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Im(s tat)*hm Im(track)*Hm Ετήσια ενεργειακή απολαβή σταθερού και ηλιοτροπικού πάνελ σε kwh/m 2 mo. Απολαβή ενέργειας [kwh/m 2 mo] και διαφορά [%] µεταξύ σταθερού και ηλιοτροπικού δέκτη. Energy Gain [kwh/m 2 mo] January February March April May June July August September October November December Stationary Receiver 75,805 79,945 89,578 129,822 143,978 175,787 196,269 188,267 140,747 98,110 59,048 56,259 Tracking Receiver 95,077 101,863 119,002 172,095 191,195 231,773 257,872 245,189 184,498 122,122 74,023 69,957 Difference [%] 25,42 27,42 32,85 32,56 32,79 31,85 31,39 30,23 31,08 24,47 25,36 24,35
Συµπεράσµατα ιερευνήθηκε θεωρητικά, µε αριθµητική προσοµοίωση, η ροή ηλιακής ενέργειας στην περιοχή της Λάρισας και αξιολογήθηκαν συγκριτικά ο ηλιοτροπικός, απέναντι στο δέκτη σταθερής θέσης και κλίσης (S,( S,45 ). ιαπιστώθηκε ότι, σε ηµερήσια βάση, η διαφορά στο ενεργειακό όφελος µπορεί να αγγίξει ένα εντυπωσιακό µέγιστο 63,65% την 21η Ιουνίου και ένα ελάχιστο 22,9% το εκέµβριο. Τα τελικά µηνιαία και ετήσια µεγέθη ενεργειακής απολαβής προσδιορίσθηκαν κατά περίπτωση µετά από συσχετισµό µέσων τιµών ακτινοβολίας και ηλιοφάνειας της Λάρισας. Η µέγιστη διαφορά ενεργειακής απολαβής στη Λάρισα προκύπτει τότε σε 32,8% τον Μάρτιο και η ελάχιστη σε 24,3% τον εκέµβριο. Σε ετήσια βάση η διαφορά προκύπτει ότι θα ανέρχεται στο 29%.
Συµπεράσµατα (συνέχεια) Πιστεύουµε ότι η διαδικασία προσοµοίωσης που αναπτύχθηκε αποτελεί ένα αξιόπιστο εργαλείο πρόβλεψης και αξιολόγησης ηλιακών ενεργειακών παραµέτρων. Θα χαρούµε να συγκρίνουµε τα αποτελέσµατά µας µε αντίστοιχα που προέκυψαν από µετρήσεις. Για το σκοπό αυτό παρακαλούµε επικοινωνήστε µαζί µας στο e-mail: tzach@teilar teilar.gr Ευχαριστώ για την προσοχή σας!