Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.)

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (Α.Π.Ε.) Ενότητα 3: Θερμικά Σπύρος Τσιώλης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

Σκοποί Ενότητας Ο στόχος της 3ης Ενότητας είναι η κατανόηση από τον φοιτητή των βασικών χαρακτηριστικών που διέπουν τα θερμικά ηλιακά συστήματα και να είναι σε θέση κάνει βασικούς υπολογισμούς διαστασιολόγησης. 4

Περιεχόμενα Ενότητας Θερμικά Ηλιακά Συστήματα Ο Ήλιος Ηλιακή Ακτινοβολία Τα Θερμικά Ηλιακά Συστήματα: Ηλιακοί συλλέκτες Δοχεία αποθήκευσης Σωληνώσεις Συστήματα ελέγχου Θερμικά Συστήματα Ηλεκτροπαραγωγή: Παραβολικών κοίλων Πύργου ισχύος Δίσκου/μηχανής - Stirling 5

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 1 Ο Ήλιος: Η βασική πηγή ενέργεια του πλανήτη Ακτινοβολούμενη ισχύς: 65 MW/ m 2 Φθάνει στη γη: 1.353 W/m 2 Το 30% ανακλάται στην ατμόσφαιρα της γης Φθάνει στο έδαφος 1000 W/m 2 Διαφέρει από περιοχή σε περιοχή 6

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 2 Ηλιακή Ακτινοβολία: 7

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 3 8

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 6 Τα Θερμικά Ηλιακά Συστήματα: Ηλιακοί συλλέκτες Δοχεία αποθήκευσης Σωληνώσεις Συστήματα ελέγχου 11

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 7 Ηλιακοί Συλλέκτες: Επίπεδοι [60 ο C έως 70 ο C] Κενού [>90 ο C] 12

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 8 Επίπεδοι Ηλιακοί Συλλέκτες: 13

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 9 Ηλιακοί Συλλέκτες Κενού: 14

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 10 Ηλιακοί Συλλέκτες Απορροφητική Επιφάνεια: Αλουμίνιο με βαφή από χρώμιο: Αλουμίνιο: Πρεσαριστοί σωλήνες χαλκού: Συγκολλημένοι σωλήνες: 15

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 11 Απόδοση Ηλιακών Συλλεκτών: 16

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 14 Συστήματα Θερμικών Ηλιακών: Φυσικής κυκλοφορίας Ανοιχτού βρόχου Κλειστού βρόχου Εξαναγκασμένης κυκλοφορίας (κεντρικά) 19

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 15 Σύστημα Φυσικής Κυκλοφορίας: 20

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 16 Σύστημα Φυσικής Κυκλοφορίας: 21

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 16 Σύστημα Εξαναγκασμένης Κυκλοφορίας: 22

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 16 Σύστημα Εξαναγκασμένης Κυκλοφορίας: 23

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 16 Σύστημα Combi: 24

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 16 Θερμοδοχεία Αποθήκευσης: 25

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 17 Σχεδίαση: 26

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 18 Εγκατάσταση: 27

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 19 Εγκατάσταση: 28

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 20 Δυνατότητες Αξιοποίησης: Οικιακή χρήση Ψύξη Θέρμανση χώρων (Βιομηχανία) Ηλεκτροπαραγωγή 29

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 21 Οικιακή Χρήση: Ελλάδα, ευνοϊκές συνθήκες 600.000 εγκατεστημένα 50.000 πωλήσεις το έτος 30

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 22 Ψύξη Θέρμανση Χώρων (Βιομηχανία): Στην περίπτωση που για την κάλυψη των αναγκών σε ψύξη επιλεγεί ως λύση ένα θερμικό ηλιακό σύστημα, η συλλεγόμενη θερμότητα τροφοδοτεί ψυκτικές μηχανές κύκλου απορρόφησης, προκειμένου να αυξηθεί η πίεση και η θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου, όταν αυτό βρίσκεται σε αέρια φάση. Τα γνωστά σε όλους ψυγεία τύπου camping λειτουργούν με βάση αυτή την αρχή, η οποία σήμερα εφαρμόζεται και σε μεγαλύτερες έως πολύ μεγάλες μονάδες. 31

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 23 Θερμικά Συστήματα Ηλεκτροπαραγωγή: Παραβολικών κοίλων Πύργου ισχύος Δίσκου/μηχανής - Stirling 32

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 24 Παραβολικά Κοίλα: Παρακολούθηση ηλίου Θερμοκρασία: 400 ο C 33

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 25 Σταθμός Ηλεκτροπαραγωγής με Παραβολικά Κοίλα: 34

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 26 Σταθμός Ηλεκτροπαραγωγής: Σχηματική αναπαράσταση 35

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 27 Ηλιακός Πύργος: 36

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 28 Πύργου Ισχύος: Παρακολούθηση ηλίου Θερμοκρασία: 1500 ο C 37

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 28 Πύργου Ισχύος: 38

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 29 Ηλιακή Καμινάδα (Updraft): Αρχή λειτουργίας 39

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 30 Δίσκου/Μηχανής Stirling: Παρακολούθηση ηλίου (2 άξονες) Θερμοκρασία: 800 ο C έως 1500 ο C Υψηλότερη απόδοση (29,4%) Μεγέθη 5 25 kw 40

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 31 Μηχανή Stirling: 41

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 32 Η Κατάσταση στην Ελλάδα: Εφαρμογές: Οικίες, Ξενοδοχεία Βιομηχανίες Αθλητικά κέντρα κτλ Δεν έχουμε ηλεκτροπαραγωγή 42

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 33 Ηλιακό Χωριό Πεύκη Αττικής 1988: 43

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 34 Στάδιο Ειρήνης και Φιλίας: 44

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 35 Achaia Clauss: 45

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 36 Θέρμανση Πισίνας: 46

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 37 Πιστοποίηση-Πρότυπα Χρηματοδότηση από Τρίτους 47

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 1 Η μέθοδος των καμπυλών-f αναπτύχθηκε αρχικά ως τμήμα της διατριβής του Dr. Sanford Klein : A Design Procedure for Solar Heating Systems (1976) και έχει προκύψει από το συσχετισμό της θερμικής απόδοσης πολλών εκατοντάδων λεπτομερών εξομοιώσεων συστημάτων ηλιακής θέρμανσης χρησιμοποιώντας το λογισμικό T.R.N.S.Y.S. Με τη μέθοδο των καμπυλών-f προσδιορίζεται για κάθε μήνα του έτους η κάλυψη που παρέχεται από συγκεκριμένο ηλιακό σύστημα. 48

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 2 Εφαρμογή της Μεθόδου Καμπυλών f: 49

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 3 Με τη μέθοδο καμπυλών f υπολογίζεται η παράμετρος f που είναι το πηλίκο του μηνιαίου θερμικού φορτίου για θέρμανση ζεστού νερού χρήσης, από την ηλιακή ενέργεια σε σχέση με δυο αδιάστατες παραμέτρους Χ και Υ Η παράμετρος Χ συνδέεται με το πηλίκο των απωλειών του συλλέκτη προς το θερμικό φορτίο και Η παράμετρος Υ συνδέεται με το πηλίκο της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας προς το θερμικό φορτίο. 50

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 4 Οι δύο αδιάστατοι παράμετροι Χ και Υ υπολογίζονται από τις παρακάτω σχέσεις: 51

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 5 Όπου: 52

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 7 54

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 9 56

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 10 Η κάλυψη που παρέχεται από το ηλιακό για τον εκάστοτε Μήνα σύστημα δίνεται από τη σχέση: Ή από το διάγραμμα: 57

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 11 Η μέση ετήσια κάλυψη F υπολογίζεται από τη σχέση: 58

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 12 Οι Διορθωτικοί Συντελεστές: 59

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 13 Οι Διορθωτικοί Συντελεστές: Υπολογίζεται για κάθε Μήνα: T w = Επιθυμητή θερμοκρασία ζεστού νερού (περίπου 45 C ). T m = Θερμοκρασία νερού τροφοδοσίας (δικτύου της πόλης) = Μέση μηνιαία θερμοκρασία περιβάλλοντος. 60

Μελέτη Απόδοσης Θερμικών Ηλιακών Συστημάτων για Παραγωγή Ζεστού Νερού Χρήσης - 16 Παράδειγμα: Άτομα 4 m 2 Κατανάλωση 50 lt/day Κατανάλωση Vd = 200 lt/day c = 4,18 kj/(kg*k) Πυκνότητα ΖΝΧ = 0,998 Θερμ/σία νερού = 45 o C Vstore = 202,5 lt F R* U L = 6 F' R /F R = 0,95 F R *(τα) n = 0,82 (τα)/(τα) n = 0,93 T ref = 100 Panels = 2 1,35 m2 Α c = 2,70 Η Τ = 1 Ν = 1 L = 1 Κ2 = 1,00 Κ3 = 1,00 Κ4 = 1,00 Μήνας Κάλυψη φορτίου f(χ,υ) 1 0,46 2 0,54 3 0,63 4 0,76 5 0,89 6 1,01 7 1,07 8 1,10 9 1,01 10 0,83 11 0,62 12 0,46 0,78 Μέση 63

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 38 f-chart Μέθοδος καμπυλών υπολογισμού θερμικού Ηλιακού συστήματος 64

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 39 Μέθοδος F-Chart - Δεδομένα: Επιφάνεια οικίας 173 m 2 Κατανάλωση 2.5 lt/m 2 /day Κατανάλωση Vd = 432.5 lt/day c = 4.18 Πυκνότητα ΖΝΧ = 0.998 Θερμ/σία νερού = 50 o C Vstore = 250 lt F R* U L = 4.7 F' R /F R = 0.94 F R *(τα) n = 0.73 (τα)/(τα) n = 0.93 T ref = 100 Panels = 5 1.35 m2 Α c = 6.75 Η Τ = 1 Ν = 1 L = 1 65

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα - 40 Μέθοδος F-Chart - Αποτελέσματα: Χ Υ Κάλυψη φορτίου f(χ,υ) Κάλυψη φορτίου f(χ,υ) από Ηλιακά [kwh/mo] Ποσοστό αξιοποίησης ηλιακής ακτινοβολίας [%] 3.31 0.75 0.44 267 38 3.27 0.85 0.52 283 39 3.28 0.98 0.60 356 39 3.36 1.21 0.73 390 38 3.51 1.47 0.84 424 37 3.75 1.80 0.96 412 34 4.06 2.07 1.04 408 32 4.23 2.24 1.07 393 31 4.19 1.85 0.96 373 33 3.97 1.38 0.78 351 36 3.65 0.99 0.58 291 38 3.44 0.74 0.44 248 37 0.748 4194 66

Τέλος Ενότητας