ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ήπιες Μορφές Ενέργειας Ενότητα 7: Ηλιακοί Συλλέκτες Καββαδίας Κ.Α. Τμήμα Μηχανολογίας
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 την 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
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Θερμικά ηλιακά συστήματα Παθητικά θερμικά ηλιακά συστήματα Ενεργητικά θερμικά ηλιακά συστήματα Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης Ενεργειακή απόδοση επίπεδου ηλιακού συλλέκτη Μέθοδος καμπυλών f Λοιπά ηλιακά θερμικά συστήματα 4
ΘΕΡΜΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - 1 Ένα θερμικό ηλιακό σύστημα είναι μία διάταξη μετατροπής της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα. Η έννοια είναι ευρεία και περιλαμβάνει πολλές διατάξεις οι οποίες δεν έχουν μεταξύ τους ιδιαίτερα κοινά σημεία. Παραδείγματα ηλιακών θερμικών συστημάτων είναι ο ηλιακός θερμοσίφωνας, το ηλιακό μαγειρείο, το σύστημα αφαλάτωσης με ηλιακή ενέργεια κ.λπ. 5
ΘΕΡΜΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - 2 Ένα θερμικό ηλιακό σύστημα αποτελείται από: το σύστημα συλλογής της θερμότητας (ηλιακοί συλλέκτες) το σύστημα αποθήκευσης θερμότητας το φορτίο - κατανάλωση το βοηθητικό σύστημα παραγωγής θερμότητας Ο όρος φορτίο αναφέρεται στη διεργασία εκείνη η οποία χρησιμοποιεί τη θερμότητα. Για παράδειγμα, για ημερήσια χρήση 200 lt ζεστού νερού την ημέρα, απαιτούμενο ημερήσιο φορτίο του ηλιακού θερμοσίφωνα είναι το ποσό θερμότητας το οποίο απαιτείται για να υψώσει τη θερμοκρασία 200 lt νερού στην τελική θερμοκρασία χρήσης π.χ. 60 C. 6
ΘΕΡΜΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - 3 Τα θερμικά ηλιακά συστήματα χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, σύμφωνα με το μηχανισμό που χρησιμοποιούν για τη μετάδοση της παραγόμενης θερμότητας. Έτσι τα θερμικά ηλιακά συστήματα χωρίζονται σε παθητικά και ενεργητικά. 7
ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - 1 Τα παθητικά συστήματα δε χρησιμοποιούν μηχανικές διατάξεις (π.χ. κυκλοφορητές) για τη λειτουργία τους. Οι συλλεκτικές επιφάνειες βρίσκονται κοντά στο σημείο στο οποίο απαιτείται η θερμότητα. Η μετάδοση θερμότητας γίνεται με φυσικούς μηχανισμούς όπως αγωγή, ακτινοβολία και φυσική μεταφορά. Είναι τα απλούστερα που υπάρχουν εξαιτίας της απουσίας μηχανικών τμημάτων. Απαιτούν προσεκτικό σχεδιασμό γιατί η ροή θερμότητας στο σύστημα δεν ελέγχεται εύκολα. Όταν το σύστημα κατασκευαστεί, δεν υπάρχουν μεγάλες δυνατότητες τροποποίησής του, επομένως πρέπει να εξασφαλιστεί ότι θα λειτουργεί κάτω από τις επιθυμητές συνθήκες. 8
ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - 2 Η ενέργεια χρησιμοποιείται ή αποθηκεύεται εκτός των ηλιακών συλλεκτών. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται αντλίες ή κυκλοφορητές για τη μεταφορά της θερμότητας από τους συλλέκτες στο σύστημα αποθήκευσης και στη συνέχεια στην κατανάλωση. Στα ενεργητικά συστήματα, αν και πολυπλοκότερα, η παραγόμενη θερμότητα ελέγχεται ευκολότερα. 9
ΕΝΕΡΓΗΤΙΚΑ ΘΕΡΜΙΚΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ένα ενεργητικό ηλιακό σύστημα αποτελείται από το πεδίο συλλεκτών, την αποθήκη θερμότητας, τις αντλίες και τα συστήματα ελέγχου και τη βοηθητική πηγή θερμότητας. 10
ΕΠΙΠΕΔΟΣ ΗΛΙΑΚΟΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗΣ - 1 Ο επίπεδος ηλιακός συλλέκτης είναι ένα σύστημα συλλογής της ηλιακής ενέργειας το οποίο χρησιμοποιείται στις χαμηλές και τις μέσες, κυρίως, θερμοκρασίες. Δεν χρησιμοποιεί διατάξεις συγκέντρωσης της ηλιακής ενέργειας, επομένως αξιοποιεί την ολική ηλιακή ακτινοβολία. Η λειτουργία του βασίζεται στην αρχή του θερμοκηπίου. 11
ΕΠΙΠΕΔΟΣ ΗΛΙΑΚΟΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗΣ - 2 Τα βασικά τμήματα ενός επιπέδου ηλιακού συλλέκτη είναι: Ο απορροφητήρας, ο οποίος περιλαμβάνει την απορροφητική επιφάνεια και τους σωλήνες μέσα στους οποίους ρέει το θερμοαπαγωγό ρευστό. Η μόνωση του απορροφητήρα. Το διαφανές στην ορατή ακτινοβολία κάλυμμα. Το πλαίσιο του συλλέκτη. Αγωγοί νερού Απορροφητήρας Διαφανές κάλυμμα (τζάμι) Μόνωση 12
ΑΡΧΗ ΤΟΥ ΘΕΡΜΟΣΙΦΩΝΟΥ Η πυκνότητα του νερού μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Τοποθετώντας το δοχείο αποθήκευσης σε υψηλότερη θέση από το συλλέκτη επιτυγχάνεται φυσική κυκλοφορία του νερού. Σε διαφορετική περίπτωση (π.χ. συστήματα θέρμανσης πισίνας) απαιτείται η χρήση κυκλοφορητή. 13
ΕΠΙΠΕΔΟΣ ΗΛΙΑΚΟΣ ΣΥΛΛΕΚΤΗΣ Για τη μελέτη του επίπεδου ηλιακού συλλέκτη σε ότι αφορά τη θερμική συμπεριφορά δεχόμαστε τις εξής παραδοχές: Θεωρούμε ότι ο επίπεδος ηλιακός συλλέκτης λειτουργεί σε μόνιμη κατάσταση. Δεν υπάρχει θερμοβαθμίδα κατά μήκος της διεύθυνσης ροής του θερμοαπαγωγού ρευστού, δηλαδή η επιφάνεια του συλλέκτη είναι σημαντικά μεγαλύτερη από το πάχος του. Αγνοούμε την επίδραση των ορίων του συλλέκτη. Θεωρούμε ότι η θερμοκρασία του ρευστού είναι η ίδια με τη θερμοκρασία του συλλέκτη. 14
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ Q = A c G ΣΥΛΛΕΚΤΗ - 1 T F ( τ α) Α F U ( T T ) c L i a Q: ωφέλιμη συλλεγόμενη θερμική ισχύς (W) Α c : επιφάνεια συλλέκτη (m 2 ) G T : ένταση της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του συλλέκτη (W/m 2 ) F : συντελεστής θερμικής απολαβής του συλλέκτη τ: διαπερατότητα του διαφανούς καλύμματος στην ηλιακή ακτινοβολία α: απορροφητικότητα του απορροφητήρα για την ηλιακή ακτινοβολία U L : συντελεστής ενεργειακών απωλειών του συλλέκτη (W/m 2 / o C)) Τ i : θερμοκρασία του ρευστού στην είσοδο του συλλέκτη ( o C) Τ a : θερμοκρασία περιβάλλοντος ( o C) 15
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ Q = A c G ΣΥΛΛΕΚΤΗ - 2 T F ( τ α) Α F U ( T T ) Το γινόμενο του συντελεστή απωλειών του συλλέκτη U L " και της θερμοκρασιακής διαφοράς T i -T a " αντιπροσωπεύει τις απώλειες του συλλέκτη εφόσον η θερμοκρασία του απορροφητήρα είναι ομοιόμορφη και ίση με τη θερμοκρασία εισαγωγής του ρευστού στο συλλέκτη. Η θερμοκρασία όμως του απορροφητήρα είναι μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία εισόδου όταν συλλέγεται χρήσιμη ενέργεια. Αυτό είναι απαραίτητο για να μεταδίδεται η θερμότητα από τον απορροφητήρα στο ρευστό. Συνεπώς, οι απώλειες του συλλέκτη είναι μεγαλύτερες από το γινόμενο U L (T i -T a )". Η διαφορά λαμβάνεται υπόψη με το συντελεστή θερμικής απολαβής "F ". c L i a 16
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ - 3 Οι τιμές των γινομένων "F (τα)" και "F U L " προκύπτουν από δοκιμές του συγκεκριμένου συλλέκτη και είναι διαθέσιμες είτε από τον κατασκευαστή είτε από το Κέντρο Δοκιμών Ηλιακών Συλλεκτών του Δημόκριτου. Τύπο ς Περιγραφή F (τ α ) n F U L (W/m 2 / o C) Ι Μαύρο χρώμα, 1 τζάμι 0,82 7,50 II Μαύρο χρώμα, 2 τζάμια ή επιλεκτική επιφάνεια με 1 τζάμι 0,75 5,00 III Σωλήνες κενού 0,45 1,25 IV Πλαστικός συλλέκτης χωρίς τζάμι και μόνωση (ταχύτητα ανέμου 2.2m/s) 0,86 21,5 17
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ - 4 Ο κοινός συλλέκτης τύπου Ι έχει μαύρο απορροφητήρα και ένα τζάμι και χρησιμοποιείται σε εφαρμογές που απαιτείται χαμηλή θερμοκρασία (40-60 o C), όπως στην περίπτωση θέρμανσης νερού χρήσης. Ο συλλέκτης τύπου II έχει μαύρο απορροφητήρα και 2 τζάμια και χρησιμοποιείται για θέρμανση νερού σε υψηλότερες θερμοκρασίες (μέχρι 80 o C) και για θέρμανση χώρων. 18
ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ - 56 Ο συλλέκτης τύπου III με σωλήνες κενού είναι κατάλληλος για θερμοκρασίες άνω των 80 o C, όπως στην περίπτωση λειτουργίας ψυκτικών μηχανών απορρόφησης. Ο συλλέκτης τύπου IV είναι ένας πλαστικός συλλέκτης χωρίς διαφανές κάλυμμα και χωρίς μόνωση στην πίσω πλευρά και στα πλάγια και χρησιμοποιείται για εφαρμογές χαμηλών θερμοκρασιών (μέχρι 30 o C) όπως στην περίπτωση θέρμανσης κολυμβητικών δεξαμενών. Η απόδοση αυτών των συλλεκτών επηρεάζεται σημαντικά από την ταχύτητα του ανέμου (αυξάνονται οι απώλειες) αφού δεν υπάρχει το προστατευτικό διαφανές κάλυμμα. 19
ΣΤΙΓΜΙΑΙΑ ΑΠΟΔΟΣΗ ΕΠΙΠΕΔΟΥ ΗΛΙΑΚΟΥ ΣΥΛΛΕΚΤΗ Στιγμιαία Απόδοση 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Q η = = F α A G c T ( τ ) n F U G L ( T T ) Τυπική Απόδοση Ηλιακών Συλλεκτών κενού χωρίς τζάμι μονό τζάμι διπλό τζάμι 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1 0,11 0,12 0,13 0,14 T i a ζ 20
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 1 Είναι μια προσεγγιστική μέθοδος υπολογισμού της μακροχρόνιας απόδοσης ενός ηλιακού συστήματος Οι μαθηματικές σχέσεις οι οποίες έχουν αναπτυχθεί βασιζόμενες σε ένα μεγάλο αριθμό προσομοιώσεων που έχουν γίνει σε παρόμοια συστήματα. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της ετήσιας θερμικής απόδοσης ενεργητικών συστημάτων θέρμανσης για κτήρια. Η μέθοδος υπολογίζει το ποσοστό του ολικού θερμικού φορτίου που θα αποδοθεί από την ηλιακή ενέργεια για ένα συγκεκριμένο σύστημα θέρμανσης. 21
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 2 Οι παράμετροι που χρησιμοποιεί είναι: η επιφάνεια των συλλεκτών ο τύπος του συλλέκτη η δυνατότητα αποθήκευσης ο ρυθμός ροής μάζας το μέγεθος των εναλλακτών που χρησιμοποιούνται στην πλευρά του συλλέκτη και του φορτίου. 22
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 3 Η τελική σχέση υπολογίζει την παράμετρο f (το πηλίκο του μηνιαίου θερμικού φορτίου για θέρμανση χώρων και ζεστού νερού προς την ηλιακή ενέργεια) σε σχέση με δυο αδιάστατες παραμέτρους. για συστήματα με υγρό θερμοαπαγωγό ρευστό: f=1,029y-0,065x-0,245y 2 +0,0018X 2 +0,0215Y 3 0<Χ<18 0<Υ<3 για συστήματα με αέρα ως θερμοαπαγωγό ρευστό: f=1,040y-0,065x-0,159y 2 +0,00187X 2-0,0095Y 3 0<Χ<18 0<Υ<3 23
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 4 24
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 5 Η πρώτη παράμετρος συνδέεται με το πηλίκο των απωλειών του συλλέκτη προς το θερμικό φορτίο: Ac X = L F U L F F ' ( T ) ref Ta t K2 K3 "F /F " είναι ο διορθωτικός συντελεστής συλλέκτη εναλλάκτη, σε περίπτωση που παρεμβάλλεται εναλλάκτης θερμότητας όπως σε κλειστό σύστημα ηλιακού συλλέκτη. Το πηλίκο αυτό παίρνει τιμές από 0 1 και εξαρτάται από τις θερμικές ιδιότητες της επιφάνειας συναλλαγής και τις θερμοκρασίες των δύο ρευμάτων. Συνήθης τιμή της παραμέτρου αυτής είναι 0,8 0,95. Απουσία εναλλάκτη το F' =F. 25
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 6 X = Ac L F U L F F ' ( T ) ref Ta t K2 K3 "Τ ref " είναι η θερμοκρασία αναφοράς και λαμβάνεται ίση με 100 ο C. "Τ α " είναι η μέση μηνιαία ημερήσια θερμοκρασία για τον εκάστοτε μήνα σε ( ο C). "Δt" είναι η χρονική περίοδος ενός μήνα εκφρασμένη σε sec. Δηλαδή Δt=24h 3600 N, με "N" το πλήθος των ημερών του μήνα. 26
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 7 X = Ac L F U L F F ' ( T ) ref Ta t K2 K3 "L" είναι το μέσο μηνιαίο θερμικό φορτίο για τη θέρμανση χώρων και την παροχή ζεστού νερού σε (Joule) L = L w + L p όπου "L p " είναι το μηνιαίο φορτίο για θέρμανση χώρου "L w " το απαιτούμενο φορτίο για την παροχή ζεστού νερού 27
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 8 "L w " το απαιτούμενο φορτίο για την παροχή ζεστού νερού L w = N V w ρ C p (θ w -θ m ) "V w " είναι η μέση ημερήσια κατανάλωση ζεστού νερού σε (lt/ημέρα) "ρ" είναι η πυκνότητα του νερού σε kg/lt που εκτιμάται από τη μέση θερμοκρασία του μήνα "C p " είναι η ειδική θερμοχωρητικότητα του νερού (4179 Joule/kg o C) "θ w " είναι η επιθυμητή θερμοκρασία του ζεστού νερού "θ m " είναι η μέση θερμοκρασία προσαγωγής του νερού από το δίκτυο (κρύο νερό). 28
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 9 Ac X = L F U L F F ' ( T T ) t K2 K3 "K 2 " είναι ο διορθωτικός συντελεστής χωρητικότητας της δεξαμενής. Η μέθοδος αυτή έχει αναπτυχθεί για ανηγμένη (στη συλλεκτική επιφάνεια) χωρητικότητα δεξαμενής 75lt/m 2 συλλεκτικής επιφάνειας, οπότε και "Κ 2 =1". Σε περίπτωση που δεν ισχύει η αναλογία αυτή προτείνεται διόρθωση μέσω του συντελεστή "Κ 2 ", ο οποίος υπολογίζεται από την εμπειρική εξίσωση: ref K 2 = (75/Μ) 0.25 a όπου "M" ο ανηγμένος όγκος της δεξαμενής ανά τετραγωνικό μέτρο συλλεκτικής επιφάνειας (lt/m 2 ) 29
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 10 X = Ac L F U L F F ' ( T T ) t K2 K3 ref a "K 3 " είναι ο διορθωτικός συντελεστής ζεστού νερού. Η αρχική μέθοδος έχει αναπτυχθεί θεωρώντας ότι το φορτίο για τη θέρμανση νερού χρήσης αποτελεί μικρό ποσοστό σε σχέση με το θερμικό φορτίο θέρμανσης χώρου, δηλαδή L w /L p <<1. Στην περίπτωση αυτή "K 3 =1". Εάν οι υπολογισμοί αφορούν μόνο τη θέρμανση νερού χρήσης τότε ο συντελεστής διόρθωσης "K 3 " υπολογίζεται από την εξίσωση: K 3 = (11,6 + 1,18 θ w + 3,86 θ m 2,32 θ a )/(100-θ a ) "θ w " η επιθυμητή θερμοκρασία του ζεστού νερού χρήσης, "θ m " η μέση θερμοκρασία προσαγωγής του νερού από το δίκτυο, "θ a " η μέση μηνιαία θερμοκρασία του αέρα περιβάλλοντος. 30
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 11 Η δεύτερη παράμετρος συνδέεται με το πηλίκο της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας προς το θερμικό φορτίο: Y = Ac L F ( τα ) n F F ' ( τ α ) HT K4 ( τα ) n H T είναι η μέση μηναία ακτινοβολία που προσπίπτει στην επιφάνεια ενός συλλέκτη, σε J/m 2 mo "(τ' α)/(τ α) n " είναι ο διορθωτικός συντελεστής που λαμβάνει υπόψιν του την κλίση τοποθέτησης του συλλέκτη. 31
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 12 Y = Ac L F ( τα ) n F F ' ( τα ) HT K4 ( τα ) n "K 4 " είναι ο διορθωτικός συντελεστής για τον εναλλάκτη θερμότητας φορτίουεργαζόμενου μέσου συλλέκτη. Για παραγωγή ζεστού νερού ο συντελεστής "K 4 " παίρνει τιμή ίση με τη μονάδα (K 4 =1), επειδή κατά κανόνα δεν παρεμβάλλεται εναλλάκτης φορτίου. 32
ΜΕΘΟΔΟΣ ΚΑΜΠΥΛΩΝ f - 13 Tο συνολικό ετήσιο φορτίο που καλύπτει ο συλλέκτης, υπολογίζεται από το άθροισμα των επιμέρους μηνιαίων φορτίων: Q ωφ = Σ(f i L i ) O μέσος ετήσιος συντελεστής κάλυψης της εγκατάστασης "F", δίνεται από το πηλίκο του "Q ωφ " προς το συνολικό ετήσιο θερμικό φορτίο της εγκατάστασης "L", όπου "L=ΣL i ": F = ( f L ) i L i i 33
ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ Ηλιακός δίσκος Κάτοπτρα Fresnel Παραβολικά κοίλα κάτοπτρα 34
ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣ - 1 Παραβολικά κάτοπτρα συγκεντρώνουν την ηλιακή ακτινοβολία στον απορροφητήρα. Αναπτύσσουν υψηλές θερμοκρασίες. Συνήθως χρησιμοποιούν δευτερεύουσα διαδικασία για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Απαιτείται σύστημα παρακολούθησης του ήλιου, 1D για γραμμικής εστίας, 2D για κεντρικής εστίας. 35
ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΤΙΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣ - 2 Ο συγκεντρωτικός συλλέκτης αποτελείται από τον απορροφητήρα όπου συγκεντρώνεται η ηλιακή ακτινοβολία και τη συλλεκτική επιφάνεια που οδηγεί την άμεση ακτινοβολία στον απορροφητήρα. C = A A a r Κεντρικής εστίας συγκεντρωτικοί συλλέκτες C=45000. Γραμμικής εστίας συγκεντρωτικοί συλλέκτες C=212. 36
ΗΛΙΑΚΟΣ ΠΥΡΓΟΣ - 1 Κάτοπτρα σε ηλιοστάτες που αντανακλούν την ηλιακή ακτινοβολία σε έναν κεντρικό απορροφητήρα. Τηγμένο άλας (υψηλή θερμοχωρητικότητα και θερμική αγωγιμότητα) μεταφέρει την αποθηκευμένη θερμότητα σε ένα boiler όπου παράγεται ατμός θερμοκρασίας πάνω από 500 o C. Ο ατμός περιστρέφει το στρόβιλο ενός ατμοστροβίλου. 37
ΗΛΙΑΚΟΣ ΠΥΡΓΟΣ - 2 38
39
40
Αβαθής τεχνητή λίμνη με αυξημένη προοδευτικά προς το βυθό περιεκτικότητα σε άλας για την αποθήκευση ηλιακής θερμικής ενέργειας. Με σωστή διαβάθμιση της αλατότητας του νερού (αλμυρό στον πυθμένα και καθαρό στην επιφάνεια) και υψηλή καθαρότητα η ηλιακή ακτινοβολία απορροφάται από τον πυθμένα. Η αύξηση της πυκνότητας με το βάθος είναι αρκετή ώστε ακόμα και αν θερμανθούν τα κατώτερα στρώματα, να εξακολουθούν να παραμένουν πυκνότερα από τα υπερκείμενα στρώματα ώστε να μην είναι δυνατή η φυσική κυκλοφορία του νερού και η μεταφορά θερμότητας προς τα πάνω να γίνεται μόνο με αγωγή. Ο πυθμένας της λίμνης μπορεί να φτάσει τους 90 o C. 41
42
ΜΙΚΡΟΘΕΜΑ Βασιζόμενοι στην αναφορά: IEA, 2014, Solar thermal electricity. Technology roadmap παρουσιάστε συνοπτικά τα σύγχρονα ηλιοθερμικά συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, την έως τώρα αξιοποίησή τους και τις προοπτικές ανάπτυξης αυτής της μορφής ενέργειας. 43
ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ-1 Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης με επιφάνεια 6m 2 χρησιμοποιείται για τη συνεχή παραγωγή ζεστού νερού καθώς δέχεται (κάθετα στο επίπεδό του) επί 45min σταθερή ηλιακή ακτινοβολία ίση με 800W/m 2. Ο βαθμός απόδοσης του συλλέκτη εκτιμάται από την καμπύλη του κατασκευαστή ίσος με 40%. Με επιμελή μόνωση των παραπλεύρων επιφανειών του συλλέκτη καθώς και του πλαισίου στήριξης επιτυγχάνονται ολικές απώλειες μεταφοράς και συναγωγής του συλλέκτη προς το περιβάλλον για το χρονικό διάστημα των 45min ίσες με 0.30kWh. Να υπολογισθεί το ποσοστό της προσπίπτουσας στο συλλέκτη ηλιακής ενέργειας, το οποίο χάνεται στη διάρκεια των 45min στο περιβάλλον λόγω απωλειών ακτινοβολίας. Στη συνέχεια να υπολογισθεί ο συνολικά παραγόμενος όγκος (σε lt) ζεστού νερού (55ºC) από το συλλέκτη στα 45min, σε περιβάλλον θερμοκρασίας 20ºC και με θερμοκρασία εισόδου του ρευστού (στο συλλέκτη) ίση με 15ºC. Πυκνότητα ζεστού νερού 970kg/m 3. 44
ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗ-2 Μελετάται η συμπεριφορά εγκατάστασης ηλιακών συλλεκτών επιφάνειας 45m², η οποία βρίσκεται τοποθετημένη σε ξενοδοχείο στην περιοχή των Ιωαννίνων, σε γωνία κλίσης 30 ο ως προς το οριζόντιο και νότιο προσανατολισμό. Η πειραματικά επιβεβαιωμένη καμπύλη βαθμού απόδοσης του συλλέκτη δίνεται στη μορφή η=0.82-7.5ζ, όπου ζ=δθ/g T. Να υπολογιστεί το πλήθος των ατόμων των οποίων οι ανάγκες σε ζεστό νερό θερμοκρασίας 60 ο C καλύπτονται για 24 ώρες με βάση το συνολικά παραγόμενο όγκο ζεστού νερού που παράγει η εγκατάσταση συλλεκτών όταν δέχεται επί 10 ώρες σταθερή ηλιακή ακτινοβολία (μέση κατάσταση λειτουργίας). Διευκρινήσεις-Παραδοχές 1. Η μέση θερμοκρασία του συλλέκτη λαμβάνεται χάριν απλοποιήσεως ως το ημιάθροισμα της θερμοκρασίας εξόδου και εισόδου του νερού από το δίκτυο. 2. Η διαφορά θερμοκρασίας αέρα και νερού του δικτύου να ληφθεί ίση με +2 ο C. 3. Οι υπολογισμοί θα γίνουν για το μήνα Ιούνιο. 45
Τέλος Ενότητας