Καινοτόμα ηλιακά συστήματα με συγκεντρωτικούς ηλιακούς συλλέκτες

Abstract

The subject of this Doctoral Research is the linear Fresnel solar collectors. This type of concentrating solar collectors utilise tracking reflective surfaces to concentrate the solar radiation in an elevated linear receiver. Inside the receiver, a thermal fluid circulates and heat is produced in medium temperature level. Common applications of this type of solar collector are heat production for industrial processes, electricity production, cooling and desalination. Currently, the technology is in the first development stage having potential for further improvement. This Doctoral Research aims at the in-depth understanding of the operation of these collectors, the development of reliable tools for the calculation of their efficiency, as well as the development of innovative technical solutions. The scientific approach includes optical and thermal analysis, both at theoretical and at experimental level. The optical performance of the linear Fresnel collectors is investigated. To this end, mathematical and ray-tracing models are developed. The results of both models are compared with each other and with published data. The critical factors that affect the optical performance, such as the incidence angle, the optical errors and the curvature of the primary reflectors, are discussed in details and useful results are extracted. The analysis of the thermal performance of three types of absorbers then follows; single tube absorber, absorber with glass tube and vacuum, and absorber with insulation and glass cover are studied. Mathematical heat transfer and CFD models are developed and their results are compared with each other and with published data. Additionally, an innovative double pass absorber with glass tube and vacuum is designed and investigated. The critical factors that affect the thermal performance, such as the inlet temperature, the mass flow rate and the absorber diameter are discussed in details and useful results are extracted. The experimental part of this Doctorate initiates with the design and the development of a Fresnel prototype in Athens, in collaboration with a local solar industry. The prototype consists of 56 m2 reflective surface area, with 14 rows of reflectors, a CPC receiver and an absorber with glass envelope and vacuum. An experimental facility with thermal oil, along with the monitoring system is designed and developed. The methodology of the experimental and the data analysis procedure are then determined and sample data is acquired. However, the lack of resources for the continuous system operation deterred the acquisition of sufficient amount of data. The author acquires the necessary experimental data from a test facility in Cyprus, with 184 m2 reflective surface. A portable measurement facility that operates in parallel to the installed monitoring system is developed, with the view to enhance the credibility of the measurements. The theoretical approach for the prediction of the energy performance of the solar collector is validated with the experimental data, for long periods of time and under different operational conditions. The comparison proved that the models can sufficiently approach the energy performance of the linear Fresnel solar collectors.

Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι οι συγκεντρωτικοί ηλιακοί συλλέκτες τεχνολογίας Fresnel. Οι ηλιακοί αυτοί συλλέκτες χρησιμοποιούν κινούμενες ανακλαστικές επιφάνειες ώστε να συγκεντρώσουν την ακτινοβολία γραμμικά σε έναν υπερυψωμένο δέκτη, εσωτερικά του οποίου κυκλοφορεί θερμικό μέσο, παράγοντας έτσι θερμότητα σε μέση θερμοκρασία. Οι βασικές εφαρμογές αφορούν παραγωγή θερμότητας για βιομηχανικές διεργασίες, ηλεκτροπαραγωγή, ψύξη και αφαλάτωση. Σήμερα, η τεχνολογία βρίσκεται ακόμα σε στάδιο χαμηλής ωρίμανσης διατηρώντας αρκετά περιθώρια βελτίωσης. Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη βαθύτερη κατανόηση της λειτουργίας των ηλιακών συλλεκτών Fresnel, την ανάπτυξη αξιόπιστων εργαλείων υπολογισμού της απόδοσής τους καθώς και την ανάπτυξη καινοτόμων βελτιωτικών προτάσεων. Η επιστημονική προσέγγιση περιλαμβάνει δραστηριότητες που εστιάζουν στην οπτική και θερμική διερεύνηση του αντικειμένου, τόσο σε θεωρητικό όσο και σε πειραματικό επίπεδο. Διερευνάται η οπτική συμπεριφορά ηλιακών συλλεκτών Fresnel με πρωτεύοντες ανακλαστήρες επίπεδου και παραβολικού σχήματος, και δευτερεύοντα δέκτη επίπεδου, παραβολικού και CPC σχήματος. Αναπτύσσονται μαθηματικά μοντέλα οπτικής ανάλυσης και μοντέλα σε πρόγραμμα ιχνηλάτησης ακτινοβολίας. Τα αποτελέσματα τους συγκρίνονται μεταξύ τους, καθώς και με δημοσιευμένα δεδομένα. Τέλος, αναλύονται διεξοδικά οι κρίσιμοι παράγοντες που επιδρούν στην οπτική απόδοση, όπως η γωνία πρόσπτωσης, τα οπτικά σφάλματα και η καμπυλότητα των ανακλαστήρων. Αντίστοιχα, διερευνάται η θερμική συμπεριφορά γραμμικών δεκτών συγκέντρωσης ακτινοβολίας απλού απορροφητή, απορροφητή με γυάλινο περίβλημα και κενό και απορροφητή με μόνωση και γυάλινο κάλυμμα. Αναπτύσσονται μοντέλα μεταφοράς θερμότητας και μοντέλα σε πρόγραμμα υπολογιστικής ρευστοδυναμικής. Τα αποτελέσματα τους συγκρίνονται μεταξύ τους και με δημοσιευμένα στοιχεία, όπου είναι διαθέσιμα. Επιπλέον, σχεδιάζεται και μελετάται καινοτόμος δέκτης διπλής διαδρομής με γυάλινο περίβλημα και κενό. Τέλος, αναλύονται διεξοδικά οι κρίσιμοι παράγοντες που επιδρούν στη θερμική απόδοση, όπως η θερμοκρασία, η παροχή μάζας και η διάμετρος και εξάγονται χρήσιμα συμπεράσματα.Το πειραματικό σκέλος της διατριβής περιλαμβάνει εργασίες σχεδιασμού και ανάπτυξης πρωτοτύπου του ηλιακού συλλέκτη Fresnel στην Αθήνα, σε συνεργασία με εγχώρια βιομηχανία. Η ανακλαστική επιφάνεια του πρωτοτύπου ανέρχεται σε 56 m2, αποτελούμενο από 14 σειρές ανακλαστήρων, με δέκτη σχήματος CPC και απορροφητή με γυάλινο περίβλημα και κενό. Σχεδιάζεται και αναπτύσσεται πειραματική διάταξη με θερμικό λάδι, συμπεριλαμβανομένου του μετρητικού εξοπλισμού. Σχεδιάζεται η μεθοδολογία των πειραμάτων και της αξιολόγησης των αποτελεσμάτων και λαμβάνονται δοκιμαστικές μετρήσεις. Η έλλειψη πόρων για την επαναλειτουργία της διάταξης καθιστά ανέφικτη τη διεξαγωγή επαρκούς δείγματος μετρήσεων στη συγκεκριμένη διάταξη. Για την ολοκλήρωση των πειραματικών δραστηριοτήτων ο συγγραφέας της διατριβής μεταβαίνει στην Κύπρο, σε αντίστοιχης τεχνολογίας πειραματική διάταξη με ανακλαστική επιφάνεια 184 m2. Για το σκοπό αυτόν αναπτύσσεται επιπρόσθετος φορητός μετρητικός εξοπλισμός, ο οποίος λειτουργεί παράλληλα με τον εγκατεστημένο εξοπλισμό της διάταξης, ενισχύοντας την αξιοπιστία των μετρήσεων. Η θεωρητική προσέγγιση επικυρώνεται με χρήση μετρήσεων μεγάλων χρονικών διαστημάτων, υπό διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Η σύγκλιση των αποτελεσμάτων κρίνεται καλή και κατά συνέπεια η ενεργειακή απόδοση των ηλιακών συλλεκτών Fresnel προσεγγίζεται με ικανοποιητική ακρίβεια.