Ολοκληρωμένο σύστημα ηλιακού αποστακτήρα με ενσωματωμένη δεξαμενή αποθήκευσης θερμότητας

Abstract

The scientific field of this work is desalination of water using the sun as energy source. The whole procedure is done inside the solar still. The object of the work is to investigate the physical phenomena that take place during the process of solar distillation. For this reason a new hybrid solar water distillation system has been designed and developed. The system constitutes of a conventional solar still coupled with hot water storage tank and solar collector field. The development of a new mathematical model for the description of the solar distillation system behavior, validated through a series of systematic experiments in the system, is within the objectives of the work. Moreover, ways and techniques to increase system output are also investigated. Thus, the work is distinguished and evolved in two parallel main parts, being the theoretical and the experimental one. Through the critical review of the respective literature, it is possible to understand the state-of-the-art with respect to the existing solar distillation systems, designs and their types, while at the same time the deficiencies and problems that escorted the different research efforts are shown. Consequently, the several design choices for the proposed solar distillation system are justified. Parallel to this, the critical review of the already existing models for simulation of solar stills reveals the characteristics and their weaknesses and leads to the development of the proposed methodology. On the base of extended experimental data in the conventional solar still, which reveal the phenomenology of its operation, the new "input-output" method for the description of its operation is developed and formulated. The method correlates the solar radiation that falls on the still and its losses with the mass of water produced in a daily base using characteristic coefficients, which are determined either on the base of experimental data either analytically through relations that contain the technical specifications of the still. Validation of the new model, which is performed in three steps, shows its suitability and ability to estimate the long-term output of the still with accuracy not exceeding 3%. Coupling of the conventional solar still with hot water storage tank and solar collector field reveals, through extensive series of experiments, the benefits of the substantial increase of distilled water production -being almost double -, and of its shift towards night periods. Parallel to this, the hybrid character of the system appears, concerning energy source and usage. Analytical investigation of the operation parameters that define the operation of the coupled solar still shows the change of the behavior of the solar still to only condensation unit, so that the storage tank is now the main unit for collecting energy coming from any available source. Parallel to the above, the modified "input-output" model for the case of the coupled solar still with hot water storage tank and solar collector field is also validated in three stages on the base of experimental data. Validation shows that in this case too, the of around 3%. Furthermore, it is theoretically and experimentally proved that the characteristic coefficients of the model can describe not only the operation of the system but also the variation of its operation parameters. The new "input-output" method is proven to be an important tool for simulation of the operation of solar distillation systems, which can be used on one hand during the design phase of the system, and on the other hand for evaluation of the operation of such systems using short-term experimental data. Added to this, coupling of a conventional solar still with hot water storage tank and solar collector field is shown to be one of the best ways to increase distilled water production of the solar still, creating a hybrid system which can exploit optimally any available energy sources nearby, being conventional, geothermal, waste heat, waste hot liquids, solar collectors, etc.

Η επιστημονική περιοχή στη οποία αναπτύσσεται η παρούσα εργασία είναι η αφαλάτωση του νερού χρησιμοποιώντας τον ήλιο ως πηγή ενέργειας. Η όλη διεργασία πραγματοποιείται εντός του ηλιακού αποστακτήρα. Το αντικείμενο της εργασίας είναι η διερεύνηση των φυσικών φαινομένων που διέπουν τη διεργασία της ηλιακής απόσταξης. Για τον σκοπό αυτό σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και μελετήθηκε ένα νέο υβριδικό σύστημα ηλιακής απόσταξης, το οποίο αποτελείται από συμβατικό ηλιακό αποστακτήρα σε σύνδεση με πεδίο συλλεκτών και δεξαμενή αποθήκευσης. Η διαμόρφωση επιπλέον ενός νέου μαθηματικού μοντέλου περιγραφής της συμπεριφοράς του συστήματος ηλιακής απόσταξης, επαληθευμένου από σειρά συστηματικών πειραμάτων στο σύστημα εμπεριέχονται στο αντικείμενο της εργασίας. Διερευνώνται επίσης πειραματικά τρόποι και τεχνικές αύξησης της απολαβής του συστήματος. Η εργασία συνεπώς διακρίνεται και αναπτύσσεται σε δύο παράλληλα κύρια τμήματα, το θεωρητικό και το πειραματικό. Μέσω της κριτικής ανασκόπησης της βιβλιογραφίας γίνεται δυνατή η κατανόηση των έως τώρα πεπραγμένων αναφορικά με τα υπάρχοντα συστήματα ηλιακής απόσταξης, τους σχεδιασμούς και τύπους τους, ενώ ταυτόχρονα αναδεικνύονται οι ελλείψεις και τα προβλήματα που συνοδεύουν τις ερευνητικές προσπάθειες και αιτιολογούνται οι επιμέρους σχεδιαστικές επιλογές στο προτεινόμενο νέο σύστημα ηλιακής απόσταξης. Παράλληλα η κριτική ανασκόπηση των αναπτυχθέντων μοντέλων προσομοίωσης ηλιακών αποστακτήρων αναδεικνύει τα χαρακτηριστικά αλλά και τις αδυναμίες τους και οδηγεί στην ανάπτυξη της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Στην βάση εκτεταμένων πειραματικών δεδομένων στον συμβατικό ηλιακό αποστακτήρα, τα οποία εμφανίζουν την φαινομενολογία της λειτουργίας του, αναπτύσσεται και διαμορφώνεται η νέα μέθοδος "πρόσπτωσης - απολαβής" για την περιγραφή της λειτουργίας του. Η μέθοδος συσχετίζει την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στον αποστακτήρα και τις απώλειές του με την μάζα του παραγόμενου νερού σε ημερήσιο επίπεδο με την χρήση χαρακτηριστικών συντελεστών, οι οποίοι προσδιορίζονται είτε στην βάση πειραματικών δεδομένων είτε αναλυτικά μέσω σχέσεων που περιέχουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά του αποστακτήρα. Η επαλήθευση του νέου μοντέλου, η οποία γίνεται σε τρία στάδια, δείχνει την καταλληλότητα και ικανότητά του να εκτιμήσει την μακροχρόνια απολαβή του αποστακτήρα με ακρίβεια που δεν ξεπερνά το 3%. Η σύνδεση του συμβατικού ηλιακού αποστακτήρα με πεδίο συλλεκτών και δεξαμενή αποθήκευσης αποδεικνύει, μέσω εκτεταμένων σειρών πειραμάτων, τα πλεονεκτήματα της σημαντικής αύξησης της παραγωγής, περίπου διπλασιασμός, και της χρονικής μετατόπισής της προς τις νυχτερινές περιόδους. Παράλληλα εμφανίζεται ο υβριδικός χαρακτήρας της συσκευής τόσο από πλευράς πηγής ενέργειας όσο και από πλευράς χρήσης. Η αναλυτική διερεύνηση των λειτουργικών παραμέτρων που καθορίζουν την λειτουργία του συνδεδεμένου αποστακτήρα αναδεικνύει την αλλαγή της συμπεριφοράς του ηλιακού αποστακτήρα σε μονάδα μόνο συμπύκνωσης, καθιστώντας έτσι την δεξαμενή αποθήκευσης κυρίαρχη συσκευή συλλογής ενέργειας από οποιαδήποτε διαθέσιμη πηγή ενέργειας με φανερά πλεονεκτήματα. Παράλληλα, το τροποποιημένο μοντέλο "πρόσπτωσης - απολαβής" για την περίπτωση του συνδεδεμένου αποστακτήρα με δεξαμενή αποθήκευσης και πεδίο συλλεκτών επαληθεύεται επίσης σε τρία στάδια στην βάση των πειραματικών δεδομένων. Η επαλήθευση δείχνει ότι και στην περίπτωση αυτή η μέθοδος είναι ικανή να εκτιμήσει την μακροχρόνια απολαβή του συνδεδεμένου αποστακτήρα με ακρίβειες που δεν ξεπερνούν το 3%. Επιπλέον, αποδεικνύεται τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά ότι οι χαρακτηριστικοί συντελεστές του μοντέλου μπορούν να εκφράσουν την λειτουργία του συστήματος αλλά και την μεταβολή των λειτουργικών παραμέτρων του. Η νέα μέθοδος "πρόσπτωσης-απολαβής" αποδεικνύεται ότι αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο προσομοίωσης της λειτουργίας συστημάτων ηλιακής απόσταξης, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο κατά την φάση του σχεδιασμού του συστήματος, όσο και κατά την αξιολόγηση της λειτουργίας υπαρχόντων συστημάτων στην βάση πειραματικών δεδομένων μικρής διάρκειας. Παράλληλα, η σύνδεση συμβατικού ηλιακού αποστακτήρα με δεξαμενή αποθήκευσης θερμότητας αποδεικνύεται ένας από τους καλύτερους τρόπους αύξησης της απολαβής, δημιουργώντας έτσι ένα υβριδικό σύστημα, το οποίο μπορεί να εκμεταλλευτεί με τον βέλτιστο τρόπο τις διαθέσιμες πηγές ενέργειες, είτε αυτές είναι συμβατικές, γεωθερμικές, απορριπτόμενος ατμός, θερμά ρευστά, ηλιακοί συλλέκτες, κ.λπ.