Σχεδίαση, κατασκευή και αξιολόγηση πρότυπου επίπεδου ηλιακού συλλέκτη κατάλληλου για ψυχρά κλίματα

Abstract

Subject of the dissertation was the design, assembly and evaluation of a novel flat plate solar collector. A novel polymer collector was developed aiming at producing a solar collector which combines similar or better technical characteristics with typical flat plate collectors at the same operational uses and for a wide variety of operating temperatures but with reduced cost (manufacturing and operational). The novel collector comprises of all the usual components of a typical solar collector. The main difference is that instead of a metal absorber, a black fluid acts as both absorber and heat carrier. The fluid flows in a transparent polymer honeycomb construction. In typical flat metal plate collectors maximum temperature usually occurs in the front area (solar radiation incident), while the fluid that flows in the back side absorbs heat and cools it. In the case of the novel collector, maximum temperature will occur in the thermal fluid that has black color and flows in the ducts of the polymer. This way, the thermal fluid can carry more heat and simultaneously have fewer heat losses to the environment from the front area due to the lower temperature that it develops and due to the existence of more insulative layers. After the design and assembly process, the novel collector was evaluated experimentally according to ISO-9806-1 and its technical characteristics were determined. The collector had a maximum instantaneous efficiency of 64% and thermal losses of about 6,08 W m² K-1. After the experimental evaluation, an algorithm was created to simulate the influence of different materials and/or dimensions in the various parts of the solar collector. The algorithm exhibited a RMSE of less than 1.5% which was attributed to the fact that the flow was considered uniform throughout the collector. In order to better investigate the novel collector, CFD techniques were implemented and the accuracy of the algorithm improved considerably to the expense of the required time. Finally, the whole life cycle of the collector was analyzed and its environmental and energy performance was compared to typical collectors. In most cases the novel collector performed similar or better than most of the typical systems, with a fraction of their cost and weight.

Σήμερα τα ηλιακά θερμικά συστήματα ενσωματώνουν τεχνολογίες που τα καθιστούν αποδοτικά και αξιόπιστα, προσφέροντας ενέργεια για ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών. Η θέρμανση νερού χρήσης και η θέρμανση χώρων σε οικιακές και εμπορικές εφαρμογές, η θέρμανση νερού κολυμβητικών δεξαμενών, η ηλιακή ψύξη καθώς και η παραγωγή ατμού για βιομηχανικές εφαρμογές όπως και η αφαλάτωση είναι μερικές μόνο από της εφαρμογές των ηλιακών θερμικών συστημάτων. Αν και η τεχνολογία αλλά και η θεωρία που διέπει τους ηλιακούς συλλέκτες είναι θεμελιωμένη, η περαιτέρω διείσδυση των ηλιακών θερμικών συστημάτων βασίζεται στην ταυτόχρονη μείωση του κόστους και στην αύξηση της απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών. Κάτι τέτοιο προϋποθέτει τη χρήση υλικών χαμηλού κόστους (όπως είναι τα πολυμερή), κατάλληλης τεχνικής που να βελτιστοποιεί τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συλλέκτη και βέβαια σωστό σχεδιασμό. Για τον λόγο αυτό στα πλαίσια της διατριβής, υιοθετήθηκε η χρήση διάφανης υδραυλικής διάταξης κατασκευασμένης από πολυμερές, μέσα στην οποία ρέει το ρευστό μεταφοράς της θερμότητας το οποίο είναι χρωματισμένο μαύρο και λειτουργεί και ως απορροφητής. Η συγκεκριμένη διάταξη είχε χρησιμοποιηθεί και στα τέλη της δεκαετίας του ‘70, χωρίς όμως επιτυχία κυρίως λόγω προβλημάτων που σχετίζονταν με τα τότε διαθέσιμα υλικά. Κύριο πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης διάταξης, είναι η μείωση των σταδίων εναλλαγής της θερμότητας κατά ένα, η απορρόφηση της ακτινοβολίας απευθείας από το αδιαφανές ρευστό μεταφοράς της θερμότητας, η αύξηση των θερμομονωτικών στρωμάτων επίσης κατά ένα, η μεγιστοποίηση της επιφάνειας εναλλαγής-απορρόφησης του συλλέκτη καθώς και η ποιο ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η διάταξη να εμφανίζει μικρότερες θερμικές απώλειες. Μετά την ολοκλήρωση της μελέτης και σχεδίασης, κατασκευάσθηκε ένας πρότυπος συλλέκτης του οποίου τα τεχνικά χαρακτηριστικά μετρήθηκαν πειραματικά ώστε να αποτελέσουν την βάση σύγκρισης για την ανάπτυξη ενός αναλυτικού αλγορίθμου ο οποίος προσομοιώνει την λειτουργία του συλλέκτη. Για να είναι δυνατή η βελτιστοποίηση αυτού του τύπου συλλέκτη μελλοντικά, ο αλγόριθμος παραμετροποιήθηκε ώστε να λαμβάνει υπόψη του όλα τα δυνατά χαρακτηριστικά σχεδιασμού. Επιπρόσθετα, με χρήση τεχνικών υπολογιστικής ρευστομηχανικής διερευνήθηκε το ροϊκό πεδίο σε όλη την επιφάνεια του συλλέκτη ώστε να είναι δυνατή η βελτιστοποίηση των σημείων εισόδου και εξόδου του ρευστού, αλλά και της διατομής της υδραυλικής του διάταξης. Τέλος, καθώς η ολοκληρωμένη εκτίμηση της τεχνολογίας της ηλιακής ενέργειας απαιτεί την αποτίμηση των έμμεσων περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκαλούνται από τις ανταλλαγές που συνοδεύουν τα ηλιακά σύστημα καθ’ όλη την διάρκεια ζωής τους (χρήση φυσικών πόρων, χρήση ενέργειας, αέριες εκπομπές, υγρά και στερεά απόβλητα), χρησιμοποιήθηκε η μεθοδολογία της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής και έγινε σύγκριση του πρότυπου συλλέκτη με τυπικούς επίπεδους ηλιακούς. Με την κατασκευή του συλλέκτη και τον πειραματικό προσδιορισμό των τεχνικών χαρακτηριστικών, επιβεβαιώθηκε η αρχική σκέψη για την καταλληλότητα του συλλέκτη καθώς τα τεχνικά του χαρακτηριστικά είναι συγκρίσιμα με αυτά τυπικών επίπεδων συλλεκτών. Επιπρόσθετα η ακρίβεια του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε για τον υπολογισμό της επίδρασης των σχεδιαστικών και κατασκευαστικών αλλαγών επιβεβαιώθηκε από τη σύγκριση με την πειραματική αξιολόγηση του εν λόγω συλλέκτη, παρουσιάζοντας RMSE μικρότερο από 1.5%. Η χρήση των τεχνικών υπολογιστικής ρευστομηχανικής, με τις οποίες λήφθησαν υπόψη τα ροϊκά φαινόμενα και η επίδραση τους στην απόδοση του συλλέκτη έδειξε ότι αν και η συσχέτιση με τα πειραματικά αποτελέσματα ήταν πολύ καλή, η μεγάλη υπολογιστική ισχύς που απαιτεί το εν λόγω μοντέλο (και ο χρόνος που απαιτεί) περιορίζει την εφαρμογή του, ουσιαστικά στο στάδιο της σχεδίασης της υδραυλικής διάταξης του συλλέκτη. Στη συνέχεια οποιαδήποτε αλλαγή και η επίδραση που θα έχει στην απόδοση του συλλέκτη είναι σκόπιμο να διερευνάται με την χρήση του θεωρητικού αλγορίθμου. Τέλος με την εφαρμογή της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής πιστοποιήθηκε η περιβαλλοντική απόδοση του συλλέκτη τόσο κατά την κατασκευή του όσο και σε μακροχρόνια χρήση. Γενικά ο πρότυπος συλλέκτης παρουσίασε απόδοση αντίστοιχη των «συμβατικών» επίπεδων και έχει περιθώρια βελτίωσης τόσο μέσω αλλαγών στην σχεδίαση όσο και μέσω της χρήσης νέων υλικών κάτι το οποίο θα πρέπει να διερευνηθεί σε επόμενο στάδιο.