Πειραματική και υπολογιστική ανάλυση υβριδικών ηλιακών συλλεκτών για εφαρμογές ηλιακής ψύξης

Abstract

The objective of this dissertation is the study of concentrating hybrid photovoltaic/thermal solar collectors and their use in solar cooling applications. This category of collectors is a promising technology thanks to their ability to simultaneously generate heat and electricity from the same surface. Specifically, the aim is the numerical and experimental study of an asymmetric concentrated hybrid collector, the improvement of its performance for the region of Greece and the potential of its use in real-world applications. The first part of the dissertation presents (Chapter 2) presents a review of the literature regarding hybrid collectors. This analysis shows that significant processes have been made in the study and optimization of these collectors. However, the majority of these studies focus on flat-plate collectors resulting in limited research dedicated to the analysis, performance improvements and applications of concentrating hybrid collectors. Initially the theoretical study of the concentrating hybrid collectors focuses on their optical analysis (Chapter 3). Using ray tracing methodology, the collector’s performance is evaluated across a range of solar incidence angles. Additionally, the distribution of solar radiation on the absorbers surface is analyzed and regions with significant non-uniformities are identified. Finally, the optimal tilt angle of the collector for the Athens regions is determined. Subsequently (Chapter 4) a three-dimensional numerical analysis of the hybrid collector is performed using COMSOL software. An innovative methodology is proposed that reduces computational time and combines both optical and thermal studies. The reliability of the method is validated through comparisons with experimental data obtained from the literature as well as analytical solutions. In both cases, the results show satisfactory agreement. Chapter 5 presents the experimental study of the collector which is installed at the Laboratory of Applied Thermodynamics of the School of Mechanical Engineering at NTUA. Its performance was evaluated under different operating conditions and the results were compared with those obtained from numerical simulations carried out using the methodology presented in the previous chapter. The simulation results were found to be in good agreement with the experimental data, with an average deviation of 5.41%. Utilizing the models developed in previous chapters, the next chapter of the dissertation (Chapter 6) presents methods for improving the performance of the collector. First the use of nanofluids as heat transfer fluids is examined and their impact on both the thermal and electrical performance of the collector is analyzed. Then, different reflector geometries are investigated with the aim of optimizing the collector’s performance, with a focus on the summer months in the region of Athens. In the following chapter (Chapter 7), applications of hybrid collectors in the region of Greece are studied. First, the replacement of evacuated tube collectors with the optimized concentrating hybrid collectors is examined on a solar field that supplies heat to an adsorption chiller. It is found that the use of a small percentage of hybrid collectors does not significantly affect the chiller’s performance, while also offering the added benefit of electricity generation. Subsequently, the use of flat hybrid collectors in a hotel unit is evaluated as an alternative to thermal collectors or photovoltaic panels, using environmental and economic performance indicators. In the eighth and final chapter, the main conclusions of the dissertation are presented, along with suggestions for future work in the field of hybrid collectors and their applications.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η μελέτη συγκεντρωτικών υβριδικών ηλιακών συλλεκτών και η χρήση του σε εφαρμογές ηλιακής ψύξης. Η κατηγορία των συλλεκτών αυτών αποτελεί μια υποσχόμενη τεχνολογία χάρη στην ικανότητά τους να παράγουν ταυτόχρονα θερμότητα και ηλεκτρική ενέργεια από την ίδια επιφάνεια. Συγκεκριμένα στόχος είναι η υπολογιστική και πειραματική μελέτη ενός ασύμμετρου συγκεντρωτικού υβριδικού συλλέκτη, η βελτίωση της απόδοσης του για την περιοχή της Ελλάδας και η δυνατότητα χρήσης τους σε πραγματικές εφαρμογές. Στο πρώτο μέρος της διατριβής (Κεφάλαιο 2) παρουσιάζεται η επισκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας αναφορικά με τους υβριδικούς συλλέκτες. Από την ανάλυση αυτή διαπιστώνεται ότι έχει επιτευχθεί σημαντική πρόοδος στην μελέτη και βελτιστοποίηση των συλλεκτών αυτών. Ωστόσο η πλειοψηφία των εργασιών αυτών εστιάζουν στους επίπεδους συλλέκτες, με συνέπεια οι μελέτες που εστιάζουν στην ανάλυση, βελτίωση λειτουργίας και σε εφαρμογές των συγκεντρωτικών υβριδικών συλλεκτών να είναι περιορισμένες. Αρχικά, η θεωρητική μελέτη των συγκεντρωτικών υβριδικών συλλεκτών εστιάζει στην οπτική ανάλυσή τους (Κεφάλαιο 3). Με την χρήση της μεθοδολογίας ιχνηλάτησης ακτινοβολίας (ray tracing) αξιολογείται η απόδοση του συλλέκτη για ένα εύρος γωνιών πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Παράλληλα μελετάται και η κατανομή της ακτινοβολίας στης επιφάνεια του απορροφητή και εντοπίζονται περιοχές όπου παρατηρούνται έντονες ανομοιομορφίες. Τέλος προσδιορίζεται η βέλτιστη γωνία τοποθέτησης του συλλέκτη για την περιοχή της Αθήνας. Στην συνέχεια (Κεφάλαιο 4), πραγματοποιείται τρισδιάστατη αριθμητική ανάλυση του υβριδικού συλλέκτη με την χρήση του λογισμικού COMSOL. Προτείνεται μια καινοτόμος μεθοδολογία για την πραγματοποίηση της ανάλυσης η οποία μειώνει τον υπολογιστικό χρόνο και η οποία συνδυάζει την οπτική και θερμική μελέτη. Η αξιοπιστία της μεθόδου επικυρώνεται μέσω σύγκρισης με πειραματικά δεδομένα τα οποία λαμβάνονται από την βιβλιογραφία καθώς και από αναλυτικές σχέσεις. Και στις δύο περιπτώσεις παρατηρείται ικανοποιητική συμφωνία των αποτελεσμάτων. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται η πειραματική μελέτη του συλλέκτη ο οποίος είναι εγκατεστημένος στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής και Ψυκτικής Τεχνολογίας Οχημάτων Ψυγείων της Σχολής των Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π.. Μελετήθηκε η απόδοσή του για διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας ενώ τα αποτελέσματα που προέκυψαν συγκρίθηκαν με αυτά από αριθμητικές προσομοιώσεις που έγιναν με την χρήση της μεθοδολογίας που παρουσιάστηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης βρέθηκαν να είναι αρκετά κοντά με τα πειραματικά με τη μέση απόκλιση να φτάνει το 5.41%. Αξιοποιώντας τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια, στο επόμενο κεφάλαιο της διατριβής (Κεφάλαιο 6) παρουσιάζονται μέθοδοι για τη βελτίωση της απόδοσης του συλλέκτη. Αρχικά εξετάζεται η χρήση νανορευστών ως μέσου μεταφοράς θερμότητας και αναλύεται η επίδρασή τους τόσο στη θερμική όσο και στην ηλεκτρική απόδοση του συλλέκτη. Έπειτα εξετάζονται διαφορετικές γεωμετρίες του ανακλαστήρα, με στόχο τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του συλλέκτη, με έμφαση στους καλοκαιρινούς μήνες, για την περιοχή της Αθήνας. Στο Κεφάλαιο 7 μελετώνται εφαρμογές υβριδικών συλλεκτών στην περιοχή της Ελλάδας. Αρχικά εξετάζεται η αντικατάσταση συλλεκτών κενού από τους βελτιστοποιημένους συγκεντρωτικούς υβριδικούς συλλέκτες, σε ένα ηλιακό πεδίο που τροφοδοτεί με θερμότητα ένα ψύκτη προσρόφησης. Διαπιστώνεται ότι η χρήση μικρού ποσοστού υβριδικών συλλεκτών δεν επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του ψύκτη και παράλληλα έχει το πλεονέκτημα της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Στη συνέχεια, αξιολογείται η χρήση επίπεδων υβριδικών συλλεκτών σε μία ξενοδοχειακή μονάδα, αντί για θερμικούς συλλέκτες ή φωτοβολταϊκά πάνελ, μέσω περιβαλλοντικών και οικονομικών δεικτών. Στο όγδοο και τελευταίο κεφάλαιο, παρατίθενται τα κυριότερα συμπεράσματα της διατριβής και γίνονται προτάσεις για μελλοντική εργασία στο πεδίο των υβριδικών συλλεκτών και των εφαρμογών τους.