Ολοκληρωμένο σύστημα ηλιακού αποστακτήρα με ενσωματωμένη δεξαμενή αποθήκευσης θερμότητας
Authors: Βορόπουλος Κωνσταντίνος 
Published: August 2021

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.