Καινοτόμα ηλιακά συστήματα με συγκεντρωτικούς ηλιακούς συλλέκτες
Authors: Τσεκούρας Παναγιώτης 
Published: September 2021

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.