Thermodynamic analysis and experimental investigation of solar driven small scale systems for heating, cooling and power production
Authors: Ρουμπεδάκης Τρύφων 
Published: September 2024

Η κλιματική αλλαγή είναι ολοένα και πιο εμφανής τα τελευταία χρόνια, πιέζοντας την ανθρωπότητα για άμεσα μέτρα προς την κατεύθυνση της ενεργειακής μετάβασης σε πιο βιώσιμες μορφές ενέργειας. Προς αυτή την κατεύθυνση, μια σειρά μέτρων και πολιτικών έχουν εφαρμοστεί παγκοσμίως, για την προώθηση της χρήσης καθαρών τεχνολογιών μηδενικού αποτυπώματος. Σε επίπεδο ΕΕ, η οδηγία για την ενεργειακή απόδοση 2018/2002 καθιέρωσε ένα αναλυτικό πολιτικό πλαίσιο για την προώθηση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) εντός της ΕΕ, θέτοντας στόχο τουλάχιστον 32,5% συνεισφοράς των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο συνολικό ενεργειακό μερίδιο έως το 2030. Επιπλέον, κάθε κράτος μέλος της ΕΕ έχει θέσει συγκεκριμένους στόχους και έχει εισαγάγει μια σειρά οικονομικών και άλλων έμμεσων κινήτρων για την περαιτέρω προώθηση της διείσδυσης των ΑΠΕ. Με βάση και τα παραπάνω, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην αξιολόγηση των ηλιακών συστημάτων μικρής κλίμακας για θέρμανση, ψύξη και/ή παραγωγή ενέργειας. Η μελέτη περιελάμβανε τη λεπτομερή μοντελοποίηση και, όπου ήταν δυνατόν, την πειραματική διακρίβωση των αναπτυγμένων μοντέλων, την τεχνο-οικονομική βελτιστοποίηση της ηλιακής παραγωγής ενέργειας και των ηλιακών εγκαταστάσεων θέρμανσης και ψύξης, την αξιολόγηση των συστημάτων τροφοδοσίας με ηλιακή ενέργεια και την περιβαλλοντική εκτίμηση των προαναφερθέντων συστημάτων. Το Κεφάλαιο 1 παρουσιάζει μια σύντομη ανασκόπηση των βασικών προκαθορισμένων στόχων και οδηγιών σε κοινοτικό και εθνικό, για την Ελλάδα, επίπεδο. Προκειμένου να υπάρξει μια πιο σαφής εικόνα της τρέχουσας ενεργειακής κατάστασης, παρουσιάζεται μια επικαιροποιημένη ανάλυση του ενεργειακού μείγματος Ελλάδας και ΕΕ27, η οποία επιτρέπει τον ποσοτικό προσδιορισμό των δυνατοτήτων διείσδυσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Καθώς πολλές από τις εξεταζόμενες τεχνολογίες δραστηριοποιούνται κυρίως τις τελευταίες δύο δεκαετίες, παρέχεται επίσης μία σχετική συζήτηση για την αντίστοιχη αγορά. Παρά την ανάπτυξη της αγοράς ηλιακής ενέργειας, τα ηλιακά συστήματα απαιτούν μια σειρά οικονομικών κινήτρων για να καταστούν ανταγωνιστικά έναντι πιο συμβατικών τεχνολογιών και συνεπώς συζητείται μια λίστα με τα διαθέσιμα οικονομικά κίνητρα στην Ελλάδα και, για τις ανάγκες σύγκρισης, στην Ιταλία. Τέλος, παρουσιάζονται οι κύριοι στόχοι και το συνολικό πλάνο της διατριβής. Προκειμένου να εκτιμηθεί τόσο τεχνο-οικονομικά όσο και περιβαλλοντικά η απόδοση των ηλιακών συστημάτων, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν μια σειρά μοντέλων προσομοίωσης ακριβείας, με βάση τις ανάγκες κάθε στοχευμένης μελέτης. Σε αυτό το πλαίσιο, το Κεφάλαιο 2 παρέχει μια λεπτομερή περιγραφή των αναπτυχθέντων μοντέλων και την αντίστοιχη πειραματική διαδικασία για την διακρίβωσή τους. Εκτός από τα πειράματα διακρίβωσης, πραγματοποιήθηκε μια σειρά δοκιμών με καινοτόμες εγκαταστάσεις για την αξιολόγηση των δυνατοτήτων τους και την αξιολόγηση των επιδόσεων τους σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Λόγω του εύρους των αξιολογούμενων τεχνολογιών στη διατριβή, υπήρχε μια σειρά εξαρτημάτων/υποσυστημάτων χωρίς καμία διαθέσιμη πειραματική δοκιμαστική πλατφόρμα για επικύρωση. Στο Κεφάλαιο 3, συζητούνται όλα εκείνα τα μοντέλα προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν με βάση την διακρίβωση δεδομένων από βιβλιογραφία ή προηγούμενες διατριβές. Μόλις αναπτυχθούν και παρουσιαστούν όλα τα επιμέρους μοντέλα, αυτά συνδυάζονται για να διαμορφώσουν τα διάφορα ηλιακά συστήματα προς αξιολόγηση και βελτιστοποίηση. Στο Κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται μια τεχνοοικονομική βελτιστοποίηση των διαθέσιμων ηλιακών συστημάτων ψύξης/θέρμανσης. Τα συστήματα αξιολογούνται για χρήση σε οικιακή εφαρμογή για την περίπτωση υπάρχοντος κτηρίου, ενώ τα οικονομικά υπολογίζονται με την παραδοχή ότι τα προτεινόμενα συστήματα θα αντικαταστήσουν τα υπάρχοντα συμβατικά συστήματα θέρμανσης και ψύξης του κτηρίου. Ένας ειδικός γενετικός αλγόριθμος εφαρμόζεται για τις ανάγκες της τεχνοοικονομικής βελτιστοποίησης, προσδιορίζοντας τις βέλτιστες πτυχές σχεδιασμού κάθε συστήματος για τη μεγιστοποίηση της ανταγωνιστικότητάς του. Ομοίως με τη μελέτη ηλιακής ψύξης/θέρμανσης, συζητείται επίσης μια διαδικασία τεχνοοικονομικής βελτιστοποίησης για την περίπτωση ενός ηλιακού συστήματος Οργανικού Κύκλου Rankine (ORC). Αυτή η διαδικασία χωρίζεται σε δύο υπο-ρουτίνες, μία για πηγή θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας και μία για πηγή θερμότητας μέσης θερμοκρασίας, με τη χρήση συγκεντρωτικών ηλιακών συλλεκτών. Η τεχνοοικονομική βελτιστοποίηση των ξεχωριστών συστημάτων και τα πολύ υποσχόμενα αποτελέσματά της, ακολουθούνται από την αξιολόγηση ενός συστήματος ηλιακής ενέργειας συνδυασμένης ψύξης, θέρμανσης και ισχύος (CCHP), που παρουσιάζεται στο Κεφάλαιο 5. Διεξήχθη μελέτη στο σημείο λειτουργίας για τον καθορισμό της βέλτιστης διαμόρφωσης προς τη μεγιστοποίηση της απόδοσης του πρώτου και του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν μια ικανοποιητική απόδοση, φτάνοντας σε εξεργειακούς βαθμούς απόδοσης έως και 40%. Λαμβάνοντας υπόψη τις αυξανόμενες περιβαλλοντικές ανησυχίες, αξίζει να αξιολογηθεί η βιωσιμότητα των υπό διερεύνηση συστημάτων από περιβαλλοντική σκοπιά και σε βάθος ολόκληρου του κύκλου ζωής τους, καθώς το περιβαλλοντικό αποτύπωμα της φάσης χρήσης είναι μόνο ένα τμήμα των συνολικών εκπομπών του συστήματος. Ως εκ τούτου, το Κεφάλαιο 6 παρουσιάζει τις αναλύσεις του κύκλου ζωής στα ηλιακά συστήματα ψύξης/θέρμανσης σε σύγκριση με τις συμβατικές εναλλακτικές, για τον προσδιορισμό του βέλτιστου περιβαλλοντικού συστήματος. Επιπλέον, μια παρόμοια μελέτη κύκλου ζωής παρουσιάζεται για ένα ORC μικρής κλίμακας, με δύο εναλλακτικά σχέδια, ένα ηλιακό και ένα για ανάκτηση θερμότητας. Σε όλες τις αναλύσεις του κύκλου ζωής, αναλύονται επίσης μια σειρά από μελέτες περιπτώσεων για την αξιολόγηση βασικών παραγόντων που επηρεάζουν την περιβαλλοντική απόδοση των αξιολογούμενων συστημάτων. Στο τελευταίο κεφάλαιο 7, συζητούνται τα βασικά συμπεράσματα και τα γενικά σημεία ενδιαφέροντος της διατριβής, ακολουθούμενα από κάποιες πιθανές προτάσεις για μελλοντική εργασία.