Κυριακή 8 Απριλίου 2012

Θερμικά Ηλιακά Συστήματα


Θερμικά Ηλιακά Συστήματα ονομάζονται τα συστήματα που εκμεταλλεύονται την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία μετατρέποντάς την σε ωφέλιμη θερμική ενέργεια
Το μέσο το οποίο χρησιμοποιείται για να αντληθεί η θερμική ενέργεια, είναι είτε αέριο είτε υγρό και θερμαίνει άμεσα ή έμμεσα:
1. νερό ή αέρα για θέρμανση χώρων,
2. νερό για οικιακές εφαρμογές,
3. νερό ή αέρα για βιομηχανικές εφαρμογές,
4. αέρα σε εφαρμογές ψύξης



Τα συστήματα αυτά είναι από τα σημαντικότερα ηλιακά συστήματα και παρέχουν μακροπρόθεσμα «καθαρή θερμική ενέργεια», η οποία μπορεί να αντικαταστήσει το 20 80% των θερμικών απαιτήσεων που καλύπτονται από συμβατικά καύσιμα (πετρέλαιο, φυσικό αέριο).

Είναι οικονομικά με βάση την ανάλυση κύκλου ζωής τους (20-30 χρόνια), ενώ αποπληρώνονται σε 3 - 10 χρόνια.
Τέλος, ενδυναμώνουν την τοπική και εθνική αγορά τόσο σε ιδιωτικό όσο και σε δημόσιο επίπεδο, καθώς παρέχουν πολύ καλή ενεργειακή ασφάλεια. Ωστόσο, είναι πολύ σημαντικός ο σωστός σχεδιασμός του ηλιακού συστήματος και η προσεκτική εξέταση της οικονομικότητας της εγκατάστασης, προς αποφυγή λανθασμένων επιλογών και με στόχο τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του.

Όσον αφορά στην Ελλάδα, προσπίπτουν ημερησίως, κατά μέσο όρο 4,3KWh ηλιακής ενέργειας ανά τετραγωνικό μέτρο οριζόντιας επιφάνειάς της, κατατάσσοντας τη χώρα μας στις πλέον ευνοημένες περιοχές του πλανήτη. Στο μεγαλύτερο τμήμα της Ελλάδας η ηλιοφάνεια διαρκεί περισσότερες από 2.700 ώρες το χρόνο (στη δυτική Μακεδονία και την Ήπειρο εμφανίζει τις μικρότερες τιμές της, κυμαινόμενη από 2.200 ως 2.300 ώρες, ενώ στη Ρόδο και τη νότια Κρήτη ξεπερνά τις 3.100 ώρες ετησίως). Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να είναι δυνατή, σε όλη την ελληνική επικράτεια, η οικονομικά επωφελής εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας για θερμικές εφαρμογές με χρήση Θ.Η.Σ., αλλά και για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση φωτοβολταϊκών στοιχείων.

 
Διακρίνουμε τους παρακάτω τύπους συστημάτων παραγωγής ζεστού νερού οικιακής χρήσης

Συστήματα φυσικής κυκλοφορίας (θερμοσιφωνικά). Στη χώρα μας ο ηλιακός θερμοσίφωνας φυσικής κυκλοφορίας είναι η πιο διαδεδομένη συσκευή εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας για παραγωγή ζεστού νερού οικιακής χρήσης.

Συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας (Κεντρικά). Τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας χρησιμοποιούν ηλεκτρικές αντλίες, βαλβίδες και συστήματα ελέγχου για να κυκλοφορήσουν το ρευστό μεταφοράς θερμότητας μέσα στους συλλέκτες.
Όπως φαίνεται και στο σχέδιο, το κλειστό κύκλωμα των συλλεκτών είναι συνδεδεμένο με τον εναλλάκτη του μπόϊλερ, με σωληνώσεις, συσκευές και όργανα απαραίτητα για τη σωστή λειτουργία του συστήματος. Αν η θερμοκρασία του νερού στους συλλέκτες είναι μεγαλύτερη από αυτήν του νερού στο μπόϊλερ, αρχίζει να λειτουργεί ο κυκλοφορητής του κυκλώματος συλλεκτών – μπόϊλερ εντολοδοτούμενος από ένα διαφορικό θερμοστάτη. Όταν η θερμοκρασία του νερού στους συλλέκτες είναι μικρότερη από αυτή στο μπόϊλερ, τότε ο κυκλοφορητής δεν λειτουργεί.
Όταν ο κυκλοφορητής δεν λειτουργεί αναστρέφεται η ροή του κλειστού κυκλώματος και θερμές μάζες νερού φεύγουν από το μπόϊλερ προς τους συλλέκτες όπου ακτινοβολούν προς το περιβάλλον την θερμότητα που μεταφέρουν και επιστρέφουν στο μπόϊλερ με χαμηλή θερμοκρασία. Το φαινόμενο αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το θερμό νερό είναι ελαφρύτερο από το κρύο. Για να αποφευχθεί το δυσάρεστο αυτό φαινόμενο που έχει σαν αποτέλεσμα κατά τις νυκτερινές κυρίως ώρες, να κρυώνει το ζεστό νερό που έχει αποθηκευτεί στο μπόϊλερ είναι απαραίτητη η τοποθέτηση στο κύκλωμα μιας βαλβίδας αντεπιστροφής ή μιας ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας νερού η οποία θα ανοίγει μαζί με τον κυκλοφορητή. Στο κλειστό κύκλωμα συλλεκτών πρέπει να συνδεθούν απαραιτήτως αυτόματος πλήρωσης, βαλβίδα ασφαλείας, αυτόματο εξαεριστικό δικτύου στο υψηλότερο σημείο και δοχείο διαστολής. Το κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών μπορεί να είναι και ανοικτού τύπου, με ανοικτό δοχείο διαστολής και φλοτεροδιακόπτη. Βέβαια στη περίπτωση αυτή θα έχουμε όλα τα αρνητικά των ανοικτών συστημάτων. Αν ο διαφορικός θερμοστάτης διαπιστώσει ότι η θερμοκρασία των ηλιακών συλλεκτών είναι κάτω από 4ο C, τότε εντολοδοτεί το κυκλοφορητή του κυκλώματος μπόϊλερ - συλλεκτών, να εκκινήσει προς διατήρηση της θερμοκρασίας των συλλεκτών στο επίπεδο των 4 – 6ο C για λόγους αντιπαγετικής προστασίας.


 
Θερμικά ηλιακά συστήματα χρησιμοποιούνται για υποβοήθηση θέρμανσης χώρου και παράλληλα για παραγωγή ζεστού νερού οικιακής χρήσης.
Τα ηλιακά αυτά συστήματα, για τα οποία έχει επικρατήσει ο όρος “solar combi systems” ή απλά “combi”, παρότι δεν είναι ακόμη ιδιαίτερα γνωστά στη χώρα μας, αναπτύσσονται με ταχείς ρυθμούς σε άλλες Ευρωπαϊκές χώρες όπως η Αυστρία και η Γερμανία. Το έτος 2001 η συνολική επιφάνεια συλλεκτών που αφορούσε ηλιακά συστήματα combi σε οκτώ Ευρωπαϊκές χώρες (Γερμανία, Αυστρία, Γαλλία, Ολλανδία, Ελβετία, Σουηδία, Δανία και Νορβηγία) ήταν ίση με 340.000m2 .
Γενικά, τα συστήματα αυτά αποτελούνται από το κύκλωμα των ηλιακών συλλεκτών (παραγωγή ενέργειας), το θερμοδοχείο αδρανείας (αποθήκευση ενέργειας), ένα σύστημα βοηθητικής ενέργειας (ηλεκτρικός λέβητας, λέβητας πετρελαίου ή φυσικού αερίου, βιομάζας, αντλία θερμότητας), ένα σύστημα θέρμανσης (θερμαντικά σώματα, ενδοδαπέδια, fan coils) και ένα σύστημα ελέγχου.
Τα γενικά χαρακτηριστικά του, λοιπόν, είναι τα ίδια με αυτά ενός κοινού κεντρικού ηλιακού συστήματος. Βέβαια, στη συγκεκριμένη διάταξη χρησιμοποιούνται δύο δοχεία αποθήκευσης. Αυτό του ζεστού νερού χρήσης είναι εμβαπτισμένο στο μεγαλύτερο δοχείο, στο οποίο κυκλοφορεί το ίδιο υγρό (νερό) με αυτό του δικτύου θέρμανσης, δηλαδή των καλοριφέρ. Η ιδανική εφαρμογή, όμως, του συστήματος είναι για συστήματα θέρμανσης χαμηλών θερμοκρασιών (ενδοδαπέδια, fan coils), ενώ για θέρμανση με συμβατικά θερμαντικά σώματα αναμένεται μια μείωση της απόδοσης κατά 1015% (αντιμετωπίζεται με υπερδιαστασιολόγηση της εγκατάστασης).
Το εφεδρικό σύστημα θέρμανσης, ωστόσο, θα πρέπει να είναι ικανό να παράσχει το 100% των απαιτήσεων θέρμανσης, δεδομένου ότι κατά τις περιόδους νεφελώδους καιρού το ηλιακό σύστημα μπορεί να έχει μηδενική ή πολύ μικρή συμβολή στην κάλυψη των αναγκών θέρμανσης.
Στην ενδοδαπέδια (ή επιτοίχια) θέρμανση χρησιμοποιείται δίκτυο πλαστικών σωλήνων που ενσωματώνονται στο δάπεδο (ή τον τοίχο) και λειτουργεί με νερό χαμηλής θερμοκρασίας, 30 45°C .
Η εμπειρία έχει δείξει πως μια λογική αντιμετώπιση του θέματος καταλήγει σε συλλεκτική επιφάνεια που δεν ξεπερνά το 20% με 25% της κατοικήσιμης επιφάνειας.
Προσανατολισμός συλλεκτών ανάλογα με την περιοχή, με βέλτιστη μια τιμή κοντά στις 55ο  και με νότιο προσανατολισμός
Όγκος δοχείου αποθήκευσης συνήθως επιλέγεται μια τιμή μεταξύ 50 με 100 λίτρα ανά τετραγωνικό μέτρο συλλέκτη. 


Ένα θερμικό ηλιακό σύστημα αποτελείται από κάποιες βασικές συνιστώσες, οι οποίες εξετάζονται στη συνέχεια:
Επίπεδος ηλιακός συλλέκτης. Για τη μεγιστοποίηση της απορροφούμενης ηλιακής ακτινοβολίας (μικρού μήκους κύματος) και την ελαχιστοποίηση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας (μεγάλου μήκους κύματος) χρησιμοποιούνται επιλεκτικές συλλεκτικές επιφάνειες. Έτσι, μία απορροφητική επιφάνεια καλείται επιλεκτική, όταν απορροφά μεγάλα ποσοστά της ηλιακής ακτινοβολίας, δηλαδή α →1, ενώ ταυτόχρονα ελαχιστοποιεί την εκπεμπόμενη ακτινοβολία, δηλαδή ε →0.

Μονάδα ενεργειακής αποθήκευσης. Η δεξαμενή αποθήκευσης είναι τις περισσότερες φορές ένα κυλινδρικό χαλύβδινο δοχείο, μονωμένο εξωτερικά για τη μείωση των θερμικών απωλειών. Υπάρχει ο τύπος για ορθή και ο τύπος για οριζόντια τοποθέτηση.

Εναλλάκτες θερμότητας. Οι θερμικοί εναλλάκτες θερμότητας (heat exchangers) είναι συσκευές που γενικά μεταφέρουν τη θερμότητα από ένα μέσο σε ένα άλλο. Σε κάθε εναλλάκτη κυκλοφορούν συνήθως δύο ρευστά, όπου το ένα προσδίδει και το άλλο προσλαμβάνει ενέργεια. Ο λόγος της ενέργειας που προσδίδεται στον εναλλάκτη από ένα ρευστό προς την ενέργεια που προσλαμβάνει από τον εναλλάκτη το άλλο, ονομάζεται συντελεστής αποτελεσματικότητας, ε , του θερμικού εναλλάκτη και έχει τιμή 0,95 περίπου για έναν καλό εναλλάκτη.

Η βοηθητική ενέργεια. Η βοηθητική ενέργεια έχει ως σκοπό τη θέρμανση του ρευστού που βρίσκεται στη μονάδα αποθήκευσης, όταν δεν υπάρχει ή δεν επαρκεί η ηλιακή ενέργεια.

Συστήματα ελέγχου. Μία ηλιακή εγκατάσταση συνοδεύεται συνήθως από ένα πίνακα
αυτοματισμών και κάποιους αισθητήρες, κυρίως θερμοκρασίας.

Σωληνώσεις. Οι σωληνώσεις που υπάρχουν σε κάθε θερμικό ηλιακό σύστημα συνεπάγονται επιπρόσθετες απώλειες. Οι απώλειες αυτές λαμβάνουν σημαντικές τιμές και θα πρέπει να συνυπολογίζονται κατά το σχεδιασμό της εγκατάστασης.


Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου