Σχεδίαση, προσομοίωση και πειραματική διερεύνηση καινοτόμων θερμικών ηλιακών συστημάτων

Abstract

The present PhD Thesis aims on the development as well as on the optimization of innovative solar thermal collectors. More particularly, the whole duration of the specific project was, initially, dedicated on the design, the simulation and the optimization, while, finally, the interest was concentrated on the experimental investigation of several solar thermal collectors. At the first chapter of the particular Thesis a thorough literature review is conducted, regarding the main solar thermal applications, which are being expressed by the flat plate collectors (FPCs), the evacuated tube collectors (ETCs), the compound parabolic collectors (CPCs) and the parabolic trough collectors (PTCs). More specifically, a detailed research, as regards the subcategories of the pre-mentioned collectors was put forward, in order to get informed about their operation, their construction characteristics, their main components and their materials, while at the end of the first chapter a severe review on the applications of the specific collectors, at international research field, is given. The second chapter regards the thermal analysis of all the solar collectors kinds as well as the optical investigation of the concentrating solar collectors. In particular, all the respective relationships, regarding the heat transfer phenomena that take place in such systems, such as the convection at the interior of the flow tube and the heat exchange between the collector and its environment, are presented and explained in detail. As far as the optical analysis is concerned, the main equations that express the optical operation of the concentrating systems are given, with emphasis on the optical efficiency, the intercept factor and the incident angle modifier expressions. In the same chapter a detailed correlation is conducted between the incident on the aperture angles and the solar azimuth one. At the beginning of the third chapter of the present Thesis, two different types of flat plate collectors (FPCs), one with a serpentine pipe and one with a coaxial tubing, were investigated, by giving emphasis on the natural convection of the air inside the gap and on the convection inside the flow tubes. After that, a new evacuated tube collector (ETC) with a symmetric mini-compound parabolic concentrator was examined, and it was found that it exceeds, in optical performance, other similar existing geometries. In addition, this collector was compared to a similar one with a novel asymmetric reflector, as far as the optical performance is concerned, and a clear prevalence of the last one was revealed (4.7%). Next, a coaxial pipe ETC was studied and optimized, as regards its thermal performance, by modifying the distance between the coaxial flow tubes. Furthermore, the use of the nanofluid Syltherm 800/CuO (5% concentration) was, also, investigated in a compound parabolic collector (CPC) and the outcome suggested an important thermal efficiency enhancement up to 2.76%. It has to be said that several models of the heat transfer and the fluid-dynamic theory were used for validating the simulation results in all the examined cases. As regards the fourth chapter, which corresponds to the experimental part of the PhD Thesis, three different solar collectors were set under severe examination. In particular, the first collector was a CPC which had, already been experimentally analyzed and the respective results were validated through simulation process, while the optical performance of it was improved significantly, by modifying the reflector’s design, via three control dimensions. Also, by studying the same collector, a new correlation was developed, by the author of the present PhD Thesis, regarding the calculation of the optical efficiency, as far as the concentrating systems are concerned, and it was found that it provides more accurate results than the commonly used relationship, especially for low concentration ratio applications and/or for reflectors with high shape losses. The particular relationship is, now, available on the international literature. In addition, an array that consists of four commercial ETCs which are placed on the Applied Thermodynamics Laboratory of the Mechanical Engineering Department at the National Technical University of Athens, was studied experimentally, while two different methods, a numerical and an analytical, were put forward in order to validate the results. Particularly, the experimental results were found to be very close to the respective from the simulation, since the maximum deviation took the value of 7.6%, with the mean one to be just 3.7%. It is important to state that the particular simulation gave us the opportunity to predict the thermal efficiency as well as the outlet and the receiver temperature of each examined collector of the array, something that the experimental set up could not provide and it would be difficult and expensive to do so. The outlet and the receiver’s temperature in each module were, also, calculated through the analytical method for validating the simulation results. Moreover, a novel asymmetric CPC with an evacuated tube was designed, constructed, simulated and experimentally investigated exclusively from the author of the particular PhD Thesis. The results indicated a complete agreement between the experiment and the simulation process, given that the maximum and the mean deviation between them was found to be just 5.17% and 2.97% respectively, while a detailed ray tracing analysis declared that the developed collector exceeds significantly, in optical performance, other three similar geometries taken from literature. At the fifth chapter, after months of detailed research, an important study regarding the circular cavity receivers was revealed. In this analysis several new relationships were developed for calculating the absorbed solar power from the cavity receiver. These relationships have been developed exclusively from the author of the particular PhD Thesis, while they are, now, available in the international literature. After that, a cavity receiver was applied on a small PTC configuration and it was found that this innovative configuration exceeds the conventional PTC geometry by 12.16%, in thermal performance. At the last chapter of the present PhD Thesis, the main conclusions which revealed from the analysis of all the examined solar thermal collectors are presented, while the innovations of the present Thesis, as well as several suggestions regarding future research on the thermal solar systems, were, also, pointed out.

Η εν λόγω διδακτορική διατριβή έχεις ως κύρια θεματολογία την ανάπτυξη καθώς και την βελτιστοποίηση καινοτόμων ηλιακών θερμικών συλλεκτών. Αναλυτικότερα, καθ’ όλη την διάρκεια της παρούσας διατριβής δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στον σχεδιασμό, την προσομοίωση καθώς και την βελτιστοποίηση της απόδοσης ποικίλων διαφορετικών ηλιακών θερμικών συλλεκτών, ενώ κατά το τελευταίο έτος, το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στην πειραματική διερεύνηση των συστημάτων αυτών. Στο πρώτο κεφάλαιο της συγκεκριμένης διατριβής παρατίθεται μία λεπτομερής βιβλιογραφική μελέτη, αναφορικά με τις τέσσερεις κύριες κατηγορίες των θερμικών ηλιακών συλλεκτών που δεν είναι άλλες από εκείνες των επίπεδων συλλεκτών, των συλλεκτών κενού, των σύνθετων παραβολικών και των παραβολικών συλλεκτών. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε μία ενδελεχής ανασκόπηση, αναφορικά με τα είδη που συναντώνται σε κάθε μία κατηγορία, την λειτουργία τους, τα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά, τα κύρια μέρη τους και τα υλικά που χρησιμοποιούνται, ενώ στο τέλος του εν λόγω κεφαλαίου γίνεται μία εκτενής αναφορά στις διεθνείς μελέτες που έχουν διεξαχθεί για την διερεύνηση της λειτουργίας των συγκεκριμένων συλλεκτών.Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά στην θερμική ανάλυση όλων των ειδών των ηλιακών συλλεκτών καθώς και στην οπτική διερεύνηση των συγκεντρωτικών ηλιακών συλλεκτών. Πιο συγκεκριμένα, παρατίθενται όλες οι απαιτούμενες σχέσεις για την θερμική ανάλυση ενός ηλιακού συλλέκτη, οι οποίες αφορούν στα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας που συνοδεύουν την λειτουργία του τελευταίου, όπως είναι η συναλλαγή θερμότητας μεταξύ των σωληνώσεων και του εργαζόμενου μέσου καθώς και η αντίστοιχη μεταξύ του συλλέκτη και του περιβάλλοντός του. Όσον αφορά στην οπτική ανάλυση, παρουσιάζονται οι βασικές εξισώσεις που περιγράφουν την οπτική λειτουργία των συγκεντρωτικών συλλεκτών, με ιδιαίτερη έμφαση στην οπτική απόδοση, στον παράγοντα σύλληψης της ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς και στον γωνιακό παράγοντα διόρθωσης. Στο ίδιο κεφάλαιο πραγματοποιείται και μία συσχέτιση των γωνιών πρόσπτωσης, επί του ανοίγματος ενός συγκεντρωτικού συλλέκτη αναφοράς, με το αζιμούθιο του ηλίου. Στο τρίτο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, διερευνήθηκαν, αρχικά, δύο διαφορετικοί τύποι επίπεδων ηλιακών συλλεκτών, ένας με οφιοειδές και ένας με ομοαξονικό σύστημα ροής, με κύριο στόχο την μελέτη της φυσικής συναγωγής του αέρα εντός του διακένου του κάθε συλλέκτη, καθώς και τη διερεύνηση της συναγωγής εντός της κάθε σωλήνωσης ροής. Ύστερα, εξετάσθηκε η λειτουργία ενός ηλιακού συλλέκτη κενού με συμμετρικό σύνθετο παραβολικό ανακλαστήρα και βρέθηκε να υπερέχει, σε οπτική απόδοση, έναντι τριών παρόμοιων συλλεκτών. Επιπρόσθετα, ο εν λόγω ανακλαστήρας συγκρίθηκε με έναν αντίστοιχο ασύμμετρης γεωμετρίας, αναφορικά με την ετήσια οπτική του λειτουργία, θεωρώντας την ίδια γεωμετρία απορροφητή, με συνέπεια την ολοκάθαρη επικράτηση του τελευταίου κατά 4.7%. Στη συνέχεια, μελετήθηκε ένας ηλιακός συλλέκτης κενού με ομοαξονικό σύστημα ροής και βελτιστοποιήθηκε όσον αφορά στη θερμική του λειτουργία, μεταβάλλοντας την απόσταση μεταξύ των δύο ομοαξονικών σωλήνων. Διερευνήθηκε, επίσης, και η χρήση του νανορευστού Syltherm 800/CuO (5% συγκέντρωση), έναντι του ρευστού βάσης Syltherm 800, σε έναν σύνθετο παραβολικό συλλέκτη, με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης να υποδεικνύουν μία σημαντική ενίσχυση του θερμικού βαθμού απόδοσης έως και 2.76%. Οφείλουμε να τονίσουμε ότι κατά την ανάλυση των παραπάνω συλλεκτών, επιστρατεύτηκαν ποικίλα διαφορετικά θεωρητικά μοντέλα της ρευστοδυναμικής και της μεταφοράς θερμότητας, για την επικύρωση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις.Όσον αφορά στο τέταρτο κεφάλαιο, το οποίο αποτελεί το πειραματικό μέρος της παρούσας διατριβής, διερευνήθηκαν ενδελεχώς τρεις διαφορετικές περιπτώσεις. Αναλυτικότερα, η πρώτη εξ’ αυτών αφορά σε έναν σύνθετο παραβολικό συλλέκτη, ο οποίος έχει ήδη αναλυθεί πειραματικά και τα αντίστοιχα αποτελέσματα επικυρώθηκαν μέσω της διαδικασίας της προσομοίωσης, ενώ η οπτική απόδοση αυτού βελτιώθηκε σημαντικά, μεταβάλλοντας τη γεωμετρία του ανακλαστήρα, μέσω τριών διαστάσεων ελέγχου. Επίσης, από τη μελέτη του ίδιου συλλέκτη αναπτύχθηκε μία νέα σχέση, από τον συγγραφέα της διατριβής, αναφορικά με τον υπολογισμό της οπτικής απόδοσης στους συγκεντρωτικούς συλλέκτες, ενώ βρέθηκε ότι παρέχει ακριβέστερα αποτελέσματα από την συνηθέστερα χρησιμοποιούμενη σχέση, ιδιαίτερα για περιπτώσεις χαμηλού λόγου συγκέντρωσης ή/και υψηλών απωλειών μορφής του ανακλαστήρα. Η εν λόγω σχέση είναι πλέον διαθέσιμη και στην διεθνή βιβλιογραφία. Ακόμη, πραγματοποιήθηκε πειραματική μελέτη αναφορικά με μία συστοιχία τεσσάρων ηλιακών συλλεκτών κενού, οι οποίοι βρίσκονται στις εγκαταστάσεις του Εργαστηρίου Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του τμήματος των Μηχανολόγων Μηχανικών Ε.Μ.Π., ενώ επιστρατεύτηκαν δύο μέθοδοι, μια αριθμητική και μια αναλυτική, για την επικύρωση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Συγκεκριμένα, τα πειραματικά αποτελέσματα βρέθηκαν να είναι αρκετά κοντά στα αντίστοιχα της προσομοίωσης, μιας και η μέγιστη απόκλιση μεταξύ των δύο έλαβε την τιμή του 7.6%, με την μέση τιμή να είναι μόλις 3.7%. Είναι σημαντικό, επίσης, να αναφέρουμε ότι η συγκεκριμένη προσομοίωση μας έδωσε τη δυνατότητα να προβλέψουμε την θερμική απόδοση, καθώς και τις θερμοκρασίες του απορροφητή, και της εξόδου του νερού, για κάθε μία από τις τέσσερεις βαθμίδες της συστοιχίας, κάτι που η πειραματική διαδικασία δεν ήταν σε θέση να μας παράσχει. Η θερμοκρασία του απορροφητή σε κάθε βαθμίδα υπολογίσθηκε και μέσω της αναλυτικής επίλυσης, για την επικύρωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Επιπλέον, μελετήθηκε ένας καινοτόμος σύνθετος παραβολικός συλλέκτης με ασύμμετρο κάτοπτρο και σωλήνα κενού, ο οποίος σχεδιάσθηκε, κατασκευάσθηκε, προσομοιώθηκε και διερευνήθηκε πειραματικά, αποκλειστικά από τον συγγραφέα της εν λόγω διατριβής. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν πλήρη ταύτιση της διαδικασίας της προσομοίωσης με την αντίστοιχη πειραματική, δεδομένου ότι η μέγιστη και η μέση τιμή της απόκλισης μεταξύ των δύο βρέθηκε να είναι μόλις 5.17% και 2.97% αντίστοιχα, ενώ μια διεξοδική ανάλυση ιχνηλάτησης της ηλιακής ακτινοβολίας φανέρωσε ότι ο προτεινόμενος συλλέκτης υπερνικά, αναφορικά με την οπτική απόδοση, τρεις σύνθετες παραβολικές γεωμετρίες από τη βιβλιογραφία. Αναφορικά με το πέμπτο κεφάλαιο, ύστερα από μήνες ενδελεχούς έρευνας, ήρθε στο φως μία νέα σημαντική μελέτη, όσον αφορά στους κοίλους κυλινδρικούς απορροφητές. Στην εν λόγω ανάλυση, αναπτύχθηκαν ποικίλες διαφορετικές σχέσεις για τον υπολογισμό του ποσού της ηλιακής ισχύος που εισέρχεται εντός της κοιλότητας ενός τέτοιου δέκτη και απορροφάται, εν τέλει, από την επιφάνεια της τελευταίας. Οι συγκεκριμένες σχέσεις έχουν αναπτυχθεί κατά αποκλειστικότητα, από τον συγγραφέα της παρούσας διατριβής, ενώ είναι πλέον διαθέσιμες και στη διεθνή βιβλιογραφία. Ύστερα από την συγκεκριμένη μελέτη, προσαρμόσθηκε ένας κοίλος κυλινδρικός απορροφητής σε έναν παραβολικό ανακλαστήρα και βρέθηκε ότι η καινοτόμος αυτή διαμόρφωση υπερβαίνει τις αντίστοιχες συμβατικές γεωμετρίες των παραβολικών συλλεκτών κατά 12.16%, σε θερμική απόδοση. Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο της συγκεκριμένης διατριβής παρατίθενται τα κύρια συμπεράσματα που προέκυψαν από την ανάλυση όλων των μελετώμενων ηλιακών θερμικών συλλεκτών, ενώ πραγματοποιείται λεπτομερής αναφορά στα καινοτόμα στοιχεία της παρούσας διατριβής καθώς και στις προτάσεις για μελλοντική έρευνα επί των θερμικών ηλιακών συστημάτων.