Προσομοίωση πρότυπου ηλιακού συλλέκτη με ανάπτυξη υπολογιστικού κώδικα

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και προσομοίωση ενός πρότυπου ηλιακού συλλέκτη που κατασκευάζεται από ελληνική εταιρία. Ο συλλέκτης αυτός διαθέτει σύνθετο παραβολικό ανακλαστήρα χαμηλής συγκέντρωσης (τύπου CPC) και κυλινδρικό δέκτη όπου συγκεντρώνεται η ακτινοβολία. Παράλληλα εξετάζεται η απόδοση ενός εγκατεστημένου συστήματος 17 πρότυπων ηλιακών συλλεκτών. Το σύστημα αυτό βρίσκεται σε μια πιλοτική μονάδα αφαλάτωσης στην περιοχή του Aγίου Φωκά στην Τήνο. Στόχος του ηλιακού πεδίου είναι η κάλυψη των θερμικών αναγκών της μονάδας. Για την προσομοίωση του πρότυπου ηλιακού συλλέκτη αλλά και του συστήματος των ηλιακών συλλεκτών που είναι εγκατεστημένο στην πιλοτική μονάδα αναπτύχθηκαν δύο κώδικες σε γλώσσα Fortran. Οι κώδικες αυτοί προσομοιώνουν τη λειτουργία του πρότυπου συλλέκτη και του συστήματος αντίστοιχα ανά τακτά χρονικά διαστήματα καθ’ όλη τη διάρκεια της ημέρας .Σε καθένα από αυτά τα διαστήματα η ακτινοβολία και η ατμοσφαιρική θερμοκρασία θεωρούνται σταθερά. Και στις δύο προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής του Αγίου Φωκά όπου είναι εγκατεστημένο το σύστημα των συλλεκτών. Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί μια γενική εισαγωγή για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με έμφαση στην ηλιακή ενέργεια. Παράλληλα, σχολιάζεται η στάση της Ελλάδας σε ενεργειακά θέματα καθώς και οι προοπτικές στην ανάπτυξη ενεργειακών λύσεων με στόχο την εξοικονόμηση των συμβατικών καυσίμων. Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνονται οι βασικές έννοιες για την ηλιακή ακτινοβολία και οι μέθοδοι υπολογισμού της σε σχέση με την ηλιακή γεωμετρία και την ατμόσφαιρα. Εν συνεχεία γίνεται μια σύντομη αναφορά στο πρόγραμμα PVGIS και τις βάσεις δεδομένων από τα οποία προέκυψαν τα απαραίτητα μετεωρολογικά στοιχεία για την προσομοίωση του συλλέκτη. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα παρέχει την ακτινοβολία (ολική και διάχυτη) και την ατμοσφαιρική θερμοκρασία ανά διαστήματα 15 λεπτών από την ανατολή έως τη δύση του ηλίου για τη μέση ημέρα κάθε μήνα του έτους. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες σύγχρονων ηλιακών συλλεκτών καθώς και μια αντίστοιχη αναφορά στην αρχή λειτουργίας και τις εφαρμογές κάθε κατηγορίας. Ειδικότερα για τους σύνθετους παραβολικούς συλλέκτες πραγματοποιείται μια εκτενέστερη ανάλυση καθώς ο υπό μελέτη ηλιακός συλλέκτης εντάσσεται στη συγκεκριμένη κατηγορία. Η τελευταία ενότητα του κεφαλαίου αφορά τον πρότυπο ηλιακό συλλέκτη. Αρχικά εξηγούνται τα μέρη από τα οποία αποτελείται ο συλλέκτης και δίνονται φωτογραφίες από το εργαστήριο σε διάφορες φάσεις κατασκευής του. Στην ίδια ενότητα εκτίθενται τα τεχνικά χαρακτηριστικά που δόθηκαν από τον κατασκευαστή. Στη συνέχεια, για τα στοιχεία που δεν ήταν διαθέσιμα από τον κατασκευαστή πραγματοποιήθηκε μια προσέγγιση βάσει της θεωρίας των σύνθετων παραβολικών συλλέκτων. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μελέτη των τρόπων μετάδοσης θερμότητας όπως απαιτείται για τη θερμική ανάλυση ενός ηλιακού συλλέκτη. Στο κεφάλαιο αυτό καταγράφονται όσες μαθηματικές σχέσεις βρέθηκαν στη βιβλιογραφία και αφορούν μεταφορά θερμότητας από και προς τις επιφάνειες του συλλέκτη. Η ανάλυση των φαινομένων μεταφοράς θερμότητας γίνεται στα πλαίσια του μαθηματικού μοντέλου που επιλέχθηκε για την προσομοίωση του συλλέκτη γι’ αυτό και περιορίζεται στη μόνιμη και μονοδιάστατη μεταφορά θερμότητας.

Στο πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του συλλέκτη. Αρχικά, εξηγείται ο τρόπος με τον οποίο ο κώδικας αξιοποιεί τα μετεωρολογικά δεδομένα που διαβάζει υπο μορφή αρχείου κειμένου. Στη συνέχεια παρουσιάζεται αναλυτικά ο υπολογισμός όλων των θερμορροών που συναλλάσουν οι επιφάνειες του συλλέκτη αλλά και των ισολογισμών που διαμορφώνουν το σύστημα των εξισώσεων προς επίλυση. Έπειτα γίνεται αναφορά στη μέθοδο σύγκλισης που χρησιμοποιείται για την επίλυση του συστήματος των εξισώσεων. Στο ίδιο κεφάλαιο περιλαμβάνεται και μια σύνοψη όλων των παραδοχών και απλοποιήσεων που έγιναν κατά τη μοντελοποίηση του πρότυπου συλλέκτη. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την προσομοίωση του ηλιακού συλλέκτη. Στην αρχή γίνεται μια αναλυτική παρουσίαση των δεδομένων που υπολογίζονται από τον κώδικα. Μέσω των αποτελεσμάτων, διερευνώνται παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση του συλλέκτη και συγκρίνονται διαφορετικές σχέσεις υπολογισμού των θερμορροών που βρέθηκαν στη βιβλιογραφία. Έπειτα, δίνονται διαγραμματικά η αποδιδόμενη ισχύς , η θερμοκρασία εξόδου του νερού και ο βαθμός απόδοσης του πρότυπου συλλέκτη κατά τη διάρκεια της μέσης ημέρας όλων των μηνών του έτους. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τον κώδικα προσομοίωσης του συστήματος των ηλιακών συλλεκτών. Αρχικά γίνεται μια σύντομη αναφορά στη θέση και τη διάταξη που έχει το εγκατεστημένο ηλιακό πεδίο στην πιλοτική μονάδα. Στη συνέχεια δίνεται διαγραμματικά η αποδιδόμενη ισχύς και η θερμοκρασία εξόδου του συστήματος των συλλεκτών κατά τη διάρκεια της μέσης ημέρας όλων των μηνών του έτους.

The objective of this thesis is the study and simulation of a prototype solar collector which is manufactured by a greek company. The prototype collector consists of a low concentration compound parabolic reflector (cpc-type) which concentrates solar energy on a cylindrical absorber. Additionally, this study deals with the efficiency of an existing solar system which comprises 17 prototype collectors. The system is installed at an existing desalination unit in the region of Agios Fokas in Tinos island. The collector as well as the solar system were simulated developing computational codes in Fortran 77. Both codes use the meteorological data of the region of Agios Fokas, where the desalination plant is located. The first chapter is an introduction to renewable energy sources emphasized on solar energy. Moreover, the current energy regime is pointed out, as well as the prospects of developing energy solutions aiming at reducing the consumption of fossil fuels. In the second chapter there is a presentation of the basic concepts of solar radiation and its calculation concerning solar geometry and ambient conditions. Furthermore, there is a brief reference to the PVGIS program and its database for the meteorological data used in the simulation. The program provides the values of solar radiation and ambient temperature per 15 minutes from the sunrise to the sunset of the mean day of every month. The third chapter deals with the basic types of commonly used solar collectors as well as their mode of operation and applications. Especially for the compound parabolic collectors there is a more extensive analysis, since the prototype collector belongs to this category. In the last section of this chapter, the prototype collector is presented together with the technical information provided by the manufacturer. Additionally, for the data which were not given, an approximation was made based on theory of cpc-type collectors. Chapter four provides the main heat transfer theoretical basis as it is required for the thermal analysis of any heat exchanger. In this chapter all the mathematical correlations describing heat transfer between the surfaces of the collector found in bibliography were registered. However, thermal analysis is done in terms of the mathematical model chosen for the simulation of the collector. That’s why the study is limited to constant, one-dimensional heat transfer analysis. Ιn the fifth chapter the mathematical model used for the simulation of the solar collector is given. Initially, it is explained how the code makes use of the meteorological data that reads as a text document. Next, there is an analytical calculation of the heat fluxes exchanged between the surfaces of the collector as well as the equations that form the system to be resolved. Also, there is a reference to the convergence method used for the resolution of the equation system. Additionally, there is an overview of all the assumptions and simplifications taken for the modelization of the prototype collector. Chapter six comprises the results obtained from the simulation of the prototype collector. Αt first, there is an analytical presentation of the data calculated from the code. In regard to the results of the code, there is an examination of the effect of some factors on the efficiency of the collector. Also, there is a comparison between different correlations found in bibliography, which were used for the calculation of the heat fluxes. The chapter also includes diagrams for (i) the useful heat, (ii) the exit temperature of the water, (iii) as well as collector efficiency during the mean day of every month. Chapter seven comprises the results obtained from the simulation of the solar system. Ιnitially the configuration and the position of the solar field in the desalination plant are given. The chapter also includes diagrams for useful heat and exit temperature of water during the mean day of every month.