Αποθήκευση ενέργειας

Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ

ΣΧΟΛΗ : ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ: ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ

ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

"ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ"

ΣΠΟΥΔΑΣΤΡΙΑ; ΓΙΑΝΝΟΠΟΥΛΟΥ ΜΑΡΙΑ ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ: ΘΕΟΦΙΛΟΣ ΝΑΜΛΗΣ

ΚΑΒΑΛΑ 1997

Jok >

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ.

2. ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ.

2.1 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΑΙΣΘΗΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ.

2.2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΣ.

2.3 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΥΔΑΤΙΝΗ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΗ.

2.3.1 ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΜΙΑΣ ΑΠΟΘΗΚΗΣ ΥΓΡΟΥ (ΑΠΛΑΣΥΣΤΗΜΑΤΑ).

2.3.2 ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΗΣΘΕΡΜΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΜΙΑΣ ΑΠΟΘΗΚΗΣ ΥΓΡΟΥ (ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΤΡΩΜΑΤΩΣΗΣ).

2.4 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΚΛΙΝΗ ΣΤΕΡΕΩΝ.

2.5 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ.

2.6 ΗΛΙΑΚΕΣ ΛΙΜΝΕΣ.

2.6.1 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ.

2.6.2 ΔΙΑΦΟΡΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ.

2.7 ΕΠΟΧΙΑΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΣΕ ΥΔΡΟΦΟΡΑ ΣΤΡΩΜΑΤΑ.

2.8 ΑΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ.

2.9 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΣ ΝΕΡΟΥ ΚΑΙ ΣΤΕΡΕΩΝ ΣΤΗ ΠΡΑΞΗ.

3. ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΕΡΑ ΓΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΟΥ.

3.1 ΗΛΙΑΚΟΙ ΑΕΡΟΣΥΛΛΕΚΤΕΣ.

3.1.1 ΦΥΣΙΚΕΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ - ΔΕΔΟΜΕΝΑ ΑΠΟΔΟΣΗΣ.

3.2 ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ.

3.2.1 ΧΡΗΣΗ ΤΥΠΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΧΕΙΡΙΣΤΗΡΙΩΝ ΑΕΡΑ.

3.3 ΑΠΟΘΗΚΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΕΡΑ.

3.4 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΒΕΛΤΙΣΤΗΣ ΣΥΛΛΕΚΤΙΚΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ.

3.5 ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ.

4. ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΝΕΡΟΥ ΓΙΑ ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΟΥ.

4.1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΘΕΡΜΑΝΣΗΣ ΜΕ ΗΛΙΑΚΟΥΣ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΥΓΡΟΥ.

4.2 ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΣΥΛΕΚΤΩΝ - ΑΠΟΘΗΚΗΣ.

4.3 ΤΟ ΚΥΚΛΩΜΑ ΑΠΟΘΗΚΗ - ΒΟΗΘΗΤΙΚΗ ΘΕΡΜΑΝΣΗ - ΔΙΑΝΟΜΗ.

4.4 Ο ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (CONTROLLER).

5. ΜΕΘΟΔΟΣ f-CHART.

5.1 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΔΙΑΣΤΑΤΩΝ ΑΡΙΘΜΩΝ.

5.2 Η ΜΕΘΟΔΟΣ F- CHART ΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕ ΕΝΕΡΓΟ ΜΕΣΟ ΕΡΓΟ.

5.2.1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΔΕΞΑΜΕΝΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ.

5.2.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΗ ΦΟΡΤΙΟΥ.

5.3 Η ΜΕΘΟΔΟΣ f - CHART ΓΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΜΕ ΕΝΕΡΓΟ ΜΕΣΟ ΑΕΡΑ.

5.3.1 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΠΑΡΟΧΗΣ ΤΟΥ ΑΕΡΑ.

5.3.2 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΗΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΜΕ ΧΑΛΙΚΙΑ (PEBBLE - BED).

6. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΖΕΣΤΟΥ ΝΕΡΟΥ.

6.1 ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΩΝ.

6.2 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΖΕΣΤΟΥ ΝΕΡΟΥ.

ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΗΛΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ.

7.1 ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΟΥ ΚΑΙ ΝΕΡΟΥ ΧΡΗΣΗΣ ΜΕ ΑΝΟΙΧΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ.

7.2 ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΩΝ ΚΑΙ ΝΕΡΟΥ ΧΡΗΣΗΣ ΜΕ ΚΛΕΙΣΤΟ ΗΛΙΑΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ.

7.3 ΘΕΡΜΑΝΣΗ ΧΩΡΩΝ ΚΑΙ ΝΕΡΟΥ ΧΡΗΣΗΣ ΜΕ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ ΑΕΡΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΙΚΗ ΑΠΟΘΗΚΗ ΑΠΟ ΣΤΕΡΕΑ.

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Εν Αρχή ην ο Ήλιος ...και έτσι ...και εσταί... Έτσι θα μπορούσε να αρχίσει οποιαδήποτε ιστορία της γης και επίσης οποιαδήποτε ιστορία των ενεργειακών της αποθεμάτων.

Πράγματι, αν εξαιρέσουμε τη γεωθερμική και την πυρηνική ενέρ­

γεια είναι γηγενής, οι υπόλοιπες ενεργειακές πηγές που γνωρίζει και εκμεταλλεύεται σήμερα ο άνθρωπος αποτελούν δέσμευση με διάφο­

ρες φυσικοχημικές διαδικασίες , της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στη γη αδιάλειπτα επί δισεκατομμύρια χρόνια . Έ τσ ι η γη μας αποτε­

λεί, πέρα απ’ όλα τα άλλα , και μια τεράστια αποθήκη ενέργειας, την οποία ο άνθρωπος καλείται να χρησιμοποιήσει για την ανάπτυξη του πολιτισμού του και τα άλλα έμβια όντα για την επιβίωση τ ο υ ς .

Μέχρι πριν από τρις αιώνες η ανθρωπότητα χρησιμοποιούσε κατά βάση ένα καύσιμο; το ξύλο. Ακούγεται λιγάκι παράξενο στις ανα­

πτυγμένες κοινωνίες, αλλά και σήμερα αυτό αποτελεί το πρώτο καύ­

σιμο για δισεκατομμύρια ανθρώπους στις υποανάπτυκτες περιοχές της γης. Και έτσι χάρις στο ξύλο οι άνθρωποι αυτοί επιβιώνουν, επι­

τείνουν όμως πολύ την οικολογική υποβάθμιοή του πλανήτη μας α- φού τεράστιες δασικές εκτάσεις κάθε χρόνο ερημώνονται.

Αναζήτησε λοιπόν άλλες πηγές ενέργειας και η πιο πρόσφορη ήταν ο άνθρακας. Το καύσιμο αυτό γνωστό από πολύ παλιοτερα , καλά κα­

τανεμημένο σχεδόν τον πλανήτη , έπαιξε και παίζει μεγάλο ρόλο στη βιομηχανική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας έχει όμως και σημαντι­

κά μειονεκτήματα . Πέρα από την αμφισβητούμενη σε ορισμένες πε­

ριοχές οικονομικότητα της εξόρυξης και τη δυσκολία της διακίνησης του , υποβαθμίζει σημαντικά το περιβάλλον της εξόρυξης , της απο­

θήκευσης και της κατανάλωσης και ρυπαίνει σοβαρά την ατμόσφαι­

ρα κατά την καύση του . Η στροφή λοιπόν προς το πετρέλαιο ήταν φυσική και έγινε πριν από ένα αιώνα περίπου .

Το πετρέλαιο και γενικότερα οι υδρογονάνθρακες , αποτελούν τον βασιλιά των καυσίμων για τις ανάγκες του πολιτισμού μ α ς . Πράγματι, αυτοί και τα παράγωγα τους κατέχουν την πρώτη θέση στη βιομηχα­

νική και αγροτική παραγωγή , στις οικιστικές ανάγκες , στην παραγω­

γή, στην παραγωγή ηλεκτρισμού, στις μεταφορές. Είναι εκπληκτικό πόσο έχει προσαρμοστεί ο πολιτισμός μας στην ανάλωση αυτών των καυσίμων, ανασταλτικός παράγοντας βέβαια για την ανάπτυξη των άλλων ενεργειακών πηγών . Φτηνά καύσιμα, με μεγάλη θερμογόνο δύναμη, εύκολα στη μεταφορά και στη διακίνηση, καλά και εύκολα στη καύση, με λιγότερη ρύπανση της ατμόσφαιρας, έχουν δύο βασι­

κά μειονεκτήματα. Οι ποσότητες τους ως ενεργειακών αποθεμάτων είναι πολύ μικρότερες του άνθρακα και κυρίως είναι άνισα κατανεμη­

μένα στον πλανήτη μας. Το τελευταίο αποτελεί πηγή δεινών για τις πετρελαιοφόρες περιοχές, αιτία πολιτισμού για τους ιδιοκτήτες τους και ετήσιο φόρο αίματος για τους υπόλοιπους λαούς και κράτη που τα στερούνται. Ανάμεσα σ’ αυτούς και η χώρα μας που πληρώνει τε ­ ράστια ποσά σε συνάλλαγμα κάθε χρόνο για την εισαγωγή τους.

Τα τελευταία χρόνια αναζητώντας λύση στο ενεργειακό τους πρό­

βλημα οι Ευρωπαίοι και οι Βορειοαμερικάνοι στην αρχή, και στην συ­

νέχεια άλλοι λαοί ξαναθυμήθηκαν κάποιες ξεχασμένες γνώσεις, κά­

ποιες παραμερισμένες ενεργειακές πηγές. Ονομάστηκαν εναλλακτι­

κές, γιατί υποκαθιστούν και σε ορισμένες περιπτώσεις αντικαθιστούν τις συμβατικές. Ακόμα λέγονται ήπιες γιατί η ενέργεια προσφέρεται απ’ αυτές σε μεγάλη αραίωση. Τέλος ονομάζονται και ανανεώσιμες, όρος που έχει επικρατήσει, γιατί είναι ακένωτες.

Είναι η υδροηλεκτρική, η γεωθερμική, η ηλιακή, η αιολική ενέργεια, η ενέργεια από βιομάζα και ακόμα η ενέργεια των κυμάτων της θά­

λασσας και των παλιρροιών.

Είναι γνωστά τα ευεργετικά αποτελέσματα από την εκμετάλλευση του υδροηλεκτρικού δυναμικού της χώρας μας. Πάνω από 3 δισεκα­

τομμύρια κιλοβατώρες παράγονται το χρόνο από τα υδροηλεκτρικά εργοστάσια εξοικονομώντας πολύτιμο συνάλλαγμα και κάνοντας την εξάρτηση μας από τα συμβατικά καύσιμα μικρότερη. Ακόμα οι γεω­

θερμικές πηγές της Μύλου, της Νισύρου και των άλλων περιοχών έ ­ χουν καλή συμπεριφορά και είναι από οικονομική άποψη ελκυστικά.

Από τις πετυχημένες προσπάθειες παραγωγής ενέργειας από βιομά­

ζα αναφέρουμε τη παραγωγή οινοπνεύματος για την κίνηση οχημά­

των στη Βραζιλία και μεθανίου για εικαστικές ανάγκες στη Κίνα. Δεν υπάρχουν ακόμα αξιόλογα αποτελέσματα διεθνώς εκτός από μερικές εργαστηριακές ή εγκαταστάσεις - πιλότοι για την εκμετάλλευση των κυμάτων και των παλιρροιών.

Αφήσαμε τελευταία την ηλιακή ενέργεια που μας ενδιαφέρει πε­

ρισσότερο. Ο ζωοδότης ήλιος μας τροφοδοτεί με τεράστιες ποσότη­

τες ενέργειας καθημερινά. Έχει μετρηθεί ότι η ενέργεια που φτάνει έξω από την ατμόσφαιρα είναι σταθερή και ίση με 1353 W/πι^. Χον­

δρικά η μισή από τη ποσότητα αυτή φτάνει στην επιφάνεια της γης.

Και είναι πολύ μεγάλη. Αρκεί να σκεφθεί κανείς ότι 24 τετραγωνικά χιλιόμετρα στη περιοχή των Αθηνών, δέχονται τόση ηλιακή ενέργεια όση παράγει η ΔΕΗ για όλη τη χώρα.

Δυστυχώς η τεράστια αυτή ποσότητα ενέργειας δεν είναι άμεσα α- πολήψιμη. Η ηλιακή ενέργεια δεν είναι σταθερή κατά τη διάρκεια της ημέρας και μεταβάλλεται επίσης κατά τη διάρκεια του έτους. Έτσι γεννιέται το πρόβλημα της ενεργειακής αποθήκης, που δεν έχει ακό­

μα επαρκώς λυθεί, ιδίως όταν πρόκειται για μεγάλο χρόνο αποθή­

κευσης και μεγάλης ισχύος εγκαταστάσεις.

Μιλήσαμε για τον ηλιακό συλλέκτη. Η πιο απλή περίπτωση είναι οι επίπεδοι συλλέκτες που απορροφούν ένα μεγάλο μέρος της ηλιακής ενέργειας που φτάνει σε αυτούς και τη μετατρέπουν σε θερμότητα χαμηλής - μέχρι 100° C - θερμοκρασίας. Η ενέργεια αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για τη θέρμανση νερού χρήσης και για άλλες χρήσεις στον οικιστικό, αγροτικό ή βιομηχανικό τομέα όπου η θερμό­

τητα, χαμηλής θερμοκρασίας, απαιτείται. Για συλλογή θερμότητας σε μέσες - από 100 μέχρι 300° C - θερμοκρασίες, χρησιμοποιούνται οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες που αποτελούνται από δύο τμήματα, τον συγκεντρωτήρα, δηλ. ένα οπτικό σύστημα που συγκεντρώνει τις η­

λιακές ακτίνες, και τον δέκτη που τις δέχεται και τις απορροφά. Οι ε­

πιτυγχανόμενες θερμοκρασίες έτσι είναι υψηλότερες, ανάλογες με τον βαθμό συγκέντρωσης, αλλά η αποδοτικότητα των συγκεντρωτι­

κών συλλεκτών πέφτει σε βάρος βέβαια της οικονομικότητας του η­

λιακού συστήματος. Τέλος υψηλότερες θερμοκρασίες μπορεί να επι­

τευχθούν με συστήματα κινητών κατόπτρων αναπτηγμένων σε μεγά­

λη επιφάνεια που ανακλούν την ηλιακή ενέργεια σε προκαθορισμένη εστία - θερμική αποθήκη.

Γ ια την αποθήκευση της θερμικής ενέργειας δύο μέσα, χρησιμο­

ποιούμενα από παλιά, εξακολουθούν να είναι σε πρώτη χρήση. Το νερό και η θερμική κλίνη από στερεά, ιδίως από χαλίκια ( pebble - bed ) δεσμεύουν την ηλιακή ενέργεια από τους συλλέκτες ως αισθη­

τή θερμότητα. Φτηνά υλικά και τα δύο, με συγκεκριμένα πλεονεκτή­

ματα, συμπληρώνουν την ηλιακή εγκατάσταση και παίζουν αυτό τον ρόλο μεταξύ της προσφοράς ηλιακής ενέργειας και της κατανάλω­

σης. Πέραν αυτών πολλές χημικές ενώσεις έχουν προταθεί που δε­

σμεύουν την προσφερόμενη από τους ηλιακούς συλλέκτες ενέργεια κυρίως σαν χημική σε αμφίδρομες χημικές αντιδράσεις ή ακόμα σαν λανθάνουσα θερμότητα αλλαγής φάσεις, αλλά λίγες απά αυτές έ­

χουν βρει πρακτική εφαρμογή. Ό λες αυτές οι ενεργειακές αποθήκες εξυπηρετούν για μικρές ποσότητες ενέργειας και για μικρό χρόνο α­

ποθήκευσης. Υπάρχουν όμως χώρες όπως οι βορειοευρωπαικές που η προσφερόμενη ηλιακή ενέργεια τους χειμερινούς μήνες είναι ασή­

μαντη αφού ο ήλιος εμφανίζεται 1 έως 4 ώρες κοντά στον ορίζοντα, τότε ακριβώς που οι ενεργειακές ανάγκες είναι αυξημένες. Η αποθή­

κη λοιπόν που θα χωρούσε μεγάλες ποσότητες ενέργειας για μεγάλο χρόνο ή ακόμα που θα μετέφερε τις αποθηκευμένες ποσότητες από τη μια εποχή στην άλλη ήταν το αιτούμενο. Δυστυχώς οι συμβατικές αποθήκες, η υδάτινη και η κλίνη στερεών, σε μεγάλα μεγέθη είναι α- ντιοικονομικές, καταλαμβάνουν πολύ μεγάλο χώρο και έχουν μεγά­

λες απώλειες. Πολλές αξιόλογες εγκαταστάσεις - πιλότοι έχουν γίνει με αποθήκη μια ηλιακή λίμνη. Είναι δε ηλιακή, μια τεχνική λίμνη, που ο βυθός της είναι βαμμένος μαύρος και απορροφά την ηλιακή ακτινο­

βολία που διαπερνά το στρώμα του αλατισμένου νερού απά το οποίο αποτελείται. Αποθηκεύονται έτσι με επιτυχία μεγάλες ποσότητες θερμότητας σε μια κατασκευή που συνδυάζει τους συλλέκτες και την ενεργειακή αποθήκη μαζί.

2.ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΑΝ ΑΙΣΘΗΤΗ ΚΑΙ ΛΑΝΘΑΝΟΥΣΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ

Η θερμική ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί σε διάφορα μέσα με τις μορφές της αισθητής θερμότητας (αλλαγή θερμοκρασίας), της λαν- θάνουσας θερμότητας (ισόθερμη αλλαγή φάσης), ή μ3ετον συνδυα­

σμό και των δύο. Αυτή αποθηκεύεται συνήθως σε υποσυστήματα που συνήθως περιέχουν ένα μέσο αποθήκευσης, ένα κιβώτιο, μόνωση, ε- ναλλάκτες θερμότητας, υγρό για την μεταφορά θερμότητας, αντλίες και συστήματα ελέγχου. Η αποδοτικότητα αυτών των συστημάτων για ένα συνολικό κύκλο αποθήκευσης δίνεται από τη σχέση:

η = Οέξοδος/Οείσοδος = (Ο είσ οδος-Α π ώ λεΐες) /Οείσοδος

2.1 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΑΙΣΘΗΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

"Αισθητή” θερμότητα αποθηκεύεται όταν η θερμοκρασία του μέσου αποθήκευσης αυξάνει. Το νερό και τα βότσαλα είναι πιο κοινά υλικά, που χρησιμοποιούνται για αποθήκευση ενέργειας χαμηλής θερμο­

κρασίας γιατί έχουν χαμηλό κόστος και είναι εύκολα διαθέσιμα.

(Πέτρες και ορυκτέλαιο έχουν προταθεί για αποθήκευση ενέργειας ψηλής θερμοκρασίας). Κάθε δομικά και χημικά σταθερό στερεό ή υ­

γρό, που κατά προτίμηση έχει μεγάλη πυκνότητα και μεγάλη ειδική θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αν το κόστος του μπορεί να δι­

καιολογηθεί.

Το ποσό της ενέργειας που απαιτείται για την αύξηση της θερμο­

κρασίας μιας μονάδας ενός υλικού κατά ένα βαθμό είναι η ειδική θερμότητα (θερμοχωρητικότητα). Ο πίνακας 1 περιλαμβάνει τις ειδι­

κές θερμότητες με βάση την μάζα και τον όγκο για διάφορα υλικά.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Ειδικές θερμότητες νια κοινά υλικά

Με βάση τη μάζα Με βάση τον όγκο Υλικό______________________ KJ/Kg.° Κ______________ Κϋ/πι^ °Κ Νερό

Χάλυβας

4.19 0.46

4190 2680^

Βράχος (2-4 cm διαμ.) 50/50 του όγκου νερό/γλυκόζη διάλυυα ( 1 5 ° 0 ______

0.84 2.7

1340^

2450

h Υποθέτουμε κάλυψη όγκου κατά 70%.

Σημειώστε ότι το νερό έχει θερμοχωρητικότητα τρις φορές μεγα­

λύτερη απ’ αυτή της πέτρας (βράχων), για τον ίδιο όγκο . Αυτό σημαί­

νει ότι η αποθήκευση σε στρώμα βράχων (rock-bed), θα πρέπει να ε ί­

ναι τρις φορές μεγαλύτερη από ότι η δεξαμενή νερού, που αποθη­

κεύει το ίδιο ποσό αισθητής θερμότητας.

Διάρκεια. Η ζήτηση (φορτίο) και η ένταση της ακτινοβολίας έχουν και τα δύο περιοδικές διακυμάνσεις ημερήσιες και εποχιακές καθώς και περιοδικά χαρακτηριστικά, που οφείλονται στις καιρικές μεταβο­

λές. Η θέρμανση νερού είναι μία αρκετά συνηθισμένη ημερήσια α­

παίτηση και απαιτεί μια περίοδο αποθήκευσης 1 μέρας (ή περισσότε­

ρο). Τα περισσότερα συστήματα είναι σχεδιασμένα στη βάση της α­

ποθήκευσης για περίπου 1(1/2) μέρα.

Για τις εφαρμογές της θέρμανσης χώρου η απαιτούμενη χωρητικό­

τητα της αποθήκευσης είναι γενικά μεγαλύτερη - πιθανόν 2 μέρες. Το σχήμα 1. παριστάνει ένα ποιοτικό σκίτσο του κόστους του ηλιακού συστήματος σαν συνάρτηση του όγκου (ή μάζας) της αποθήκευσης, ανά μονάδα συλλεκτικής επιφάνειας. Αν η αποθήκευση είναι πολύ μι­

κρή τότε η πιθανή συλλογή ενέργειας δεν μπορεί να αποθηκευτεί (απώλεια ενέργειας), ενώ, αν είναι πολύ μεγάλη, η αύξηση του κό­

στους για πρόσθετη αποθήκευση αυξάνει γρηγορότερα από ότι η αύξηση των αποθεμάτων καυσίμων. Ακόμη, αν ο όγκος της αποθή-

10

κευσης αυξάνει, οι απώλειες τείνουν να γίνουν μικρότερες λόγω χα­

μηλότερης μέσης θερμοκρασίας αποθήκευσης, αλλά τείνουν να γί­

νουν μεγαλύτερες λόγω αύξησης της επιφάνειας.

Ο γ<ος (Μ ά ζ α ) α τΓ ο 9 η < ευ σ η ς/υ ο υ ά δ α σ υ λ λ ε κ Ί κ η ς ε τπ ι

Η συνδυασμένη αυτή επίδραση (πιέζει τις απώλειες ψηλότερα ή χα­

μηλότερα 1 εξαρτάται από την χωρητικότητα και τη γεωμετρία της α­

ποθήκης..

Τα πιο πρακτικά μεγέθη για ένα σύστημα θέρμανσης είναι περίπου 35-70 Kg νερού ανά τετραγωνικό μέτρο συλλεκτικής επιφάνειας για σύστημα με νερό και περίπου 0.3 πι^- βράχων (βότσαλα) ανά τετρ α ­ γωνικό μέτρο συλλέκτη για ένα σύστημα αέρα.

Απαιτήσεις θερμοκρασίας. Για ζεστό νερό κατοικίας, θερμοκρασί­

ες αποθήκης των 52° - 57° -C .(325 - 330 Κ) είναι συνήθεις, ενώ για ε­

μπορικές εφαρμογές συνιστάται μια θερμοκρασία των 82° C (335 Κ).

Στις εφαρμογές ηλιακής θέρμανσης, θερμοκρασίες αποθήκης περί­

που 57° C (330 Κ ) είναι συνήθεις. Αν και η ενέργεια μπορεί να παρα- λαμβάνεται από τον αέρα (εναλλάκτης υγρού - αέρα) σε μια ουσιω- δώς χαμηλότερη θερμοκρασία των 32°C (305 Κ), η ψηλότερη θερμο-

11

κρασία της αποθήκης μειώνει τον όγκο της. Οι ψυκτικοί κύκλοι (π.χ.

απορρόφηση) απαιτούν θερμοκρασίες περίπου 77°0 (350 Κ) ελάχι­

στο, και έτσι η αποθήκη απαιτείται ανάμεσα στους 87° και 107°C (360 κ α ι380 Κ).

Οι μονάδες αποθήκευσης της ηλιακής ενέργειας μπορούν να το­

ποθετηθούν είτε μέσα ή έξω από το κτίριο. Στις περισσότερες περιο­

χές οι μονάδες αποθήκευσης πρέπει να τοποθετηθούν κάτω από το έδαφος και μέσα στον χώρο του κτιρίου όπου είναι δυνατόν και κοντά σε άλλα ηλιακά εξαρτήματα. Η τοποθέτηση της αποθήκης στο εσω­

τερικό την προστατεύει από την υγρασία και το ψύχος και η απώλεια ενέργειας θα βοηθά στην θέρμανση του κτιρίου τον χειμώνα. Τα μειονεκτήματα είναι ότι η απώλεια ενέργειας προς το κτίριο προστί­

θεται στο ψυκτικό φορτίο, κατά την διάρκεια του καλοκαιριού και ότι πρέπει να προβλεφθεί ένας αρκετά δαπανηρός χώρος. Έτσι, σε κλί­

ματα όπου κυριαρχούν τα ψυκτικά φορτία, είναι προτιμότερη μία το­

ποθέτηση της αποθήκης έξω από τον κλιματιζόμενο χώρο.

2.2 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΕΣ ΑΠΟΘΗΚΕΣ

ΓΕΝΙΚΑ

Η ενεργειακή αποθήκη θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση της απόδοσης των μεγάλων κυρίως ενεργειακών μονάδων, να μειώ­

σει τι; ενεργειακές ανάγκες και να επιτρέψει να χρησιμοποιηθούν οι ενεργειακές πηγές πιο αποδοτικά.

Παράλληλα με την κατάδειξη της αναγκαιότητας της ενεργειακής αποθήκης,'εγινε έρευνα για τα χαρακτηριστικά της έτσι που να είναι

οικονομικά συμφέρουσα σε βιομηχανικές, εμπορικές ή οικιακές ε­

φαρμογές.

Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά μιας ενεργειακής αποθήκης, στα οποία θα έπρεπε να βασισθεί μια εγκατάσταση είναι τα ακόλουθα:

1 .Χωρητικότητα αποθήκευσης 2.Τρόπος φόρτισης και εκφόρτισης Θ.Χρόνος ζωής της αποθήκης

4. Βάρος, όγκος και άλλα φυσικά χαρακτηριστικά της 5. Κρίσιμες παράμετροι ασφαλείας

Θ.Περιβαντολογικά δεδομένα /.Αποδεκτό αρχικό και λειτουργικό κόστος

Ένα άλλο πρόβλημα, σχετικό με το είδος της αποθήκης, συνδέεται με τη φύση της ενέργειας που θέλουμε να αποθηκεύσουμε. Έ τσ ι σή­

μερα αποθηκεύεται δυναμική ενέργεια, κινητική ενέργεια, χημική ε­

νέργεια, ενέργεια υπό μορφή ενεργειακών πεδίων και θερμική ενέρ­

γεια. Κάθε είδος αποθηκευμένης ενέργειας απαιτεί μια ειδική αποθή­

κη και έχει πλεονεκτήματα και περιορισμούς.

Παρακάτω θα ασχοληθούμε με τη θερμική αποθήκευση, που είναι και η πιο συνηθισμένη για ηλιακές εφαρμογές, και τη σχέση της με τις άλλες συνιστώσες της ηλιακής θερμικής διαδικασίας που είναι η συλλογή της ηλιακής ενέργειας, η μετατροπή της σε θερμική, η βοη­

θητική ενεργειακή πηγή και τα συστήματα ελέγχου.

Υπάρχουν, πολλοί παράγοντες που πρέπει να εξετασθούν για να α­

ποφασίσει κανείς το υλικό μέσο αποθήκευσης της θερμικής ενέρ­

γειας. Τα επιθυμητά χαρακτηριστικά του, κατά τους προαναφερόμε- νους συγγραφείς, είναι τα ακόλουθα;

1. Υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητα, 2. Υψηλή θερμική διάχυση, Θ.Υψηλό ειδικό βάρος,

4. Να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως θερμικό και ως ψυκτικό μέσο, 5. Σταθερότητα χημική και γεωμετρική,

6. Να μην είναι εύφλεκτο, να μην διαβρώνει και να μην είναι τοξικό, 7. Να έχει χαμηλή πίεση ατμών (στην περίπτωση αερίου), 8. Να έχει χαμηλό κόστος τόσο αυτό όσο και το δοχείο που θα το πε­

ριέχει,

9. Να είναι ικανοποιητικής μηχανικής αντοχής, 10. Το φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας του είναι ευρύ.

Μια άλλη συνιστώσα, που πρέπει να εξετασθεί είναι η βέλτιστη θερμική χωρητικότητα της θερμικής αποθήκης. Ειδικά για τις ηλιακές εφαρμογές η χωρητικότητα της ενεργειακής αποθήκης βασίζεται :

1 .Στήν αναμενόμενη και χρονικά μεταβαλλόμενη ηλιακή ακτινοβολί-

2. Στο μέγεθος και τις μεταβολές των ενεργειακών αναγκών, 3. Στο βαθμό αξιοπιστίας που πρέπει να έχει η εγκατάσταση, 4. Στη διαθέσιμη βοηθητική ενεργειακή πηγή,

δ.Στην οικονομική ανάλυση, που θα καθορίσει τι ποσοστό από τις ε­

τήσιες ενεργειακές ανάγκες θα καλύψει το ηλιακό σύστημα και τη βοηθητική πηγή.

Δύο είδη θερμικών αποθηκών θα μας απασχολήσουν κυρίως, τα πιο συνηθισμένα στις ηλιακές εφαρμογές που είναι η Υδάτινη Θερμική Αποθήκη και η Θερμική Κλίνη Στερεών.

14

2.3 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΥΔΑΤΙΝΗ ΘΕΡΜΙΚΗ Α­

ΠΟΘΗΚΗ

Το νερό συνιστάται για την αποθήκευση ενέργειας, εάν είναι να χρησιμοποιηθεί ένα υγρό σαν μέσο μεταφοράς θερμότητας στους η­

λιακούς συλλέκτες. Εάν απαιτείται ένα αντιψυκτικό διάλυμα για το κύκλωμα του συλλέκτη, είναι απαραίτητος ένας εναλλάκτης ανάμεσα στο κύκλωμα υγρού του συλλέκτη και στο υγρό της αποθήκης για τί η χρήση αντιψυκτικού σαν μέσο αποθήκευσης είναι δαπανηρή. Αν δεν ενδιαφέρει το πάγωμα το υγρό από την αποθήκη μπορεί να ανακυ­

κλώνεται απευθείας μέσα από τους συλλέκτες (χωρίς ένα εναλλάκτη θερμότητας) και το νερό της αποθήκης να αντλείται απευθείας στα συστήματα θέρμανσης ή σε μια μονάδα απορρόφησης της ψύξης Τέσσερις συνθήκες πρέπει να αποφευχθούν όταν χρησιμοποιείται υ­

γρό για την αποθήκη ενέργειας:

1. Πάγωμα, στα ψυχρά κλίματα.

2. Βρασμός, με επακόλουθη αύξηση της πίεσης στο σύστημα.

3. Διάβρωση στις δεξαμενές αποθήκευσης και τους σωλήνες.

4. Διαρροή.

Το πάγωμα μπορεί να αποτραπεί με τοποθέτηση του δοχείου μέσα, ή αν πρέπει έξω, τότε με θάψιμο του κάτω από τη γραμμή παγετού. Αν και ο βρασμός είναι σπάνιος για καλά σχεδιασμένα συστήματα κατά την διάρκεια της θερμαντικής περιόδου, πρέπει να αναμένεται κατά την διάρκεια του καλοκαιριού αν μειωθούν τα φορτία. Ο ατμός που παράγεται μπορεί εύκολα να αφεθεί να ξεφύγει έξω από το κτίριο για να αποτραπεί αύξηση της πίεσης στην δεξαμενή και για να

"απορρίφθεί" θερμότητα από το σύστημα. Ένας σωλήνας στην

κορυφή της δεξαμενής που οδηγεί προς τα έξω με μια χαμηλής πίε­

σης ανακουφιστική βαλβίδα είναι αρκετά. Για ένα σύστημα χωρίς τ ε ­ χνητή πίεση (χωρίς αντλία), δεν απαιτείται ανακουφιστική βαλβίδα, αλλά πρέπει να προβλεφθεί μία βαλβίδα, αλλά πρέπει να προβλεφθεί μία βαλβίδα, αλλά πρέπει να προβλεφθεί μία βαλβίδα ελέγχου με φλάτερ για να συντηρεί με πρόσθετο νερό την δεξαμενή αποθήκευ­

σης. Συχνός βρασμός του νερού της αποθήκης θα προκαλέσει αύξη­

ση των ιζημάτων (αλάτων) στον συλλέκτη και την αποθήκη.

Διάβρωση συχγά συμβαίνει στις συνδέσεις των σωλήνων με την δε­

ξαμενή. Αν χρησιμοποιηθούν ανόμοια μέταλλα, αυτό θα έχει σαν α­

ποτέλεσμα την γαλβανική διάβρωση. Γι αυτό, θα πρέπει να χρησιμο­

ποιούνται λαστιχένιοι σωλήνες νεοπρενίου ή διηλεκτρικές ενώσεις

για την σύνδεση των χαλκοσωλήνων με τα εξαρτήματα των χαλύβδι­

νων δεξαμενών.

Η διαρροή νερού πρέπει να αποτρέπει γιατί μπορεί να καταστρέψει την μόνωση της δεξαμενής και άλλα υλικά κοντά στην δεξαμενή. Ε­

πειδή είναι δύσκολο να εντοπιστεί μια διαρροή μετά την τοποθέτηση της μόνωσης, η δεξαμενή θα πρέπει να ελεγχθεί για διαρροές με όλα τα εξαρτήματα της στη θέση τους πριν προστεθεί η μόνωση.

Το υγρό στην κορυφή της δεξαμενής αποθήκευσης θα είναι γενικά θερμότερο απ’ ότι στη βάση γιατί η χαμηλή πυκνότητα του ζεστού υ­

γρού προκαλεί την κίνηση του προς τα επάνω διαμέσου του πυκνού ψυχρού υγρού. Το μέγεθος της διαφοράς της θερμοκρασίας είναι συνάρτηση του ύψους της δεξαμενής και της εγκάρσιας τομής κα­

θώς επίσης της θέσης των υδραυλικών θυρίδων και του ρυθμού ανα­

κύκλωσης. Κάθε στρωμάτωση θερμοκρασίας που επιτυγχάνεται μπορεί να είναι χρήσιμη αν οι σωλήνες συνδεθούν κατάλληλα, γιατί η χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία μπορεί τότε να αντληθεί προς τον συλλέκτη, και έτσι να βελτιώσει την απόδοση των συλλεκτών, και η ψηλότερη διαθέσιμη θερμοκρασία μπορεί να διανεμηθεί στα φορτία των θερμαντικών στοιχείων.

2. Η στρωμάτωση μπορεί ακόμη να βελτιωθεί με χρήση πολλαπλών δεξαμενών.

2.3.1 Μοντέλο rnc θερμικής συυπεριφοράς uiac αποθήκης υνοού (Απλά συστήματα).

Σε ένα απλό μοντέλο, η αποθήκη υποτίθεται ότι αποτελείται από μία δεξαμενή καλής ανάμιξης του υγρού. Η δεξαμενή έτσι φτάνει σε μία ομοιόμορφη θερμοκρασία κάθε φορά που προστίθεται ή αφαι- ρείται ενέργεια από την δεξαμενή αντικαθιστώντας το νερό της δε­

ξαμενής με νερό σε μια διαφορετική θερμοκρασία. Ένα τέτοιο μο­

ντέλο (σχήμα 3) παραβλέπει την παρουσία των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας που παρουσιάζονται στις πραγματικές δεξαμενές α­

ποθήκευσης.

ΣΧ. 3. Απλή αποθήκη μάζας m, λειτουργεί στην θερμοκρασία Ts με εξωτερική Ta.

Για μια δεξαμενή στρωμάτωσης, όπως φαίνεται στο σχήμα 3, το ε ­ νεργειακό ισοζύγιο της δεξαμενής δίνεται από τη σχέση:

( mCp) St * (dTst/dt) = Qu - L - (UA) St (Tst - Ta) (3)

όπου ( mCp)st η θερμοχωρητικότητα της αποθήκης ( Kcal/grd) Qu = mCp { Tc,o- Tc.i) προσδιδόμενη θερμική ισχύς από τους Η.Σ στην αποθήκη, σε ( Kcal/h)

L αποδιδόμενη στο φορτίο θερμική ισχύς σε ( Kcal/h) (UA)st συντελεστής θερμικών απωλειών αποθήκης σε ( Kcal/(h grd))

Tst θερμοκρασία νερού αποθήκης, σε( g rd ) Ta θερμοκρασία περιβάλλοντος, σε ( g rd )

2.3.2 Μοντέλο της θερμικής συμπεριφοράς uioc αποθήκης υγρού (Συστήυατα στοωυάτωσηο).

Στο μοντέλο ενός συστήματος αποθή- κευσηςμεστρωμάτωση , η δεξαμενή του υ­

γρού, ύψους L, υποτί- θεταιότιαποτελείται α­

πό π στοιχεία ύψουςΔχ (σχήμα4) .Υποθέτοντας ότι οιταχύτητες μέσα στη δεξαμενή είναι μι­

κρές, καταστρώνουμε μια γενική σχέση που μας δίνει ένα τυχαίο στοιχείο της αποθήκης m,( σχήμα 5 ), παίρνοντας υπόψη την ανταλλαγή ενέργειας ανάμεσα

στο στοιχείο m και τα

V j . , , . , . . ,

ΣΧ. 5. Ενέργεια χείο υγρού, m.

— - Γ-,..,..

1 ,

I J , i

κό ισοζύγιο σε ένα στοι-

γειτονικά του στοιχεία m -1και πι 4-1. Το μοντέ­

λο σε γενικές γραμμές έχει ως εξής ; θεωρού­

με ότι ζεστό υγρό, rric, μπαίνει από την κορυφή της δεξαμενής, m=1, και ανεβάζει την εσωτε­

ρική ενέργεια εκείνου του στρώματος πι ( αλλά και αυτών που βρίσκονται προς τα κάτω.

m +1, m + 2 ...n ) μόνο όταν η θερμοκρασία του υγρού Tf.out είναι η μεγαλύτερη απ' αυτήν του στρώματος m, Τ^. Με όμοιο τρόπο, κρύο υγρό, mL επιστρέφει από το κύκλωμα του φορτίου στην βάση της δε­

ξαμενής, πι = η και αλλάζει την εσωτερική ενέργεια του στοιχείου πι ( αλλά και των στοιχείων που βρίσκονται προς τα πάνω, m -1, πι - 2... 1) μόνο όταν η θερμοκρασία επιστροφής του TL,out είναι μικρό­

τερη απ’ αυτήν του στοιχείου m, Τπι.

ξ \

^

! C

\

ί \

1 L ;α ; □

ά

C α

■ „ ί ?

ΣΧ.6. Σύγκριση των θερμοκρασιών αποθήκευσης με στρωμάτωση και της μικτής (ισόθερμης) - στρωμάτωση, -μικτή.

ΣΧ.7. Επίδραση της σρωμάτωσης στο προφίλ θερμ/σιών μιας δεξα­

μενής - μικτή,ο στρωμάτωση, με 5 διαιρέσεις, 10 διαιρέ­

σεις.

Χρησιμοποιώντας αυτό το μοντέλο για προσομοίωση σε ηλεκτρονικό υπολογιστή μπορεί να προσδιορισθεί η επίδραση της στρωμάτωσης στην θερμοκρασία αποθήκευσης. Το σχήμα 6 δείχνει τις θερμοκρα­

σίες στα στοιχεία της κορυφής και της βάσης σε μια δεξαμενή χωρι­

σμένη σε 10 στρώματα και την θερμοκρασία σε μια ισόθερμη αποθή­

κη. Σημειώστε ότι η θερμοκρασία του στοιχείου της βάσης είναι γενι­

20

κά κάτω από την προβλεπόμενη θερμοκρασία της ισόθερμης αποθή­

κης. Έ τσ ι η θερμοκρασία εισόδου του υγρού στον συλλέκτη σε ένα σύστημα στρωμάτωσης θα είναι χαμηλότερη οδηγώντας σε υψηλό­

τερες αποδόσεις τον συλλέκτη απ’ ότι ένα σύστηνα ισόθερμης απο­

θήκης ( με ανάμειξη ). Έτσι η αποδοτικότητα του συστήματος ως προς την συλλογή της ηλιακής ενέργειας θα είναι ανεβασμένη σε σχέση με τα αποτελέσματα της ( μικτής ) ισόθερμης αποθήκης, επι- προσθέτως, η θερμοκρασία του υγρού που διανέμεται από την κο­

ρυφή της αποθήκης προς το φορτίο είναι ψηλότερη στην περίπτωση της στρωμάτωσης. Έτσι ο εναλλάκτης θερμότητας του φορτίου θα μεταφέρει ενέργεια με ένα μεγαλύτερο ρυθμό. Διάφορα προφίλ θερμοκρασιών στρωμάτωσης μιας δεξαμενής για 3,6 και 9 h μετά την ανατολή φαίνονται στο σχήμα 7.

2.4 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΚΛΙΝΗ ΣΤΕΡΕΩΝ Σε ένα σύστημα αέρα, ο αέρας που θερμαίνεται από τον ήλιο { αεροσυλλέκτες), περνά κατευθείαν μέσα από ένα στρώμα από βό­

τσαλα την κορυφή προς τα βότσαλα ( pebble - bed ή rock - bed) α­

πό την κορυφή προς τη βάση του. Καθώς ο αέρας περνά μέσα από τα βότσαλα, η θερμοκρασία της πέτρας ανεβαίνει καθώς ενέργεια με- ταφ έρεται από τον αέρα προς τις πέτρες. Ο ψυχρός αέρας που βγαί­

νει από την βάση του στρώματος επιστρέφει στους συλλέκτες για να αναθερμανθεί. Στην αποθήκη με στρώμα από βότσαλα η θερμική σρωμάτωση ( η κορυφή θερμότερη από τη βάση ) που παρατηρείται είναι καλύτερη απ' ότι σ' ένα σύστημα υγρού γιατί η αγωγιμότητα διαμέσου του στρώματος είναι μικρή και γιατί η

συναγωγή λόγω ανάμειξης δεν είναι δυνατή όπως στα συστήματα υ­

γρού.

Η αποθηκευμένη θερμότητα διανέμεται στο κτίριο με ανακύκλωση του αέρα του δωματίου διαμέσου του στρώματος προς την αντίθετη κατεύθυνση. Καθώς ο αέρας ρέει προς τα πάνω μέσα στο στρώμα θερμαίνεται και ο θερμός αέρας ανακυκλώνεται μέσα στα δωμάτια. Η βάση του στρώματος από βότσαλα βρίσκεται σε μια χαμηλότερη ( κοντά σ' αυτή του δωματίου ) θερμοκρασία, κατά τη διάρκεια της ε ­ πόμενης περιόδου συλλογής, ο αέρας που φεύγει από την βάση του στρώματος θα είναι ψυχρός και οι συλλέκτες θα λειτουργήσουν με μεγάλη αποδοτικότητα.

Ένα μέγιστο βάθος περίπου 2 m από βότσαλα συνιστάται για α­

ποδεκτό φορτίο ( στο πάτωμα) και αποδεκτή πτώση πίεσης του αέρα.

Η τττώση πίεση ακόμη εξαρτάται από το μέγεθος και την ομοιομορφία των βοτσάλων. Για μια συνήθη ταχύτητα γύρω στα 0.1 πι/s μέσα από χαλίκια διαμέτρου 1.8 - 3.6 cm και συνολικό ύψους 1.5 m η τττώση πί­

εσης θα είναι γύρω στα 75 Pa ( N/m^). όπως φαίνεται στο σχήμα 8, τα βότσαλα στηρίζονται πάνω σ' ένα συρμάτινο πλέγμα, που με τη σειρά του στηρίζεται σε στερεά τεμάχια που δημιουργούν μία μεγάλη επι­

φάνεια για την άνετη ροή του αέρα στο χαμηλότερο επίπεδο. Η κά­

λυψη της βάσης απ' αυτά τα στερεά τεμάχια ( κυβόλιθοι) μπορεί να είναι γύρω στα 50%, για την περίτττωση που το συρμάτινο πλέγμα ε ί­

ναι ελαφρύ. Αν χρησιμοποιηθεί συγκολημένο σύρμα ( μεγάλου βά­

ρους ) , τότε ο αριθμός των τεμαχίων ( κυβόλιθων) πρέπει να είναι με­

γαλύτερος.

Οριζόντια ροή έχει χρησιμοποιηθεί αραιά σε στρώματα με βότσα­

λα. Η αποδοτικότητα, όμως, της μεταφοράς θερμότητας είναι χαμη­

λότερη απ’ ότι στα στρώματα με κατακόρυφη ροή, εξαιτίας της τά ­ σης του θερμού αέρα να ρέει προς το ψηλότερο μέρος του ψυχρού αέρα προς τη βάση.

Ανάλυση. Έχουν ανατττυχθεί μέθοδοι προσομοίωσης που βασίζονται στην μονοδιάστατη μεταβατική ανάλυση της ανταλλαγής ενέργειας ανάμεσα στο ρεύμα αέρα και τα βότσαλα, χρησιμοποιώντας την α­

πεικόνιση με πεπερασμένες διαφορές, το στρώμα που έχει μήκος L, προς την κατεύθυνση της ροής χωρίζεται σε η στοιχεία μήκους Δχ.

Ένα ενεργειακό ισοζύγιο για το υγρό κατά μήκος Δχ ^ Un είναι:

mf * Cf * ( Tf,x - Tf,χ -I- Δχ) = hu * A * Δχ ( Tf,χ - Tb,x)

όπου hu είναι ο ( ογκομετρικός ) συντελεστής μεταφοράς θερμότη­

τας ανάμεσα στον αέρα και τα βότσαλα ( hu = 7 KW/m^ °C) 23

από Lof και Hawley),για συνθήκες συ­

νήθεις σε αποθήκευση με βότσαλα, A είναι η επιφάνεια της εγκάρσιας τομής.

Ένα ενεργειακό ισοζύγιο για τα βό­

τσαλα στο στοιχείο m δίνει, για ένα διάστημα χρόνου dt ( σχήμα 10):

(pc AAx)bCb (dTb.m / d t ) = oif Cf ( Tf,m+1 ) ■ Οαπωλειών. m (3) (Ρυθμός αλλαγής της εσωτερικής ε­

νέργειας των βοτσάλων ) = (ρυθμός του ενεργειακού κέρδους από α έρ α ) -

( Ρυθμός απωλειών προς το περιβάλλον ). Οι εξι­

σώσεις ( 2 ) και ( 3 ) είναι απαραίτητες για τον υ­

πολογισμό της συμπερι­

φοράς του συστήματος.

2.5 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΛΑΝ0ΑΝΟΥΣΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

‘Άανθάνουσα’’ θερμότητα μπορεί να αποθηκευτεί με την τήξη (λιώσιμο) ενός στερεού, όπως, π.χ. του κεριού. Στο πίνακα 2 περι­

λαμβάνονται διάφορα υλικά για την αποθήκευση λανθάνουσας θερ­

μότητας, δίνονται τα σημεία τήξης τους και οι θερμότητες τήξης με βάση την μάζα και τον όγκο.

ΠΙΝΑΚΑΣ 2. Υλικά αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας.

Θ ερμότητα τή ξη ς Σημείο τήξης

°C

Με βάση τη υάζαίΚύ/Κα)

Με βάση τον ovKoiKJ/m^

Νερό 0 335 301x10^

Υδροσκοπικά ανόργανα άλατα

Ορθοφωσφορικό οξύ 30 114 261x10^

Χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2.6H2o) 31 170 282x10^

Αλάτι του Glauber (Na2S04 ΙΟΗ2Ο) 33 238 347x10^

Ανυδρα οργανικά άλατα

Μετασφωρικό οξύ 43 108

Φωσφορικό οξύ 70 157

Κεριά και οργανικά στερεά

Κερί μέλισσας 62 177 168x10"

Κεοί άυοοΦπο παοαφίνηο 75 231 183x10"

Αν χρησιμοποιηθεί ένα κατάλληλο υλικό, η ηλιακή ενέργεια σε θερ­

μοκρασίες που εξασφαλίζονται από τους συλλέκτες, μπορεί να χρη­

σιμοποιηθεί για να λιώσει ένα στερεό και να αποθηκευτεί ενέργεια σ’

αυτό κατά τη μέρα, και μετά μπορεί να ελευθερωθεί η ενέργεια, όταν το υγρό κρυώσει και επιστρέφει πάλι στη στερεά μορφή του. Στα ιδα­

νικά συστήματα αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας μια πολύ μικρή διαφορά θερμοκρασίας είναι αρκετή για την αλλαγή της φάσης από στερεό σε υγρό ή από υγρό σε στερεό.

Ένα πλεονέκτημα της αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας είναι οι μεγάλες ποσότητες της ενέργειας που μπορούν να αποθηκευτούν και να ελευθερωθούν ανά χιλιόγραμμο υλικού, έχοντας σαν αποτέ­

λεσμα την αποθήκευση της απαιτούμενης από ένα σύστημα ενέρ­

γειας σε μικρότερο όγκο. Ένα δεύτερο πλεονέκτημα είναι ότι η θερ­

μοκρασία παραμένει σχεδόν σταθερή κατά την αλλαγή φάσης, πράγμα που είναι θετικό και για τα φορτία και τον συλλέκτη.

Ένα μειονέκτημα της αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας εί­

ναι ότι πολλά γνωστά υλικά διαρκούν μόνο λίγα χρόνια, μετά πρέπει να αντικατασταθούν και τα περισσότερα είναι δαπανηρά συγκρινό- μενα με την αποθήκευση σε νερό ή σε κλίνη στερεών (pebble - bed).

Χρειάζεται περισσότερη έρευνα για την ανάπτυξη πρακτικών μονά­

δων αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας.

Το σχήμα 11 δείχνει μία γραφική σύγκριση για τα τρία πιο συνηθι­

σμένα υλικά : νερό, πέτρες και το αλάτι του Glauber (Na2SO4.10H2O), υποθέτοντας μια διακύμανση θερμοκρασίας περίπου 35 Κ. Σημειώ­

στε την σχετική θερμοχωρητικότητα αποθήκευσης ανά μονάδα μά­

ζας του κάθε υλικού.

Η μετατροπή του πάγου σε νερό είναι ένα εξαιρετικό ιστορικό πα­

ράδειγμα που έχει χρησιμοποιηθεί για αποθήκευση "ενέργειας” για αιώνες. Τα κεριά παραφίνης έχουν πρόσφατα μελετηθεί σαν πιθανά μέσα αποθήκευσης ενέργειας. Αυτό όμως που έχει ευρέως χρησιμο­

ποιηθεί στις ηλιακές εφαρμογές γιατί έχει χαμηλό κόστος και μεγάλη θερμότητα τήξης είναι το Na2S0 4. ΙΟΗ2Ο (ή άλας του Glauber Το α­

λάτι αυτό αποσυντίθεται στους 33 ° C περίπου και δίνει ένα διάλυμα Να2804 με μια θερμότητα τήξης των 238 KJ/Kg. Η αντίδραση είν α ι;

Na2S0 4.10Η2Ο -I- Ενέργεια Να2804 -Μ 0 HsO

Η αποθήκευση επιτυγχάνεται με την πρόσδοση ενέργειας (ηλιακής) κατά την πορεία της αντίδρασης από τα αριστερά προς τα δεξιά. Η συνολική ενέργεια που προστίθεται ε ξα ρ τά τα ι: από την πε­

ριοχή των θερμοκρασιών, που μέσα σ’ αυτές το υλικό θερμαίνεται μέχρι να φθάσει στη θερμοκρασία μετατροπής (τήξη - πήξη), την θερμότητα της τήξης που προκαλεί την αλλαγή της φάσης και την θερμότητα για να φθάσει το διάλυμα του Na2804 στην τελική θερμο­

κρασία. Η ενέργεια "αποσπάται " από την αποθήκη με την αντιστρε­

πτή διεργασία, με την αντίδραση δηλ. να οδεύει από τα δεξιά προς τα αριστερά.

Πρέπει να δίνεται μεγάλη προσοχή στην μεταφορά θερμάτητας απά ή προς το υλικό αλλαγής - φάσης. Το υλικό πρέπει να είναι με τέτοιο τρόπο συσκευασμένο έτσι ώστε η θερμότητα να μπορεί να μεταφέ- ρεται από ή προς το υλικό με την μικρότερη πτώ.>η θερμοκρασίας.

Αυτό έχει γίνει πειραματικά τοποθετώντας το υλικό μέσα σε μικρά κι­

βώτια (κυλινδρικά κουτιά, σωλήνες ή πλαστικά δοχεία) που με τη σει­

ρά τους τοποθετούνται σε δοχεία ή αγωγούς. Το ρευστό (συνήθως αέρας) ανακυκλώνεται γύρω από τα κιβώτια όπως στην κλίνη στερε­

ών (pebble - bed). To πρόβλημα της μεταφοράς θερμότητας, εξω τε­

ρικά των δοχείων είναι όμοιο μ’ αυτό του pebble - bed.

2.6ΗΛΙΑΚΕΣ ΛΙΜΝΕΣ

Οι ηλιακές λίμνες ή ηλιακές δεξαμενές, ( SOLAR LAKES ή SOLAR PONDS) είναι ένα είδος ηλιακών συλλεκτών με ενσωματωμένη θερ­

μική αποθήκη της συλλεγόμενης ηλιακής ενέργειας.

Η ιδέα για την δημιουργία ηλιακών λιμνών ξεκίνησε από τη μελέ­

τη ενός φυσικού φαινομένου. Συγκεκριμένα, βρέθηκε μια ομάδα

Ουγγρικών λιμνών με υψηλές θερμοκρασίες στον πυθμένα, ( ~ 70 °C σε βάθος 1.3 m), ενώ η θερμοκρασία του νερού στην επιφάνεια τους ήταν περίπου ίση με αυτή του περιβάλλοντος. Αν και το φαινόμενο κατανοήθηκε από την εποχή αυτή, (1905), πέρασαν αρκετά χρόνια μέχρι την πρώτη πρόταση για την δημιουργία Τεχνιτών λιμνών από τονΡ. BLOGH (1954). Η πρώτη σοβαρή ερευνητική προσπάθεια άρ­

χισε το 1958 από τον H.TABOR στο Ισραήλ.

Στις φυσικές ηλιακές λίμνες υπάρχει μια βάθμωση συγκέντρωσης κάποιου άλατος. Στον πυθμένα υπάρχουν συνήθως αποθέματα άλα­

τος έτσι ώστε η συγκέντρωση του διαλύματος κοντά στον πυθμένα να αντιστοιχεί σ’ αυτή του κορεσμένου διαλύματος. Στην επιφάνεια η συγκέντρωση του άλατος φτάνει περίπου στο μηδέν, επειδή η επιφά­

νεια ξεπλένεται με το νερό της βροχής και με το νερό ρυακιών. Σε εν­

διάμεσο βάθος η συγκέντρωση παίρνει ενδιάμεσες τιμές και η πυκνό­

τητα του νερού των λιμνών αυτών αυξάνεται βαθμιαία με το βάθος. Η αύξηση της πυκνότητας με το βάθος είναι αρκετή ώστε και αν ακόμα θερμανθούν τα κατώτερα στρώματα της, με την απορρόφηση της η­

λιακής ακτινοβολίας σε αυτά, να εξακολουθούν να παραμένουν πυ­

κνότερα από τα υπερκείμενα στρώματα. Έτσι δεν είναι δυνατή η φυ­

σική κυκλοφορία του νερού και η μεταφορά θερμότητας προς τα πά­

νω γίνεται με αγωγή. Στις συνηθισμένες λίμνες αντίθετα, μόλις θερ­

μανθεί μια περιοχή του πυθμένα από οποιαδήποτε αιτία, αποκτά μι­

κρότερη πυκνότητα από τα υπερκείμενα στρώματα και το νερό της περιοχής αυτής ανεβαίνει προς τα πάνω. Έτσι υπάρχουν ρεύματα που μεταφέρουν τυχόν θερμές μάζες νερού προς την επιφάνεια, ό­

που ψύχονται γρήγορα με τους γνωστούς μηχανισμούς (εξάτμιση, μεταφορά ακτινοβολία, αγωγή). Πρέπει να σημειώσουμε ότι η μετα­

φορά θερμότητας με αγωγή στο νερό είναι αρκετά μικρή. Ένα μέτρο

νερού παρουσιάζει περίπου την ίδια μονωτική ικανότητα με 6 cm ενός πολύ καλού θερμικού μονωτή. Το νερό είναι επίσης αδιαφανές στην θερμική ακτινοβολία και η μετάδοση θερμότητας με ακτινοβολία είναι αδύνατη μέσα στη μάζα του νερού.

Άλλες φυσικές ηλιακές λίμνες βρέθηκαν ; στην πολιτεία της ( ΗΠΑ) με θερμοκρασία 50 °Οσε βάθος 2 m στην Ανταρκτική με +25

°C, ενώ η θερμοκρασία στην επιφάνεια ήταν -20 °0(καλυμμένη με πά­

γ ο ), και στο Ισραήλ μια ηλιακή λίμνη με ηλικία 3000 ετών η οποία πε- ριγράφτηκε και μελετήθηκε πρόσφατα . Στο σχήμα φαίνονται τα διά­

φορα μέρη μιας ηλιακής λίμνης. Αν με X παραστήσουμε την απόστα­

ση ( βάθος) από την επιφάνεια της λίμνης προς τα κάτω, το συνολικό βάθος της είναι X = Ιι + la- Στο σημείο αυτό υπάρχει μαύρο πλαστικό για την απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας.

Στο τμήμα που ορίζεται από 0 < X < I ι έχουμε βαθμιαία αύξηση της συγκέντρωσης του άλατος, s (Kg ), και της πυκνότητας ρ ( Kg m ·^). Στο τμήμα αυτό δεν έχουμε φυσική κυκλοφορία. Αντίθετα στο τμήμα 11 < X < 11 + Ι2, το S είναι σταθερό έχουμε φυσική κυκλοφορία και η θερμοκρασία είναι περίπου σταθερή στη περιοχή αυτή. Για να διατηρείται η σταθερότητα της λίμνης πρέπει να απομακρύνεται από την επιφάνεια της αλμυρό νερό και να αντικαθίσταται με γλυκό στο σχήμα έχει σημειωθεί με 1. Επειδή δεν υπάρχει φυσική κυκλοφορία η

μεταφορά άλατος από κάτω προς την επιφάνεια γίνεται με διάχυση.

Αυτή είναι αρκετά αργή διαδικασία. Υπολογίζεται ότι το άλας που πρέπει να απομακρύνεται από την επιφάνεια αντιστοιχεί περίπου σε 0.05 Kg πι'^ την ημέρα.

Οι διαστάσεις των ηλιακών λιμνών που κατασκευάστηκαν μέχρι τώρα ε ίν α ι: επιφάνεια Α, μέχρι 7000 m'^. Η ζώνη μεταφοράς χρησι­

μεύει για την αποθήκευση της θερμότητας. Θερμότητα αποθηκεύε­

τα ι επίσης στο έδαφος κάτω από τη λίμνη, εφόσον το επιτρέπουν οι ειδικές συνθήκες της κάθε περιοχής ( ταχύτητα ροής και βάθος του νερού μέσα στο έδα φ ος). Επομένως το Ι2 εξαρτάται από την χρήση για την οποία προορίζεται η λίμνη, ενώ το 11 καθορίζεται από την α­

νάγκη να υπάρχει μια μονωτική επιφάνεια.

2.6.1ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΤΗΣ ΛΙΜΝΗΣ Για την δημιουργία της απαιτούμενης βάθμωσης στη συγκέντρω­

ση άλατος διάφοροι ερευνητές πρότειναν διάφορες μεθόδους

‘’γεμίσματος" της λίμνης. Στον πυθμένα και στα πλάγια τοποθετείται μαύρο συνθετικό κάλυμμα, ανθεκτικό . Κατόπιν ετοιμάζονται διαλύ­

ματα πυκνά ~ 30% για τη ζώνη μεταφοράς και ρίχνονται στη λίμνη. Τα στρώματα ρίχνονται στη λίμνη προσεκτικά με ειδικό διάχυτη κατα­

σκευασμένο από δύο επιφάνειες στο κέντρο των οποίων καταλήγει ο σωλήνας γεμίσματος. Έτσι η ροή της διάλυσης γίνεται κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να υπάρχει μόνο οριζόντια συνιστώσα ταχύτητας του υ­

γρού και αποφεύγεται η ανάμειξη των στρωμάτων. Η ταχύτητα αυτή δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 0.12 πι8 \ επειδή η κινητική ενέργεια του υγρού έχει σαν τελικό αποτέλεσμα κάποια ανάμειξη της λίμνης.

Μερικές φορές εμφανίζεται ένα στρώμα με σταθερή συγκέντρω­

ση άλατος σε μια κατά τα άλλα σταθερή λίμνη. Αυτό το στρώμα έχει την τάση άλλες φορές να εξαφανίζεται μόνο του και άλλες να αυξά­

νεται επικίνδυνα σε πάχος. Οι λόγοι δεν είναι εξακριβωμένοι και φαί­

νεται ότι έχουν σχέση με την θέρμανση των κάθετων τοιχωμάτων της λίμνης. Το στρώμα αυτό είναι δυνατόν να αφαιρεθεί" χωρίς να διατα- ραχθεί η ευστάθεια της λίμνης.

2.6.2ΔΙΑΦΟΡΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ

Υπάρχουν διάφορα προβλήματα στην Τεχνολογία των ηλιακών λιμνών. Θα αναφερθούμε πολύ σύντομα σ’ αυτά.

1. ΑΕΡΑΣ. Ο αέρας προκαλεί κυμάτισμά στην επιφάνεια που μερικές φορές συμβάλει στην ανάπτυξη ενός, και επιθυμητού στρώματος μεταφοράς 30 - 50 οπι στην επιφάνεια της λίμνης. Αυτό αποφεύγε­