292
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
5.3 ΗΛΙΑΚΟΙ ΣΥΛΛΕΚΤΕΣ
Οι ηλιακοί συλλέκτες είναι συσκευές που συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια μετατρέποντας την ταυτόχρονα σε θερμική ενέργεια η οποία παραλαμβάνεται από κατάλληλα ρευστά και μεταφέρεται είτε για απ’ ευθείας χρήση ή αποθηκεύεται πριν την χρήση για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Υπάρχουν διάφοροι τύποι συλλεκτών η χρήση των οποίων καθορίζεται από την απαιτούμενη θερμοκρασία του συστήματος αφαλάτωσης και την οικονομική διαθεσιμότητα τους. Συλλέκτες υψηλότερων θερμοκρασιών παράγουν ατμό υψηλής πίεσης που χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ο εκλυόμενος απατμός που σχηματίζεται κατά την εκτόνωση της τουρμπίνας είναι κατάλληλος για θερμική τροφοδότηση των μονάδων αφαλάτωσης. Ανάλογα με την παρεχόμενη θερμοκρασία διακρίνονται σε χαμηλής, μέσης και υψηλής θερμοκρασίας μονάδες συλλογής της ηλιακής ακτινοβολίας. Για τους ηλιακούς συλλέκτες ιδιαίτερης σημασίας είναι το κόστος και η απόδοσή τους. Η απόδοση ενός συλλέκτη καθορίζεται ως το πηλίκο της ενεργού χρησιμο- ποιήσιμης θερμικής ενέργειας προς την ηλιακή ακτινοβολία που λαμβάνει ο αποδέκτης και συνήθως αυτά τα συστήματα έχουν χαμηλή απόδοση. Εκτός από τις απώλειες θερμότητας υπάρχουν πάντοτε και οπτικές απώλειες από το σύστημα λόγω υψηλών θερμοκρασιών. Ο παράγοντας μετατροπής ή οπτική απόδοση kο παρέχει την % ποσότητα των ηλιακών ακτινών που διαπερνούν το διαφανές κάλυμμα του συλλέκτη και την % ποσότητα η οποία απορροφάται στον απορροφητή. Δηλαδή ουσιαστικά παρέχει το γινόμενο του ρυθμού διαπερατότητας του καλύμματος επί τον ρυθμό απορροφητικότητας του απορροφητή. Οι θερμικές απώλειες, δίνονται από τον παράγοντα απωλειών qlos (Wm-2K-1) για την διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του απορροφητή και του περιβάλλοντος. Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά τόσο μεγαλύτερες είναι οι απώλειες. Έχουν μελετηθεί πρακτικά σε σύνδεση με μονάδες αφαλάτωσης οι επόμενοι τύποι συλλεκτών.
5.3.1 Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες
5.3.1.1 Ηλιακές λίμνες (ΗΛ), [Salt gradient solar ponds - SGSP] Είναι τεχνητές λίμνες και αποτελούν την απλούστερη εκδοχή ενός ηλιακού επίπεδου συλλέκτη. Αποτελούνται από τρεις αλλεπάλληλες στρώσεις νερού διαφορετικής συγκέντρωσης αλάτων. Στα συστήματα αφαλάτωσης δεν υπάρχει, γενικά ευρύτερη εφαρμογή. Οι μέγιστες θερμοκρασίες παροχής θερμότητας ανέρχονται στους 90 °C.
5.3.1.2 Επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες (ΕΗΣ), [Flat-Plate Collectors – FPC]
Αποτελούνται από ένα κιβώτιο που περιέχει στην βάση μια μαύρη απορροφητική πλάκα, Στο κάτω μέρος της επιφάνειάς της εφαρμόζονται σωλήνες ή κανάλια (Kalogirou, 2004;
Ηλιοκινούμενη Συμβατική Απόσταξη (MSF, MED, MVC, TVC)
293
Belessiotis, eolss). Το σύστημα εφαρμόζεται ερμητικά σε ένα πλαίσιο με διαφανές κάλυμμα διαπερατό στην ηλιακή ακτινοβολία. Η ηλιακή ενέργεια απορροφάται από την μαύρη επιφάνεια και παρέχει την θερμότητα σε ένα ρευστό που κυκλοφορεί στους σωλήνες ή τα κανάλια. Η θερμότητα μεταφέρεται είτε απ’ ευθείας στο σύστημα χρήσης ή αποθηκεύεται. Οι επίπεδοι ηλιακοί συλλέκτες παρέχουν χαμηλές θερμοκρασίες μέχρι περίπου μέγιστη θερμοκρασία 90 °C, και τυπικά μέση θερμοκρασία 70 °C. Θεωρητικά μπορούν να συνδέονται επίσης με ηλιακούς αποστακτήρες, με μονάδες ύγρανσης/αφύγρανσης, μονάδες απόσταξης με μεμβράνες, και με απόσταξη πολλαπλών βαθμίδων χαμηλών θερμοκρασιών (LT-MED), που είναι διαμορφωμένες να λειτουργούν σε χαμηλές θερμοκρασίες. Η μονάδα MED σε αυτήν την περίπτωση δεν υπερβαίνει τις 10 βαθμίδες. 5.3.1.3 Σωλήνες κενού (ΣK), [Evacuated Thermal Collectors – ETC] Οι σωλήνες κενού είναι επίπεδες γυάλινες συσκευές που αποτελούνται από κυλινδρικές απορροφητικές επιφάνειες ή από ένα σωλήνα με εσωτερικά πτερύγια. Στον εξωτερικό σωλήνα (Σχ. 5.1, δεξιά) δημιουργείται υποπίεση 10-4 mmHg έως και πλήρες κενό. Μέσα στους
Σχήμα 5.1 Αριστερά πεδίο συλλεκτών σωλήνων κενού (evacuated tube collectors). Δεξιά, Σχηματική απεικόνιση του συλλέκτη
294
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
σωλήνες εισάγεται μια πλάκα με επιλεκτική απορροφητική επιφάνεια και ο σωλήνας, μετά την δημιουργία του κενού, σφραγίζεται ερμητικά. Οι σωλήνες αυτοί έχουν μεγάλη αντοχή στις εξωτερικές πιέσεις. Στους απορροφητικούς σωλήνες κενού τοποθετούνται μόνο επιλεκτικές επιφάνειες, διότι μια μη επιλεκτική επιφάνεια έχει υψηλές απώλειες θερμότητας με ακτινοβολία. Οι συλλέκτες με σωλήνες κενού παρουσιάζουν μικρότερες απώλειες θερμότητας με αγωγή και μεταφορά από ότι οι ηλιακοί συλλέκτες με επίπεδες απορροφητικές πλάκες και ο χρόνος ζωής τους ανέρχεται σε περίπου 20 χρόνια. Τυπικά παρέχουν ηλιακή θερμική ενέργεια θερμοκρασίας 80 έως 120 °C. Ορισμένοι τύποι μπορούν να φθάσουν σε θερμοκρασία έως 150 °C (Σχ. 5.1). Έχουν χρησιμοποιηθεί με συστήματα αφαλάτωσης, κυρίως MED.
5.3.2 Ηλιακοί συγκεντρωτικοί συλλέκτες (Concentrating Solar Power –CSP)
Οι συγκεντρωτικοί συλλέκτες ή συγκεντρωτικά κάτοπτρα είναι συστήματα που ανακλούν ή διαθλούν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία από ένα κατοπτρικό «άνοιγμα» επιφάνειας Αα (m2) προς μια επιφάνεια «αποδέκτη» Αr (m2), όπου ισχύει Aa >> Ar. Η οπτική συγκέντρωση είναι Cο = Gr/Ga ενώ η γεωμετρική συγκέντρωση ανέρχεται σε
Σχήμα 5.2 A: φωτογραφία από παραβολικές σκάφες με τον υπό κενό σωλήνα αποδέκτη της ηλιακής ενέργειας και σχηματική ανάκλαση των ακτινών προς τον αποδέκτη. B. Πεδίο ηλιακών παραβολικών σκαφών. Κάτω αριστερά το μεγαλύτερο στον κόσμο πεδίο SEGS στην Καλιφόρνια, ΗΠΑ, 354 Μ W. C. Το πρώτο τμήμα, Noor 1, που έχει εγκατασταθεί αρχές του 2016, στη έρημο, κοντά στην πόλη Quarzazate, Μαρόκο, ισχύος 160 MW και θα αποτελεί το μεγαλύτερο στον κόσμο πεδίο συγκεντρωτικών σκαφών όταν συμπληρωθεί.
Ηλιοκινούμενη Συμβατική Απόσταξη (MSF, MED, MVC, TVC)
295
Cc = Ar/Aa, όπου Gr (Wm-2) και Ga (Wm-2), είναι η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας στις επιφάνειες «ανοίγματος» και «αποδέκτη» αντίστοιχα. Υπάρχουν διάφορες γεωμετρικές μορφές συγκεντρωτικών συλλεκτών που κατατάσσονται σε δύο κύριες κατηγορίες:
• Συλλέκτες οι οποίοι εστιάζουν τις ακτίνες σε μια γραμμική επιφάνεια π.χ. στην επιφάνεια ενός ειδικά διαμορφωμένου σωλήνα. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν οι παραβολικές σκάφες (Σχ. 5.2) και οι γραμμικοί συγκεντρωτικοί συλλέκτες Fresnel, οι οποίοι, ανάλογα με την τοποθέτηση των φακών ανακλούν ή διαθλούν τις ηλιακές ακτίνες (Σχ. 5.3, 5.4).
Σχήμα 5.3 Συμπαγές γραμμικό σύστημα κατόπτρων τύπου Fresnel (AREVA Solar), με γραμμικό αποδέκτη θερμότητας και σχηματική απεικόνιση των ηλιακών ακτινών που ανακλώνται στο σωλήνα του αποδέκτη
Σχήμα 5.4 Αριστερά. Σχηματική μορφή συγκέντρωσης των ακτινών ενός διαθλαστικού φακού Fresnel. Δεξιά. Σύστημα διαθλαστικών φακών Fresnel τοποθετημένων στην επιφάνεια των αποδεκτών της ηλιακής διαθλώμενης ακτινοβολίας. Ο αποδέκτης είναι σύστημα φωτοβολταϊκών στον πυθμένα του τραπεζοειδούς περιβλήματος.
296
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
• Στους συλλέκτες υψηλών θερμοκρασιών οι οποίοι εστιάζουν τις ηλιακές ακτίνες σε ένα σημείο αιχμής που αποτελεί τον απορροφητικό αποδέκτη της ανακλώμενης ακτινοβολίας. Στους συλλέκτες εστίασης σημείου ανήκουν τα παραβολικά πιάτα, τα συστήματα πιάτων/μηχανών Sterling και τα πεδία ηλιοστατών με αποδέκτη τοποθετημένο στην κορυφή ενός πύργου (Σχ. 5.5, 5.6 & 5.7).
Σχήμα 5.5 Φωτογραφία πεδίου συλλεκτών εστίασης σημείου ή ηλιακά πιάτα (Point focus collector) και σκαρίφημα πιάτου με την πρόσπτωση στο κάτοπτρο και την ανάκλαση προς ένα σημείο
Σχήμα 5.6 Άνω. Σχηματικό διάγραμμα ενός πεδίου ηλιοστατών με το πύργο και τον λέβητα αποδοχής της ηλιακής ακτινοβολίας και πεδίο ηλιοστατών. Κάτω. Φωτογραφία συστήματος πύργου με 1818 ηλιοστάτες, 10 MW, από τα πρώτα που εγκαταστάθηκαν. Η εγκατάσταση βρίσκεται στο Bartstow, Calif., ΗΠΑ
Ηλιοκινούμενη Συμβατική Απόσταξη (MSF, MED, MVC, TVC)
297
Σχήμα 5.7 Σύστημα κεντρικού πύργου με πεδίο ηλιοστατών. Φωτογραφία της πρώτης εμπορικής Ευρωπαϊκής εγκατάστασης (2008). Το σύστημα έχει τοποθετηθεί στην Σεβίλλη της Ισπανίας και παράγει ηλεκτρισμό 11 MW
Οι κυριότεροι τύποι που χρησιμοποιούνται στην αφαλάτωση, ή είναι κατάλληλοι για εφαρμογή σε συστήματα αφαλάτωσης θεωρούνται σήμερα οι ακόλουθοι. 5.3.2.1 Οι παραβολικές σκάφες (ΠΣ), [Parabolic Trough Collectors – PTC]
Οι οποίες είναι συγκεντρωτικά συστήματα γραμμικής εστίασης (Σχ. 5.2), παραγωγής ατμού ή θερμού νερού (υπό πίεση) θερμοκρασιών τυπικά έως περίπου 375 °C ενώ νεότερες κατασκευές φθάνουν έως 560 °C, αντίστοιχα. Έχουν παράγοντα συγκέντρωσης της ηλιακής ενέργειας Cc = 20 έως 100. Χρησιμοποιούνται τόσο για αφαλάτωση, ψύξη, όσο και παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Γενικά η απόδοσής τους είναι μέγιστη σε θερμοκρασίες 150-190 °C. Συνήθως περιστρέφονται περί τον ήλιο ανακλώντας την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία σε σωληνοειδή αποδέκτη που περιέχει ένα υγρό απορρόφησης της θερμότητας των ανακλώμενων ακτινών. Το υγρό είναι συνήθως ένα τετηγμένο άλας. Ο Darwish (2011) αναφέρει ότι από όλα τα συγκεντρωτικά κάτοπτρα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε θερμική οι παραβολικές σκάφες είναι τα μόνα συγκεντρωτικά συστήματα που έχουν φθάσει σε εμπορική ωριμότητα με καλά τεκμηριωμένες αναφορές διαθεσιμότητας και προπάντων αξιοπιστίας. 5.3.2.2 Συγκεντρωτικά γραμμικά συστήματα Fresnel [Fresnel concentrators/refractors]
Αποτελούνται από λείες πολλαπλές οπτικές τμηματικές επιφάνειες κατόπτρων ή φακών. Ανάλογα με την τοποθέτησή και το είδος του κατόπτρου ή των φακών ανακλούν ή διαθλούν την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία. Είναι συστήματα γραμμικής εστίασης (Σχ. 5.3, 5.4,
298
Θερμική Ηλιακή Αφαλάτωση
αντίστοιχα). Τα συστήματα κατόπτρων Fresnel έχουν χαμηλότερη απόδοση από τις παραβολικές σκάφες αλλά είναι γενικά λιγότερο δαπανηρές κατασκευές. 5.3.2.3 Παραβολικά πιάτα (ΠΠ), [Parabolic Dish Collectors – PDC]
Είναι συγκεντρωτικά συστήματα εστίασης σημείου. Συγκεντρώνουν την ανακλώμενη ακτινοβολία σε ένα σημείο, σε μια συσκευή, που συνήθως είναι ένας λέβητας, ή μια μηχανή Sterling, τοποθετημένη πάνω από το πιάτο. Η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ισχύ και μέσω μιας γεννήτριας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Παράγουν είτε θερμό νερό υπό πίεση ή υψηλής θερμοκρασίας ατμό. Οι θερμοκρασίες κυμαίνονται μεταξύ ~375 και 2000 °C (Σχ. 5.5). Τα παραβολικά πιάτα είναι το πιο αποδοτικό σύστημα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρισμό. 5.3.2.4 Συστήματα ηλιακού πύργου (ΣΗΠ), [Central Receivers System – CRS]
Αποτελούνται από ένα κεντρικό αποδέκτη, ένα λέβητα, τοποθετημένο στην κορυφή του πύργου και ένα πεδίο με σειρές πλήθους κατόπτρων, τους ηλιοστάτες. Οι ηλιοστάτες είναι μεγάλα επίπεδα ή με ελαφρά καμπυλότητα κάτοπτρα που στηρίζονται σε μεταλλικές κατα-
Σχήμα 5.8 Σχηματικό διάγραμμα μια ηλιακής εγκατάστασης παραγωγής ρεύματος με πεδίο παραβολικών σκαφών - Σύστημα 50 MWe της Andasol I (Pitz-Paal, 2008; 2013)
Ηλιοκινούμενη Συμβατική Απόσταξη (MSF, MED, MVC, TVC)
299
σκευές που τοποθετούνται στο έδαφος κατά διάταξη ώστε και προσανατολίζονται έτσι ώστε να εστιάζουν ανά πάσα στιγμή τις ανακλώμενες ακτίνες στον αποδέκτη στην κορυφή του πύργου (Σχ. 5.6 και 5.7). Παράγουν ατμό υψηλών θερμοκρασιών, 500 έως 1000 °C, που χρησιμοποιείται για παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Θεωρητικά ο παραγόμενος ηλεκτρισμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην αφαλάτωση με RO, ED και MVC ή εφόσον εκλύεται απατμός κατάλληλης θερμοκρασίας για τα συστήματα απόσταξης. Ως ρευστό μεταφοράς της θερμότητας από τον λέβητα του πύργου στις εγκαταστάσεις παραγωγή ηλεκτρισμού χρησιμοποιούνται συνήθως τετηγμένα άλατα, πεπιεσμένος αέρας κτλ.
Στο σχήμα 5.8 δίνεται ένα σχηματικό διάγραμμα μιας εγκατάστασης ηλιακού πεδίου συγκεντρωτικών σκαφών για παραγωγή ηλιακού ρεύματος και της ροής των ρευστών και της θερμότητας.
5.4 ΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΟΡΟΛΟΓΙΑ
Ορισμένοι ορισμοί, όπως Αναλογία Απολαβής (Gain output ratio, GOR) έχουν ήδη δοθεί σε προηγούμενα κεφάλαια. Για τις μεθόδους που λειτουργούν με συμβατικά καύσιμα δίνονται εδώ οι κυριότερες ορολογίες των συστημάτων ενώ μερικές ορολογίες αναφέρονται ειδικά στα ηλιακά συστήματα μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε θερμότητα ή ηλεκτρισμό.
Άνοιγμα (aperture, Αα), είναι η επιφάνεια ενός συλλέκτη η οποία δέχεται την αξιοποιήσιμη προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία ή η ανακλαστική επιφάνεια ενός κατόπτρου η οποία δέχεται την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία και την ανακλά προς την επιφάνεια του αποδεκτή της ακτινοβολίας.
Αποδέκτης (receiver, Αr), είναι μια συσκευή, δηλαδή ένας σωλήνας, ένας εναλλάκτης θερμότητας η ένας λέβητας, ανάλογα με τον τύπο του συγκεντρωτικού κατόπτρου, στην επιφάνεια της όποιας προσπίπτει η ανακλασθείσα στο άνοιγμα του συλλέκτη ηλιακή ακτινοβολία και από την οποία συλλέγεται η θερμότητα με χρήση ενός κατάλληλου ρευστού (Σχ. 5.2, 5.3, 5.4 και 5.5).
Απορροφητής, (απορροφητική επιφάνεια - absorber), αναφέρεται σε μια επιφάνεια, συνήθως μαύρου χρώματος ή επιλεκτικής οπτικής επεξεργασίας, τοποθετημένης στον αποδέκτη οποία απορροφά την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία είτε αυτή προέρχεται απ’ ευθείας από τον ήλιο ή από την ανάκλαση στο κάτοπτρο ενός συγκεντρωτικού συλλέκτη. Αναλογία συμπύκνωσης (Concentration ratio - CR), είναι ο λόγος αλμυρότητας στον οποίο συμπυκνώνεται η απορριπτόμενη άλμη cbr, ως προς την αρχική αλμυρότητα του θαλάσσιου νερού τροφοδότησης csw, CR = cbr/csw. Συνήθως κρατείται στα όρια του cbr/csw = 2.5 για να αποφεύγονται καθαλατώσεις στις μεταλλικές επιφάνειες των αποστακτήρων ή κατακρημνίσεις αλάτων.