Χρύσανθος Γκολώνης
Μsc Μηχανολόγος Μηχανικός – Msc Οικονομολόγος
Υποψήφιος Διδάκτωρ Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών
Οι προκλήσεις της κλιματικής αλλαγής και η υποβάθμιση του περιβάλλοντος έχουν οδηγήσει τις ρυθμιστικές αρχές παγκοσμίως στην υιοθέτηση στρατηγικών που στοχεύουν στη μείωση των εκπομπών θερμοκηπίου και στην ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών στην παραγωγή ενέργειας σε πρωτοφανές επίπεδο [1]. Στις μέρες μας ένα στοιχείο που είναι απαραίτητο για την ύπαρξη ζωής, είναι η ενέργεια. Χωρίς ενέργεια το βιοτικό επίπεδο του ανθρώπου θα ήταν σε πάρα πολύ χαμηλό επίπεδο.
Οι πηγές ενέργειας που είναι διαθέσιμες είναι οι ανανεώσιμες (ηλιακή, αιολική, βιομάζα, υδροδυναμική, κυματική, γεωθερμία) και μη ανανεώσιμες (λιγνίτης, φυσικό αέριο, πετρέλαιο κλπ). Η ηλιακή ενέργεια παρουσιάζει ένα τεράστιο δυναμικό, φιλικό προς το περιβάλλον και βιώσιμη παραγωγή ενέργειας στη νέα προκλητική εποχή. Εκμεταλλεύεται την ηλιακή ακτινοβολία και με την βοήθεια των ηλιακών πάνελ παράγει ηλεκτρισμό. Η εξέλιξη της συγκεκριμένης τεχνολογίας είναι η δημιουργία ηλιακών πάνελ που εκτός από ηλεκτρική ενέργεια, μπορούν να παράγουν και θερμότητα. Η συγκεκριμένη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την θέρμανση κάποιων εγκαταστάσεων ή να μετατραπεί σε κάποια άλλη μορφή (ηλεκτρική). Η συγκεκριμένη τεχνολογία ονομάζεται «συγκεκντρωτικά φωτοβολταϊκά θερμικά ηλεκτρικά πάνελ» Concentrating PhotoVoltaic Thermal (CPVT) [2]. Το σύστημα αποτελείται από τα δύο βασικά υποσυστήματα τα οποία φαίνονται στο παρακάτω σχήμα 1.1:
Το πεδίο των συγκεντρωτικών θερμικών φωτοβολταϊκών (με το κόκκινο χρώμα) παραγωγής ηλεκτρικής ισχύος 10KWp.
Τη μηχανή Rankine (με το μπλε χρώμα) με οργανικό μέσο το R-40Α, η οποία είναι σχεδιασμένη για λειτουργία και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε χαμηλές θερμοκρασίες (έως 90°C), ονομαστικής ηλεκτρικής ισχύος 3~5kW. Το πλεονέκτημα του συγκεκριμένου θερμοδυναμικού κύκλου είναι ότι εργάζεται κάνοντας ανάκτηση την θερμότητα από τα φωτοβολταίκά συστήματα μέσω της ψύξης τους η οποία θα πήγαινε ανεκμετάλλευτη στο περιβάλλον.
Περιγραφή του συστήματος
Το σχήμα 1.1 αναπαριστά σχηματικά το υβριδικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από τη λειτουργία συγκεντρωτικών φωτοβολταϊκών σε συνδυασμό με οργανικό κύκλο Rankine χαμηλής θερμοκρασίας. Οι κύριες συνιστώσες του συγκεκριμένου συστήματος το οποίο είναι εγκατεστημένο στις εγκαταστάσεις του Γεωπονικού Πανεπιστημίου είναι οι παρακάτω:
1. Δέκα συγκεντρωτικά θερμικά φωτοβολταϊκά ονομαστικής ισχύος 1KW το καθένα.
2. Αντλία κυκλοφορίας ρευστού φωτοβολταϊκών.
3. Συμπυκνωτής ρευστού κυκλοφορίας των φωτοβολταϊκών (Air Cool Chiller).
4. Θερμαντήρας ρευστού κυκλοφορίας των φωτοβολταϊκών.
3. Ατμοποιητής εργαζόμενου μέσου HFC-404a.
4. Συμπυκνωτής του εργαζόμενου μέσου.
5. Εκτονωτής τύπου Scroll.
6. Αντλία διακίνησης του εργαζόμενου μέσου HFC-404a.
Στην συγκεκριμένη εγκατάσταση όταν ενεργοποιούνται τα φωτοβολταϊκά σε θέση λειτουργίας, παράγεται ηλεκτρική ισχύς περίπου 10KW. Εκτός από την παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος παράγεται και θερμική ενέργεια μέσω της ψύξης στα συγκεντρωτικά θερμικά φωτοβολταϊκά (CPV/T), η οποία προσδίδεται μέσω σωληνώσεων στη μηχανή Rankine και ατμοποιεί σε έναν υπερκρίσιμο εναλλάκτη θερμότητας (supercritical heat exchangrer) το εργαζόμενο μέσο HFC-404a [4].
Στο συγκεκριμένο υδραυλικό δίκτυο το εργαζόμενο μέσο συνήθως είναι νερό ή περιέχει διάφορες χημικές προσμίξεις οι οποίες συμβάλουν στη δημιουργία μικρότερου σημείου παγιοποίησης για περιπτώσεις που η εγκατάσταση λειτουργεί σε ψυχρές περιοχές. Στο συγκεκριμένο υποσύστημα παρατηρείται να υπάρχει ένας ηλεκτρικός θερμαντήρας ή μπορεί να εγκατασταθεί ένας λέβητας βιομάζας για τις ώρες εργασίας που δεν υπάρχει ηλιακή ακτινοβολία. Στη συνέχεια, ο παραγόμενος υπέρθερμος ατμός εκτονώνεται στον εκτονωτή (Scroll expander) [5-7] (ο οποίος είναι συμπιεστής τύπου Scroll σε αντίστροφη λειτουργία).
Ο υπέρθερμος ατμός κατά την εκτόνωση, παράγει μηχανικό έργο, το οποίο με την βοήθεια γεννήτριας παράγεται ηλεκτρική ενέργεια ισχύος περίπου 3~5KW. Μετά την εκτόνωση, ο θεωρητικά κορεσμένος ατμός συμπυκνώνεται σε έναν εξατμιστικό συμπυκνωτή (evaporative condenser) και μετατρέπεται σε κορεσμένο υγρό, το οποίο και διακινείται με αντλία θετικής μετατόπισης (SCORC feed pump) στην είσοδο του ατμοποιητή, όπου η διαδικασία επαναλαμβάνεται.
Συμπεράσματα
Η ανάπτυξη μιας βελτιστοποιημένης μηχανής οργανικού κύκλου Rankine που λειτουργεί σε χαμηλές θερμοκρασίες (80~100°C) και σε υπερκρίσιμες συνθήκες ρευστού αποδεικνύεται βάσει έρευνας μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία με πολλές εφαρμογές. Η μελέτη οδήγησε σε αποτελέσματα συγκριτικά με μια μηχανή ORC σε υποκρίσιμη λειτουργία ως προς τη μέγιστη αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης κατά 30-35%.
Αν δηλαδή μια υποκρίσιμη μηχανή στους 100°C έχει βαθμό απόδοσης 5-6% τότε ο αναμενόμενος βαθμός της υπερκρίσιμης μηχανής είναι γύρω στο 7%. Η συγκεκριμένη μηχανή μπορεί να βρει ποικίλες εφαρμογές όπου πηγές θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας μπορούν να ανακτηθούν για παραγωγή ηλεκτρισμού, όπως στη βιομηχανία, σε συνδυασμό με λέβητες βιομάζας για συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας, σε ηλιακά υβριδικά συστήματα, σε συστήματα αφαλάτωσης, σε θερμοκηπιακές εγκαταστάσεις (θέρμανση και κλιματισμό) και αλλού.
Βιβλιογραφία.
1. Golonis C., Skiadopoulos A., Manolakos D, Kosmadakis G., Assessment of the performance of a low-temperature Organic Rankine Cycle engine coupled with a concentrating PV-Thermal system, Renewable Energy, 179 (2021) 1085-1097.
2. M. Herrando, C.N. Markides, K. Hellgardt, A UK-based assessment of hybrid PV and solar- hermal systems for domestic heating and power: system performance, Appl. Energy 122 (2014) 288e309, https://doi.org/10.1016/ j.apenergy.2014.01.061.
3. Manolakos D, Kosmadakis G, Kyritsis S, Papadakis G. Identification of behaviour and evaluation of performance of small scale, low-temperature Organic Rankine Cycle system coupled with a RO desalination unit. Energy 2009;34(6):767–74.
4. G. Kosmadakis, A. Landelle, M. Lazova, D. Manolakos, A. Kaya, H. Huisseune, C.S. Karavas, N. Tauveron, R. Revellin, P. Haberschill, M. De Paepe, G. Papadakis, Experimental testing of a low-temperature organic Rankine cycle (ORC) engine coupled with concentrating PV/thermal collectors: Laboratory and field tests, Energy. 117 (2016) 222–236. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.10.047.
5. S.A. Kalogirou, Solar Energy Engineering: Processes and Systems: Second Edition, Elsevier Inc., 2014. https://doi.org/10.1016/C2011-0-07038-2.
6. C.L. Ong, W. Escher, S. Paredes, A.S.G. Khalil, B. Michel, A novel concept of energy reuse from high concentration photovoltaic thermal (HCPVT) system for desalination, Desalination. 295 (2012) 70–81. https://doi.org/10.1016/j.desal.2012.04.005.
7. L.R. Bernardo, B. Perers, H. Håkansson, B. Karlsson, Performance evaluation of low concentrating photovoltaic/thermal systems: A case study from Sweden, Sol. Energy. 85 (2011) 1499 – 1510. https://doi.org/10.1016/j.solener.2011.04.006.
