ΔΙΑΤΑΞΗ FRESNEL ΓΡΑΜΜΙΚΗΣ ΕΣΤΙΑΣΗΣ

Ο συλλέκτης που είναι εγκατεστημένος στο Εργαστήριο (βλ. Εικόνα) αποτελείται από 6 κατοπτρικά υποσυστήματα, προσανατολισμένων κατά τη διεύθυνση βορά-νότου, καθένα από τα οποία μπορεί να περιστρέφεται αυτοτελώς γύρω από τον διαμήκη οριζόντιο άξονά του. Κάθε κατοπτρικό υποσύστημα αποτελείται από 120 επίπεδους ανακλαστήρες διαστάσεων 72 cm x 12 cm, σταθερά προσκολλημένων στη φέρουσα δομή του υποσυστήματος. Τα κατοπτρικά υποσυστήματα περιστρέφονται κατά τη διάρκεια της ημέρας με τρόπο που οι ανακλώμενες ακτίνες της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας να οδηγούνται σε επιφάνεια εστίασης η οποία είναι οριζόντια, έχει σχήμα ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου διαστάσεων 1200 cm x 10 cm, και βρίσκεται σε σταθερή θέση σε κατακόρυφη απόσταση περίπου 250 cm επάνω από το επίπεδο των κατοπτρικών υποσυστημάτων.

Η διάταξη αυτή έχει αξιολογηθεί σε προηγούμενες εργασίες, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά, τα αποτελέσματά των οποίων έχουν παρουσιαστεί στις παρακάτω δημοσιεύσεις :

1. Mathioulakis, E., Papanicolaou, E., & Belessiotis, V., "Optical performance and instantaneous efficiency calculation of linear Fresnel solar collectors", International Journal of Energy Research, vol. 42(3), pp. 1247-1261, 2018.

2. Bellos E., Mathioulakis E., Tzivanidis C, Belessiotis V., Antonopoulos, K.A., “Experimental and numerical investigation of a linear Fresnel solar collector with flat plate receiver”, Energy Conversion and Management, vol. 130, pp. 44-59, 2016.

Από την ανάλυση των συμπερασμάτων της προαναφερθείσης έρευνας προέκυψε ότι ήταν αναγκαίες μια σειρά παρεμβάσεις, οι οποίες και υλοποιήθηκαν πρόσφατα, με στόχευση κυρίως:

• Την βελτίωση της ισχύος μέσω της αντικατάστασης των ανακλαστικών κατόπτρων.
• Την βελτίωση της κινητικής της διάταξης μέσω της υλοποίησης νέου τρόπου μετατόπισης των κατοπτρικών υποσυστημάτων (μηχανικά μέρη, σύστημα αυτομάτου ελέγχου και λογισμικό).
• Την αντικατάσταση του τρόπου στήριξης των δεκτών (receivers) και τη βελτίωση της πρόσβασης στην περιοχή εστίασης.

Για την συγκεκριμενοποίηση των παρεμβάσεων αυτών, δρομολογήθηκαν αρχικά συγκεκριμένες δράσεις θεωρητικής ανάλυσης της οπτικής και θερμοϋδραυλικής συμπεριφοράς του συλλέκτη. Για την οπτική ανάλυση, χρησιμοποιήθηκε ένα αξιόπιστο εργαλείο για την ανάπτυξη Monte-Carlo Ray-Tracing (MCRT) μοντέλων, τα οποία υιοθετούν την πραγματική γεωμετρία και των δύο συγκεντρωτικών συστημάτων (Fresnel και παραβολικής γεωμετρίας) που είναι εγκατεστημένα στους χώρους του εργαστηρίου Ηλιακών και άλλων Ενεργειακών Εφαρμογών του ΕΚΕΦΕ «Δημόκριτος». Στη συνέχεια, τα αποτελέσματα της οπτικής ανάλυσης και πιο συγκεκριμένα, η μη-ομοιόμορφη κατανομή της προσπίπτουσας ακτινοβολία στον απορροφητή, έναν μεταλλικό σωλήνα δηλαδή κατά μήκος του οποίου ρέει το εργαζόμενο ρευστό, επιβλήθηκε ως οριακή συνθήκη σε ένα δεύτερο, θερμικό μοντέλο, το οποίο προσομοιώνει τη μεταφορά θερμότητας προς το εργαζόμενο ρευστό. Επιπλέον, αναπτύχθηκε μια νέα μέθοδος βελτιστοποίησης της γεωμετρίας μίας δευτερεύουσας ανακλαστικής επιφάνειας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση της οπτικής και κατά συνέπεια της ολικής απόδοσης των συστημάτων Fresnel, μέσω της επιστροφής των ακτινών που δεν εστιάζουν στον απορροφητή για την περίπτωση που αυτός αποτελείται από ομοαξονικούς σωλήνες κενού (evacuated tubes) και ιδιαίτερα όταν η διάμετρος του εσωτερικού σωλήνα, που φέρει το εργαζόμενο ρευστό είναι μικρότερη ή συγκρίσιμη με το πλάτος των καθρεπτών. Τα σημαντικότερα από τα αποτελέσματα έχουν γίνει αντικείμενο των παρακάτω δημοσιεύσεων σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά:

1. Vouros A., Mathioulakis E., Papanikolaou E., Belessiotis V., Performance evaluation of a linear Fresnel collector with catoptric subsets Renewable Energy, Renewable Energy, vol. 156, 2020, pp. 68-83, https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.04.062.
2. Vouros A., Mathioulakis E., Papanikolaou E., Belessiotis V., On the optimal shape of secondary reflectors for linear Fresnel collectors, Renewable Energy, vol. 143, 2019, pp. 1454-1464, https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.05.044.

Ενδεικτικά αποτελέσματα από τη μοντελοποίηση των δύο συστημάτων στο περιβάλλον του SolTrace παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες. Αριστερά φαίνεται η γεωμετρία και ένας μικρός αριθμός ακτινών που ανακλώνται από τις συστοιχίες των καθρεπτών, ενώ στην δεξιά εικόνα η γεωμετρία και ακτίνες που ανακλώνται από το σύστημα με τους ανεξάρτητους, ομοιόμορφα κατανεμημένους καθρέπτες. Οι θέσεις των καθρεπτών αντιστοιχούν σε εστίαση για το ηλιακό μεσημέρι.

Αντίστοιχα αποτελέσματα από τη θερμοϋδραυλική προσομοίωση παρουσιάζονται στις παρακάτω εικόνες. Ειδικότερα, εμφανίζεται μια ποιοτική εικόνα της κατανομής της θερμοκρασίας στην εξωτερική επιφάνειας του απορροφητή σε δύο διαφορετικές γωνίες πρόσπτωσης το θερινό ηλιοστάσιο και για την περίπτωση που ως ανακλαστικές επιφάνειες χρησιμοποιούνται γυάλινοι καθρέπτες. Στη βάση της ανάλυσης της οπτικής και θερμουδραυλικής συμπεριφοράς του συλλέκτη Fresnel, κατασκευάστηκαν δύο διαφορετικοί δέκτες (receivers) για την απορρόφηση της συγκεντρωτικής δέσμης ηλιακής ακτινοβολίας, μετά την ανάκλασή της στα κάτοπτρα του συλλέκτη. Οι δέκτες που κατασκευάστηκαν διαφέρουν βασικά ως προς την ύπαρξη ή όχι κενού και έχουν τα χαρακτηριστικά που περιγράφονται στη συνέχεια.

Receiver R1: Δέκτης με σωλήνα κενού, με ή χωρίς δευτερεύοντα ανακλαστήρα

Receiver R2: Επίπεδος δέκτης

Για την διέλευση του ρευστού στο εσωτερικό του δέκτη σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν δύο διαφορετικές διαμορφώσεις:

• Διαμόρφωση σε πολλαπλά παράλληλα ορθογώνια κανάλια
• Διαμόρφωση σε τριπλή διαδρομή τύπου μαιάνδρου

Για την υλοποίηση της δραστηριότητας αυτή προκηρύχθηκε ανοικτός δημόσιος διαγωνισμός αναφέρεται σε ξεχωριστό υποέργο), βάση του οποίου επιλέχθηκε ανάδοχος ο οποίος υλοποίησε επιτυχώς τις ακόλουθες παρεμβάσεις:
I. Ανακλαστήρες Έγινε προμήθεια και επικόλληση στη φέρουσα δομή των κατοπτρικών υποσυστημάτων 360 επίπεδων ανακλαστικών επιφανειών διατάσεων 148 m x 12 cm της εταιρείας ALANOD, τύπος MIRO-SUN weatherproof reflective 90 . Η ανακλαστική επιφάνεια αποτελείται από φύλλο αλουμινίου, το οποίο έχει ανοδιωθεί και από τις δύο του πλευρές.

II. Διάταξη παρακολούθησης της τροχιάς του ηλίου (tracking) Σχεδιάστηκε και εγκαταστάθηκε ηλεκτρομηχανολογική διάταξη tracking η οποία υπολογίζει σε πραγματικό χρόνο την κατάλληλη γωνία περιστροφής για κάθε κατοπτρικό υποσύστημα με τρόπο που η ανακλώμενη σε αυτά ηλιακή ακτινοβολία να προσπίπτει στην επιφάνεια εστίασης, περιστρέφει αυτόματα και σε πραγματικό χρόνο τα κατοπτρικά υποσυστήματα, έχει τη δυνατότητα, εκτός της αυτόματης λειτουργίας, χειροκίνητης περιστροφής των κατοπτρικών υποσυστημάτων, και μπορεί να εστιάζει καθ’ όλη τη διάρκεια της ημέρας στην επιφάνεια εστίασης με κριτήριο τη θέση του ηλίου, ανεξάρτητα από την διαθέσιμη ένταση ηλιακής ακτινοβολίας.

III. Στήριξη δέκτη και πλατφόρμα εργασίας Κατασκευάστηκε οριζόντιος μετακινούμενος δοκός ο οποίος στερεώθηκε στις υφιστάμενες κατακόρυφες δοκούς. Στο κάτω μέρος του δοκού αυτού μπορούν να προσαρμοστούν δέκτες (receivers) διαφόρων τύπων και μεγεθών με μήκος του δέκτη 1200 cm και το μέγιστο συνολικό βάρος τουλάχιστον 100 kg. Περιλαμβάνει μηχανισμό έδρασης και κύλισης, πάνω στον οποίο θα στηρίζονται οι δέκτες έτσι ώστε οι εργασίες να εκτελούνται με ασφάλεια.