Υποστήριξη Διδακτορικής Διατριβής κου Νικολάου Σαββάκη

με θέμα: « Διερεύνηση, Ανάπτυξη και Αξιολόγηση τεχνικών διαχείρισης της θερμοκρασίας με στόχο την αύξηση του βαθμού απόδοσης και την βελτίωση του οικολογικού αποτυπώματος των φωτοβολταϊκών συστημάτων»

Τρίτη 17 Ιουλίου 2021, Ώρα: 12:00

Αίθουσα: ΤΗΛΕΔΙΑΣΚΕΨΗ

tuc-gr.zoom.us/j/87443344555

 

Meeting ID: 874 4334 4555

Password: 349656

 

Υποστήριξη Διδακτορικής Διατριβής κου Νικολάου Σαββάκη

 

με θέμα: « Διερεύνηση, Ανάπτυξη και Αξιολόγηση τεχνικών διαχείρισης της θερμοκρασίας με στόχο την αύξηση του βαθμού απόδοσης και την βελτίωση του οικολογικού αποτυπώματος των φωτοβολταϊκών συστημάτων»

Τρίτη  17 Ιουλίου  2021, Ώρα: 12:00

Αίθουσα:   ΤΗΛΕΔΙΑΣΚΕΨΗ

 https://tuc-gr.zoom.us/j/87443344555?pwd=RVh0b1hSc21kWWhaWTNDcSs5YnJDQT09

 

Meeting ID: 874 4334 4555

Password: 349656

 

 

Επιβλέπων :  Τσούτσος Θεοχάρης, Καθηγητής

 

Επταμελής Εξεταστική Επιτροπή:

1. Τσούτσος Θεοχάρης, Καθηγητής

2. Καλαϊτζάκης Κωνσταντίνος, Καθηγητής

3. Μαυροματάκης Φώτιος, Καθηγητής

4. Λαζαρίδης Μιχαήλ, Καθηγητής

5. Κολοκοτσά Διονυσία, Καθηγήτρια

6. Παπαδόπουλος Άγις, Καθηγητής

7. Παπαδάκης Γεώργιος, Καθηγητής

 

Περίληψη:

 

Πρόσφατα, η αυξημένη διείσδυση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ) στην τελική κατανάλωση ενέργειας, ως μέτρο ανάσχεσης του φαινομένου της κλιματικής αλλαγής, εντάσσεται ανάμεσα στους βασικούς άξονες παρέμβασης των προωθούμενων πολιτικών για την ομαλή ενεργειακή μετάβαση προς ένα ενεργειακό σύστημα και μια οικονομία χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Σε αυτή τηn διεθνή προσπάθεια, η φωτοβολταϊκή τεχνολογία αναμένεται να αναλάβει κεντρικό ρόλο για την υποστήριξη της βιώσιμης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τόσο σε μικρή (π.χ. αποκεντρωμένη παραγωγή, αυτόνομη λειτουργία, δίκτυα) όσο και μεγάλη κλίμακα (π.χ. λειτουργία διασύνδεσης), καθότι συνδυάζει ένα αυξημένο αριθμό θετικών χαρακτηριστικών. Ωστόσο, κύρια ζητούμενα για την διατήρηση του ευμενώς διακείμενου περιβάλλοντος ανάπτυξης των φωτοβολταϊκών εφαρμογών, αποτελούν η υψηλή αξιοπιστία και η ποιότητα κατά τη διάρκεια του κύκλου λειτουργίας αυτών, καθώς επίσης και η περαιτέρω τεχνολογική εξέλιξη προς την κατεύθυνση μετριασμού των περιοριστικών παραγόντων που ανακύπτουν λόγω της φύσης της ηλιακής ενέργειας.

Αναμεσά στους περιοριστικούς παράγοντες, η θερμοκρασία λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων χαρακτηρίζεται ως βασική παράμετρος ελέγχου της διάρκειας ζωής και της ενεργειακής απόδοσης κατά τη φάση λειτουργίας τους. Συνεπώς, η ανάπτυξη ικανών μεθόδων διαχείρισης της, προκειμένου να επιτευχθεί μείωση των πιθανών θερμικών απωλειών ενέργειας και ταυτόχρονη βελτίωση του οικολογικού αποτυπώματος των φωτοβολταϊκών συστημάτων, αποτελεί μια από τις σύγχρονες προκλήσεις για το μέλλον της τεχνολογίας. Υπό αυτό το πρίσμα, ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζεται στην διερεύνηση, τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη ικανών διατάξεων διαχείρισης της θερμοκρασίας λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων, μέσω των οποίων να διασφαλίζεται η διατήρηση υψηλής ενεργειακής και περιβαλλοντικής απόδοση μέχρι την ολοκλήρωση του κύκλου ωφέλιμης ζωής τους, με την προτεινόμενη μέθοδο να βασίζεται στην χρήση PCM ως εργαζόμενου ρευστού για την απαγωγή της θερμότητας από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια. Η προτεινόμενη μέθοδος είναι ευρύτερα γνωστή με την ονομασία "σύστημα PV+PCM", καθότι ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο συνδυάζεται με έναν τύπο PCM, συνιστώντας μια ενιαία δομική οντότητα. Πρωταρχικό βήμα για την εξυπηρέτηση του σκοπού της παρούσας μελέτης αποτέλεσε η διαμόρφωση μιας γενικής μεθοδολογίας για τον σχεδιασμό συστημάτων τύπου PV+PCM, η οποία βασίζεται στην κατάλληλη τροποποίηση προϋπάρχοντος θεωρητικού μοντέλου ενεργειακού ισοζυγίου και τον καθορισμό κριτηρίων εκλογής και εκτίμησης της αποτελεσματικής ποσότητας του χρησιμοποιούμενου PCM. Ακολούθως, μια εκτεταμένη και εντατική πειραματική διαδικασία σε συνθήκες πεδίου έλαβε χώρα σε δύο διακριτές φάσεις, και επί διαφορετικών πειραματικών διατάξεων, για την κατανόηση των βασικών λειτουργικών πτυχών της προτεινόμενης μεθόδου (π.χ. εποχικότητα, αποτελεσματικότητα, αξιοπιστία, κ.α.)

Κατά την Α’ φάση διεξαγωγής πειραματικών μετρήσεων (περίοδος Ιουλίου 2016 – Ιουνίου 2017), ένα σύστημα PV+PCM τυπικού σχήματος, το οποίο συνδυάζει ένα συμβατικό φωτοβολταϊκό πλαίσιο και έναν επιλεγμένο τύπο PCM, αξιολογήθηκε προκειμένου να εκτιμηθεί η ενεργειακή και θερμική απόκριση του υπό τις επικρατούσες συνθήκες του περιβάλλοντος στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου (Νότια Ελλάδα, Κρήτη). Σύμφωνα με τα ληφθέντα αποτελέσματα, η ένταξη της προτεινόμενης διάταξης παθητικής ψύξης (με χρήση PCM) σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο είχε σημαντική συμβολή για την μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας του, όπως υποδεικνύεται από την μέγιστη καταγραφείσα τιμή των 26,1 °C, και την αύξηση της ετήσιας παραγωγής ενέργειας κατά 5,7%.

Στο πλαίσιο διερεύνησης των δυνατοτήτων εξέλιξης των συστημάτων PV+PCM, η παρούσα μελέτη επικεντρώθηκε στην διαμόρφωση μιας εναλλακτικής προσέγγισης σχεδιασμού της διάταξης που φέρει το εργαζόμενο ρευστό (PCM). Η ιδιαιτερότητα της προσέγγισης αυτής έγκειται στην προσπάθεια συνδυασμού των πλεονεκτημάτων μιας μιας τυπικής διάταξης ψύξης με πτερύγια (δηλ. ενισχυμένη μεταφορά θερμότητας με φυσική συναγωγή) και ενός θερμικού συλλέκτη (δηλ. απορρόφηση θερμότητας). Προκειμένου να αξιολογηθούν και να αποτιμηθούν τα οφέλη από την λειτουργία των εναλλακτικά διαμορφωμένων συστημάτων PV+PCM σε συνθήκες πεδίου, μια σειρά πειραματικών μετρήσεων διεξήχθησαν κατά της διάρκεια της Β’ φάσης ελέγχου (περίοδος Φεβρουαρίου-Ιουλίου 2019). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η στην θερμοκρασία λειτουργίας του ελεγχόμενο φωτοβολταϊκού τύπου μειώθηκε κατά 6,4 °C και 7,5 °C, μέσω της εφαρμογής μικρής ποσότητας (περίπου 260 g) από τα επιλεγμένα PCM27 και PCM31, αντίστοιχα. Συνεπακόλουθα, ο δείκτης αποτελεσματικής ποσότητας PCM προσδιορίστηκε ίσος με 0,34 kg/m2·oC, ενώ τα συστήματα PV+PCM27 και PV+PCM31 παρουσίασαν αυξημένη παραγωγή ενέργειας κατά 4,19% και 4,24%, αντίστοιχα. Επιπλέον, αξίζει να σημειωθεί ότι ένα σύστημα PV+PCM, το οποίο έχει σχεδιαστεί βάσει της προτεινόμενης εναλλακτικής προσέγγισης, απολαμβάνει της συνεργιστικής δράσης του ανέμου και του επιλεγμένου PCM, όπως αποδεικνύεται από τα τις ημερήσιες κατατομές της θερμοκρασίας λειτουργίας των ανεπτυγμένων PV+PCM27 και PV+PCM31, ακόμη και μετά πλήρη τήξη των PCM.

Τα πιθανά περιβαλλοντικά οφέλη από τη χρήση PCM, ως εργαζόμενου ρευστού για την απαγωγή της θερμότητας από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια, την ενίσχυση της σταθερότητας όσον αφορά την αποδιδόμενη ισχύ και την ενεργειακή παραγωγή ενός τυπικού φωτοβολταϊκού πλαισίου διερευνήθηκαν μέσω της εφαρμογής της μεθοδολογία αξιολόγησης κύκλου ζωής (LCA). Προς αυτή την κατεύθυνση, τα πραγματικά δεδομένα από την φάση κατασκευής και πιλοτικής λειτουργίας του  συστήματος PV+PCM (τυπικού σχήματος), τα οποία συλλέχθηκαν μέσω συστηματικής πειραματικής παρατήρησης κατά τη διάρκεια ενός (1) έτους, αξιοποιήθηκαν κατάλληλα. Σύμφωνα τα αποτελέσματα της προκαταρκτικής αξιολόγησης, το περιβαλλοντικό αποτύπωμα του συστήματος PV+PCM αναμένεται υψηλότερο κατά 11,7% σε σχέση με την επιβάρυνση που μπορεί να προκληθεί από ένα συμβατικό φωτοβολταϊκό σύστημα. Ωστόσο, η ενισχυμένη παραγωγή ενέργειας του συστήματος PV+PCM, η οποία θα αξιοποιηθεί για την υποκατάσταση της παραγόμενης ενέργειας από το ενεργειακό σύστημα της Ελλάδας (με υψηλή εξάρτηση από ορυκτά καύσιμα), δύναται να καλύψει το πρόσθετο περιβαλλοντικό αποτύπωμα σε σύντομο διάστημα. Εν κατακλείδι, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής παραπέμπουν σε ουσιαστικά ευρήματα για τα οφέλη της προεκτεινόμενης μεθόδου παθητικής ψύξης (με χρήση PCM) φωτοβολταϊκών πλαισίων και συμπληρώνουν την υπάρχουσα βιβλιογραφία όσον αφορά την θερμική και ενεργειακή απόκριση των συστημάτων PV+PCM σε συνθήκες πεδίου.