Τόπος:
Σύνδεσμος τηλεδιάσκεψης
Έναρξη: 13/07/2021 12:00
Λήξη: 13/07/2021 13:00
Διδακτορικές Σπουδές στην «ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ»
ΑΝΑΚΟΙΝΩΣΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ
Όνοματεπώνυμο Υποψήφιου Διδάκτορα: Νικόλαος Σαββάκης
Α.Μ.: 2013057335.
Ημερομηνία Παρουσίασης: Τρίτη, 13/7/2021
Ώρα: 12:00
Αίθουσα: Join Zoom Meeting
https://tuc-gr.zoom.us/j/87443344555?pwd=RVh0b1hSc21kWWhaWTNDcSs5YnJDQT09
Meeting ID: 874 4334 4555
Password: 349656
Θέμα Δ.Δ « Διερεύνηση, Ανάπτυξη και Αξιολόγηση τεχνικών διαχείρισης της θερμοκρασίας με στόχο την αύξηση του βαθμού απόδοσης και την βελτίωση του οικολογικού αποτυπώματος των φωτοβολταϊκών συστημάτων»
Title PhD «Investigation, development and experimental evaluation of thermal management techniques for photovoltaics with the aim to enhance their energy efficiency and ecological footprint»
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:
(Ελληνικά)
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.
Abstract:
(Αγγλικά)
Recently, the penetration of Renewable Energy Sources (RES) in the final energy consumption is considered as a key measure to curb climate change impacts and support the transition from a fossil-fuelled energy system to clean energy. To this end, the exploitation of solar energy became one of the most promising options in order to respond to the ever-growing energy needs globally. Among several solar applications, photovoltaic (PV) technology has been widely deployed and is anticipated to have a primary role in realising the vision of sustainability. To further strengthen its growth, it is essential the control of specific parameters, that will lead to increasing the PV systems’ efficiency.
These aspects include the solar irradiance levels, the PV cell technology, as well as the PV cell operating temperature, which is partly transformed into thermal energy. This thermal energy provokes PV module temperature rise and reasonable energy losses. The high operating temperature of PVs do not only limit energy conversion efficiency but also affects their lifetime. Consequently, heat removal from the PV module’s surfaces is considered of crucial importance to maximize PV efficiency. Therefore, potentially applicable cooling manners, have been introduced and investigated by several researchers. Among these techniques, taking advantage of Phase Change Materials (PCMs) has earned remarkable attention, since they can absorb an increased quantity of thermal energy at a consistent temperature range of phase alteration and by extension, serve for heat deposition and temperature handling. To contribute to this research area, this PhD thesis is focused on the theoretical analysis, design, and experimental evaluation of the overall performance of PV+PCM systems during their operation by deepening insights into this passive approach under actual Mediterranean conditions. The prior step before the analysis was the development of a general methodology adopted for the PV+PCM system design and evaluation. This methodological approach is based on a reasonable modification of the energy balance model for typical PV modules. Following, an extensive and intensive experimental process under real field conditions took place in two distinct phases, and on different experimental set-ups, to clearly understand the operational aspects of the proposed method (e.g., seasonality, efficiency, reliability, etc.).
During the 1st stage of this study, a modified photovoltaic system (PV+PCM system) combining a conventional photovoltaic module (PV) with a selected type of Phase Change Material (PCM) is assessed in the Mediterranean climate during a year-long period. This type of analysis allowed us to recognise the core operational aspects (e.g., seasonal performance, stability) of such a system and serve a deeper understanding of the potential faults and underestimations. According to the results of this study, the operating temperature difference could arise up to 26,1 °C, so the yearly power generation of the new system increases by 5,7%. To explore the evolutionary possibilities of PV+PCM systems, the present study focuses on the development of an alternative design approach regarding the PCM container. The peculiarity of this approach relies on the combination of the main advantages of a heat sink (i.e., enhanced heat transfer with natural convection) and a heat absorber (i.e., heat absorption). In this research, the inclusion of Phase Change Materials (PCMs) through an alternative type of enclosure in tubular shape was proposed and investigated as an option of mitigating the PV operating temperature to enhance their efficiency and lifetime. Two PVs incorporating different PCMs (PV+PCM systems) and a conventional PV module (reference case) were experimentally tested to assess their energy performance under Mediterranean conditions. As PCMs Paraffins RT27 and RT31 were selected. The results indicated that a peak temperature decrement of 6,4 °C and 7,5 °C could be observed by using 260 g of PCM27 and PCM31, respectively. Hence, PV+PCM27 and PV+PCM31 systems exhibited increased energy generation by 4,19% and 4,24%, respectively. The proposed configuration of PCM enclosures took advantage of the synergistic effect of wind, as demonstrated by the recorded daily temperature profiles of the PV+PCM27 and PV+PCM31 systems, even after the time of complete PCMs' melting.
In addition, the actual data collected from a PV+PCM system, constructed and operated under the Mediterranean climate conditions (Greece), were further exploited to estimate its environmental performance using the Life Cycle Assessment (LCA) methodology. The integration of PCM cooling increases PV’s total environmental footprint by ⁓11,7%, but at the same time also increases PV panel’s lifespan and electricity output. In that sense, reasonable environmental gains through displacing fossil-fuel-dependent electricity from Greece’s energy mix may appear. In conclusion, the results of the present dissertation refer to substantial findings on the benefits arising from the proposed passive cooling method (using PCM) for PV modules and complement the existing literature on the thermal and energy response of PV+PCM systems in field conditions.
