Ανάλυση υποβοηθούμενης αντλίας θερμότητας συζευγμένης με θερμικό φωτοβολταϊκό συλλέκτη με χρήση νανόρευστου - Νικολάου, Νικόλαος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας, 2018)
Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, η βελτιστοποίηση και η αξιολόγηση ενός συστήματος συμπαραγωγής με ενεργειακά, εξεργειακά και οικονομικά κριτήρια. Το εξεταζόμενο σύστημα αποτελείται από θερμοφωτοβολταϊκούς συλλέκτες συζευγμένους με δοχείο αποθήκευσης που τροφοδοτούν θερμικά μία αντλία θερμότητας για θέρμανση χώρου και έναν μετατροπέα (inverter) για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Η καινοτομία αυτής της μελέτης έγκειται στην πολυστοχική βελτιστοποίηση του συστήματος (multi-objective optimization), καθώς και στη χρήση νανορευστού στο ηλιοθερμικό πεδίο. Πιο συγκεκριμένα, για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας μελετήθηκε η εγκατάσταση 20 m2 θερμοφωτοβολταϊκών συζευγμένων με ένα δοχείο χωρητικότητας 1 m3 που τροφοδοτούν τον ατμοποιητή μίας αντλίας θερμότητας ονομαστικής ισχύος 5 kW. Επιπλέον, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από τους συλλέκτες μεταφέρεται στον μετατροπέα (inverter) προκειμένου να τροφοδοτήσει τις ανάγκες του συμπιεστή της αντλίας θερμότητας. Η πλεονάζουσα ηλεκτρική ισχύς μετά τον μετατροπέα παρέχεται μέσω net metering στο δίκτυο. Τα εξεταζόμενα νανορευστά έχουν ως ρευστό βάσης νερό, ενώ τα εξεταζόμενα νανοσωματίδια είναι τα εξής: Cu, Al2O3, SiO2, TiO2. H ανάλυση πραγματοποιείται με ένα θερμικό – θερμοδυναμικό μοντέλο το οποίο αναπτύχθηκε στο εμπορικό πακέτο Engineering Equation Solver (EES). Για τη μελέτη των συλλεκτών αναπτύχθηκε αρχικά ένα μοντέλο που είχε ως εργαζόμενο ρευστό το νερό και επικυρώθηκε με πειραματικά αποτελέσματα από τη βιβλιογραφία. Από τη μελέτη αυτή προέκυψε ότι το νανορευστό νερού/Cu έδωσε μέση βελτίωση 4.9% στον θερμικό βαθμό απόδοσης και 0.84% στον ηλεκτρικό, το νανορευστό νερού/Al2O3 έδωσε μέση βελτίωση 3.9% στον θερμικό βαθμό απόδοσης και 0.65% στον ηλεκτρικό, το νανορευστό νερού/ΤiO2 έδωσε μέση βελτίωση 0.90% στον θερμικό βαθμό απόδοσης και 0.11% στον ηλεκτρικό, ενώ το νανορευστό νερού/SiO2 έδωσε μέση βελτίωση 0.82% στον θερμικό βαθμό απόδοσης και 0.1% στον ηλεκτρικό. Μόνο τα δύο πρώτα μελετήθηκαν για ολόκληρο το σύστημα. Η βελτιστοποίηση του συστήματος έγινε με τα κριτήρια του ενεργειακού βαθμού απόδοσης, του εξεργειακού βαθμού και της χρηματοροής. Η βέλτιστη θερμοκρασία ατμοποιητή υπολογίστηκε στους 17°C, όπου ο μέσος ετήσιος ενεργειακός βαθμός απόδοσης για τη χρήση νερού είναι 54.2%, ενώ ο μέσος ετήσιος εξεργειακός βαθμός απόδοσης ίσος με 11.1%. Με τη χρήση του νανορευστού νερού/Cu παρατηρείται αύξηση κατά 4.8% του ενεργειακού βαθμού απόδοσης και κατά 0.66% του εξεργειακού, ενώ με τη χρήση του νανορευστού νερού/Al2O3 αύξηση 4.3% και 0.6% αντίστοιχα. Η οικονομική ανάλυση του συστήματος με εργαζόμενο μέσο το νερό έδωσε περίοδο αποπληρωμής τα 6.77 έτη, ενώ σε χρονικό ορίζοντα 25 ετών ο εσωτερικός συντελεστής απόδοσης (IRR) της επένδυσης είναι 16.2% και η καθαρή παρούσα αξία (NPV) 16934 €. Κατά την περιβαλλοντική ανάλυση προέκυψε ότι λόγω της χρήσης του συστήματος με εργαζόμενο μέσο το νερό μπορούν να αποφευχθούν ετησίως 3.51 tn CO2 ετησίως, με εργαζόμενο μέσο νανορευστό νερού/Cu 3.63 tn CO2 ετησίως, ενώ με εργαζόμενο μέσο νανορευστό νερού/Al2O3 3.62 tn CO2 ετησίως.