Ελληνικά / English

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Τα ηλιακά θερμικά συστήματα είναι μία από τις πιο ελπιδοφόρες τεχνολογίες των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας σε περιοχές με υψηλές τιμές άμεσης ακτινοβολίας (DNI). Η συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας οδηγεί σε υψηλές θερμοκρασίες στον δέκτη και συνεπώς σε υψηλής θερμοδυναμικής απόδοσης δυναμικό. Επιπλέον, η θερμική ενέργεια προσφέρεται εύκολα για αποθήκευση, καθιστώντας την Συγκεντρωμένη Ηλιακή Ακτινοβολία (CSP) πρωτοπόρο υποψήφιο για την παροχή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.  

Η Κύπρος είναι ένα μικρό νησί με απομονωμένο ηλεκτρικό δίκτυο, το οποίο βασίζεται σχεδόν αποκλειστικά (91,9% το 2013) στο εισαγόμενο βαρύ μαζούτ για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης, το ημι-άγονο κλίμα της Κύπρου απαιτεί αφαλάτωση του θαλασσινού νερού για την παροχή επαρκών πόρων πόσιμου νερού στον πληθυσμό της. Οι κλιματικές προβλέψεις δείχνουν τόσο την αύξηση των θερμοκρασιών (~ 3 ° C) όσο και τη μείωση των βροχοπτώσεων (~ 25%) μέχρι το τέλος του αιώνα, αυξάνοντας περαιτέρω τις ανάγκες σε ηλεκτρισμό και σε υδάτινους πόρους του νησιού. Η περίπτωση της Κύπρου όμως  δεν είναι μοναδική μιας και αρκετές χώρες της Μέσης Ανατολής καθώς και όλου του υπόλοιπου κόσμου αντιμετωπίζουν παρόμοιες συνθήκες.

ΠΙΛΟΤΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ

Ο PROTEAS (Πλατφόρμα για Παρατήρηση και Έρευνα σε Τεχνολογικές Εφαρμογές Ηλιακής Ενέργειας) είναι μια σημαντική υποδομή για την έρευνα, ανάπτυξη και δοκιμή τεχνολογιών σχετικών με την συγκέντρωση της ηλιακής ενέργειας (CSP) και την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού. Βρίσκεται στη νότια ακτή της Κύπρου, παραθαλάσσια, και παρέχει μια πειραματική μονάδα που ειδικεύεται στην ανάπτυξη συστημάτων CSP κατάλληλων για νησιωτικά και παράκτια περιβάλλοντα, με ιδιαίτερη έμφαση στις μικρές μονάδες (<25 MWth) με μεγάλη αποθήκευση. Οι συγκεκριμένες μονάδες είναι κατάλληλες για απομακρυσμένες περιοχές ή για περιοχές ενωμένες σε μικρής ισχύς
πλέγματα.

Το πρώτο σημαντικό πείραμα που πραγματοποιείται στη μονάδα PROTEAS αφορά την ανάπτυξη πιλοτικού / πειραματικής κλίμακας υποδομή για τη συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και αφαλάτωση  θαλασσινου νερού με την χρήση της συγκεντρωμένης ηλιακής ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, η πειραματική μονάδα αποτελείται από σύστημα ηλιοστατών και συλλέκτη τοποθετημένο σε πύργο για την συγκέντρωση της ηλιακής ακτινοβολίας, αποθήκευση της θερμικής ενέργειας σε τετηγμένο άλας  ("ηλιακό άλας", 60-40% κ.β. NaNO3-KNO3), ακολουθούμενη από έναν κύκλο Rankine για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και μια μονάδα απόσταξης σε πολλαπλά στάδια (MED) για αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Οι τεχνολογίες αυτές επελέγησαν μετά από εκτεταμένη τεχνοοικονομική μελέτη που εκπόνησε το Ινστιτούτο Κύπρου, και η οποία κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι πιο πάνω τεχνολογίες είναι οι πλέον κατάλληλες για τις ιδιαίτερες συνθήκες των απομονωμένων νησιωτικών κοινοτήτων γενικότερα και της Κύπρου ειδικότερα. Η πειραματική μονάδα έχει ως σκοπό να επαληθεύσει την ιδέα, να μοντελοποιήσει και να προβλέψει τη  συμπεριφοράς ενός πρωτότυπου σχεδιασμού ενός εμπορικά βιώσιμου εργοστασίου ισχύος 4 MWe.


ΕΠΙΜΕΡΟΥΣ ΥΠΟΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Ηλιοστάτες

Η τεχνολογία του κεντρικού δέκτη ηλιοστατών επιλέχθηκε ως η πλέον κατάλληλη για τις συνθήκες της Κύπρου. Ένα πεδίο ηλιοστάτων σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε σε συνεργασία με τον Οργανισμό Επιστημονικής και Βιομηχανικής Έρευνας της Κοινοπολιτείας της Αυστραλίας (CSIRO), χρησιμοποιώντας ηλιοστάτες εστίασης σχεδιασμένους απο την CSIRO.

Οι ηλιοστάτες εγκαταστάθηκαν σε λοφώδες έδαφος, χαρακτηριστικό της ακτής της Κύπρου, το οποίο μεταποιήθηκε έτσι ώστε να βελτιστοποιήθει για να μεγιστοποιηθεί η ετήσια απόδοση ενέργειας και να ελαχιστοποιηθεί η σκίαση. Σήμερα το πεδίο ηλιοστατών αποτελείται από 50 ηλιοστάτες, ο καθένας με ανακλαστική επιφάνεια 5 m². Κάθε κάτοπτρο έχει ανακλαστικότητα 93% και σχηματίζει ένα παραβολοειδές σχημα. Επιπλέον χρησιμοποιούν υπολογιστικό πρόγραμμα παρακολούθησης της τροχιάς του ήλιου και μέσω της κίνησης σε δύο άξονες περιστροφής-ανύψωσης βαθμονομεί διαδοχικά κάθε ηλιοστάτη όλη την ημέρα για να ελαχιστοποιήσει το σφάλμα παρακολούθησης. Ο κεντρικός δέκτης είναι τοποθετημένος σε πύργο 14 μέτρων. Ο δέκτης είναι ένας δέκτης τύπου κοιλότητας με ένα κυκλικό άνοιγμα διαμέτρου 0,8 m.            

Δέκτης (iSTORE)

Μια νέα συσκευή που ενσωματώνει τις λειτουργίες ταυτόχρονα δέκτη και αποθήκευσης, με την ονομασία  ενσωματωμένη αποθήκευση και δέκτης (ISTORE) σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε για τους σκοπούς αυτού του πειράματος. Όπως υποδηλώνει η ονομασία, ο στόχος και η καινοτομία του σχεδιασμού είναι να επιτρέψει τη συγχώνευση των λειτουργιών αποθήκευσης και λήψης θερμικής ενέργειας ενός συστήματος εστίασης CSP σε μία συσκευή, με αποτέλεσμα τη μείωση του κόστους πολυπλοκότητας, λειτουργίας και κεφαλαίου. Η ηλιακή ακτινοβολία κατευθύνεται από το πεδίο ηλιοστατών στην εσωτερική επιφάνεια της κοιλότητας του ISTORE. Η κύρια κοιλότητα έχει κυλινδρικό σχήμα που επεκτείνεται σε τέσσερις δευτερεύουσες κοιλότητες στο πίσω μέρος. Οι δευτερεύουσες κοιλότητες συμβάλλουν στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας δέσμευσης της συσκευής και παρέχουν μια μεγαλύτερη επιφάνεια για τη μεταφορά θερμότητας μεταξύ του αποδέκτη και του υγρού μεταφοράς / μεταφοράς θερμότητας. Η εξωτερική επιφάνεια της κοιλότητας βρίσκεται σε επαφή με το τετηγμένο άλας στο δοχείο αποθήκευσης που το περιβάλλει. Ο δέκτης είναι κατασκευασμένος από AISI SS321H και χρησιμοποιεί ‘ηλιακό αλάτι’ ως υγρό μεταφοράς θερμότητας και μέσο αποθήκευσης.  

Σε αυτή την πρώτη υλοποίηση του ISTORE η ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας της συσκευής είναι μικρή και το τηγμένο αλάτι επανακυκλοφορείται σε ξεχωριστή δεξαμενή αποθήκευσης. Εισάγεται στη συσκευή μέσω ενός συνόλου ακροφυσίων που βρίσκονται στο πίσω μέρος και στο κάτω μέρος του εξωτερικού κελύφους της κοιλότητας. Προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω η θερμική απόδοση, ο σχεδιασμός επιτρέπει την αναρρόφηση θερμού αέρα από την κοιλότητα, η οποία χρησιμοποιείται κυρίως για την προθέρμανση του θαλασσινού νερού για τη μονάδα αφαλάτωσης MED. Άλλα χαρακτηριστικά του ISTORE περιλαμβάνουν πέντε ηλεκτρικές συσκευές θέρμανσης που χρησιμοποιούνται για προθέρμανση κατά τη διάρκεια της φάσης εκκίνησης, καθώς και θύρες για διάφορους αισθητήρες (π.χ. αισθητήρες θερμοκρασίας και στάθμης υγρού) και μια τρύπα για εργασίες επιθεώρησης και συντήρησης.

Αποθήκευση θερμικής ενέργειας          

Ένας από τους στόχους της μονάδας είναι να αποδείξει τη σκοπιμότητα της συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και αφαλάτωσης θαλασσινού νερού σε συνεχή βάση (24/7), επομένως η αποθήκευση θερμικής ενέργειας είναι προαπαιτούμενο για επιτευχθεί αυτό. Ένα σύστημα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας (TES) με τη χρήση τετηγμένου άλατος ως μέσου αποθήκευσης θερμότητας σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε σε συνεργασία με την Εθνική Υπηρεσία για τις Νέες Τεχνολογίες, την Ενέργεια και την Αειφόρο Οικονομική Ανάπτυξη της Ιταλίας (ENEA-Casaccia).     
Το τετηγμένο ηλιακό άλας επιλέχθηκε τόσο ως υγρό μεταφοράς θερμότητας όσο και ως μέσο θερμικής αποθήκευσης, λαμβάνοντας υπόψη το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας του μείγματος, την ογκομετρική θερμική του ικανότητα καθώς και οικονομικούς παράγοντες. Η δεξαμενή έχει ύψος 2,8 m και όγκο 8 m³ και έχει σχεδιαστεί για λειτουργία σε θερμοκρασίες μέχρι 600 ° C σε περιβάλλον χωρίς πίεση, με αποτέλεσμα τη συνολική θερμική ικανότητα αποθήκευσης μέχρι 0,6 MWh. Η δεξαμενή είναι κατασκευασμένη από το AISI SS321H για να εξασφαλιστεί η συμβατότητα με τα τετηγμένα άλατα και να ελαχιστοποιηθεί η διάβρωση. Η δεξαμενή είναι μονωμένη με μόνωση από κεραμικό και πετροβάμβακα συνολικά 0,4 μ. για να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες θερμικής ενέργειας στο περιβάλλον. Επιπλέον, το στήριγμα της δεξαμενής διασυνδέεται με το κύριο δοχείο μέσω πλίνθων πυριτικού ασβεστίου, και πάλι για να ελαχιστοποιήσει τις θερμικές απώλειες μέσω αγωγιμότητας. Πέντε ηλεκτρικές αντιστάσεις, συνολικής χωρητικότητας 45 kW, εγκαθίστανται ως εφεδρικό στήριγμα για τη διατήρηση του άλατος σε τετηγμένη κατάσταση ανά πάσα στιγμή.               

Παραγωγή ατμού και ηλεκτρικής ενέργειας   

Οι μονάδες παραγωγής ατμού και ηλεκτρισμού προστέθηκαν στο πείραμα για να αποδείξουν μια βιώσιμη πορεία για τη συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και αφαλάτωση θαλασσινού νερού. Στην παρούσα φάση η παραγωγή ηλεκτρισμού έχει σχεδιαστεί για επίδειξη-παιδαγωγικό σκοπό- μια ισχυρότερη μονάδα θα εγκατασταθεί στη δεύτερη φάση του πειράματος. Ένα σύστημα κυκλοφορίας ατμού σχεδιάστηκε, με σκοπό να κυκλοφορεί νερό σε έναν εναλλάκτη θερμότητας βυθισμένο στο τετηγμένο άλας έτσι ώστε να δημιουργήσει κορεσμένο ατμό. Αυτός η διάταξη η οποία ουσιαστικά είναι ένας κύκλος Rankine που θα συνδέεται με την αφαλάτωση του θαλασσινού νερού. Μια ατμομηχανή 10kWth / 1.5kWe χρησιμοποιήθηκε και παράλληλα σχεδιάστηκε, αναπτύχθηκε και κατασκευάστηκε μια μονάδα MED με 4 στάδια για να προσαρμοστεί στο κύκλωμα έτσι ώστε να υπάρχει  συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και αφαλάτωση θαλασσινού νερού, αντίστοιχα.        

Ο επαγωγικός ατμός από την τουρμπίνα χρησιμοποιείται ως θερμική εισροή/ενέργεια για αφαλάτωση, ενώ η υπόλοιπη ενέργεια από τον ατμό χρησιμοποιείται για την προθέρμανση του θαλασσινού νερού για τη διαδικασία αφαλάτωσης. Όσον αφορά τη θερμική ενέργεια που χρειάζεται ο κύκλος Rankine, ένας εναλλάκτης θερμότητας αποτελούμενος από ένα ζεύγος πηνίων σχεδιάστηκε για να προθερμαίνει το νερό από τη θερμοκρασία δωματίου στους 200 ° C (κορεσμένο σε υγρή μορφή) και έπειτα σχηματίζεται ατμός σε θερμοκρασία μεταξύ 270 ° C και 500 ° C, ανάλογα με τη θερμοκρασία του ‘ηλιακού αλατιού’.

Αφαλάτωση

Μία θερμική μονάδα απόσταξης 4 σταδίων (MED) κατασκευάστηκε για να λειτουργεί είτε σε σειρά είτε παράλληλα με τον ατμομηχανή. Η μονάδα MED χρησιμοποιεί μια πηγή χαμηλής θερμοκρασίας ενθαλπίας (τόσο χαμηλή όσο 70°C) για την εξάτμιση μιας ποσότητας θαλάσσιου νερού, σχηματίζοντας ατμό απαλλαγμένο από άλατα –απόσταγμα- και μια δεξαμενή άλμης. Η διαδικασία πραγματοποιείται σε ένα μερικώς εκκενωμένο δοχείο, έτσι ώστε να επιτευχθεί χαμηλότερη θερμοκρασία βρασμού του θαλασσινού νερού, άρα λιγότερη ενέργεια. Ο παραγόμενος ατμός μεταφέρεται στο επόμενο δοχείο, όπου η λανθάνουσα θερμότητα που απελευθερώνεται από τη συμπύκνωση χρησιμοποιείται για την εξάτμιση μιας νέας ποσότητας θαλασσινού νερού. Η παρούσα διάταξη MED χρησιμοποιεί την τροφοδοσία σε σειρά, όπου η δεξαμενή άλμης από ένα δοχείο χρησιμοποιείται ως θαλάσσιο νερό για το επόμενο δοχείο. Το πλεονέκτημα αυτής της διάταξης είναι ότι η προθέρμανση του θαλασσινού νερού από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος έως τη θερμοκρασία βρασμού δεν είναι πλέον απαραίτητη, καθώς η δεξαμενή άλμης είναι ήδη σε υψηλότερη θερμοκρασία, ωστόσο η άλμη έχει επίσης υψηλότερη αλατότητα και συνεπώς απαιτείται περισσότερη ενέργεια για την εξάτμισή της. Επιπρόσθετα, η μονάδα αυτή χρησιμοποιεί ως εναλλάκτες θερμότητας πλάκες αντί των παραδοσιακών εναλλακτών θερμότητας με σωλήνες, για να υπάρχει μεγαλύτερη επιφάνεια μεταφοράς θερμότητας σε μια πιο συμπαγή διάταξη.     

Η μονάδα είναι σχεδιασμένη να λειτουργεί με θερμική ισχύ 10 kW και να παράγει μέχρι 2m³  αποσταγμένο νερό ανά ημέρα. Η μονάδα έχει δοκιμαστεί σε ελεγχόμενο περιβάλλον (π.χ. δεν συνδέεται με ηλιακή θερμική διάταξη) και έχει συντελεστή απόδοσης 2,7 (~ 240 kWth/m³) με τέσσερα δοχεία.

Σύστημα ελέγχου και καταγραφής     

Το Σύστημα Ελέγχου και καταγραφής του PROTEA σχεδιάστηκε λαμβάνοντας υπόψη όλες τις αρχιτεκτονικές ανάγκες ενός σύγχρονου και ισχυρού συστήματος: Μια αποκεντρωμένη αρχιτεκτονική βασισμένη σε τεχνικές Server / Client με καλά καθορισμένα και εύκολα διαχωρίσιμα επίπεδα ελέγχου χρησιμοποιώντας επικοινωνία δικτύου. Η αρχιτεκτονική είναι ανοιχτή, εύκολα επεκτάσιμη και αναδιαμορφώσιμη, καθώς είναι κατάλληλη για μια πειραματική εγκατάσταση. Παρακολουθεί όλα τα υποσυστήματα του πειράματος, και παρέχει συναγερμούς ελέγχου και ασφάλειας ανάλογα με τις ανάγκες.

Ο αργός χαρακτήρας ελέγχου που χαρακτηρίζει όλες τις κρίσιμες διαδικασίες ελέγχου της εγκατάστασης επιτρέπει τον περιοδικό χειρισμό των σημάτων εισόδου / εξόδου με τη σειρά αρκετών ms, αποτρέποντας έτσι την ανάγκη περίπλοκων διαδρομών πραγματικού χρόνου. Το σύστημα είναι επίσης ευέλικτο και προσαρμόσιμο, καθώς αφορά ένα πειραματικό σύστημα το οποίο αναμένεται να αλλάζει διαμόρφωση συχνά με την εισαγωγή νέων στοιχείων. Ο εννοιολογικός σχεδιασμός του Συστήματος Ελέγχου περιλαμβάνει αρκετούς τοπικούς σταθμούς ελέγχου που συνδέονται άμεσα με διάφορες μονάδες υλικού. Το Σύστημα Ελέγχου πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το εμπορικά διαθέσιμο βιομηχανικό σύστημα MAQ20 από την DATAFORTH. Για σκοπούς επικοινωνίας μέσω δικτύου έχουν αναπτυχθεί ειδικές μονάδες βασισμένες στο πρωτόκολλο ModBus μέσω Ethernet. Η διεπαφή χρήστη σχεδιάζεται στο περιβάλλον LabVIEW.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ

Η  παρούσα πειραματική μονάδα για την ηλιακή έρευνα στο Πεντάκωμο έχει πρόσφατα λειτουργήσει και προσφέρει ένα μοναδικό περιβάλλον δοκιμών σε πραγματικές παραλιακές συνθήκες νησιωτικών τεχνολογιών, ιδιαίτερα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και την αφαλάτωση θαλασσινού νερού με κύρια πηγή ενέργειας την ηλιακή. Οι εγκατάστασεις του PROTEA, συμπεριλαμβανομένου του πεδίου ηλιοστατών, του πύργου, του λιωμένου αλατιού, της μονάδας  παραγωγής ατμού και ηλεκτρισμού καθώς και την μονάδα απόσταξης θαλασσινού νερού και άλλου σχετικού εξοπλισμού, είναι ανοικτή στην τοπική και διεθνή κοινότητα, όπως προτάθηκε κατά την συγγραφή του συγκεκριμένου πειραματικού προγράμματος.    

Το πρώτο σημαντικό πείραμα (CSP-DSW) που διεξάγεται είναι η δοκιμή της συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με την χρήση της συγκεντρωμένης ηλιακής ενέργειας. Αυτό το πείραμα, εάν είναι επιτυχές, έχει ως στόχο να οδηγήσει στην κατασκευή μιας πιλοτικής εγκατάστασης (από 2 έως 8 MW), η οποία θα πρέπει να είναι οικονομικά βιώσιμη. Όλα τα επιμέρους υποσυστήματα έχουν εγκατασταθεί και ολόκληρη η πειραματική εγκατάσταση επίδειξης βρίσκεται σε λειτουργία. Οι οριστικές μετρήσεις, οι οποίες αναμένεται να ολοκληρωθούν κατά τη διάρκεια των επόμενων δώδεκα μηνών, αναμένεται να επικυρώσουν την έννοια και να βαθμονομήσουν τα εκτεταμένα μοντέλα που έχουν εφαρμοστεί. Αυτό θα επιτρέψει την υλοποίηση και τον σχεδιασμό της επόμενης φάσης του έργου.