SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STROJNÍCKA FAKULTA VYUŽITIE SLNEČNEJ ENERGIE AKO NÁHRADA FOSÍLNEHO PALIVA Bakalárska práca SjF-5234-41484 2011 Štefan Bacskárdy 1
2
Čestné prehlásenie Čestne prehlasujem, ţe som predloţenú bakalársku prácu na tému:,,vyuţitie slnečnej energie ako náhrada fosílneho paliva vypracoval samostatne s pouţitím uvedenej literatúry a ďalších informačných zdrojov. V Bratislave, 20. júla 2011 3... podpis autora práce
Poďakovanie Ďakujem vedúcemu bakalárskej práce Ing. Ľuborovi Kučákovi CSc., za cenné rady a odbornú pomoc ktoré mi poskytol pri vypracovaní bakalárskej práce. Taktieţ moje poďakovanie patrí mojim rodičom, mojej rodine a priateľke, ktorí ma podporovali pri vypracovaní práce. Štefan Bacskárdy 4
Názov práce: Vyuţitie slnečnej energie ako náhrada fosílneho paliva Kľúčové slová: solárny systém, kolektor, fototermálna premena, Slnko Abstrakt: Cieľom mojej práce je poukázať na problematiku vyuţitia slnečnej energie ako náhrady fosílnych palív a moţnosti vyuţitia ako zdroja energie pre vykurovací systém, ohrev vody, ohrev umelých vodných plôch (bazén). V mojej práci sú načrtnuté a rozvinuté jednotlivé prvky solárnych systémov ako aj ich typy. Vysvetlil som spôsob ich fungovania a fyzikálny princíp, ale aj vyuţitie v praxi pre vykurovanie rodinného domu. Title of bachelor thesis: Usage of solar energy as a substitution of fossil fuels Key word: solar system, collector, solar heating, Sun Abstract: The aim of my thesis is to focus on the issue of solar energy usage as a substitution of fossil fuels and the possibility of its usage as an energy source for heating system, water heating and heating of artificially enclosed bodies of water (swimming pool). In my thesis there are outlined and developed the individual elements of the solar systems and their particular types. I explained the way they work and their physical principles but also their practical usage as the heating of a family house. 5
Obsah: 1. Zoznam pouţitých symbolov... 7 2. Úvod...9 3. Energia slnečného ţiarenia...11 3.1. Meteorologické parametre, klimatické faktory...12 3.2. Poloha solárneho kolektora...13 3.3. Fototermálna premena...15 3.4. Konštrukčné časti plochých slnečných kolektorov...17 3.5. Solárne vákuové trubicové kolektory...22 3.6. Účinnosť kolektorov...24 4. Konštrukčné časti solárnych systémov 4.1. Akumulácia tepla, zásobníky...26 4.2. Beztlakové nádoby...27 4.3. Monovalentné zásobníky...27 4.4. Bivalentné zásobníky...28 4.5. Expanzné nádoby...30 4.6. Cirkulačné potrubie, výmenníky tepla, obehové čerpadlá...31 4.7. Drain-Back systém...33 5. Typy slnečných energetických systémov 5.1. Slnečné energetické systémy na vykurovanie...34 5.2. Slnečné energetické systémy bez akumulácie tepla...34 5.3. Slnečné energetické systémy s akumuláciou tepla...35 5.4. Slnečné energetické systémy na prípravu teplej vody...36 5.5. Slnečné systémy na ohrev vody pre bazény...37 6. Dimenzovanie bivalentného systému s prikurovaním...39 6.1. Energia získaná slnečnými kolektormi...43 6.2. Výpočet potrebnej plochy kolektorov pre zimné obdobie...46 6.3. Úspora emisií pri pouţití navrhnutého systému...47 7. Záver...49 6
1.Zoznam použitých symbolov W.m -2 Wh/m 2 Wh/m 2 Hodnota slnečnej konštanty Teoretické mnoţstvo dopadajúcej energie na kolektor Teoretické mnoţstvo dopadajúcej energie na kolektor za deň Qs,mes Wh/m 2 Mnoţstvo dopadajúcej energie na kolektor za mesiac Wh/m 2 Mnoţstvo dopadajúcej energie na kolektor za rok Skutočný čas slnečného svitu Teoretický čas slnečného svitu Sm Z Priemerný mesačný relatívny slnečný svit Súčiniteľ znečistenia atmosféry ( ) Uhol sklonu oslnenej plochy od vodorovnej roviny Wh/m 2 Slnečná energia dopadajúca na kolektor Is W/m 2 Intenzita slnečného ţiarenia ηk % Účinnosť kolektora Ţiarivý tok Činiteľ pohltenia Činiteľ odrazu Činiteľ prestupu Emisivita Ak (m 2 ) Kolektorová plocha 7
G (W/m 2 ) Slnečné ţiarenie U (W/m2.K) Súčiniteľ prestupu tepla kolektorom F Účinnostný súčiniteľ kolektora Vzmin m 3 Objem zásobníka s ( ) Teplota studenej vody z ( ) Teplota teplej vody v zásobníku w ( ) Teplota teplej vody v mieste odberu ( ) Vpot ( liter/osoba/deň) Priemerná denná potreba teplej vody) osôb Vn m 3 Objem tlakovej expanznej nádoby q ** W Tabuľková hodnota pre merné tepelné straty L m Dĺţka potrubia T ( ) Rozdiel teplôt medzi teplou vodou a okolím ( ) Zemepisná šírka λ ( ) Zemepisná dĺţka H ( ) Nadmorská výška te ( ) Najniţšia (výpočtová) vonkajšia teplota Q W Merná tepelná strata budovy q W/m 2 Hustota tepelného Tstr mesiac ( ) Stredné mesačné teploty vzduchu R m 2.K.W -1 Tepelný odpor steny Qc kw Celková strata budovy 8
Úvod: V dnešnom svete čelíme veľkému počtu problémov z dôvodu narastajúcej spotreby energie. Jednak hospodársky rozvinuté krajiny vyrábajú a spotrebúvajú veľkú časť energie, a po druhé spotrebúvame také látky, ktoré sa nahromadili za milióny rokov v geosfére, ich ťaţba bude neustále technicky a peňaţne nákladnejšia. Faktom je, ţe spotreba energie v zimnom a letnom období sa vyrovnáva. Prvoradým dôvodom je čoraz väčšie vyuţívanie klimatizácii v rozvinutých krajinách. Toto letné zvýšenie spotreby energie je príčinou ešte väčšej spotreby fosílnych palív, ktorých spaľovanie má priamy negatívny vplyv na ţivotné prostredie. Škodlivý vplyv fosílnych palív vyzdvihuje do popredia obnoviteľné zdroje energie. Najväčším problémom sú ubúdajúce zásoby svetovej ropy a zemného plynu, ich deficit a narastajúci dopyt po energii pomaly posúvajú svet do energetickej krízy. Jedinou schodnou cestou na dlhodobé riešenie je vyuţitie obnoviteľných zdrojov energie, ktoré predstavujú dlhodobý a stabilný zdroj energie. 75% svetovej spotreby energie pokrývajú fosílne palivá s týmto podielom: 39% ropa (napr. motorové palivá), 22% zemný plyn, 29% uhlie. Týmto je spôsobené nielen vyčerpanie zásob týchto palív, ale aj zvýšené vylučovanie splodín spaľovania do atmosféry. Graf.1. Svetová potreba energie 9
Najzávaţnejším je najmä CO, CO2,SOx, ktoré sú nazývané skleníkové plyny a spôsobujú otepľovanie zemského ovzdušia, nehovoriac, ţe ich zvýšená koncentrácia má priamy negatívny dopad na ľudské zdravie. Obnoviteľné zdroje energie (napr. veterná, voda, biomasa, pohyby vôd oceánov, geotermálna energia, slnečná energia) predstavujú taký zdroj energie z ktorého sme schopní získať energiu s čo najmenším negatívnym dopadom na ţivotné prostredie. 10
3. Energia slnečného žiarenia Slnko nepretrţite vyţaruje energiu do okolitého priestoru a časť z nej dopadá na Zem. Táto energia podporuje priebeh prírodných procesov. Podľa teórie Slnko je rovnomerne pracujúcim jadrovým reaktorom. Energia Slnka je dôsledkom niekoľkých termojadrových reakcií, z ktorých najdôleţitejšie sú Weizäckerov a Betheho cyklus a protónový cyklus, pri ktorej je spaľovaný vodík na hélium pri teplote nad Termojadrové ţiarenie preniká v dôsledku vysokej hustoty vnútra Slnka len pozvoľna k povrchu, pričom sa mení jeho spektrálne zloţenie,takţe povrch Slnka sa nám javí ako ideálny ţiarič s efektívnou teplotou 5762. Zloţenie Slnka Slnko je hviezda zloţená zo ţeravého ionizovaného plynu. Skladá sa zo slnečného vnútra polomeru 696 000 km a zo slnečnej atmosféry s hrúbkou niekoľko miliónov km. Obr.1 stavba Slnka 1.jadro slnka, 2. zóna ţiarivej rovnováhy, 3.konvektívna zóna,4.fotosféra, 5.chromosféra, 6.vnútorná koróna 11
Ţiarenie Slnka ktorá dopadá za jednotku času na jednotku plochy, kolmej na smer šírenia ţiarenia sa nazýva slnečná konštanta. Merania určujú hodnotu slnečnej konštanty: =1 353 W. (Alfonz Smola: Vyuţitie slnečnej energie) 3.1. Meteorologické parametre, klimatické faktory Dopad slnečného ţiarenia, na konkrétne miesto zemského povrchu, je zloţitou funkciou mnohých premenných parametrov, charakterizujúci stav atmosféry a vzájomný pohyb uvaţovaného miesta na Zemi voči Slnku. Mnoţstvo dopadajúcej energie závisí od súčiniteľa znečistenia atmosféry, zemepisnej šírky, od polohy kolektora vzhľadom na svetové strany, od sklonu kolektora od vodorovnej roviny a od premien medzi ročnou a dennou dobou. Priemerný ročný úhrn celkového ţiarenia sa pohybuje od 925 kwh/m2/rok na severných svahoch a v dolinách pohorí, aţ po 1250 kwh/m2/rok na juţných svahoch. Tieto svahy majú o niečo vyšší príjem globálneho ţiarenia ako roviny juţného Slovenska 1150-1200kWh/m2/rok, vďaka takmer optimálnemu sklonu niektorých juţných svahov. Obr.2 Globálne slnečné ţiarenie na území SR (www.solarenvi.sk) 12
Slovensko z hľadiska dopadajúcej energie slnečného ţiarenia je vhodným územím na praktické vyuţitie solárnej energie. 3.2. Poloha solárneho kolektora Najvýhodnejšia orientácia pre vyuţitie slnečnej energie je smerom na juh s určitým sklonom k horizontálnej rovine. Pre výpočty sa obvykle udáva teoreticky moţné mnoţstvo energie dopadajúcej na 1 plochy kolektora za priemerný deň v mesiaci v kwh..slnko však nesvieti celý čas a kaţdý deň, keď je nad obzorom ale iba vtedy keď je obloha čistá, a nie je zakrytá oblakmi. Podľa trvania oblačnosti a stupňa počasia je skutočný čas slnečného svitu kratší ako teoretický čas. Najvyššie hodnoty dosahuje teoretické ţiarenie v júni, pre plochu orientovanú na juh so sklonom 30 k horizontálnej rovine. V zimných mesiacoch veličina klesá na minimum. Teoreticky moţné mnoţstvo energie Qs,deň,teor (kwh.m -2 ), ktoré pri súčiniteli znečistenia atmosféry Z=3 na 50 severnej šírky dopadá na plochu 1 m 2, n kolektory orientované na juh a sklonené pod rôznym uhlom od vodorovnej roviny udáva tabuľka (Tab.1). Tab.1 Teoretické mnoţstvo energie slnečného ţiarenia dopadajúce za deň na rôzne sklonené plochy na juh. Teoretické mnoţstvo energie dopadajúce za deň na oslnenú Uhol sklonu oslnenej plochy od plochu v jednotlivých mesiacoch Q_s,deň,teor (kw. h. m^(-2) vodorovnej plochy( ) XII. I.a XI. II.a X. III.a IX. IV.a VIII. V.aVII. VI. 0 1,09 1,55 2,74 4,93 6,73 8,36 9,16 15 1,78 2,30 3,75 5,82 7,50 9,12 9,76 30 2,35 2,96 4,48 6,44 7,98 9,56 9,98 45 2,70 3,40 4,96 6,70 8,06 9,42 9,64 60 3,00 3,71 5,26 6,44 7,41 8,09 8,48 90 3,11 3,96 5,00 5,56 5,19 4,49 4,31 Z tabuľky (Tab.1) vidieť, ţe pre zimné vyuţitie je výhodnejší kolektor s väčším uhlom sklonu, a pre letné vyuţitie energie slnečného ţiarenia je 13
výhodnejší sklon k horizontálnej rovine. Z toho vyplýva ţe za celý rok dopadá najväčšie mnoţstvo energie na kolektory sklonené pod uhlom. Slnečná energia dopadajúca na kolektor Qs sa čiastočne zachytí kolektorom Qk a čiastočne sa odvádza do okolia. Účinnosť kolektora η je daná pomerom Qk/ Qs a všeobecne závisí od intenzity slnečného ţiarenia Is (W.m -2 ), od konštrukcie kolektora (od tepelnej izolácie kolektora, od optickej priepustnosti krycích skiel, od pohltivosti absorpčnej plochy) od rozdielu medzi teplotou kolektora (ohrievanej kvapaliny v kolektore) tk a teplotou okolia t0. Účinnosť kolektora ηk sa časom mení, pretoţe veličiny Is a t0 sú často premenlivé. Pri výpočte energie zachytenej kolektorom treba počítať Qk= ηk.qs Skutočné mnoţstvo energie dopadajúce na povrch kolektora za celý mesiac sa vypočíta zo vzťahu Qs,mes=n Qs,deň,teor Pomerný čas slnečného svitu v jednotlivých mesiacoch je pre niektoré mestá na Slovensku uvedený v nasledujúcej tabuľke. (Ing. Ján Kaclík: Úsporné vykurovanie budov) Tab.2 Priemerný čas slnečného svitu Mesiac Priemerný čas slnečného svitu τskut τteor Bratislava Košice I. 0,24 0,25 II. 0,34 0,31 III. 0,45 0,42 IV. 0,5 0,46 V. 0,57 0,54 VI. 0,6 0,54 VII. 0,65 0,58 VIII. 0,64 0,57 IX. 0,6 0,55 X. 0,45 0,44 XI. 0,23 0,25 XII. 0,2 0,22 14
3.3.Fototermálna premena Tepelné ţiarenie telesa označujeme ako elektromagnetické ţiarenie pri termodynamickej rovnováhe. Ak na ľubovoľný povrch dopadá ţiarivý tok, časť je pohltená, časť sa od povrchu odrazí a časť prechádza cez teleso ohraničené našim povrchom. Q α -činiteľ pohltenia -činiteľ odrazu -činiteľ prestupu Bilancia ţiarových tokov v telese = = = Bilanciu ţiarových tokov môţeme napísať v tvare.ak =1, potom = =0 látka dokonale pohlcuje ţiarenie, ktoré na ňu dopadá. Ak je =1 pre ţiarenie ľubovoľnou intenzitou, potom látku, ktorá pohlcuje ţiarenie nazývame absolútne čiernym telesom. Látka dokonale odráţa ţiarenie, ktoré na ňu dopadá, keď =1. Absolútne priezračného telesa zodpovedá prípad keď je =1. Táto látka sa nazýva diatermická. Kirchhoffov zákon vyjadruje vzťah medzi pohlcovaním a vyţarovaním, ktorý hovorí, ţe pomerná vyţarovacia schopnosť telesa sa rovná jeho pohlcujúcej schopnosti. 15
Možnosti využitia fototermálnej premeny slnečnej energie Najznámejší a najľahšie realizovateľný spôsob vyuţitia slnečnej energie je fototermálna konverzia (premena slnečnej energie na teplo). Z vyuţitia fototermálnej premeny sa orientujeme na dve oblasti: - Vyuţitie tepelnej energie na domácnosť(ohrev vody, klimatizácia obytných miestností) - Vyuţitie pre poľnohospodárstvo a na priemyselné účely(pece na tavbu materiálov, destilácia, ohrev úţitkovej vody, klimatizácia priestorov) Najdôleţitejšími zariadeniami slnečných vyhrievacích systémov sú slnečné kolektory, premieňajú priame a difúzne slnečné ţiarenie na tepelnú energiu. Fungujú ako obyčajné tepelné výmenníky, v ktorých nastáva prenos tepla od jednej tekutiny k druhej. V slnečnom kolektore sa prebieha prenos energie do kvapaliny od vzdialeného zdroja energie. Ak je táto plocha čierna, slnečný kolektor je schopný zachytiť 95% ţiarivej energie. Túto energiu treba premeniť na tepelnú a akumulovať vhodnej hmote s vysokou tepelnou kapacitou. (Alfonz Smola: Vyuţitie slnečnej energie) Slnečné kolektory delíme podľa : Konštrukčného riešenia : -ploché -koncentračné Spôsobu upevnenia : -pevné (uloţené na konštrukcii) -pohyblivé (natáčaním podľa smeru slnečných lúčov) Teploty : -nízkoteplotné do 60 C -stredne teplotné do 100 C -vysokoteplotné od 100 do 2000 C Umiestnenia : -zariadenie vytvárajúce súčasť budovy -samostatné technické zariadenie 16
Teplonosných látok : -vzduchové -kvapalinové, kde teplonosnou látkou je nemrznúca kvapalina alebo voda Pouţitia : -prípravu úţitkovej vody -ohrev bazénov -ohrev vody pre ústredné vykurovanie -teplovzdušné vykurovanie 3.4. Konštrukčné časti plochých slnečných kolektorov Ploché slnečné kolektory môţeme pouţívať na ohrev pracovnej látky do teplôt, ktorých hodnota neprevyšuje teplotu okolitého prostredia o viac ako 100 K. Oproti koncentračným kolektorom majú nasledujúce výhody: a, vyuţívajú priame i difúzne ţiarenie b, nepotrebujú pohyb za slnkom c, nepotrebujú stálu obsluhu d, majú jednoduchšiu konštrukciu, teda sú lacnejšie Kolektory sú umiestnené vonku, v dosahu slnečného ţiarenia. Sú teda vystavené vplyvom počasia. Problémom je zabezpečiť: a, priemernú účinnosť slnečných kolektorov b, spoľahlivosť c, dlhú ţivotnosť Konštrukcia kolektorov je teda kompromisom medzi teoretickým návrhom, výrobnými moţnosťami a celkovou ekonomickou efektívnosťou systému. 17
Konštrukčné časti plochých kvapalinových slnečných kolektorov sú uvedené na obrázku (Obr. 3). Absorbér je najdôleţitejšou časťou slnečného kolektora. Je pokrytý čiernym alebo selektívnym materiálom, aby sa zvýšila pohltivosť ţiarenia. Ohrieva a odovzdáva teplo prostredníctvom teplonosnej látky do rozvodnej potrubnej siete. Je spojený so systémom rúrok, ktorí musia mať vysokú tepelnú vodivosť, aby bol zabezpečený prenos tepla do pracovnej látky. Obr. 3 Konštrukčné časti plochých kvapalinových slnečných kolektorov Absorbér je umiestnený v izolovanom ráme, ktorý je prekrytý jednoduchým, dvojitým alebo trojitým zasklením, aby sem zníţili straty tepla do okolia. Tepelné straty kolektorov moţno ešte zníţiť vytvorením vákua kolektora a špeciálnou chemickou úpravou povrchu absorbéra V plochom slnečnom kolektore prebiehajú všetky tri spôsoby prenosu tepla: Ţiarením- všetky látky vyţarujú energiu vo forme elektromagnetického vlnenia. Látky, na ktoré toto vlnenie dopadne, 18
časť z neho odrazia, časť prepustia alebo pohltia. Pohltené ţiarenie sa pritom mení na teplo. Vedením- pri tomto prenose sa teplo šíri prostredníctvom termického pohybu molekúl od molekuly k molekule. Výnimku tvorí prenos tepla v kovoch, kde sa teplo šíri prostredníctvom difúzie voľných elektrónov. Prúdením- v kvapalinách sa prenos tepla urýchľuje mechanickým premiestňovaním častíc kvapaliny prúdenia. Prenos tepla prúdením sa vţdy kombinuje s prenosom tepla vedením. Na absorbér sa kladie poţiadavka, aby mal dobrý činiteľ pohltenia pre slnečné ţiarenie a nízku emisivitu pre vlastné dlhovlnné vyţarovanie. V praxi pouţívané selektívne povrchy rozdeľujeme na: a, jednovrstvové b, viacvrstvové Jednovrstvový selektívny povrch je vytvorený tak, ţe na dokonale vyleštený kovový povrch absorbéra je nanesený čierny povrch s vysokou absorpciou. Takýmto povrchom býva vrstva kysličníka alebo kovu nanesená na leštený poklad anodizáciou alebo naparovaním. Obr.4 Jednovrstvový selektívny povrch 1.povrch pohlcujúci slnečné ţiarenie 2. Podloţka z lešteného kovu V prevádzkach s vysokou teplotou dochádza k rýchlej korózii a prerušeniu selektívneho povrchu. Minimálna hrúbka vrstvy, ktorá chráni kovy pred koróziou, je v prípade niklu 30 aţ 50. 19
Ďalším dôleţitým faktorom na optické vlastnosti povrchu je jeho štruktúra. Vyskytovať sa môţu tieto prípady: a, optimálna hrúbka vrstvy nemusí mať interferenčné vlastnosti b, hrúbka vrstvy je porovnateľná s vlnovými dĺţkami uvaţovaného spektra a interferenčné vlastnosti sa budú meniť podľa hrúbky a dĺţky vlny. Štruktúra povrchu môţe byť rôzna: a, povrch je pórovitý, súvislý. Vzdialenosti medzi časticami prevyšujú rozmery molekúl, ale sú citeľne menšie ako dĺţka vlny b, povrch je pórovitý, nehomogénny rozmery pórov sú porovnateľné, alebo prevyšujú dĺţku vlny dopadajúceho ţiarenia. c, povrch je homogénny súvislý Viacvrstvový selektívny povrch je zlepšeným variantom jednovrstvového systému. Tu dochádza mnohonásobnej interferencii, ktorá v oblasti slnečného spektra dovoľuje zníţiť činiteľ pohltenia v infračervenej oblasti a zvýšiť hodnotu tohto činiteľa v krátkovlnnej časti spektra. Dobrá tepelná vodivosť prvej vrstvy selektívneho povrchu k leštenému povrchu kovu má dôleţitú úlohu v systéme. Najlepšie výsledky dosahujeme tenkými kysličníkovými, galvanicky alebo anodicky nanesenými vrstvami. V systémoch s viacerými vrstvami sa nízky činiteľ absorpcie v infračervenej oblasti dosahujeme tak, ţe prvý povrch má vysoký činiteľ priestupu a malý činiteľ odrazu. 20
Tab.4 Antireflexné vrstvy Materiál antiodrazného Činiteľ Optická Optické koeficienty povrchu na Cu s vrstvou Ni lomu n hrúbka celej sústavy = 30 d[ ] MgF 2 1,35 0,15 0,8 0,04 SiO 2 1,45 0,15 0,82 0,04 SiO 1,9 0,15 0,86 0,05 CeO 2 2,2 0,15 0,87 0,05 Zns 2,3 0,15 0,88 0,05 SiO+MgF 2 3,28 0,3 0,9 0,06 ZnS+MgF 2 3,68 0,3 0,91 0,05 CeO 2+SiO 2 3,65 0,3 0,91 0,05 Z tabuľky vidieť, ţe pomocou jednovrstvových antiodrazových povrchov sa zväčší činiteľ pohltenia na hodnotu 0,91, pričom sa zachováva emisivita pre infračervenú oblasť na úrovni 0,04 aţ 0,05. Konštrukčné riešenie absorbérov zahŕňa: -výber materiálov(meď, hliník, oceľ a plasty) -výber tvaru (profilové výlisky, ploché platne) -geometrické usporiadanie potrubia pre teplonosnú kvapalinu (lamelové, špirálové, meandrovité) -úprava povrchu (selektívne a neselektívne pokrytie) Tepelná izolácia solárnych kolektorov redukuje straty zadnou a bočnou stenou. Poţiadavky sú aby tepelná izolácia mala: -malú tepelnú vodivosť -malú hmotnosť -dobrú mechanická pevnosť -nízku cenu V našich podmienkach na tieto poţiadavky najlepšie vyhovuje tvrdá polyuretánová pena (PUR) a čadičová vata. 21
Materiál priehľadného pokrytia musí byť: -reflexný pre infračervené ţiarenie -transparentný pre svetelné ţiarenia -bezpečný voči rozbitiu(mechanickému poškodeniu) -ľahko spracovateľný a chemicky stály -odolný voči nárazom vetra 3.5. Solárne vákuové trubicové kolektory V oblasti vákuových rúrkových kolektorov sa v súčasnej dobe vyskytujú predovšetkým dva základné konštrukčne odlišné typy: kolektory s jednostennou vákuovou trubicou a kolektory s dvojstennou vákuovou trubicou. Jednostenné rúrkové kolektory sú tvorené jednostennou sklenenou vákuovou trubkou v ktorej je umiestnená lamela plochého absorbéra privarená na medené potrubie (priame pretekanie U-slučka), alebo na výparnej trubici zabezpečujúcej odvod tepla z absorbéra (viď na obr.5 a 6). Obr.5 Jednostenný trúbkový vákuový kolektor s tepelnou trubicou(vľavo, priečny a pozdĺţny rez) priame pretekanie U-slučka (vpravo, priečny a pozdĺţny). 22
Obr. 6 Praktické prevedenie jednostenných vákuových trubicových kolektorov, s priamym pretekaním (vľavo), s tepelnou trubicou (vpravo). Prestup potrubia sklenenou vákuovou trubicou je riešený špeciálnym tesnením sklo-kov, ktoré zabezpečí dlhodobé udrţanie vákua v sklenenej trubke. V poslednom desaťročí sa na slovenskom a európskom trhu objavujú dvojstenné trubkové vákuové kolektory. Základná je tzv. Sydney trubka, valcová dvojstenná sklenená rúrka (viď obr. 7-8). Priestor medzi vonkajšou krycou rúrkou a vnútornou absorbčnou trubkou je vákuum. Vonkajší povrch vnútornej absorpčnej sklenenej rúrky je absorbčným povrchom, najčastejšie napareným nitridom hliníka.( http://vytapeni.tzbinfo.cz/) Obr.7 Priečny rez vákuovou Sydney trubkou s tepelnou trubicou (vľavo) a priamo pretekanou U-trubicou (vpravo). Prenos tepla z absorbéra zabezpečuje vodivá lamela. 23
Obr.8 Pozdĺţny rez vákuového Sydney trubka s tepelnou trubicou (hore) a priamo pretekanou U-trubkou (dole). 3.6 Účinnosť kolektorov Základnou veličinou charakterizujúcou kvalitu slnečných kolektorov je ich účinnosť. Účinnosť solárneho kvapalinového kolektoru ηk je za stálych podmienok definovaná ako pomer uţitočného tepelného toku (výkonu) odvádzaného teplonosnou kvapalinou z kolektora k súčinu definovanej kolektorovej plochy Ak [m2] a slnečného ţiarenia G [W/m 2 ] dopadajúceho na kolektor. Zo zjednodušenej bilancie absorbéra (optické a tepelné straty) moţno stanoviť účinnosť ako funkciu strednej teploty absorbéra a klimatických podmienok (vonkajšia teplota te, slnečné oţiarenie G), η= =τ. -U kde - je priepustnosť zasklenia, - je pohltivosť absorbéra a U [W/m 2.K] je súčiniteľ prestupu tepla kolektorom. Týmto spôsobom je však stanovená účinnosť len na základe fyzikálnych vlastností častí kolektora mimo absorbéra. Nie je zohľadnený vplyv pouţitého materiálu (vodivosť), konštrukcia a geometria absorbéra (hrúbka absorbéra, rozteč rúr absorbéra), ovplyvňujúce prenos tepla vedením lamelou absorbéra k rúrke s teplonosnou kvapalinou, ďalej nie je 24
zohľadnený vplyv kvality spoje medzi absorpčným povrchom trubkou a teplonosnou kvapalinou (či je zváraný, alebo len ľahko sa dotýkajúce) a tieţ nie je zohľadnené prúdenie teplonosnej kvapaliny v trubici, ktoré ovplyvňuje prestup tepla z vnútorného povrchu potrubia trubkového registra absorbéra do teplonosnej kvapaliny. Vyjadrenie účinnosti ako funkcia strednej teploty absorbéra je navyše problematické, pretoţe teplota absorbéra spravidla nie je známa a moţno ju ťaţko zmerať. Pre vyjadrenie prenosu tepla z absorbéra do teplonosnej kvapaliny sa vyuţíva účinnosť súčiniteľa kolektora F ', ktorý vo svojej podstate vyjadruje pomer medzi dvoma tepelnými odpormi, v menovateli je obsiahnutý odpor proti prenosu tepla z teplonosnej kvapaliny do okolitého vzduchu 1/Uo, v čitateli je odpor proti prenosu tepla z absorbéra do okolitého vzduchu 1 / U [1, 2, 3]. Výkonnostný súčiniteľ kolektora je konštantný pre danú konštrukciu absorbéra. Pre rôzne konštrukčné riešenia spoje lamely a rúrky sa vzťah pre stanovenie F 'líši [2]. Pre najbeţnejší prípad plochého absorbéra napájaného či navareného zhora na potrubie trubkového registra ho moţno analyticky vyjadriť ako, F= = [ [ ] ] kde W [m] je rozstup rúr, Di a De [m] sú vnútorné a vonkajšie priemery rúr registra absorbéra, F [-] je štandardná účinnosť rebier a hf, aj [W/m2.K] je súčiniteľ prestupu tepla z vnútorného povrchu rúrky absorbéra do teplonosnej látky. Vo vzťahu (2) 1. zlomok v menovateli vyjadruje tepelný odpor vedením lamelou absorbéra, 2. zlomok je tepelný odpor spoja absorbér-trubka a 3. zlomok je tepelný odpor voči prestupu tepla do teplonosnej látky. Hoci vzťah pre výkonnostný súčiniteľ bol pôvodne odvodený pre kolektor s plochým absorbérom, analogicky bude platný aj pre kolektor s valcovým absorbérom. Zavedenie účinnostného súčiniteľa kolektora umoţňuje rovnicu účinnosti solárneho kolektora, plochého alebo trubkového písať v závislosti na strednej teplote teplonosnej kvapaliny tm ako, 25
k=f [ ] kde stredná teplota teplonosnej kvapaliny tm sa stanovuje ako priemer teploty na vstupe do kolektora tk1 a výstupe z kolektora tk2 tm= Všeobecná rovnica efektívnosti zodpovedá často poskytnutému tvaru krivky účinnosti kolektorov, k= 0-1. - kde člen η0 vyjadruje účinnosť solárneho kolektora pri nulovom teplotnom spáde (priesečník s osou účinnosti, niekedy označovaný ako optická účinnosť), smernice a1 [W/m2.K] je lineárny súčiniteľ tepelnej straty kolektora (analógia súčiniteľa prestupu tepla) a krivosť a2 [W/m2.K2] je kvadratický súčiniteľ tepelnej straty kolektora (vyjadruje zvýšenie tepelných strát vplyvom sálania, závislé na rozdiele 4. mocnín teplôt). Z účinnostného súčiniteľa kolektora F' vyplývajú dôleţité princípy návrhu konštrukcie kolektora. Dôleţité je upozorniť predovšetkým na skutočnosť, ţe ak F 'bude vykazovať nízke hodnoty (nevodivý absorbér, nevodivý spoj, atď.), účinnosť kolektora bude degradovaná v celom prevádzkovom rozsahu. 4.1. Akumulácia tepla, zásobníky Cieľom solárnych zásobníkov je dosiahnuť čo najvyššie vyuţitie zachytenej energie. O účinnosti solárnych systémov nerozhodujú len kvalitné kolektory, ale najmä efektívne zásobníky. Vzhľadom na nerovnosť medzi príjmom a odberom energie v kolektorových systémoch aplikujeme špeciálne zásobníky, ktoré sú schopné uschovať nadbytok energie pre dni bez slnečného svitu. Nadbytočné teplo sa uskladňuje v špeciálnych zásobníkoch, ktorými sú zásobníkové ohrievače alebo akumulačné zásobníky tepla. Podľa skúseností je ekonomicky podstatné predimenzovať plochu kolektorov a obsah zásobníka z dôvodu akumulácie energie aspoň 26
na 2 aţ 3 po sebe nasledujúce zamračené dni (Brauchwasserbereitung mit Sonnerenergie, 1999). Nízkotepelné systémy na prípravu teplej vody a vykurovanie musia mať kvalitné, dobre izolované veľkokapacitné zásobníky. 4.2 Beztlakové nádoby Beztlakové nádoby sú vzhľadom na mnoţstvo uskladneného tepla voči tlakovým nádobám relatívne lacné. Tepelné straty sú niţšie vďaka menšiemu nadmernému povrchu a nádoby plnia funkciu expandéru (jedná sa však o väčšie objemy). Zo známych spôsobov akumulácie sa tepelná akumulácia vyznačuje relatívne najvyššou účinnosťou, pretoţe pri nej prebieha najmenej energetických premien. 4.3 Monovalentné zásobníky Vhodný je pre systémy s vysokými prietokmi, pre tie systémy, kedy kvapalina v kolektoroch a zásobníku je tá istá. Sú to beztlakové alebo tlakové nádoby určené na dennú potrebu vody. Teplonosnou látkou je voda, preto je aplikácia moţná len v sezónnom období. Pokles teploty vody v zásobníku pri nedostatočnom príjme slnečnej energie sa eliminuje elektrická ohrevná vloţka. Veľkosť zásobníka na klasický ohrev vody sa dimenzuje na poţadovanú dennú potrebu. Vypočíta sa podľa vzťahu: Vzmin = Kde Vz- objem zásobníka Vpot - priemerná denná spotreba teplej vody ( liter/osoba/deň) p - počet osôb s teplota studenej vody ( ) w teplota teplej vody v mieste odberu ( ) z teplota teplej vody v zásobníku ( ) 27
Obr.9. Schéma pripojenia zásobníka priamym ohrevom vody (vľavo), schéma pripojenia zásobníka nepriamym ohrevom s výmenníkom tepla (vpravo) 4.4. Bivalentné zásobníky Sú to zásobníkové ohrievače určené na celoročnú prevádzku, vybavené v miestach odberu výmenníkmi tepla dimenzované na viacdennú zásobu. Bivalentné zásobníky sú vyuţívané vo väčšine prípadoch, pretoţe uţ nie je potrebný ďalší bojler. Trivalentný zásobník má výmenníky tri, takţe naviac môţe byť pripojený ďalší okruh, napríklad bazén. Typy bivalentných zásobníkov : - kombinované ohrievače vody (s napojeným na kotol) - zásobníky s vnútorným ohrevom (so zabudovanou teplovýmennou plochou) -zásobníky s vonkajším ohrevom (so samostatným výmenníkom tepla alebo s pripojením na doplnkový zdroj tepla) - kombinované zásobníky (Cenek, M. a kol., 1994 in Petráš, D. a kol., 2009) 28
Obr.10 Rez bivalentného solárneho zásobníka (1 výmenník tepla slnečného okruhu, 2 elektrická ohrevná vloţka, 3 výmenník tepla vykurovacieho okruhu Najčastejším materiálom zásobníkov je oceľ. Vnútorná plocha má antikoróznu úpravu na báze emailovania alebo smaltovania, ktorá splní hygienické poţiadavky a zabezpečí dlhodobú ţivotnosť. Kvalitná tepelná izolácia z polyuretánovej peny (PUR) ktorá neškodí ţivotnému prostrediu zabezpečuje úspornú prevádzku, pretoţe tepelné straty zásobníka sú minimálne. 29
Úroveň teplôt V mnohých prípadoch je zohrievaná studená voda 10 na teplotu 45 alebo na 60. Táto teplota je pri výtoku z ohrievača upravená studenou vodou na poţadovanú výslednú teplotu. Pre rozdielne úrovne teploty v rôznych oblastiach pouţitia je pre ohrev 1 litra vody z 10 potrebná energia: 25 : 62,7 kj = 0,01742 kwh 45 : 146,3 kj = 0,04064 kwh 60 : 209,0 kj = 0,05806 kwh Pre ohrev 8000 l vody denne z 10 na 25 je potrebná ročne 50 MWh, z 10 na 45 118,6 MWh a z 10 na 60 169,5 MW energie. Tepelné straty zásobníka Základný tvar pre tepelné straty zásobníka je nasledujúce: Q = U. A. T. t,kde je : U - súčiniteľ prestupu tepla celého zásobníka [W/(m2.K)] A - plocha povrchu zásobníka [m2] T - stredný teplotný rozdiel medzi vodou v zásobníku a v okolí [K] T uvaţované časové obdobie strát zásobníka 4.5. Expanzné nádoby Existujú dva typy expanzných nádob: otvorené a uzavreté. Sú to oceľové nádoby. Uzavreté nádoby sú rozdelené gumovou membránou na dva priestory. Prvý priestor je spojený s primárnym okruhom, a v druhej sa nachádza plyn. Expanzné nádoby zabezpečujú, aby teplonosná kvapalina sa mohla bezpečne rozťahovať, v otvorenom alebo v uzavretom vykurovacom systéme. Pri zmenách teploty kolektorov, keď nie je vchode obehové čerpadlo, môţe teplota vystúpiť aţ na 180 a môţe sa vytvárať para. Aby z poistného ventilu neunikla teplonosná látka, expanzová 30
nádoba sa dimenzuje na zväčšený celkový objem. Objem Vn tlakovej expanznej nádoby sa vypočíta podľa vzorca: Vn = Kde Vz - je bezpečnostné mnoţstvo vody (l) Vz = Vcelk (0,01 aţ 0,03) Vo - zvýšenie objemu pri ohreve teplonosnej látky, Vo = Vcelk.β Vcelk - objem kvapaliny v celom zariadení (l) β súčiniteľ objemovej rozťaţnosti teplonosnej látky Vk objem vody v kolektoroch (l) z- počet kolektorov Pe maximálny tlak na ktorý je nastavený poistný ventil (kpa), ak otvárací tlak ventilu je 50 kpa P1 súčet tlaku membránovej nádoby a hydrostatického tlaku zariadenia (kpa) Pretlakové ventily sú dimenzované na otvárací tlak 600 kpa a na teplotu do 120. Expanzná nádoba je umiestnená na vratnom potrubí kolektorového okruhu medzi obehovým čerpadlom a kolektorom.( Karl- Heinz Remmers: Velká solární zařízení) 4.6. Cirkulačné potrubie Aby bola teplá voda rýchlo v dispozícii na výtokoch potrubia siete teplej vody, pouţíva sa doplňujúce cirkulačné potrubie. Pri cirkulácii teplej vody sa vznikajú straty, ktoré musia byť nahradené vykurovaním. Rozvodné potrubia musia byť izolované. Poţadované hrúbky izolácie sú k dispozícii v tabuľke 5. 31
Tab.5 Potrebná hrúbka izolácie na potrubí Menovitý DN potrubia Do DN 20 DN 22 DN 35 DN 40 DN 100 >DN 100 Min. hrúbka izolácie ( = 0,035 W/(m.K)) 20 mm 30 mm = DN v mm 100 mm Vynásobením dobou prevádzky čerpadla bude vypočítaná energia potrebná pre krytie vznikajúcich tepelných strát. Stratový výkon: Q = q **. L. T Energia potrebná na deň: Q = q **. L. T. b,kde je: q ** - tabuľková hodnota pre merné tepelné straty L dĺţka potrubia T - rozdiel teplôt medzi teplou vodou a okolím b doba prevádzky cirkulačného čerpadla 4.6.1 Výmenníky tepla Prenos tepla medzi kolektorom, zásobníkom a odberným miestom zabezpečujú výmenníky tepla. V kolektorovom okruhu s nepriamym ohrevom vody sa teplo privádza výmenníkom tepla umiestneným v okruhu spotrebiteľa. Výmenníky sa uloţia tak do zásobníka, ţe výmenník slnečného okruhu je v dolnej časti zásobníka a výmenník tepla odberového okruhu je v hornej časti zásobníka. 32
4.6.2 Obehové čerpadlá Obehové čerpadlo elektromotorom, slúţi na dopravu teplonosnej látky. Moderné obehové čerpadlá sú veľmi spoľahlivé, tiché a regulovateľné v troch stupňoch. Dimenzovanie čerpadla závisí od mnoţstva teplonosnej kvapaliny, od straty tlaku kolektorového okruhu, a od maximálnej teploty. 4.7.Drain-Back systém Jedným výhodným variantom z pohľadu konštrukcie solárneho okruhu je systém Drain-Back. Princíp fungovania systému je, ţe v prípade nedostatku slnečného ţiarenia, výpadku elektrického prúdu teplonosná kvapalina, ktorá nemusí byť mrazuvzdorná vytečie z kolektorov do úmerne veľkej záchytnej nádrţe, kde nad hladinou teplonosnej kvapaliny sa nachádza vzduchový priestor. Obr.11 Schéma drain-back systému Systém je veľmi bezpečný, pretoţe varu kvapaliny sa automaticky zabráni aj pri vypnutom stave čerpadla. Vyuţívanie slnečných kolektorov v zimnom období je oveľa pruţnejšie s Drain-back systémom, pretoţe prázdny kolektor s rýchlejšie zohreje a so zapnutím čerpadla sa do nej vchádza 20 teplonosný médium. Táto nádoba sa nachádza pod strešnou kritinou. 33
5.1. Slnečné energetické systémy na vykurovanie Teplo, získané kolektormi sa odoberá prenášajúcim médiom a odovzdá do tepelného zásobníka, ktorý umoţňuje ohrievanie úţitkovej vody aj vykurovanie budov. Nepriaznivé faktory vo vyuţití slnečnej energie na vykurovanie sú : - nízka intenzita slnečného ţiarenia v zimných mesiacoch - veľký teplotný rozdiel medzi absorbérom a vonkajším vzduchom Na takýto systém potrebujeme kolektory s minimálnymi tepelnými stratami, ale aj nízke merné straty budovy. Návrh slnečného systému na vykurovanie objektu závisí od celoročnej tepelnej bilancie. Pre také sústavy, kde teplovodná teplota je medzi 40 aţ 60 C, je výhodné voliť nízkotepelnú vykurovaciu sústavu, najmä podlahové vykurovanie. Energiu získanú s kolektormi je vhodné akumulovať aţ dovtedy, kým nie je uspokojivá energetická hladina príjmu energie. Akumulácia tepelnej energie je výhodná ale zvyšuje nároky na riešenie objektu, lebo akumulačný zásobník potrebuje veľa miesta na umiestnenie v objekte. V súčasnosti sa pouţívajú bivalentné alebo trivalentné zásobníky.(laboutka, K. A kol., 1983, Lulkovičová, O., 1989) 5.2. Slnečné energetické systémy bez akumulácie tepla Takéto systémy majú spoločnú kolektorovú plochu, ktorá kryje potrebu tepla na prípravu teplej vody a vo vykurovacom období nahrádza časť spotreby na vykurovanie. Dimenzujú sa tak, aby pri dostatočnom slnečnom svite pokryli okamţitú spotrebu tepelnej energie na vykurovanie najmä v prechodovom období. V čase, keď slnečná energia je nedostatočná, systém len predohrieva teplonosnú látku a šetrí kotol ústredného kúrenia. Systém je vybavený dvoma zásobníkmi. Prvý zásobník je vykurovaný kotlom a druhý je pripojený na kolektorový okruh, ktorý ho plní a po dosiahnutí poţadovanej teploty voda začne cirkulovať do druhého zásobníka. Odber teplej vody je len z druhého zásobníka, ktorý slúţi aj na predohrev vykurovacej vody. Kotol ústredného kúrenia dodáva 34
chýbajúce teplo cez vykurovací tepelný výmenník. Výhodou týchto systémov je vysoká účinnosť úspory energie vyrobenej kotlom ústredného vykurovania. (Cenek, M.a kol., 1994, Cihelka,J., 1984, Lulkovičová, O., 1989) Obr.12 Schéma bivalentného systému na prípravu teplej vody a vykurovanie 5.3. Slnečné energetické systémy s akumuláciou tepla Tieto systémy sú dimenzované tak, aby nevyuţité teplo v letných mesiacoch uschovalo v dostatočne veľkých a dobre izolovaných akumulátoroch tepla. Pre obdobie malým slnečným svitom sa naakumuluje a vyuţíva sa priamo pre vykurovaciu sústavu. Ak slnečné ţiarenie a teplota vody v zásobníku nie je dostatočná, voda sa dohreje kotlom ústredného vykurovania. Akumulátory slnečných energetických systémov s väčšou kapacitou sú zapojené sériovo. Tieto systémy sa prevádzkujú celoročne a slúţia na ohrev nízkoteplotnej sústavy. Bivalentné systémy sú hospodárnejšie ak sa okrem ohrevu teplej vody pouţijú aj na vykurovanie. 35
Obr.13. Schéma bivalentného systému na vykurovanie s akumuláciou (Prof. Ing. Dušan petráš a kolektív) 1-integrovaný výmenník tepla, 2-zásobníkový ohrievač teplej vody, 3- čerpadlo, 4-spätný ventil, 5-poistný ventil, 6- automatický ovzdušovací ventil, 7-kolektory, 8- manometer, 9- expanzná nádoba, 10-regulátor, 11- spätná klapka, 12- obehové čerpadlo 5.4. Slnečné energetické systémy na prípravu teplej vody Sú to jednookruhové monovalentné systémy, ktoré dopravujú vodu z kolektora, a pomocou výmenníku tepla odovzdajú teplo do zásobníka. Pri poklese teploty vody, elektrický ohrev(alebo plynový kotol) zabudovaný v zásobníku dohreje vodu na poţiadanú teplotu. Kotol slúţi na ohrev vody v dňoch bez slnečného svitu. Veľkosť kolektorovej plochy a objemu zásobníka závisí od dennej spotreby vody. Môţeme predpokladať,ţe kolektorová plocha veľkosťou 1 m 2 ohreje denne 40 aţ 60 litrov vody na teplotu 50 aţ 60 C. 36
Obr.14 Slnečný energetický systém na prípravu teplej vody v sezónnom období 5.5 Slnečné systémy na ohrev vody pre bazény Vyuţitie na ohrev bazénov môţe byť: -celoročné, bivalentnými systémami -sezónne, monovalentnými systémami Navrhnutie systému ovplyvňuje najmä druh bazéna, ktorý je otvorený alebo krytý v budove. Prevádzkovanie sezónnym ohrevom je od mája do septembra. Uhol sklonu kolektorov je najideálnejšie 30. Pri celoročnom vyuţití je voda v bazéne udrţaná na ţiadanej teplote dodatkovým zdrojom tepla. Bazén dostatočným objemom bráni systém proti prehriatiu. (Karl- Heinz Remmers: Velká solární zařízení) 37
Obr.15 Ohrev vody bazéna so solárnym systémom (vľavo otvoreným kolektorovým okruhom, vpravo uzatvoreným okruhom kombinovaným s ohrevom úţitkovej vody) 38
6. Dimenzovanie vykurovacieho systému s prikurovaním pre rodinný dom Poloha daného objektu Rodinný dom sa nachádza pri Dunajskej Strede Zemepisná šírka = 48 Zemepisná dĺţka λ = 17 Nadmorská výška H = 116 m Pre oblasť v ktorej je postavený dom, pre ktorý navrhujem vykurovací systém sa nachádza v teplotnom pásme, kde sa uvaţuje te = -12 C. (Technické zariadenie budov II, Ing. Ján Takács) Parametre rodinného domu Merná plocha 135 m 2 Obostavaný objem 877 m 3 Celková plocha stien 461,5 m 2 Priemerná výška podlaţí 2,7 m Rozdiel teplôt t = ti - te kde ti je vnútorná teplota vzduchu pre vykurované miestnosti, te je vonkajšia teplota 39
Určím tepelný odpor stien a strechy Stena R = = 1,93 m 2.K.W -1 Strecha R = = 4,29 m 2.K.W -1 Okná R = = 0,758 m 2.K.W -1 Suterén pod podlahou R = = 0,32 m 2.K.W -1 Suterén pri zvislej stene R = = 0,151 m 2.K.W -1 Merná tepelná strata budovy Q = Steny Q =. 178,6 m 2 = 3210,65 W Strecha Q =. 175,5 m 2 = 1307.62 W Okná Q =.47,8 m 2 = 1193,13 W Suterén pod podlahou Q =. 135 m 2 = 4428 W Suterén pri zvislej stene Q =. 42 m 2 = 1377,6 W Celková strata budovy je Qc = 11,517 kw pri výpočtovej teplote -12 C Výkon kotla P = 12 kw Hustota tepelného toku q = = = 24,9 W/m 2 40
Denostupňová metóda Počet denostupňov D20 (K. deň) pre kaţdý deň vykurovacieho obdobia sa vypočíta z rozdielu strednej teploty ti str = 20 C vnútorného vzduchu (v budove) a priemernej dennej teploty vonkajšieho vzduchu. Tab.6 Stredné mesačné teploty vzduchu a denostupne v Dunajskej Strede v rokoch 2002 aţ 2004 Tstr mesiac ( C) D20 (K.deň) Mesiac/rok 2002 2003 2004 2002 2003 2004 Január 1,04-0,85-1,57 588 646 669 Február 5,48-0,95 2,71 407 587 502 Marec 7,69 6,71 5,14 382 412 464 Apríl 11,22 11,13 12,59 207 192 215 Máj 19,18 19,38 15,52 0 0 0 Jún 21,75 23,88 19,56 0 0 0 Júl 23,53 22,72 21,20 0 0 0 August 21,92 24,66 21,86 0 0 0 September 15,81 17,08 16,58 71 0 0 Október 10,12 8,43 12,63 306 320 195 November 8,14 7,32 6,13 356 381 419 December -0,10 1,44 1,98 623 575 559 Priemer/spolu 12,18 11,82 11,24 2939 3112 3021 Graf.2 Priemerná ročná teplota vzduchu 25 20 15 ( C) 10 5 0-5 41
Základná tepelná strata Q = S. k (ti te ) P-12 = K. (20-(-12)) = K.32 te = 13,-12 Pte = Pvýpoč = Σ dst/rok = 3021 P-12 C =K. 32 = 12 kw Aden = 12. 24 = 288kWh/den q = = 9 kwh/den Potreba tepla na krytie tepelných strát počas vykurovacej sezóny Q = 3021. 9 = 27189 kwh Tab.7 Výhrevnosť, cena paliva, spotreba paliva, účinnosť kotla, náklady na vykurovanie Druh paliva Výhrevnosť Cena paliva v Spotreba paliva /rok Priemerná účinnosť kotla v % Náklady na vykurovanie v Hnedé uhlie 18 MJ/kg 0,12/kg 9879 kg 55 1174,8 Čierne uhlie 23,1MJ/kg 0,20/kg 7698 kg 55 1515,4 Koks 27,5MJ/kg 0,33/kg 5736 kg 62 1958,5 Drevo 14,6MJ/kg 0,12/kg 8932 kg 75 1107,65 Drevené brikety 17MJ/kg 0,20/kg 7671 kg 75 1522,08 Obilie 18MJ/kg 0,13/kg 6392 kg 85 845,59 Zemný plyn 37.82MJ/m 3 0,04/kWh Elektrické akumulačné vyk. Elektrické priame vyk. 33889 kwh 3227 m3 89 1794,1 0,07/kWh 29210 kwh 93 2474,3 0,09/kWh 27721 kwh 98 2942,6 42
kwh Graf.3 Ročný diagram potreby tepla na vykurovanie 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 jan feb mar apr maj jun júl aug sept okt nov dec 6.1 Energia získaná slnečnými kolektormi Skutočné mnoţstvo energie Qd deň skut (kwh/m 2 ) dopadajúce na oslnenú plochu za priemerný deň je moţno vypočítať podľa vzorca Qs deň skut = sm.qs deň teor Sm priemerný mesačný relatívny slnečný svit Tab.8 Priemerný čas slnečného svitu Priemerný čas slnečného svitu Mesiac τskut τteor Bratislava Košice I. 0,24 0,25 II. 0,34 0,31 III. 0,45 0,42 IV. 0,5 0,46 V. 0,57 0,54 VI. 0,6 0,54 VII. 0,65 0,58 VIII. 0,64 0,57 IX. 0,6 0,55 X. 0,45 0,44 XI. 0,23 0,25 XII. 0,2 0,22 43
Táto veličina ma význam len ako mnoţstvo energie dopadajúce na oslnenú plochu za priemerný deň v mesiaci Kde n je počet dní v mesiaci Qs mes = n. Qs deň skut Tab.9 Teoretické mnoţstvo energie dopadajúce za deň na plochu v jednotlivých mesiacoch Q sdeň teor (kwh/m2) Uhol sklonu Teoretické množstvo energie dopadajúce za deň na plochu v jednotlivých mesiacoch Q sdeň teor (kwh/m2) Mesiac Január Február Marec Apríl Máj December November Október September August Júl Jún 0 1,09 1,48 2,9 5,23 6,73 8,51 9,16 15 1,78 2,2 3,95 6,12 7,42 9,27 9,76 30 2,35 2,83 4,79 6,44 7,78 9,71 9,98 45 2,69 3,26 5,27 6,73 7,88 9,57 9,64 60 3 3,56 5,58 7,03 7,29 8,12 8,48 90 3,11 3,81 5,28 6,93 5,13 4,52 4,31 Pomocou tejto hodnoty je moţné vypočítať mnoţstvo energie dopadajúce za celý rok respektíve za vykurovacie obdobie Qs rok = Σ Qs mes Tab.10 Priemerné mesačné mnoţstvo energie slnečného ţiarenia Qs,mes,teor (kwh.m -2 ) dopadajúce na sklonené plochy orientované na juh Mesiac Priemerné mesačné množstvo energie slnečného žiarenia Qs,mes,teor (kwh.m-2) 0 15 30 45 60 90 Január 11,5 17,0 22,0 25,3 27,6 29,5 Február 26,0 35,7 42,7 47,2 50,0 47,6 Marec 68,6 81,1 89,7 93,5 92,5 77,5 Apríl 101,1 112,6 119,6 120,9 11,3 77,9 Máj 148,1 161,2 168,3 166,5 143,0 79,3 Jún 164,9 175,5 179,6 173,5 152,6 77,6 Júl 168,7 183,8 192,6 189,8 163,0 90,5 August 133,6 148,8 158,3 159,9 147,0 103,0 September 88,7 104,7 115,9 120,6 119,5 100,0 44
Október 38,2 52,2 62,5 69,2 73,4 69,8 November 10,7 15,8 20,4 23,5 25,6 27,3 December 6,8 11,0 14,6 16,7 18,6 19,3 Za rok 966,8 1099,6 1187,0 1206,6 1124,1 799,4 Graf.4 Skutočné mnoţstvo dopadajúcej energie na 1m 2 počas jednotlivých mesiacoch (kwh/m 2 ) 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 kwh.m-2 Slnečné kolektory ktoré som si vybral, sú s dvomi krycími sklami Tab.11 Optická účinnosť kolektora Reflexná schopnosť krycích skiel r Optická účinnosť kolektora S jedným sklom S dvoma sklami (1-r) (1-2r+r 2 ) 0,10 0,90 0,81 0,15 0,85 0,75 45
6.2 Výpočet potrebnej plochy kolektorov pre zimné obdobie Predpokladáme, ţe vykurovacia voda sa ohreje na teplotu 30 aţ 40 C (podlahové vykurovanie), táto voda sa bude zhromaţďovať v zásobníku. V prípade niţšej teploty potrebnú energiu dodá doplnkový zdroj energie (kotol). Tab.12 Energia zachytená plochou 1m 2 ta te ta-te qs(w/m 2 Q ) μk τ s deň Q k,mes kwh/m2 kwh/m2 Jan 40-1,5 38,5 416 0,35 0,24 3,26 12,4 Feb 40 2,7 37,3 579 0,49 0,34 5,27 24,03 Mar 35 5,14 29,86 596 0,54 0,45 6,73 59,64 Apr 30 12,59 17,5 559 0,62 0,5 7,88 84,6 Okt 30 12,63 17,4 547 0,65 0,45 5,27 55,43 Nov 35 6,13 28,8 416 0,47 0,23 3,26 15,7 Dec 40 1,98 38,04 370 0,38 0,2 2,69 10,2 Kde ta teplota absorbéra te priemerná vonkajšia teplota qs intenzita ţiarenia μk účinnosť kolektora τ priemerná doba relatívneho svitu Qs deň mnoţstvo energie dopadajúce na plochu Qk,mes energia zachytená kolektormi Spolu 262,08 Zjednodušený výpočet účinnosti kolektora: μk= 0,75-4 Výpočet mnoţstva energie zachytenej 1m 2 kolektorom za mesiac: Qk,mes = μk. n (τ. Qs deň + (1- τ ). Qd,deň) 46
Tab.13 Energia dopadajúceho difúzneho ţiarenia Mesiac Jan Feb Mar Apr Sept Okt Nov Dec kwh/m2 0,48 0,69 0,97 1,22 0,97 0,69 0,48 0,4 Výsledná kolektorová plocha Sk = = = 34,1 m 2 Kde p tepelné straty zásobníkom a potrubím % energia zachytená v októbri - potrebná energia na krytie tepelných strát pre október Navrhovaná plocha kolektorov za vykurovacie obdobie 8,9 Mwh, to znamená, ţe pokryje asi 1/3 vykurovacích nákladov. Potrebnú plochu kolektora som počítal na mesiac október, napriek tomu ţe najväčšia spotreba energie je v mesiaci január, ale bolo by veľmi nerentabilné dimenzovať sústavu na tento mesiac. Návratnosť investície by bola veľmi zdĺhavá. Pri navrhnutom bivalentnom vykurovacom systéme kde je inštalovaný normálny plynový kotol účinnosťou 89 % sa ušetria ročné náklady na zemný plyn o 8,9 Mwh t.j. 1056m 3 ZP čo sa rovná cca 690. 47
6.3 Úspora emisií pri použití navrhnutého systému Emisie predstavujú mnoţstvo znečisťujúcich látok, ktoré sa vypúšťajú do ovzdušia z jednotlivých zdrojov znečistenia. Emisný faktor je pomer hmotnosti znečisťujúcej látky vypúšťanej zo zdroja k jednotke hmotnosti výrobku, polotovaru, suroviny, alebo výkonu výrobnej technológie znečisťujúcej ovzdušie. Tab.14 Všeobecné emisné faktory pre zemný plyn SO2 NOx CO Kg/10 6.m 3 Zemný Plyn 9,6 mg/m 3 1560 mg/m 3 630 mg/m 3 Keď navrhovaná budova sa bude vykurovať len zemným plynom, počas vykurovacej sezóny spotreba fosílneho paliva je 3227 m 3, čo predstavuje úlet nasledujúcich znečisťujúcich látok do ovzdušia: SO2 30979,2 mg NOx CO 5034120 mg 2033010 mg V prípade vyuţitia bivalentného systému bude spotreba zemného plynu o 1056 m 3 menšia, čo predstavuje menší úlet nasledujúcich znečisťujúcich látok počas vykurovacej sezóny: SO2 o 10137,6 mg menej NOx o 115136 mg menej CO o 665280 mg menej 48
Záver: Cieľom mojej práce bolo poskytnúť všeobecné informácie o princípe fungovania solárnych systémov. Slnko ţiary na našu planétu enormné mnoţstvo energie. Ľudstvo sa túto energiu odpradávna pokúšalo vyuţiť vo svoj prospech a premieňať ju, ale aţ dnešné technológie nám umoţňujú túto energiu vyuţívať relatívne efektívne, ale ešte stále má táto energia obrovský potenciál na zlepšovanie. Z moţností vyuţitia slnečnej energie som vo svojej práci rozvinul a vysvetlil premenu slnečnej energie na tepelnú. V rámci toho som uviedol čitateľa do problematiky vyuţitia slnečnej energie ako alternatívneho zdroja pre vykurovacie systémy. Vysvetlil som ako sa fototermálnou premenou premieňa slnečná energia na tepelnú, fyzikálny princíp tejto premeny a jej účinnosť v závislosti od pouţitej technológie. V ďalších bodoch som rozvinul konštrukčné časti solárnych systémov a moţnosti akumulácie tepla získaného slnečnými kolektormi. Z mojej práce vyplýva, ţe solárne systémy vyţadujú jednorazovú investíciu na vybudovanie a menšie na údrţbu, oproti klasickým systémom kde sú náklady vyššie lebo spaľujú len fosílne palivá, a v neposlednom rade majú solárne systémy nulové emisie. Z týchto faktov vyplýva prečo bude slnečná energia jednou z energií budúcnosti. 49
Zoznam použitej literatúry: 1. Prof. Ing. Dušan petráš a kolektív: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy, Jaga group, s.r.o., Bratislava 2009 2. Karl-Heinz Remmers: Velká solární zařízení, ERA group, spol. s.r.o., Brno 2007 3. Ing. Ján Kaclík: Úsporné vykurovanie budov, 1984 4. Alfonz Smola: Vyuţitie slnečnej energie, 2.vyd.,Bratislava,1985. 5. Cenek, M.a kol., 1994 : Obnovitelné zdroje energie, Praha: FCC public, 1994 6. Cihelka, J.: Slunečný vytápěcí systém.praha :SNTL, 1984 INTERNETOVÉ ZDROJE : 1.http://vytapeni.tzb-info.cz/ 2.http://www.solarenvi.sk 3.http://shmu.sk 4.http://hpower.sk 50