Hlavay József Országos Környezettudományi Diákkonferencia ”Középiskolások a tudományért”
A gimnáziumi tanuszoda napkollektoros rendszerének energetikai vizsgálata
„Elkezdődött valami, Nem kell megállítani. Hidrogén mozog benned, Fényesebb jövőt sejtet.” /Napfúzió (részlet): Ismeretlen szerző/
1
Tanuszodánk
működtetése
jelentős
hőenergia
és
villamos
energia
felhasználásával történik. A hőenergiát a padlástérben elhelyezett földgáztüzelésű kazánok állítják elő, míg az elektromos energiát a hagyományos elektromos rendszertől kapjuk. A villamos energia a gépészeti rendszerek működtetésére és világításra fordítódik. A hőenergia a tanmedence vizének és légkörének temperálására fordítódik, de jelentős szükséglet van a kiszolgáló egységek működtetésénél is. A rendszer hőenergia szükségleteit napos időben napkollektorok segítségével pótoljuk. A napkollektorok tetőtéri elhelyezésétől a tanmedencéig elágazások és hőcserélők közbeiktatásával szállítjuk a befogott hőenergiát. Ebben a rendszerben jelentős veszteségforrások vannak. A hőcserélők, szelepek, keringető szivattyúk vízkövesedése nagymértékben csökkenti a rendszer hatásfokát. A fentieken kívüli különösen a téli időszakban megjelenik a gravitációs ellenáramlás, azaz az éjszakai rendellenes viselkedés. Ez a folyamat jelentős hőenergiát von el a tanuszoda légteréből és kisugározza a padlástérbe. A fenti folyamatokat mennyiségi mérésekkel és áramlási számításokkal tudjuk jellemezni. A szakaszonkénti hőmérséklet eloszlások elemzésével megtaláljuk a jelentősebb hő veszteség helyeit. Kutatási projektünk lehetővé teszi tanuszodánk energetikai mérlegének elkészítését. A napkollektorok hatékonyságát mennyiségi mérésekkel igazolhatjuk. Célunk, hogy méréseink által rámutassunk a rendszer kiküszöbölésre, javításra váró esetleges hibáira és használható megoldásokat dolgozzunk ki azokra, melyeket a későbbiekben az iskola vezetésének ajánlhatunk a hatékonyabb működés elérésének érdekében. Tanulói prezentációnk elkészítése során, bizonyos mérésekhez az egész iskola tanulóinak közreműködését is kértük, akik ennek érdeklődve tettek eleget. Így nem csak a szerző diákok, hanem ők is betekintést nyerhettek a megújuló energiaforrás vizsgálatára irányuló projektünkbe, részesévé válhattak annak. Prezentációnk bemutatásával hozzájárulunk a környezettudatos nevelés megismertetéséhez és elterjesztéséhez.
2
3. Tartalomjegyzék 1. Cím...................................................................................................... 1. 2. Rezümé ............................................................................................... 2. 3. Tartalomjegyzék................................................................................ 3. 4. Bevezetés............................................................................................. 4. 4.1. A napenergia nyújtotta lehetőségek .......................................................... 4. 4.2. Felhasználásának módjai........................................................................... 5. 4.2.1. A naptorony .................................................................................. 5. 4.2.2. A síkkolektor működése ............................................................... 5.
5. Tárgyalás............................................................................................ 6. 5.1. Az iskola kollektorai ................................................................................. 6. 5.2. A tanuszoda energiaellátása ...................................................................... 6. 5.3. A napkollektorok energiatermelése .......................................................... 7. 5.4. A szállítás során fellépő hő veszteség....................................................... 7. 5.5. Az energia szétoszlása a kiszolgáló egységek és a medencetér között..... 8. 5.6. A működés során fellépő rendellenességek .............................................. 8. 5.7. A gravitációs ellenáramlás ........................................................................ 9. 5.8. Megtakarítások a napenergia által............................................................ 10. 5.9. Hogyan tökéletesíthetjük a rendszert? ..................................................... 11. 5.10. Energiaeloszlás a hidegebb hónapokban................................................ 12. 5.11. Mérési eszközeink.................................................................................. 13.
6. Befejezés ............................................................................................ 14. 7. Köszönetnyilvánítás ......................................................................... 14. 8. Felhasznált irodalom........................................................................ 15.
3
4.Bevezetés
4.1. A napenergia nyújtotta lehetőségek Napunk gravitációs módon létrehozott fúziós reakció során (a gáz – esetünkben hidrogén – saját súlya alatt nyomódik össze), döntő részben az úgynevezett pp-lánc reakcióin keresztül termeli az energiát. A folyamat során 4 protonból egy
4
He
atommag jön létre, miközben jelentős energia
felszabadulása
mellett
1. ábra
két
pozitron és két neutrínó is keletkezik. A folyamat több lépésben zajlik le. Három főbb reakciólánc játszódhat le a fúzió során. Az első két lépés után a 3He + 3
He, illetve a
3
He +
4
He reakciók
versengése szabja meg, hogy a folyamat az első, vagy pedig a második és harmadik pplánc irányába folytatódik-e tovább (1. ábra). A Nap teljesítménye 3,86*1017GW, amely a paksi atomerőmű teljesítményénél (2 GW) 17 nagyságrenddel nagyobb. Földünkre körülbelül 70 - 80 MW/m2 energia érkezik. Az energia sűrűsége a föld atmoszférájának szélén átlagosan 1367 W/m2. Ez azt jelenti, hogy évenként megközelítőleg 219 milliárd GWh sugárzási energia éri el a földfelszínt, ami 2500-szorosa napjaink teljes energia szükségletének. Hozzávetőleg három óra napsugárzás képes fedezni földünk éves energia szükségletét. A légkörben jelen lévő vízpára és jég kristályok elnyelésének eredményeképp a földfelszínt ténylegesen elérő sugárzási energia 50 W/m2 -től (erősen felhős idő) 1200 W/m2-ig (optimális felhőzet) változik. Ennek ellenére ezt az energiaforrást jelenleg alig használjuk ki, pedig kétségtelenül számos kedvező tényező szól alkalmazása mellett: •
mindenki számára könnyen elérhető,
•
tiszta, környezetkímélő energiaforrás,
•
még sok millió évig rendelkezésre fog állni
•
kíméli a nyersanyagkészletet,
4
•
kedvezően hat a helyi gazdaságra,
•
nem kell szállítani, hozzájutásához nem kell költséges közműhálózat,
•
átalakítási, felhasználási költségei minimálisak.
4.2. Felhasználásának módjai 4.2.1. A naptorony A napenergiát többféle technikai megoldás útján hasznosíthatjuk. Az egyik talán legérdekesebb és leglátványosabb módszer a naptorony alkalmazása. A szoláris központi gyűjtő vagy más néven szolár-torony
2. ábra
(2. ábra) körül van véve két tengely mentén mozgatható tükrökkel (heliostat), melyek a napsugárzást a torony tetején elhelyezett gyűjtőre reflektálják. A torony tetején lévő gyűjtőben különböző halmazállapotú anyagok lehetnek. Ez az egyik legrégebbi, mondhatni legősibb és legegyszerűbb módja a hőenergia
összegyűjtésének, ellenben az olvasztott-só tovább megtartja a hőenergiát, így használata jobb eredményt ad felhősebb napon, illetve éjszaka. Az elnyelt napenergiával gőzt fejlesztenek, melyet gőz-turbinákra engedve elektromos energiát termelnek (2. ábra). Az első ilyen erőmű Barstowban, a Mojave-sivatagban épült 1982-88-ban. Mai változata akár 500 megawattos csúcsteljesítményre is képes, mely 500 000 amerikai háztartásnak tud elektromos áramot biztosítani.
4.2.2. A síkkollektor működése Ennél a típusnál az abszorberre koncentráltan napsugárzás jut, így ezek nemcsak a direkt, hanem a diffúz sugárzást is hasznosítani tudják. Alapvetően melegvíz előállítására
használják
a
kis
és
nagyfogyasztók egyaránt. (3.ábra) 3. ábra
5
5. Tárgyalás
5.1. Az iskola kollektorai Iskolánk síkkollektorok (4. ábra) felszerelésével próbálta csökkenteni az újonnan épített sportszárny medenceterének és kiszolgálóegységeinek a fűtési költségét. Szám szerint 54 darab kollektor szolgáltatja napos időben a fűtéshez szükséges hőenergia egy jelentős részét. Az év melegebb felében együttesen akár 29Gj energiát képesek termelni havonta. Az egységek
a
szivattyúk
(5.
ábra)
segítségével
keringetett fűtőfolyadékot (víz) melegítik fel. Majd ez a folyadék csöveken keresztül, hosszú utat megtéve a 4. ábra
tetőtérből a medencetérbe és kiszolgálóegységeihez jut. Ott leadva a szállított energia egy részét növeli a
hőmérsékletet. Majd a kissé lehűlt folyadék visszaáramlik 5. ábra
a tetőtérbe, ahol a kollektorok újra hőt közölnek vele.
5.2. A tanuszoda energiaellátása Tanuszodánk jelenleg három különböző energiaforrás látja el a működéshez szükséges energiával: villamos áram, földgáz, napenergia. Az első kettő energiaforrás drága, hasznosítási folyamatuk környezetszennyező, és végesek. Ellenben a napenergia a szükséges felszerelés megléte után szinte ingyen termeli az energiát. Erőforrása kiapadhatatlan. Jelenleg körülbelül 8%-át a napenergia, 18%-át a villamos energia, 74%-át a földgáz szolgáltatja a szükséges energiának (6. ábra). Célunk ebben az arányban a napenergia növelése.
6
Valós energiaeloszlás
8%
18% Villamosenergia Gáz égési energiája Napenergia
74%
5.3. A napkollektorok energiatermelése A kollektorok az év melegebb hónapjaiban érik el maximális teljesítményüket, mikor nagyobb a napsütötte órák száma. Méréseink során kiderült, hogy július és augusztus hónapokban az átlagos energiatermelésüket is meghaladva megközelítőleg 33Gj energiát termeltek. Ahogy a grafikon (7. ábra) is mutatja, az őszi időszak kezdetével ez a termelés 40%-al csökkent. Szeptember hónapban az előállított energia „csupán” 19Gj, hiszen ekkor a napsütéses órák száma is jelentősen csökkent. Ez természetes jelenség, tehát ha növelni kívánjuk a rendszer hatásfokát, más irányban kell elindulnunk. 35 30
31,16
30,81
32,89
7. ábra
32,95
25 20
Energiatermelés Hőveszteség
19,2 15 13,56 10
10,16
10,26
5 0
5,01 május
június
július
augusztus
4,29 szeptember
5.4. A szállítás során fellépő hő veszteség Grafikonunk (7. ábra) feltűnteti az egyes hónapokban azt a hőmennyiséget is, amely a szállítás során elveszik. Ezt veszteséget a medence kiszolgálóegységeinek hőtartályaihoz telepített, forgatott vízmennyiséget és leadott hőmennyiséget mérő műszerekből kinyert adatok segítségével számolhattuk ki. Ez a hő veszteség havi szinten átlagosan 30%-al csökkenti a sportszárnyba jutó hőenergiát. Ott a fennmaradó energia nagyobb része a medenceteret, kisebb hányada a kiszolgálóegységeket fűti. (8. ábra)
7
A termelt energia átlagos eloszlása (GJ)
8,66
8. ábra
7,71 Kiszolgáló egységek Medencetér Veszteség
13,04
5.5. Az energia szétoszlása a kiszolgáló egységek és a medencetér között Méréseink segítségével nyomon követhettük a hasznosított energia szétoszlását a két fűtött tér között havi szinten is. A kinyert adatokból (9. ábra) jól látszik, hogy a lejutó, hasznosítható energia nagyobb részét a medencetér fűtéséhez használjuk fel. Nyári hónapokban ez az arány megközelítőleg 2:1, azonban a legtermékenyebb hónapban, augusztusban a kiszolgálóegységek hőfelvétele arányaiban megnőtt. Szeptemberben, a hideg, és kevésbé napsütéses időszak kezdetével kevesebb napenergia jut a kiszolgálóegységekre. 9. ábra
5.6. A működés során fellépő rendellenességek A hőveszteségnek több lehetséges és együtt megjelenő kiváltó oka van. Kutatásunk során ezeket az okokat kívántuk feltárni, elemezni, és azokra megoldásokat javasolni. Az első, legkézenfekvőbb, és talán a legtöbb energiát elvonó rendellenesség a
8
rossz szigetelés, esetleg annak teljes
10. ábra
hiánya.
Ez
egyaránt
fűtőfolyadékot szigeteltségére,
értendő
szállító
a
csövek
valamint
az
egyes
tantermek, helyiségek szigeteltségére is. Az
előbbire
szemmel
látható
bizonyítékokat találtunk (10. ábra), az utóbbi
megállapításához
táblázatokat
helyeztünk el az iskola termeibe. Ezekbe a tanulók egy meghatározott időn keresztül naponta többször, előre kijelölt időpontokban beírták a termük hőmérsékletét. Az adatokat végül összegyűjtve megállapítottuk, hogy az 1. emelet saroktermeinek szigeteltsége rosszabb, mint a többi teremé. Ezeknek a termeknek a közelében fut a vizet szállító cső. Valamint itt található a sportcsarnok is, amely szintén nagy hőenergia elvonására képes. Ezt a hatást fokozza az egyes termek radiátorainak rossz beállítása. További rendellenesség a keringető rendszer csöveinek, szelepeinek vízkövesedése. Az általunk megfigyelt, talán legérdekesebb hatáscsökkentő jelenség a gravitációs ellenáramlás.
5.7. A gravitációs ellenáramlás
Normális működés (májusban)
Lemenő ág Feljövő ág Megvilágítás
:0 3
Megvilágítás (Klx)
Külső hőmérséklet
20
:0 3 18
:0 3 16
14
:0 3
:0 3 12
03
:0 3 10
8:
03 6:
03
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 4:
2:
03
Hőmérséklet (°C)
11. ábra 35 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15
Idő
A gravitációs ellenáramlás leírásához először meg kell figyelnünk a keringető rendszer normál működését (11. ábra). Kielégítő megvilágítás mellett napközben a
9
fűtőfolyadék lemenő ága melegebb, a visszatérő ág, miután hőt közölt a medencetérrel, hidegebb. Azonban éjszaka, valamint, rossz megvilágosítás mellett (felhősödés) a napkollektoros rendszert nem szolgáltat energiát. A keringető szivattyúk ilyenkor lekapcsolnak és a csövekben megindul a gravitációs áramlás. Ekkor a hőcserélő rendszer lemenő ága a hideg padlástérből alacsonyabb hőmérsékletű folyadékot szállít, míg a visszatérő ág a medencetérben felmelegedve felhozza annak hőenergiáját és fent leadja a külső környezetnek. (12. ábra)
12. ábra
Éjszakai visszaáramlás Lemenő ág hőmérséklete
35
Feljövő ág hőmérséklete
Hőmérséklet (°C)
30 25 20 15 10 5 0 10:00 11:40 13:20 15:00 16:40 18:20 20:00 21:40 23:20 1:00 2:40 4:20 6:00 7:40 9:20 Idő (óó:pp)
5.8. Megtakarítások a napenergia által Az uszoda meglehetősen nagy mértékben veszi igénybe a fűtést, melyet ugyan nagy részben az emeleti kazánban elégetett földgáz biztosít, de mint azt már láthattuk a napenergia is fontos forrást jelent ebben a tekintetben. A kollektorok által termelt hőenergia lemérésével, és a földgáz fűtőértékének ismeretében valamint a gáz árának Megspórolt pénz
Megspórolt pénz
120 000 Ft 100 000 Ft
13. ábra 109 295 Ft
82 147 Ft
80 000 Ft
80 387 Ft
75 614 Ft 58 324 Ft
60 000 Ft 40 000 Ft 20 000 Ft 0 Ft
május
június
július
augusztus szeptember
10
tudatában pontosan kielemezhetjük, hogy mekkora összegeket takarít meg a napkollektorok működése. (13. ábra) Az ábra alapján is jól látható, hogy a rendszer komoly megtakarításokat termel az iskola számára. Ez az összeg átlagosan havi 80.000 Ft-ot jelent, de mint láttuk komoly problémák vannak jelen, melyek a rendszer hatásfokát nagy mértékben csökkentik, így az átlagosan csak 70%-át juttatja el a termelt energiának a felhasználó egységekhez. Ez azt is jelenti egyúttal, hogy komoly pénzektől esik el a fenntartó. (14. ábra) Veszteségek értéke
Veszteségek értéke
53 044 Ft
60 000 Ft 50 000 Ft
14. ábra
39 744 Ft
40 135 Ft
40 000 Ft 30 000 Ft
19 598 Ft
16 781 Ft
20 000 Ft 10 000 Ft 0 Ft
május
június
július
augusztus szeptember
5.9. Hogyan tökéletesíthetjük a rendszert? A rendszer hatásfokának növelésére, a gondot okozó folyamatokat megértve javaslatokat tehetünk: •
Elsősorban
javítani
kell
a
csővezetékek,
érintett
tantermek
hőszigetelését. •
Folyamatosan kell ellenőrizni, ha szükséges karbantartásokat kell végezni a szelepeken, vezetékeken, hogy a túlzott vízkövesedés ne befolyásolja a működést.
•
A gravitációs áramlás elkerülése érdekében az áramlás gátló szelepeket folyamatosan tisztítani kell.
Ezeket a javaslatokat jeleztük az iskola vezetésének. Ezek hasznosságának szemléltetésére elkészítettük a medenceszárny energia felhasználásának ideális eloszlását a különböző energiaforrások között. Ideális eseten itt azt az állapotot értjük,
11
mikor a szállítás során fellépő hő veszteséget nem vesszük figyelembe. Ezt természetesen sosem valósíthatjuk meg, viszont a változtatásokat megtéve közelebb kerülhetünk hozzá. (15. ábra) Ugyanakkor azáltal, hogy megpróbáljuk a hatásfokot növelni, a költségeket is tovább tudjuk csökkenteni. (16.ábra) Ideális energiaeloszlás
15. ábra
Spórolt pénz
Veszteségek
121 891 Ft 120 521 Ft 128 658 Ft 128 893 Ft
140 000 Ft
12%
Lehetőségek
16. ábra
120 000 Ft
18%
75 106 Ft
100 000 Ft
Villamosenergia
80 000 Ft
Gáz égési energiája
60 000 Ft
Napenergia
40 000 Ft
70%
20 000 Ft 0 Ft május
július
szeptember
5.10. Energiaeloszlás a hidegebb hónapokban Projektünk vezetése
első
felfigyelt
eredményeként a
padlástéri
az
iskola
hőszigetelés
17. ábra
hiányosságaira és megkezdte szakszerű pótlását.(17. ábra) Várakozásaink szerint ezek az intézkedések csökkentik a rossz szigetelésből adódó veszteségeket. Ennek bizonyítására méréseket végeztünk az utóbbi (hidegebb) hónapokban. Mint azt a diagramokból is látjuk, a veszteségek mértékének aránya csökkent. A leghidegebb hónapokban (december, január) a napsütéses órák számának és a külső hőmérséklet csökkenése miatt az amúgy is csekély termelt energia nagyobb mértékben adódik le a környezetnek. (18-19. ábra)
Termelt hőenergia és veszteség a hidegebb hónapokban
Energiaeloszlás
18. ábra 2,29 3,29
Tanuszoda kiszolgálóegysége Veszteség Medencetér
1,29
16
19. ábra
15,72
14 12 10
7,13
GJ 8
Termelt hőenergia Veszteség
6 4
2,62
0
2,3 0,38
2 október
november
1,45
december
2,3 0,71 január
12
5.11. Mérési eszközeink Méréseinkhez nagyrész a Fourier Systems MultiLogPro (20. ábra) nevű eszközét használtuk, amely egy többfunkciós adatrögzítő, mérőműszer. Egyidejűleg több különböző mérést folytathattunk, a megfelelő érzékelőket csatlakoztatva. Munkánk során egyszerre több hőmérsékletmérő és egy fényerősségmérő szenzort kellett használnunk. A mért adatokat számítógépre 20. ábra
másolva a műszer saját software-e segítségével értékeltük. Ezen kívül áramlásmérőket és szállított energiát mérő műszereket használtunk a keringési rendszer megfigyelésére (21-22. ábra). Ilyen szállított energiát mérő műszerből kettő van beszerelve, egy a padlástéren, egy pedig az uszoda kiszolgáló egységeinél. Így a medencetérre jutó energiát ezen adatokból saját számításaink segítségével ábrázoltuk. Pályázati úton már megnyertük a szükséges harmadik mérőórát, mellyel a későbbiekben alátámaszthatjuk, pontosíthatjuk számításainkat.
22. ábra 21. ábra
13
6. Befejezés
Dolgozatunk készítése során megismerhettük a természet nyújtotta, kínálkozó lehetőségek egyikét az alternatív energiaforrások hasznosítására. Megértettük, és energetikai szempontból vizsgáltuk iskolánk napkollektoros rendszerét. Munkánkkal hozzá szeretnénk járulni a rendszer tökéletesítéséhez, így reméljük, hogy a javasolt változtatások, kiegészítések a közeljövőben megtörténhetnek. Továbbá folytatni szeretnénk a napkollektorok tanulmányozását és újabb megoldásokat találni hatásfokuk növelésére.
7. Köszönetnyilvánítás
Köszönjük a közreműködést mindazoknak, akik tapasztalataikkal, ötleteikkel vagy a témában való jártasságukkal segítették a kutatásunkat, ezáltal hozzájárultak munkánk sikerességéhez.
14
8. Felhasznált irodalom
Sikó Dezső (2006): A téli napenergia hasznosítása a családi háztartásokban /Szakdolgozat/ Dr. Halász Tibor, Dr. Jurisits József, Dr Szűcs József (2005): Fizika – Közép- és emeltszintű érettségire készülőknek, Mozaik Kiadó, 2005, 107.o.-114.o. Armin Themessl – Werner Weiss (2007: Napkollektoros berendezések, Cser Könyvkiadó, 2007 Lee Ann Henning (1999): A világegyetem, Park Könyvkiadó, 1999, 48.o.-49.o. Martin Rees (2001): Kozmikus otthonunk, Akkord Kiadó, 2003, 48.o.-55.o. http://www.reformatus-kkt.sulinet.hu/gimnazium/szertar/szakdolgozat_sd_2006/index.html http://www.freeweb.hu/apoeta/index.php?pg=sz&n=radic&a=2&v=8222&h=alcar&PHPSESSI D=45539567bfe44922944b3d97af62cfee http://www.mindentudas.hu/szego/20040808szego1.html?pIdx=4 http://www.acrux.hu/sun/napenergia.html http://www.atomeromu.hu/mukodes/tipusok/pakstipus.htm http://astro.elte.hu/icsip/nap/nap_felepites/index_in.html http://library.thinkquest.org/04oct/01608/SunBand/solartower_hu.htm
15
