ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Katedra technických zařízení budov
Budovy a energie Obnovitelné zdroje energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.
Verze 2.17
Návrh solárních systémů • Návrh solárních systémů Typická řešení - odhad dle zkušeností z podobných aplikací - použití směrných hodnot - výpočet Atypická řešení - vhodné využít výpočtů, simulací
• Bilancování solárních systémů Výpočet provozních vlastností systému v konkrétních podmínkách. Nutnost využití výpočtů, simulací.
1
Bilancování solárního systému
• Bilanční výpočet
– Směrné ukazatele (referenční hodnoty pro měsíc) • Potřeba TV na osobu • Potřebné množství energie Q=m.c.dT • Množství solární energie – Charakteristický den v měsíci – Solární pokrytí – Plocha kolektorů
• Podklady výrobců (Thermosolar, Regulus, Viessmann,..) • Specializované publikace
• Simulace systému – Počítačové programy
Návrh solárních systémů Určení potřeby tepla: • Potřeba tepla na přípravu TV • Potřeba tepla na vytápění • Potřeba tepla na technologické účely (sušení paliva,…) • Potřeba tepla na doplňkové systémy (předehřev bazénové vody,..) • Určení potřebného výkonu • Časové určení potřeby tepla
2
Potřeba tepla a solární zisky • Podmínky střední Evropy
Potřeba tepla na přípravu TV v průběhu roku a dodávka tepla ze solárních kolektorů
Potřeba tepla na přípravu TV a vytápění v průběhu roku a dodávka tepla ze solárních kolektorů
Potřeba teplé vody • Potřeba tepla na přípravu teplé vody:
VTV,den ρ c tSV tTV z n
průměrná potřeba teplé vody (m3/den) hustota vody (kg/m3) měrná tepelná kapacita vody (J/kg.K) teplota studené vody (15 °C) teplota teplé vody (60 °C) přirážka na tepelné ztráty (rozvody vody a způsob ohřevu) počet dnů sledovaného období (pokud Qp,TV má být kWh/měsíc potom n=počet dnů daného měsíce)
3
Potřeba teplé vody • Návrhová potřeba TV (návrh systémů) – Bytový dům 82 l/os.den – Administrativa 25 l/os.den
• Skutečná spotřeba TV Bytové domy Nízká Střední Vysoká Hotely Pokoj s vanou Pokoj se sprchou Hostely
l/os.den 10-20 20-40 40-80 95-140 50-95 25-50
Potřeba tepla • Potřeba tepla na vytápění:
Qz tiv tip tev tep n ε v
výpočtová tepelná ztráta objektu (kW) výpočtová vnitřní teplota (běžně 20 °C) střední vnitřní teplota v daném měsíci (běžně 20 °C) výpočtová venkovní teplota střední venkovní teplota v daném měsíci počet dní v daném měsíci korekční součinitel, který zahrnuje snížení potřeby tepla (0,7 standard, 0,5 pasivní dům, 0,6 NED dům) přirážka na tepelné ztráty (např. 5%)
4
Terminologie • Solární pokrytí (podíl) – udává kolik procent celoročně potřebné energie je možné pokrýt prostřednictvím solárního zařízení využitelné zisky solární soustavy potřeba tepla v dané aplikaci měrné roční využitelné zisky solární tepelné soustavy (kWh/m2.rok)-slouží pro hodnocení úspory energie
teoretické tepelné zisky (kWh/měsíc)
Určení parametrů solárního systému • Odhad dle zkušenosti projektantů – Přibližný výpočet, obdobné realizace – Reálná soustava v ČR 400-450 kWh.m-2.rok-1 Použití
Teplá voda Rodinný dům Bytový dům Vytápění a teplá voda Rodinný dům Bytový dům
Solární pokrytí (%)
Zisk kWh.m-2.rok-1
60 50
300-400 400-500
20-40 20
250-300 350-450
5
Terminologie • Plocha kolektoru • Plocha absorbéru • Plocha apertury – Otvor, kterým nesoustředěné solární záření vstupuje do kolektoru – Specifikace plochy kolektoru
Výpočetní software • Počítačové programy – Podpora výrobce (bilanční) – Specializované - simulace • T*sol (Katedra TZB) • Polysun (cz) • F-Chart (měsíční bilance)
– Výzkumné a univerzální - simulace • TRNSYS (Katedra TZB) • Dynamická simulace s využitím hodinových údajů • Detailní simulace prvků systému
6
Solární soustavy • TNI 730302:2009 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav - Zjednodušený výpočtový postup
Dynamická simulace • Polysun – light – professional – designer
http://www.velasolaris.com Winterthur, Switzerland 119-779-1499 EUR
7
Dynamická simulace • GetSolar
• T*sol
http://www.valentin.de Berlin, Germany od 460 EUR
Příklad Systém přípravy teplé vody (RD) • • • •
3ks solárních kolektorů (TS 300N), 45°, jih 400l zásobník TV Praha (50,1°) 4 osoby á 50l /den
• GETSOLAR
2218 kWh/rok SF 55% Účinnost 38%
8
T*sol
Zásobník 2500l
Stagnační stavy kolektoru
Zásobník 3500l
Zásobník 1500l
9
Solární systémy -speciální aplikace-
Koncentrační solární systémy Koncentrování solárního záření pomocí čoček nebo zrcadel na malou plochu. Výroba tepla nebo elektrické energie Solární energie-tepelná energie-pára-turbína-generátor Koncentrátory - použití pokud energie dopadajícího záření větší než 1 700 kWh∙m-2∙rok1 (zhruba pod 40 rovnoběžkou). Geometrický koncentrační faktor Cgeo=Aa/AA Aa - plocha apertury (vstupní plocha nebo plocha odrážející vstupní světlo) AA - plocha absorbéru
Oblasti vhodné pro solární tepelné elektrárny
10
Solárně termické systémy • Parabolické žlaby (Parabolic trough) 2D traker – nejrozvinutější technologie koncentrátorů – v ohnisku zrcadla umístěna vakuová trubice s teplonosnou látkou – médium ohříváno na 150-350°C – C geo<80 – osa S-J, otáčení za sluncem – možná Osa V-Z, pevná poloha, sezónní změna – tepelná účinnost 60-80% – účinnost výroby elektrické energie 15% (odpovídá FV systémům) – hybridní zdroje (kombinace solar-fosilní paliva) • max. podíl fosilních paliv omezen např. 27%
Technologie koncentrátorů • Solární věž (Solar power tower) – 3D traker – zrcadla v jejichž společném ohnisku je věž s výměníkem s teplonosnou látkou – C geo<2000 – teplota 500–1000 °C – využití jako zdroj páry nebo zdroj tepla např. pro tavení látek
11
Technologie koncentrátorů • Stirlingův talíř, parabola (Dish stirling) – – – – –
3D traker zrcadla odrážející záření do jednoho bodu C geo<4600 teplota 250-700°C tepelný motor pro výrobu elektrické energie
Solární tepelná elektrárna • Ivanpah Solar Electric Generating System (SEG) 2014 • 13km2, 350 tisíc zrcadel, věž 140 metrů, cena 44,3 miliardy Kč • 377MWe elektřiny • 3 věže • Kondenzátory chlazeny vzduchem – o 90% menší spotřeba vody ve srovnání s klasickým chlazením • 90 zaměstnanců
12
Abu Dhabi 100MW elektrárna • Výkon 100MWe • 258 tis. Zrcadel na 768 natáčecích žlabech • Plocha 2,5km2 • Doba výstavby 3 roky • Cena projektu $600million
Abu Dhabi
13
Ekologické vlastnosti zařízení • Výroba elektřiny ze slunce • Vliv na živočichy v okolí elektráren – horký vzduch a srážka se zrcadly může způsobovat úhyn ptactva – vliv na migrační koridory zvířat – Vysoká intenzita záření odrazem od solární věže
• Spotřeba vody
Solární chlazení • Využití tepla pro výrobu chladu • Možnost kombinované výroby TV a chladu
14
Zdroje chladu – alternativní možnosti Chlazení sorpčním odvlhčováním vzduchu (chlazení přiváděného vzduchu) otevřený cyklus, tuhý sorbent 7 2
1
2 3
3 6 4
Chlazení sorpčním odvlhčováním - schéma Chlazení sorpčním odvlhčováním – hx diagram
29
15
