ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov
Obnovitelné zdroje energie Budovy a energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Pracovní materiály pro výuku předmětu.
1
© M.Kabrhel
Vzduchová solární soustava • teplonosná látka vzduch, technicky nejjednodušší solární systémy • pro ohřev větracího vzduchu, vysoušení,možné i temperování • pohon ventilátorem nebo komínovým efektem
www.eco-energo.eu/
www.slunecnikolektor.cz/ © M.Kabrhel
2
1
Vzduchové kolektory • Konstrukčně jednoduché provedení • Možná kombinace s dalšími solárními systémy (PV, TK)
bez vzduchové mezery
www.tzbinfo.cz
se vzduchovou mezerou
mírné klimatické pásmo
v letním období příprava teplé vody v zimním období ohřev větracího vzduchu (t<30°C)
© M.Kabrhel
3
© M.Kabrhel
4
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.
2
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 krytí – Plocha kolektorů (účinnost solárního systému 0,5-0,7) • Podklady výrobců (Thermosolar, Regulus, Viessmann,..) • Specializované publikace
• Simulace systému – Počítačové programy
© M.Kabrhel
5
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
© M.Kabrhel
6
3
Potřeba teplé vody • Potřeba tepla na přípravu teplé vody:
VTV,den
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)
© M.Kabrhel
7
© M.Kabrhel
8
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
4
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%)
© M.Kabrhel
9
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) © M.Kabrhel
10
5
Určení parametrů solárního systému • Odhad dle zkušenosti projektantů – Přibližný výpočet, obdobné realizace – Reálná soustava v ČR 400-450 kWh.m-2.rok-1 Použití
Solární pokrytí (%)
Zisk kWh.m-2.rok-1
60 50
300-400 400-500
20-40 20
250-300 350-450
Teplá voda Rodinný dům Bytový dům Vytápění a teplá voda Rodinný dům Bytový dům
© M.Kabrhel
11
© M.Kabrhel
12
Terminologie • Plocha kolektoru • Plocha absorbéru • Plocha apertury – Otvor, kterým nesoustředěné solární záření vstupuje do kolektoru – Specifikace plochy kolektoru
6
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
© M.Kabrhel
13
© M.Kabrhel
14
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 © M.Kabrhel
15
© M.Kabrhel
16
Detailní dynamická simulace • TRNSYS
8
Zásobník 2500l
Stagnační stavy kolektoru
Zásobník 3500l
Zásobník 1500l
© M.Kabrhel
17
Koncentrační solární soustavy
© M.Kabrhel
18
9
Koncentrační solární systémy Historie Legenda o Archimédovi a jeho zapálení římského loďstva u Syrakus. 287-212př.n.l.
Obraz Giulio Parigi (1571-1635), Florencie, Italie
Syrakusy, Itálie © M.Kabrhel
19
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
http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power
Oblasti vhodné pro solární tepelné elektrárny © M.Kabrhel
20
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% © M.Kabrhel
21
Elektrárna Andasol 3 části (Španělsko) • • • • • • • •
€900 million Zprovozněna v 2011 Parabolické žlaby 150MWe, 500tis.m2 zrcadel Plocha 200ha cca 4,3Kč/KWh Výroba 495GWh/rok Elektrárna odpaří 870.000 m³ vody za rok (1 stupeň) – odpovídá 5 l/kWh
© M.Kabrhel
22
11
Technologie koncentrátorů • Fresnelova zrcadla (Fresnel reflectors) 2D traker – zrcadla v jejichž společném ohnisku je potrubí s teplonosnou látkou – technologie je levnější než parabolická zrcadla – zrcadla zabírají méně místa, jsou odolnější větru
http://en.wikipedia.org/wiki/Compact_Linear_Fresnel_Reflector © M.Kabrhel
23
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
blog.longnow.org
© M.Kabrhel
24
12
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
www.xaharts.org
www.stirlingengines.org.uk © M.Kabrhel
25
© M.Kabrhel
26
Solární pec • • • • •
Francie, Odeillo, Pyreneje (1700 m.n.m) Vybudováno v roce 1969. Parabolické zrcadlo o ploše 2 000 m² 63 heliostatů na protější stráni vědecký výzkum materiálů (tavení kovů)
13
Poruchy zařízení • Skleněná zrcadla odrazivost 94 % (klasická 70 %) • Nutná údržba - čištění, ochrana proti větru • Hlavní problém - silný vítr, nutné polohování pro ochranu • Rok 1999 – exploze a požár nádrže 3500m3
Chráněná pozice zrcadel © M.Kabrhel
27
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
© M.Kabrhel
28
14
