Hűtés napenergiával (Solar cooling)

Szent István Egyetem

A Nap napja 2016

Hűtés napenergiával (Solar cooling) Szilágyi Attila Jármű- és Mezőgazdasági Géptani Tanszék, Nyíregyházi Egyetem [email protected]

Gödöllő, 2016. 06. 12.

A téma időszerűsége és jelentősége • A légkondicionáló berendezések nyári villamos energia-igénye a fosszilis hőerőművek leterheltségét okozzák. • Cél: a környezetterhelés csökkentése. • Lehetőség/alternatíva: napenergiával történő hűtés, légkondicionálás alkalmazása. Előnyei: – környezetbarát megoldás (nincs környezetszennyezés), – nincs szükség energiatárolásra, – csökkenti a költségeinket és az – energiafüggőségünket.

Villamos energia fogyasztási csúcsok

Téli villamos energia fogyasztási csúcs

Nyári villamos energia fogyasztási csúcs

Nyári középhőmérsékletek

Téli és nyári villamos energia fogyasztási csúcsok

Globális hatás • Világszerte növekszik évről évre az energiafogyasztás a légkondicionáló és hűtő berendezések részéről. • A légkondicionálók maximális energiafogyasztása a nyári csúcsidőszakra tehető (peak-load period). • Az utóbbi években a villamos energia hálózat kapacitás maximális kihasználását, leterheltségét okozták (áramszünet, blackouts), elsősorban DélEurópában és máshol a világon. • Az eladott légkondicionáló száma napjainkra elérte a személygépkocsi eladások számát.

Légkondicionálók • A hagyományos légkondicionálók nagy energiafogyasztásúak (villamos energia) és nem környezetbarát hűtők (hűtőközeg). • Hatásuk negatív az ózonrétegre és a globális felmelegedésre: – Ozone depletion potential (ODP) – Global warming potencial (GWP)

Hűtési rendszerek • Aktív hűtési rendszer: villamos energia vagy hőenergia felhasználásával hőátalakítási folyamaton keresztül hűtés biztosítása. • Passzív hűtési rendszer: külső energiabevitel nélküli hűtés megvalósítása, pl. árnyékolás, semitransparent glass covers, solar driven ventilation effects. A passzív hűtés az épület szerkezeti kialakításától és a hőszigetelő-képességétől függ.

Hő elvezetése • Árnyékolással: természetes (fák, bokrok, futó növények) vagy mesterséges árnyékolással. • Napkollektor vagy napelem felületekkel csökkenthető az épület felmelegedése. • Fázisváltó anyagok (PCMs: phase-change materials) épületfalban való alkalmazása. • Természetes (huzat) vagy mesterséges (ventilátor) levegőmozgatással.

Hűtés napenergiával Lehetőségek: – napkollektor + abszorpciós hűtő, – napkollektor + adszorpciós hűtő – napkollektor + Stirling-motor generátorral és kompresszoros hűtő, – napelem + Peltier konverter, – napelem + abszorpciós hűtő, – napelem + kompresszoros hűtő.

A napenergia hasznosítása • Napkollektorokkal (solar thermal collectors), melyekkel hőenergiát nyerünk a napsugárzásból. • Napelemekkel (solar photovoltaic panels, PVs), melyekkel villamos energiát termelünk a napsugárzásból.

Napkollektorok típusai 1. • Síkkollektor (flat plate collector): egyszerű technológia, jó költség-teljesítmény arány, könnyű telepíthetőség, a hasznosítható hőmérsékleti tartomány 70-120oC. • Vákuumcsöves kollektor (evacuated tube collector): magas hőmérséklet elérhető, jó hatásfok, egymástól független csövek (sérülés esetén könnyen cserélhetőek a csövek), melyek könnyűek, telepítésük könnyű, a dőlésszögre érzékenyek, magas költség, kétféle kialakítása van. 100-150oC • Közvetlen áramlású egy falvastagságú kollektor (Direct flow collector) • Közvetlen áramlású dupla falvastagságú kollektor (Heat pipe collector).

Napkollektorok típusai 2. • Levegős kollektorok (air collectors): a munkaközeg többnyire levegő, lehet sík- vagy vákuumcsöves kialakítású, egyszerű konstrukció, könnyű telepíthetőség. 30-70oC • Hibrid napkollektor (Photovoltaic thermal collectors, PVT): napelem + síkkollektor. Hő- és villamos energia termelés, max. 50-70oC • Koncentrált napkollektorok (concentrating collectors): magas hőmérséklet, vákuumcsöves kialakítás, magas költség. 90-250oC – Compound parabolic concentrating collectors (CPC) – Parabolic trough collectors – Linear Fresnel collectors

Szoláris hűtés története 1. • 1878. Párizs, az első napenergiával működtett hűtő, ammóniavíz munkaközegű abszorpciós hűtő és parabolikus reflektor jégtömböket készített, ez még egy demonstrációs rendszer volt. • 1970-es évek: az első kereskedelemben kapható hűtő és légkondicionáló berendezések megjelenése melyek napenergiával működtek, elsősorban az USA-ban és Európában, Dornier-Prinz Solartechnik, Arkla Industries, Carrier. • 1990-es évek: Yazaki, Thermolux által gyártott és telepített szoláris hűtőrendszerek • 2000 után: Citrin Solar, Conergy, SolarNext, SOLID, Sol-ution

Szoláris hűtés története 2. • Napjainkban: Abszorpciós és adszorpciós hűtők egyaránt kaphatók, a gyártók: SorTech AG, InvenSor GmbH, EAW, Pink, SolabCool, Yazaki, Thermax. • A hűtési kapacitásuk jellemzően: 5-35 kWr. • Napjainkban körülbelül 1000 nagy méretű napenergiával működtetett hűtési rendszer működik világszerte.

Hűtési technológiák és működtetésük • Abszorpciós hűtés: koncentrált napkollektorokkal, vákuumcsöves (és sík-) kollektorokkal (napelemekkel). • Adszorpciós hűtés: sík- és (vákuumcsöves) kollektor (napelemekkel). • Kompresszoros hűtés: napelemekkel. • Termoelektromos hűtés: napelemekkel. • Szárító-elpárologtató rendszerek: légkollektorokkal.

Hűtés alkalmazása • Fagyasztás: minimális hőmérséklet -30oC, abszorpciós hűtő, steam ejector, kompresszoros hűtő (vapour compression). • Hűtés (hűtött vízzel): minimális hőmérséklet 5oC, abszorpciós hűtő, steam ejector, adszorpciós hűtő, kompresszoros hűtő. • Légkondicionálás (levegő hűtése): minimális hőmérséklet 16oC, szárító-párologtató rendszerek (víz elpárologtatása, Desiccant-evaporative systems, DEC), termoelektromos hűtő.

Hagyományos hűtés • 1834. Jacob Perkins, London, a kompresszoros hűtő első alkalmazása (vapour compression cooling cycle). • A mechanikai energiát egy villamos motor biztosítja a kompresszornak, mely a hűtőfolyadékot az elpárologtató felöl a kondenzátor felé továbbítja. A hűtőközeg egy expanziós szelepen keresztül jut vissza az elpárologtatóba. • A hűtési hőmérséklet: 15 és -30oC közötti. • Alkalmazása: ház és autó légkondicionálásához, hűtők, fagyasztók és hőszivattyúk működtetéséhez.

Termoelektromos hűtés • Peltier elemmel történő hűtés, 1834. Jean Peltier, (thermo-electric cooler, TEC) • Két különböző félvezető anyagon keresztül elektromos áramot vezetünk át és ennek hatására hűteni fogni a félvezető anyag. A p és n rétegek határán. • Csendes, kis méretű, kis hűtőkapacitású (60-100 Watt). • Alkalmazása: kis méretű hűtőszekrények, hűtőtáskák, hűtőládák.

Termoelem hűtése

Hőbevitellel történő hűtés • Hőenergiával történő hűtés (thermally driven cooling) lehet – Nyitott rendszer: légkondicionálásnál, • folyékony szorpció • szárító-párologtatás (DEC)

– Zárt rendszer: hideg vízzel történű hűtés esetén, • folyékony szorpció: abszorpciós hűtés • szilárd szorpció: adszorpciós hűtés (a szorpciós hűtők kétféle energiaforrásról működtethetők: villamos energia és hőenergia)

Abszorpciós hűtés • Csendes, nincs mozgó alkatrész, folyamatos működésű • Alkalmazása: szállodai hűtők, kemping, lakókocsi, hajón használt hűtők, CHP hűtőrendszer. • Munkafolyadék: – ammónia+víz, -30 és 20oC között, COP=0,5-0,7 – lítium-bromid + víz, 6 és 20oC között, COP=0,6-1,8 (COP: coefficient of performance)

Abszorpciós hűtés története • 1850. Edmund Carré kénsav-víz keverékkel • 1859. Ferdinand Carré ammónia-víz keverékkel oldotta meg a hűtést • 1899. oldatszivattyú nélküli folyamatos működésű abszorpciós hűtőgép, H. Geppert • 1922. Baltzar von Platen és Carl Munters, szivattyú nélküli folyamatos működésű abszorpciós hűtőgép, hidrogén gáz semleges közegként való alkalmazása, a kondenzátor és az oldó külső levegővel történő hűtése. Ezt a szabadalmat vásárolta meg az Electrolux.

Adszorpciós hűtés • Csendes, szakaszos működésű • A szilárd közeget regenerálni kell bizonyos időközönként • Alkalmazása: légkondicionálók, hűtők • Munkaközeg: – Víz + szilika gél, 6 és 20oC között, COP=0,5-0,65 – Víz + zeolit, 6 és 20oC között, COP=0,5-0,6

Napkollektoros hőhasznosítás

kapcsolási rajz a mérési pontokkal A munkafolyadék víz volt.

vákuumcsöves kollektor hasznos felülete 1,485 m2 (15 csöves kollektor)

Abszorpciós hűtő (Dometic)

A kísérleti hűtőberendezés

Felhasznált források • • • • • • • • • •

GYURCSOVICS L. (1982): A napenergia hasznosítása az épületgépészetben, Műszaki Könyvkiadó, Budapest KOHLENBACH P. – JAKOB U. (2014): Solar cooling, The Earthscan expert guide to solar cooling systems, Routledge KOMONDY Z. – HALÁSZ L. (1970): Hűtőgépek, Tankönyvkiadó, Budapest LITZ J. (1998): Elektromosságtan és mágnességtan, Műszaki Könyvkiadó, Budapest ZSEBIK A. – CSATA Zs. – TORMA J. – VÁRADI Sz. – MOUMOULIDIS, I. (2010): Fűtés és hűtés napenergiával, Energiagazdálkodás, 2010/2., 3-8. p. Lloyd A. (2008): Steinway installs solar-powered air conditioning, Renewable Energy December 29, 2008, www.treehugger.com MET 2011 MVM 2008 VER 2011 http://www.soselectronic.hu/

Köszönöm megtisztelő figyelmüket!