Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék

Villamosmérnöki szak Elektronikai tervezés és gyártás szakirány

Egy tanya energiaellátásának biztosítása, különös tekintettel a megújuló energiaforrások kiaknázására

Szakdolgozat

Patvaros Zoltán Y244MB 2014

Eredetiségi nyilatkozat

Alulírott

Patvaros Zoltán

(neptun kód:Y244MB)

a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy a Egy tanya energiaellátásának biztosítása, különös tekintettel a megújuló energiaforrások kiaknázására. című komplex feladatom/ szakdolgozatom/ diplomamunkám1 saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályi szerint történt. Tudomásul veszem, hogy plágiumnak számít: - szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; - tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; - más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy plágium esetén a szakdolgozat visszavonásra kerül.

Miskolc, 2014.11.21

__________________________________________________________________________ 1 Megfelelő rész aláhúzand

Záródolgozat saját munka igazolás (külső konzulens esetén)

Alulírott

Orlay Imre

mint műszaki szakértő

igazolom, hogy

Patvaros Zoltán (neptun kód: Y244MB),

Villamosmérnöki alapszakos hallgató a(z) ÉMÁSZ Hálózati Kft -nél készített komplex feladatában/ szakdolgozatában/ diplomamunkájában1 a saját munka terjedelmi részaránya minimum 90%, és a dolgozatban a vállalattól kapott adatok megfelelő hivatkozással szerepelnek.

Miskolc, 2014. 11. 21.

hallgató név

külső témavezető név

______________________________________________________________________ 1

Megfelelő rész aláhúzandó

Miskolci Egyetem - Gépészmérnöki és Informatikai kar

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés .................................................................................................................... 7 2. Megújuló energiaforrások ........................................................................................ 9

2.1. Villamos energia előállításának lehetőségei: ................................................. 9 2.1.1. Szélenergia, szélgenerátor ............................................................. 10 2.1.2. Napelem ...................................................................................... 10 2.2.

Hőenergia előállítása megújuló energiából ............................................. 12

2.3.

Napkollektor típusai, és tulajdonságaik: ................................................. 14 2.3.1. Levegő munkaközegű napkollektorok .......................................... 14 2.3.2. Fedés illetve hőszigetelés nélküli napkollektorok ......................... 14 2.3.3. Sík kollektorok .............................................................................. 14 2.3.4. Vákuum csöves napkollektor ........................................................ 15

2.4.

Hőszivattyú jellemzői és használata ........................................................ 16 2.4.1. Kompressziós hőszivattyú .......................................................... 17 2.4.1.1. Gáz üzemű hőszivattyú ................................................ 18 2.4.1.2. Villamos üzemű hőszivattyú........................................ 19 2.4.2. Abszorpciós hőszivattyú ............................................................. 19

2.5.

Energia kinyerés hőszivattyúval.............................................................. 20 2.5.1. Geotermikus energiát, felhasználó hőszivattyúk ........................ 20 2.5.2. Talajszondás, azaz a vertikális csőrendszerű hőszivattyú .......... 20 2.5.3. Talaj kollektoros, horizontális csőrendszerű hőszivattyú ........... 21 2.5.4. Levegő energiát felhasználó hőszivattyú .................................... 22

2.6.

Egyéb alkalmazások a fűtésre ................................................................. 22 2.6.1. Biomassza és biogáz ................................................................... 23

3. Tanyai családi ház hőenergia szükségletének meghatározása, méretezése ....... 23

3.1. Az energiaforrások felhasználásának lehetőségei: ....................................... 25 3.1.1. Napkollektor alkalmazása, funkciói és méretezése: ...................... 26 3.1.1.1. Szempontok a méretezéshez ........................................... 26 3.1.1.2. Tárolók kialakítása ........................................................ 27 3.1.1.3. Napkollektor méretének meghatározása......................... 29 3.1.1.4. A meghatározott napkollektorral való fűtési energia meghatározása ............................................................................. 31 3.1.1.5. Vezérlő berendezés:........................................................ 34 3.1.2. Fűtési rendszer megvalósítása hőszivattyúval............................... 37 3.1.2.1. Hőszivattyú választása ................................................... 37 5


3.1.2.2. Talajkollektor méretezése ............................................... 39 3.2. Gazdaságossági és megtérülési számítás ..................................................... 41 3.2.1. Az új rendszerünk bekerülési költsége ....................................... 42 3.2.2. Megtérülési időszámítás ................................................................ 44 4. Tanyai családi ház villamos energia mérlege, fogyasztás meghatározása ......... 44

4.1. Villamos hálózat kiépítésével kapcsolatos költségek .................................. 46 4.2. Villamos energiatermelés háztartási méretű kiserőművel ........................... 47 4.2.1. Alkalmazási típusok ...................................................................... 47 4.2.2. Méretezéshez szükséges információk ........................................... 48 4.2.3. Napelem meghatározása, és méretezése........................................ 49 4.2.4. Szigetüzem tervezése .................................................................... 52 4.2.5. Napelem felületének meghatározása ............................................. 52 4.2.6. Energiatárolás ................................................................................ 53 4.2.6.1. Tároló kapacitásának meghatározása ............................. 54 4.2.6.2. Töltés vezérlő ................................................................. 55 4.2.6.3. Inverter meghatározása ................................................... 56 4.3. A családi ház villamos kapcsolási sémája.................................................... 59 4.4. Villamos energiaellátás gazdaságossági, megtérülési számításai ................ 60 5. Összefoglalás............................................................................................................ 61 6. Summary.................................................................................................................. 63

Köszönetnyilvánítás Irodalomjegyzék

6


1. Bevezetés Korunk egyik nagy problémája a fosszilis tüzelőanyagok okozta nagymértékű káros anyag kibocsájtás, amely környezetünket és az ózonréteget egyaránt károsítja, üvegházhatást idéz elő és felelős az egyre gyakrabban előforduló frontok okozta károkért is. Számtalan fórum, nemzetközi konferencia igyekszik erre felhívni a figyelmet. A Föld fosszilis energiahordozó készletei végesek, fogyásukkal az áruk is folyamatosan növekszik. Egyes becslések szerint 50 éven belül valószínűleg az olcsón kitermelhető készletek elfogynak. Ezért az EU elvárása az energiahatékonyság növelése és az energiatakarékosság mellett a megújuló energiaforrások mind nagyobb mértékű kihasználása. A megújuló energiaforrások, olyan természeti jelenségek, primer energiaforrások, amelyek jelentősebb emberi közreműködés nélkül újratermelődnek, és nem okoznak környezeti károkat. A megújuló energiaforrások felhasználásának költségei a technológiai fejlesztések és a növekedő támogatások miatt csökkennek. A kormányok azért növelik a támogatásaikat, mert a megújulókat kevesebb környezeti terhelés jellemzi ez által javul az életminőség is és csökkennek a helyreállítás költségei. Tehát az érdekünk az, hogy minél több megújuló energiaforrást használjunk fel. Szakdolgozatom egy tanya energiaellátásának lehetőségeit vizsgálja megújuló energiák felhasználásával. Magyarországon még napjainkban is kétszázezernél több kiépített villamos hálózattal nem rendelkező tanya és félmilliónyi nyaraló, pince, hétvégi telek van. A jelenleg érvényes csatlakozó rendelet számtalan kedvezményt biztosít a fogyasztóknak, azonban ezzel sem oldható meg minden probléma. Jogos igény ma valamennyi állampolgár részéről, hogy a normális élethez szükséges feltételekkel rendelkezhessen és ebbe a villamos energia rendelkezésre állását, a fűtés és a meleg víz ellátást is beleértjük. Az élet valamennyi területén nélkülözhetetlen a villamos energia. Ezért fontos annak vizsgálata, milyen módon és technikai megoldásokkal lehet az igényeket villamos és hőenergiával kielégíteni ezeknél a villamos hálózattal nem rendelkező épületeknél. Az igényeket kiválthatjuk megújuló energiaforrásokkal, mint nap-, szélenergia, valamint biogáz felhasználásával, illetve amennyiben több haszonállatot tartanak akár hőszivattyúkkal.

7


A szakdolgozatomban azt vizsgálom, hogy egy tanya megbízható energiaellátása megoldható-e megújuló forrásokból és gazdaságos-e. A szakdolgozat megállapításai összehasonlítási alapot nyújtanak a hálózati ellátás költségével. Egy ilyen viszonylag autonóm egységben, mint a tanya, fontos szerepet kap az önállóság, hisz a legközelebbi városi infrastruktúrák akár kilométerekre is lehetnek. Célszerű tehát helyben megtermelni azt, amire szükség van, erre pedig kiváló alternatívát adnak a természeti energiák. A szakdolgozat két fő részre bontja a tanya energiamérlegét, egy fűtési és meleg víz előállítás hőenergia szükségletre, és egy villamos energia szükségletre. A két energiacsoporton belül először tárgyalom az adott energia előállítására alkalmas megújuló források lehetőségeit, számba veszem a jelenleg rendelkezésre álló alternatívákat. Következő lépésben kiszámítom egy tipikus családi házra jellemzően az adott irányú energia- illetve teljesítményigényt. Ezután meghatározom az igény kielégítésére alkalmas megújuló forrást. Méretezem az új egységet, illetve kiszolgáló eszközeit. Meghatározom a bekerülési költséget és a megtérülési időt. A tanya energiamérlegének meghatározásánál feltételezéssel élek. Ezek az épület nagysága, az ott lakók száma és a tevékenység, amit végeznek. Ugyancsak figyelembe veszem a hasonló méretű városokban élő háztartások energiaigényét.

8


2. Megújuló energiaforrások Az elmúlt évtizedek, évek eseményei egyre jobban felhívják a figyelmet arra, hogy az emberiség mennyire pazarló és környezet szennyező életet él, ami már tudományosan is bizonyított, hogy a természeti erőforrások kimerülnek, és ökológiai katasztrófához vezet, ha azonnal nem kezdünk rajta változtatni. Ezek a problémák globálisak, a túlnépesedés, a légkör szén-dioxid tartalmának növekedése, ózon réteg csökkenése ennek a következményei, és ezekre kell megoldást találni. A fosszilis energiahordozók környezetre gyakorolt káros hatásai miatt, egyre inkább az egyéb alternatív energiaforrások kerülnek előtérbe. Ezen források sem oldják meg a problémákat teljes körűen, de javít a tudatos környezetbarát életmód kialakításában. Ezen kívül azonban nem elhanyagolható az energiahatékonyság növelése, illetve az energiatakarékosság sem. A megújuló energiaforrások olyan természeti folyamatok, amelyek folyamatosan rendelkezésre állnak, vagy újratermelődnek, ezek lehetnek: nap, szél, vízenergia, biomassza, hőszivattyú, hőenergia, stb., ennek az ellentette a fosszilis tüzelőanyagok, amik nem megújulók, például: kőszén, kőolaj, földgáz. A környezet szennyező hatása miatt, ahogyan utaltam már rá, korlátozottak a rendelkezésünkre álló készletek, ennek következtében nem alkalmasak arra, hogy egy hosszú távú energiastratégia épüljön rá.

2.1. Villamos energia előállításának lehetőségei: A villamos energia előállítása napjainkig általában centralizáltan termelő nagy erőművekben történik, amelyek lehetnek alap-, szabályozós-, vagy csúcserőművek. Üzemmódjukat tekintve pedig hő-, vízerőművek, illetve gázturbinás erőművek. A hőerőművek primer energiahordozója lehet szén, kőolaj, gáz, illetve hasadóanyag. Ezekre az erőművekre általánosságban igaz, hogy a termelés és a fogyasztás nincs egy helyen, így jelentős transzformációkra, szállításokra van szükség, amelyek veszteséget okoznak. Ezért a világ egy új fejlődés irányába indult el, felhasználva a megújuló energiaforrásokat és ezáltal decentralizált termelést kíván megvalósítani a fogyasztási csomópontokban. Ez az új irányzat a smart grid. Röviden tekintsük át a lehetséges megújuló energiatermelés lehetőségét egy tanya energiaellátásában.

9


2.1.1. Szélenergia, szélgenerátor A nap energiájából táplálkozik, ahogy a legtöbb megújuló energiaforrás. A légmozgás okai: a Nap hőjének hatására, különböző légnyomások és sűrűségek alakulnak ki. Ennek a lehetőségnek a felhasználása, erősen táj és időjárás függő, ezért sok a befolyásoló tényezője is. Szélgenerátor telepítés előtt, statisztikai adatokat kell gyűjteni, méréseket végezni és gazdasági számítást, ami következtében megkaphatjuk, hogy megvalósíthatóe a rendszer alkalmazása. Működését tekintve, a külső lapátok tengelye, egy belső generátort hajt meg, ami kisfeszültségű egyenáramot állít elő. Az áram inverteren keresztül jut a villamos hálózatba, ami az egyenfeszültséget alakítja át váltakozó feszültséggé. Gazdaságos üzemeléshez viszonylagosan nagy fordulatszámra van szükség, azonban egy bizonyos fordulatszám fölött, a károk elkerülése érdekében, lassítani kell a rotor forgási sebességét. Bizonyos szélsebesség fölött a szélgenerátort le kell állítani. Magyarországon jellemzően, kevésbé hatékony a működése néhány terület kivételével.

2.1.2. Napelem Egy olyan elektromos eszköz, ami a fényt alakítja át elektromos energiává fotóvoltaikus hatással. A napelem, ha fény éri képes elektromos áramot létrehozni anélkül, hogy egyéb külső energiafelhasználása lenne. Szinte végtelen felhasználási lehetősége miatt, manapság már mindenhol megtalálható, többek között vészhelyzetekre fenntartott telefonok, közvilágítás (1. ábra), illetve parkolóházak elektromos energia biztosításánál is.

1.

ábra Napelem alkalmazása közvilágítási lámpatest táplálására

10


Egy fényes nyári napon, a napsugarak közel 1000 W/m2s energiát bocsájtanak ki a Földre, emellett teljesen tiszta működést tesz lehetővé. A napelem cellái félvezetőkből készülnek, anyagát tekintve szilícium a legelterjedtebb. A napelem moduljai napcellákból épülnek fel, és a hatékonyabb működéshez több modult kötnek össze. Működési elve: egy szilícium atomnak 14 elektronja van, 3 különböző héjon. Az első és második héj 2 és 8 elektronnal telített, azonban a harmadik héj telítetlen, 4 elektronnal. Az atom mindig arra törekszik, hogy telítse ezt a külső héjat, ezt azonban csak úgy tudja megtenni, hogy megosztja a legközelebb lévő 4 atommal. Szükséges egy fémréteg, erre bórral szennyezett p típusú szilícium lapka kerül, ezt követően foszfort diffundáltatnak a felső felületbe, ami következtében p-n átmenet jön létre a felszín alatt (2. ábra).

2.

ábra Napelem felépítése

A p-n átmenetet a felszínhez való közelsége miatt, a napfény könnyedén eléri, hogy elektromos energiát gerjesszen. A felületre szokás még tükröződés gátló bevonatott is felvinni, ezáltal is csökkentik a fény visszaverődési veszteséget. Erre kerül a vezető, aminek célja, hogy összegyűjtse az átmenetből származó elektronokat, vagyis az elektromos áramot.

Elegendő hullámhosszú fény esetében, a félvezetők atomjai

ionizációra kényszerülnek, ilyenkor a beeső fotonok többlet töltéshordozókat hoznak létre. A pozitív töltéshordozók a p rétegben (lyukak), a negatív töltéshordozók (elektronok) n rétegben lesznek többségben. A kialakult két réteg ellentétes töltése miatt vonzza egymást, Teljesítményét befolyásoló tényezők: 

A fény hullámhossza



A fény intenzitása



A cella anyagának, mérete és típusa 11


Napelemek típusai és jellemzőik: Alapvetően 3 fő típust különböztetünk meg Amorf napelem: Olcsó előállítása miatt a legelterjedtebb típus, azonban hatásfoka 4-6% között van, ami a legalacsonyabb a többihez képest. A kicsi hatásfokot azzal kompenzálják, hogy nagy felületet hoznak létre. A szórt fényt jobban hasznosítja, mint a közvetlen napfényt, élettartamuk közel 10 évre tehető. Monokristályos napelem: A legjobb hatásfokkal üzemel, ami 16-18% közé tehető. A közvetlen napfényt hasznosítja jobban, legköltségesebb az előállítása és élettartamát tekintve többszöröse az előzőnek. Polikristályos napelem: Hatásfokát tekintve 10-13%-ra tehető, élettartamát nézve már megközelíti a monokristályosét. A 3. ábra egy állványra szerelt napelem táblát mutat.

3.

ábra Napelemtábla állványra szerelve

2.2. Hőenergia előállítása megújuló energiából A hőenergia előállítása elsősorban a nap energiájából történhet. A napnak az energiája, fény és hő formájában éri el a Földet. A hőenergiát ősidők óta hasznosítja az emberiség, mindig egyre fejlettebb technológiák segítségével. Két módja van a hőenergia hasznosításának, aktív és passzív energiatermelés. Passzív energia felhasználás esetén az épület helyzetének megválasztását vesszük figyelembe, illetve annak az építőelemeit. Ekkor az üvegházhatást használjuk fel 12


hőtermelésre. Elsődleges eset, amikor átmeneti időszak van, vagyis a külső hőmérséklet miatt, az épületen hő veszteség alakul ki, de a napsugárzás befolyásolja ezt a folyamatot (4. ábra)

4.

ábra Passzív napenergia hasznosítás

Aktív energiatermelésnek 2 fajtája terjedt el. Napenergiát hőenergiává alakítjuk, a következő módon. A napenergiát aktív módon hasznosító épületeken, nagy üvegfelületek találhatóak meg a déli oldalon, amit estére hőszigetelt táblákkal fednek le. A fényt nagy hőtároló falakra és padlóra irányítják, amiknek a külső felületei ismételten hőszigeteltek, így ezzel tudják elérni, hogy hosszú ideig képesek tárolni a hőt. A hőenergia, gyűjtése és tárolása rendszerint napkollektorokkal történik. A másik elterjedt módszer még, az úgynevezett fotóvoltaikus eszköz, amit másképpen napelemnek hívnak. A napsugárzás energiáját elektromos energiává alakítják át.

5.

ábra Napkollektor a háztetőn

13


2.3. Napkollektor típusai, és tulajdonságaik:

A napkollektorokat általában háztetőkre szerelve helyezik el (5. ábra) Különböző felhasználási szempontok szerint, több alap típusa van. Kivitelét, hatásfokát, és árát tekintve teljesen különbözőek.

2.3.1. Levegő munkaközegű napkollektorok Hazánkban kevésbé elterjedt. Előnye hogy házilag is elkészíthető, ezt „sörkollektornak” nevezik, ami a légfűtéses rendszerekhez jól alkalmazható. Hátránya, hogy a megtermelt energia nem tárolható, nagy átmérőjű csövek vagy légvezetékek használata, és komoly ventilátorokat igényel, illetve meleg víz előállítására alkalmatlan. Alkalmazása: melegházfűtés, épületfűtés.

2.3.2. Fedés illetve hőszigetelés nélküli napkollektorok Felépítését tekintve, gumi vagy műanyag alapanyagú csőkígyók, különböző elhelyezési formában. Besugárzási szög, csak csekély mértékben hat a leadott teljesítményre. Mivel nincs szigetelve, illetve hőszigetelő borítást sem tartalmaz, ezért elhanyagolható a reflexió is. Előnye egy egyszerű felépítés, az ára, és kialakíthatósága. Legtöbbször medencék fűtésére alkalmazzák, hőcserélő nélkül, a medence vizét keringetik a kollektorban (6. ábra).

6. ábra Medencefűtő kollektor 2.3.3. Sík kollektorok

14


Kiforrott technológia, rendkívül megbízható, a napkollektorok több mint 90%-a ebbe a kategóriába tartozik. Mivel a sérüléseknek is jól ellenáll, ezért használata a hőerőműveknél is elterjedt. Felépítését tekintve: kollektor házból, elnyelő házból (abszorber), hőszigetelésből, vörösréz csőkígyóból és átlátszó szolár üvegből áll (7. ábra). A beeső sugárzás áthatol az átlátszó szolár üvegen, és ráesik az abszorberre. A sugárzás energiáját az abszorpció során alakítja át hővé.

7. ábra Sík kollektor

2.3.4. Vákuum csöves napkollektor

8. ábra Vákuum csöves kollektor felépítése és működése

15


Kettős falú üvegcsőből épülnek fel, amiben vákuum található a belső-külső üvegfal között (8. ábra). A belső üvegcsövet szelektív abszorbens felülettel vonják be, és itt készül a hasznosítható hő. A vákuum megakadályozza, hogy a levegő hő vesztesége miatt hiány alakuljon ki. Ezért nem csak napos időben használható, mint a sík kollektor. Működését tekintve, a vákuumcső elnyeli a hőt a heatpipe-pal. A fűtéscsőben alkohol és víz keveréke található (legtöbb esetben), ami a csőben kialakított alacsony nyomás miatt, már 30-35 °C-os hőmérsékleten elkezd forrni. A folyadék elpárolog és felszáll a hő átadó patronba, ami egy központi csőhöz kapcsolódva átadja a hőt a rendszernek, ezután a lehűlt pára alkoholos vízzé alakul és a fűtéscső aljára kerül. Ez a folyamat ismétlődik. A vákuum csövek egymástól szigetelve találhatóak, csak a központi csőhöz kapcsolódnak. Emiatt ha egy cső tönkre megy, akkor csak azt kell cserélni, nem pedig az egész rendszert. Az utolsó két kollektor főbb tulajdonságainak összehasonlítása: síkkollektor

vákumcsöves kollektor

hatásfok

kisebb

jobb hatásfok

technológia

egyszerűbb

összetettebb

hőátadás

konvekcióval

párologtatással

hőszigetelés

szükséges

nem szükséges

hőveszteség

nagyobb

kisebb

ár

olcsó

drága

2.4. Hőszivattyú jellemzői és használata

A hőszivattyú technológia, a földből vagy a levegőből kinyert energia felhasználásán alapszik. A rendszer környezetbarát módon állítja elő a hőenergiát, amit a fűtéshez, hűtéshez vagy a meleg víz előállításához lehet használni. Nagyon jó hatásfok, gazdaságos és környezetkímélő üzemmód a fűtésre. Alapesetben a hő a magasabb hőmérsékletű környezetből áramlik az alacsonyabb felé, de külső energiaforrás segítségével ez megfordítható.

16


A hőszivattyú típusai levegő-víz víz-víz

talaj-víz

Előnyök legolcsóbb beruházás bárhol alkalmazható utólag is könnyen telepíthető legalacsonyabb üzemeltetési költség az üzemi költségek nem függnek a külső hőmérséklettől

Hátrányok hidegben drágább a fűtés és szükség lehet kiegészítő fűtésre magas beruházási költség

közepes üzemeltetési költség magas beruházási költség nyáron hűtés is megoldható költség nem függ a külső hőmérséklettől

2.4.1. Kompressziós hőszivattyú A két hőcserélőt egy körvezeték köti össze, amiben az egyik kompresszor a csővezetékben olyan munkaközeget keringet, aminek minimális a forráspontja, csak magas nyomáson cseppfolyósodik. A hideg oldali hőcserélő előtt a folyékony halmazállapotú közeg nyomását, egy szelep segítségével lecsökkenti 1,7 bar-ra. Ilyenkor a munkaközeg párologni kezd intenzíven, és -2 °C-ra hűl, majd a párolgáshoz szükséges hőt, a hőcserélőnek másik végén áthaladó környezeti közegből használja fel, annak lehűtésével. A 3 °C-ra melegedett közeget elszívja a kompresszor, és sűríti 13,5 bar nyomásra, ami következtében a lecsapódó közeg melegedni kezd egészen 73,5 °C-ra. A lecsapódásnál felszabadul az a hő, amit elvont, ezáltal növeli a betáplált energiát a kompresszorba. Ezt az energiát a másik hőcserélőn keresztül átadja a fűtési oldalon lévő közegnek (9. ábra).

17


9. ábra Kompressziós hőszivattyú

2.4.1.1. Gáz üzemű hőszivattyú Kompresszor teljesítménye a fordulatszám növelésével-csökkentésével érhető el, ez áltál beállítható a hőmérséklet. Nem elhanyagolható a belső égésű motor által megtermelt hő, ami szintén felhasználható, ez tovább növeli a teljesítményt az elektromos hőszivattyúval szemben. Ez a felesleges hő más néven hulladék hő, úgy is hasznunkra lehet, ha a fűtésre éppen nincs szükség, de ugyanakkor meleg vízre mindig szükség van. Ezek a gázmotoros hőszivattyúk több típusúak lehetnek. Legelterjedtebb, amikor a hőt szállító anyag a fűtési rendszerbe kerül közvetlenül. Másik lehetőség a falfűtéses rendszer, amely egy közvetett rendszer, hidraulikus egységbe kerül a hő szállító anyag és a hőt a víz veszi fel, ez áramlik a fűtési rendszerbe. Harmadik lehetőség, ha ezt a két rendszert kombinálják. Azt, hogy melyik rendszert érdemes kiépíteni, erősen hely és környezet függő is. Általánosságban az mondható el, hogy ezeknek a hatásfoka kb. 170%-os, tehát a befektetett energia 1,7 szeresét lehet kinyerni hő formájában.

18


2.4.1.2. Villamos üzemű hőszivattyú

Legfontosabb előnye talán, hogy tiszta energia kerül felhasználásra, nincs környezetre káros hatása. Zajszintje alacsonyabb valamelyest a gázmotorétól. Hatásfokát tekintve, nagyban függ a külső hőmérséklettől és a hőforrástól, de megközelítőleg a befektetett energia 3 szorosát lehet visszakapni. Ami mellette szól, mint előny, hogy hazánkban a gáz ára lehetősen megemelkedett, míg az elektromos áram csak kisebb mértékben, ezáltal üzemeltetése kedvezőbb. Hőszivattyú választásnál nagy figyelmet kell fordítani, a hőforrás és a környezeti adottságokra, ami alapján kiszámolható a hatásfok, és a megtérülés. 2.4.2. Abszorpciós hőszivattyú

Az előzőekhez képest, ez kevésbé elterjedt. Az egésznek az alapja egy elnyelő, és egy elnyelődő anyag, ami legtöbb esetben víz és lítium-bromid. Működés során a víz csekély nyomás miatt, el tudja nyelni a lítium-bromidot emellett nagymennyiségű hő szabadul fel, ami felhasználható. Ezt a keveréket az abszorber szivattyú továbbítja a generátornak, ami a nyomás és a bevezetett hő hatására elpárolog. A kondenzátorban a lítium-bromid cseppfolyóssá válik külső hűtés következtében. A nagy nyomású kondenzátorból, kisnyomású

elpárologtatóba

halad

az

abszorber

cseppfolyós

része,

ami

a

nyomáscsökkentés miatt gáz állapotúvá válik, így hőt tud ismételten elvonni a hűtőfolyadékból.

10. ábra Abszorpciós hőszivattyú

19


Ez a folyamat is képes fűtési üzemre, hűtésnél viszont sokkal kevesebb villamos energiát használ. Fontos előnye még hogy az abszorpciós eszköz semmilyen káros hatással nincs a környezetre, sem az ózon rétegre.

2.5. Energia kinyerés hőszivattyúval 2.5.1. Geotermikus energiát, felhasználó hőszivattyúk A geotermikus hőszivattyú egy olyan rendszer, amit hűtésre és fűtésre egyaránt használni lehet. A hőt a talajból veszi fel, vagy éppen adja le. Télen a talajt használja fel, mint hőforrást, és onnan vonja el a hőt az épület felé, amit nyomásváltoztatással nagyobb hőmérsékletté alakít át. Ez a rendszer valójában a talaj állandó hőmérsékletét használja ki, ezzel csökkenti a hűtési és fűtési költségeket. A nagyobb hatásfok érdekében ezt a technikát szokás kombinálni a napkollektorral, így a rendszer teljesen önműködővé tehető. A talaj felső rétege állandó napsütésnek van kitéve, ezért ez több mint 50%-át elnyeli a napsugaraknak, így a hőmérséklet 7 és 18 °C között marad. Ezt a nagy mennyiségű hőt használjuk fel. A geotermikus energiát, a földbe beépített szondákon keresztül gyűjtjük össze, majd jutatjuk el a hőszivattyúhoz. A szondák beépítését tekintve lehetnek vízszintesek és függőlegesek. A vízszintesnél az mondható el, hogy háromszoros területre van szükség, mint amekkorát fűteni szeretnénk. Itt a talajhőmérséklet nagymértékben befolyásolja a hatásfokot. Ezt talaj kollektoros rendszernek nevezzük. Előnyösebb a függőleges elrendezés, mivel ez nagyobb hőstabilitást biztosít. A függőleges elrendezést vertikális talajszondás rendszernek nevezzük. 2.5.2. Talajszondás, azaz a vertikális csőrendszerű hőszivattyú

A földbe 80-100 méteres hosszú lyukat fúrunk függőleges irányban, aminek az átmérője 15 cm (11. ábra). Ebbe helyezünk el 2 db U alakú 32 mm átmérőjű műanyag csövet. Ezekben a csövekben kering a hideg víz, ami a hőszivattyúból kijövő oldalon található. A szondába beérkező 0-3 °C víz, 6-8 °C-ra melegszik fel. Másik megoldás a koaxiális szonda, amikor ebbe a kifúrt lyukba 63 mm átmérőjű (KPE) kemény polietilén csövet helyeznek, amiben egy 25 mm-es KPE búvárcső található. A hideg hőmérsékletű vizet a 20


25 mm-es csövön jutatjuk le, a felmelegedett víz pedig a külső csőben jut fel a hőszivattyúhoz. Mind a kettő rendszer zárt, teljesítménye elsőként a talajminőségtől függ, de általánosságban elmondható hogy 50 W/m lehet a teljesítménye.

11. ábra talajszondás elrendezésű hőszivattyú

előny

hátrány

kicsi terület igény

költséges a fúrás

bárhol alkalmazható

gondos előkészületeket igényel

biztosított a működése

engedély köteles a fúrás

jóságfoka, kb 5x ami közel állandó

2.5.3. Talaj kollektoros, horizontális csőrendszerű hőszivattyú Műanyag vagy műanyag borítású réz csövet fektetnek le a felszín alá, 1,5-2 m mélyen, ami több száz méter hosszúságú is lehet (12. ábra). Ezt a típust általában újépítésű házaknál használják, mivel nagy a földterület igénye és, így a régi csőhálózat útba kerülése kiküszöbölhető. Tilos a kollektor fölé építkezni, vagy bitument tenni, mert a napsütés nem éri a földet illetve a vízcseppek nem jutnak be a mélyre. A talaj minősége 21


azért befolyásol, mert minél nagyobb a talajnedvesség tartalma, annál jobb a hő átadó képessége, illetve a háznak a szigetelésével csökken a hőigénye. Nyáron a hűtést könnyű megoldani, az épület falait, illetve a mennyezetet hűteni a földkörből származó hidegebb folyadékkal ezt passzív hűtésnek nevezik.

12. ábra Horizontális csőrendszerű hőszivattyú

előny

hátrány

Önállóan működő fűtés-hűtés

Jelentős földmunka

Hatásfok közel 5x

A fák és növények gyökereit hűtheti

nem kellenek engedélyek

Nagy földterület

hosszú élettartam kb. 100 év

Hosszú csővezeték miatt nagyobb veszteség

2.5.4. Levegő energiát felhasználó hőszivattyú Ez a típusú hőszivattyú, a kültéri levegőt visszahűtve fűt, és készít meleg vizet. A levegőt ventilátorok alkalmazásával beszívják, amit a hőszivattyú hűt le. Hátránya hogy a külső hőmérséklet nem állandó, és a ventilátorok zaja is jelentős. Ez a rendszer inkább kiegészítő hűtés/fűtésre használható, amíg a geotermikus teljes egészében alkalmas rá. 2.6. Egyéb alkalmazások a fűtésre

Ezek a megoldások összességében hasonló mechanizmuson alapszanak, a természetes anyagok oxigén jelenlétében elégetése és a felszabaduló hőenergiának a felhasználása.

22


Az erőforrások közös tulajdonsága, hogy a levegőből megkötött CO2 jutatják vissza a körforgásba, ebből az látszik, hogy az égés mégsem káros a környezetre.

2.6.1. Biomassza és biogáz Energetikailag hasznosítható növények és növényi és állati hulladékok. Ezeknek az anyagoknak az elégetésével lehet hőt előállítani. Általánosságban az mondható el, hogy 1 éven belül újból termelődnek, amikkel bányászati fosszilis energiák helyettesíthetőek. Nem csak energia nyerhető ki belőle, hanem cseppfolyósítva üzemanyag is. Csoportosítani a következők szerint lehet: Tüzelhető biomassza: alacsony nedvesség tartalmúak, ez magas fűtőértékre utal. Jellemzően tűzifa, apríték, fűrészpor, szalma, energiafű illetve ezekből előállított pellet. Elgázosítható biomassza: nagyobb nedvességtartalmú növényi és állati hulladékból. A biomassza elgázosítása, elgázosító kazánban is történhet. Ezek lehetnek trágyák, állati szennyvíziszap, cukortartalmú növények. Gépjárműben használt üzemanyag, biomassza: Benzin helyettesítésére kukorica, burgonya, búza, szalma, nád növények használatosak, amiből etanol gyártható. Diesel helyettesítésére olajtartalmú növények, amiből az olajat kisajtolják és vegyszeres kezelés után biodízel állítható elő. Biogáz: A szerves anyagok mikrobák által, anaerob körülmények között történő lebontása során képződő gázelegy. Magas metán tartalma miatt 1 m3 metán 9,94 kWh energiát tartalmaz, ami használható meleg víz előállítására, villamos és hőenergia termelés, földgáz minőségű biometán előállítására.

3. Tanyai családi ház hőenergia szükségletének meghatározása, méretezése A vizsgált családi ház 140 négyzetméter. A ház tartalmaz 3 hálószobát, 1 fürdőszobát, 1 konyhát, közlekedőt és egy étkezőt. A család létszáma 4 fő. A fűtést szenes kazán szolgáltatja, mivel tanyavilágról van szó, ezért a gáz nem kivitelezhető. A tavalyi évben barnaszénből a fűtési szezon alatt 130 mázsa fogyott el, ami 22-23 fokos meleget eredményezett, amit padlófűtéssel értek el. A ház belső felépítése és állapota ebben a

23


helyzetben azért hagyható figyelmen kívül, mivel azonos körülmények között kell a fűtést megvalósítani. Számításba vett adatok: Fűtéshez: Barnaszén fűtőértéke: Lé = 8 MJ/kg Barnaszén mennyisége: 130 x 100 = 13 000 kg A padlófűtés előremenő vízhőmérséklete: 35 0C A padlófűtés visszatérő hőmérséklete: 27 0C Viadrus U22 D6 típusú kazánnak a teljesítménye: 30 kW A fűtési energia igény optimális esetben: E= m * Lé= 13 000 kg * 8 MJ/kg = 104 000 MJ = 104 GJ Mivel a fűtési rendszer már több mint 10 éves, ezért figyelembe kell venni egyéb hatásfok csökkentő tényezőket, amivel számolnunk kell. A két legfontosabb tényező: a kazán amortizációja és a kémények lerakódása, ami becslési adatok alapján kb. ~10%-ot jelenthet hatásfokromlásban. Számításba kell még vennünk a kazánunk hatásfokát, ami katalógus adat alapján 70%. E1= E * 1,1 * 0,7 = 104 000 MJ * 1,1 * 0,7 = 80 080 MJ = 80,08 GJ ami megfelel 22 244 kWh-nak. Használati meleg víz: 2 kW teljesítményű villanybojler szolgáltatja, ami 150 L vízkapacitással rendelkezik és 60 oC fokos víz előállítására van beállítva. Átlag igény személyenként: 28-30 L víz a 4 tagú családban. Hőmennyiség számolásához szükséges adatok: Víz fajhője: C=1,16 Wh/(K*kg) Elhasznált vízmennyiség V= 4 x 30 = 120 L víz tömege: m= ρ*V = 1kg/L * 120 L = 120 kg Meleg víz hőmérséklet Tm = 60 oC Felfűtésre váró hideg víz Th = 13 oC Qn = C * m * (Tm-Th) = 1,16 Wh/(K*kg) * 120 kg * (60 oC-13 oC) = 6542,4 Wh = 6,55 kWh 24


Tehát ennyi a napi energia szükséglet, ezt éves szintre átszámolva: Qé = 365 * Qn = 365 * 6,55kWh = 2390,75 kWh

3.1. Az energiaforrások felhasználásának lehetőségei: Az energia szükséglet megtervezése egy összetett dolog, mivel a hőenergia előállításának több módja is adott számmunka. Lehetőség van az egész ház egy adott rendszerrel történő fűtésére, ami lehet a jelenlegi központi rendszer kibővítve kisebb kiegészítő lehetőségekkel, illetve lehet több, kisebb teljesítményű energiaforrást felhasználó eszközök alkalmazása. Lehetőségek mérlegelése a következők szerint: 

Olcsó beruházás



A már meglévő ház, telkek különösebb megbontása nélkül be lehessen üzemelni



Megtérülésének várható időpontja minél korábban



Stabilitás és megbízhatóság



Ne legyen karbantartási igénye, vagy csak nagyon minimális

13. ábra Napkollektor hőtermelése és a havi fűtési energiaigény alakulása

A stabilitáson belül több tényezőt érdemes figyelembe venni. Elsőként figyelembe kell vennünk, milyen energiaforrás áll rendelkezésre, amiből energiát tudunk kinyerni, illetve az előírásoknak megfelelő teljesítményen tudjuk vételezni. Másik szempont, hogy milyen rendszerességgel tudjuk hasznosítani a kívánt energiát. Sok rendszer hátránya hogy csak korlátozottan áll rendelkezésünkre, többek között a nap és a szél is ilyen (13. ábra). Tehát 25


ezek a rendszerek eléggé függenek a környezettől, ezért önállóan nem tudnak működni csak segéd berendezésként. Önálló lehetőségnek a hőszivattyút tekinthetjük, illetve esetleg még a biogázokat égető kazánokat. Azt is hozzá kell tenni, hogy ezeknek az élettartama nagyon magas. Kisegítő lehetőségként a legköltséghatékonyabb megoldás lehet a napkollektor. Természetesen ezeket a felhasználási módokat kombináltan is lehet használni, itt már valójában a megtérülési idő és beruházási költségek a számottevőek.

3.1.1. Napkollektor alkalmazása, funkciói és méretezése: Ahogy korábban is említettem, el kell dönteni, hogy milyen rendszerben akarjuk használni

a

napkollektort,

illetve

milyen

módon

tudjuk

leghatékonyabban

hozzákapcsolni, és milyen feladata lenne. Elsősorban ami leghatékonyabb és legjobban kiszámolható lehet az a meleg víz előállítása. Különösen nyári időszakokban akár teljesen egyedüli rendszerként is tud működni, a téli időszakokban is lenne rá lehetőség, azonban ott a napsütések hiánya illetve alacsony volta miatt, szükség lehet pótolni ezt az energiát. Ilyenkor a hőszivattyúval történő kombinálás teljes ellátási lehetőséget tud nyújtani. Téli időszakokban a nappalok ideje rövid, a napsütések órák száma kevés, illetve a külső hőmérséklet is alacsony, ami tovább csökkenti a napkollektorban lévő víz hőmérsékletét, tehát nagy a hő vesztesége is. További lehetőség a napkollektort lakásfűtés, vagy fűtésrásegítésként is felhasználni. Fűtési célú felhasználásnál a következő szempontokat kell figyelembe venni: 

A lakás szigetelése és/vagy szigetelésének állapota, kicsi a belső tér hő vesztesége



Központi padló, és falfűtés



Minimális fűtési energia igénye legyen

Sajnos a középső lehetőség kivételével nem valósítható meg napkollektorral a fűtés, így nem alkalmas egyedül erre a rendszer. Ezek alapján a legcélszerűbb egy hőcserélős tartályt alkalmazni, amivel lehet szolgáltatni a használati meleg vizet, illetve kombinálható az egyéb fűtési rendszerrel, amikor a napkollektor működése nem kielégítő hatásfokú, gondolok itt az átmenetre és téli időszakokra.

3.1.1.1. Szempontok a méretezéshez

26


Tudjuk a korábbi esettanulmányból hogy a mostani villanybojlerünk mérete 150 literes, és hogy körülbelül 120 L meleg vizet használ el a család naponta. A kollektor által tehát ezt a vízmennyiséget kell megcélozni. Ismeretek alapján a fürdéshez használt meleg víz hőmérséklete 35-38 oC között ideális, azonban mivel ezt a vizet nem csak fürdőzésre szeretnénk használni, hanem egyéb más célokra is, mint a mosogatás, takarítás, főzés, így ettől magasabb hőmérsékletet kell választani, 50 oC lenne a megfelelő hőmérséklet, tapasztalatok alapján ez már megfelelő lehet. A tároló kapacitását az határozza meg, hogy az eddig elfogyasztott napi vízmennyiség (120 L) 60 oC hőmérsékletű víz, hány liter 50 oC fokos vízmennyiségnek felel meg. A hő lépcső itt Tm - Th= 50 oC – 13 oC = 37 oC V1 = 120 L

T1 = 47 oC

V2 = ?

T2 = 37 oC

Mint tudjuk, fordított arányosság van, a térfogat és a hő lépcsők között, tehát: V1 / V2 = T2 / T1 120L / V2 = 37 oC / 47 oC V2 = 120 L * (47 oC / 37 oC) = 152,43 L~ 152 L tehát ilyen mennyiségű meleg víztároló szükséges.

3.1.1.2. Tárolók kialakítása HMV tárolókat három szempont alapján különböztetünk meg, ami alapján választanunk lehet:

14. ábra Hőcserélős tároló beépített fűtőszállal

Direkt fűtésű tároló: Olyan kialakítású, amely a teljes vízmennyiséget rövid idő alatt fel tudja fűteni a megadott hőfokra. Jellemzően a fűtőszál közvetlenül fűti fel a vizet. 27


Indirekt fűtésű tároló: Ezek felfűthetőek bármilyen kazánnal, illetve napkollektorral is. A rendszer lényege hogy az átadni kívánt hőt egy közegnek adja át (a legtöbb esetben ez csőkígyót jelent 14. ábra), majd ez a közeg fűti fel a meleg vizünket. Természetesen létezik olyan típusa is, ami nem csak egy hőcserélőt tartalmaz, hanem kettőt is, illetve olyan fajtája is van, amiben fűtőszál is található. Puffer tartály: Ez a puffer tartály meleg víztároló, ami a legjobb szigeteléssel van ellátva (15. ábra). Feladata, hogy az előállított hőenergiát képes legyen tárolni a későbbi felhasználás céljából. Azért van erre szükség, mivel az előállított energia időpontja és felhasználási időpontja között, akár hosszú idő is eltelhet, illetve ennek az előállítása is sok időt vesz igénybe. Tehát a fel nem használt hőfelesleget a puffer tartály eltárolja, így esetlegesen a kazánt nem kell elzárni. Előnye elsősorban az átmeneti időszakokban jelentkezik, amikor a megtermelt hőre nincs szükségünk, ezért a tároló raktározza azt, így nem vész el. Másik előnye még fűtés alkalmazásánál, hogy hosszabb és egyenletesebb fűtés biztosítható vele, illetve a kazán felügyelete is kevesebb figyelmet igényel. Hátrányaként említhető, hogy mivel nagy kapacitással bír, ezért a helyszükséglete is nagy.

15. ábra Puffer tárolós rendszer felépítése

Első gondolatom az volt, hogy a puffer tartályos rendszer megvalósítás lenne a legcélszerűbb, abból is az a változat, amikor a tartályban helyezkedik el a meleg vizes tartályszigeteléssel elválasztva, és a hőcserélő közvetíti a meleget. Azonban ezt az elképzelést félretettem, mert e tartály ára többszörösébe kerül, mint az egyéb tárolóké, ezáltal a beruházási költség magas lenne és a megtérülés is jóval később következne be. Ezért úgy döntöttem, hogy egy olyan vízmelegítő bojlert választok, amiben 2 db 28


hőcserélő is van gyárilag, ezáltal az egyiket a napkollektorral tudom üzemeltetni, a másik lehetőséget egyelőre még félreteszem. Mivel magyar terméket szeretnék beépíteni így a Hajdú bojlerek közül választottam a számomra megfelelőt. A választott tárolóm típusa: Hajdú STA200C2 (16. ábra). Az előre kiszámolt vízmennyiséget (152 L), hogy mekkora tároló szükséges, túlszárnyaltam, mivel a legkisebb bojler is 200 L, így ez a legjobb közelítés, amit használni lehetne. Azáltal hogy nagyobb a tároló kapacitása, az esetleges extrémebb víz használata mellett sem kell attól tartani majd, hogy kevés lenne a szükséges meleg víz.

16. ábra Hajdú STA200C2 összehasonlító táblázat és sematikus ábrája

3.1.1.3. Napkollektor méretének meghatározása A méretezés célja, hogy a nyári napos idényben 100%-osan tudjam fedezni a meleg vizet.

29


17. ábra Hősugárzás

A grafikonról (17. ábra) leolvasható hogy a nyári derült időszakban (május és szeptember között), az átlagosan felhasználható hőmennyiség naponta: Qnyári = 2,7 kWh/m2 Illetve a téli időszakban felhasználható átlagos energia derült idő esetén: Qtéli = 1,1 kWh/m2 Szükséges napkollektor felület számítása: Ak = Qn / (k * Qnyári) [m2], ahol Qn a korábban meghatározott napi energiaszükséglet, k pedig egy korrekciós tényező, amit a kollektor tájolásától és dőlésétől függően határozunk meg táblázatból (18. ábra).

18. ábra napkollektor helyzetének hatásfoka

30


Úgy gondoltam, hogy a napkollektor déli tájolású egyen, ami éppen a tető síkjának megfelelő. Megfigyelések és tapasztalatok alapján a 45o a legoptimálisabb. Tehát a korrekciós tényezőt, k = 0,99-re veszem. A 150L 60 oC-os meleg víz előállításához szükséges: Ak = 6,55 kWh / (0.99 * 2,7 kWh/m2) = 2,45m2. Azonban az új bojlerünk 200L és nem 60 oC fokos vizet, hanem 50 oC szeretnénk előállítani, így ehhez szükséges az újra számolás. Qn1 = 1,1 * C * m * (Tm-Th) = 1,1 * 1,16 Wh/(K*kg) * 200 kg * (50 oC-13 oC) = 9442 Wh = 9,44 kWh tehát ehhez a teljesítmény szükséglethez keressük a kollektorunk méretét. A 1,1 szorzót a felhasználási és tárolási veszteségeket veszi figyelembe. Ak1 = 9,44 kW / (0,99 * 2,7 kWh/m2) = 3,53 m2 Napkollektorokat összehasonlító táblázat alapján a legkedvezőbb ár/érték arányban a legjobb döntés lehet ismételten egy magyar termék a Pannon Solar Kft által nyújtott kollektorok. Ennek a napkollektornak az abszorber felülete: a = 1,77 m2, ezáltal meghatározható a szükséges napkollektor darabszám: nkollektor= Ak1 / a = 3,53 m2 / 1,77 m2 = 1,76 db = 2 db szükséges a megvalósításhoz

3.1.1.4. A meghatározott napkollektorral való fűtési energia meghatározása Tudjuk tehát a napkollektorunk méretét, darabszámát, és tudjuk, hogy milyen víz mennyiséget szeretnénk felfűteni. Most már csak az a kérdés, hogy a téli és nyári időszakban milyen hatékonysággal tudjuk használni. Kutatásom és ismereteim alapján, a saját kezű számítás nem hatékony megoldás, mivel sok a változó tényező, ezáltal rendkívül sok időt venne igénybe a számítás és nem is lenne pontos. Ezért egy szimulációs programot fogok használni, amibe a megtervezett rendszer paramétereit betáplálom és futtatom azt. Ez a program a Naplopó KFT által megtervezett Naplopó-Energy program, ami szabadon terjeszthető és felhasználható bárkinek. A programban beállítom a megtervezett rendszerem paramétereit, amiket a függelékben lehet is látni. Vannak olyan tulajdonságok, amiket a tartályunk gyári specifikációjából lehet kiolvasni, ilyen például a napi hőn tartáshoz szükséges energia, illetve olyan adatok is szerepelnek a program beállításai között, amiket a tapasztalat és a megfigyelések alapján állítottam be, ilyen többek között a meleg víz használatának ideje. Elsőként a nyári időszakot szeretném szimulálni (19. ábra), mivel a lényeg hogy ott teljesítsen a napkollektorom a legjobban. 31


19. ábra Nyári időszak szimulálása

Mivel a nyári-szezont én határozhatom meg, így a meleg és jó időnek a kezdetétől a végéig választottam meg, amit az időjárás tekintetében áprilistól októberig gondoltam. A számomra kiolvasható fontos adat, a napkollektorokkal hasznosítható hőmennyiség ami: Qny = 1 624,5 kWh Megjegyezném, hogy mivel a tartályunk mérete közel 50 literrel nagyobb, mint a használni kívánt vízmennyiségünk, így ez a hőmennyiség a bojlerünkben maradva, a bejövő vizünket kis mértékben felmelegíti. Ez azért lehet fontos, mivel ez kedvezően hathat a felfűtésére, ezáltal kevesebb energia szükséges. A téli időszakot pedig novembertől márciusig állítottam be (20. ábra). Itt jól látható, hogy a tárolónkban lévő vízhőmérséklet jóval alacsonyabb, mint a nyári idényben, amiből látható, hogy téli időszakban egyedüli HMV előállításra nem alkalmas ez a rendszer, csak valamelyik más rendszer összekombinálásával.

32


20. ábra Téli időszak szimulálása

Itt is leolvasható a hasznosítható hőmennyiség ami: Qt = 377,6 kWh.

21. ábra egész éves szimulációval, napkollektorral és hőszivattyúval

33


Készítettem még egy olyan szimulációt is, amikor egy teljes évet vettem figyelembe (21. ábra). Ez azért jó, mert látható hogy arányaiban milyen mértékű kiegészítő fűtést kell alkalmazni. Mivel másképpen nem lehet beállítani, ezért a hagyományos hő termelő funkciót kapcsoltam be a megfelelő beállításokkal. Jól látható az alsó grafikonon hogy melyek azok a kritikus hónapok, ahol a napkollektor teljesítménye nem elegendő. A pótolni kívánt energiát, hőszivattyúval szeretném biztosítani, amit amúgy is a padlófűtéshez szeretnénk majd használni, ezáltal a téli fűtés időszakban a meleg víz előállításban tud segíteni.

3.1.1.5. Vezérlő berendezés: Feladata, hogy a kollektor és a tartályunkban lévő hőcserélő között megfelelő időben következzen be a körfolyamat. Fontos szempont, hogy felügyelet nélkül tudjon üzemelni és ne kelljen közbeavatkozni.

22. ábra keringető szivattyút vezérlő elektronika

Analóg és mikroprocesszoros kivitelezésű vezérlőket különböztetünk meg, ezek bonyolultsága határozza meg az árát is. Az analóg működésűeknél a szabályzó 34


kimenetére egy relé van kötve, ami pedig az adott tároló szivattyúját vezérli. A mikroprocesszorosnál részletesebb beállításra is van lehetőség, ilyen, például amikor fokozatmentesen szabályozzák a szivattyúk fordulatszámát, vagy mérik a kollektor hő teljesítményét. Úgy gondoltam, mivel elsősorban a költséghatékonyság a fő szempont, hogy a vezérlő berendezés árát megspórolva, egy saját ötletű egyszerű vezérlést alkalmaznék (22. ábra). A legolcsóbb vezérlő egységek ára, 38 000Ft-tól kezdődik és a legdrágábbak több százezer forintos nagyságrendűek is lehetnek, de mivel ez nem egy túl bonyolult fűtési rendszer, így bőven elegendő az általam használni kívánt vezérlő is. Hozzátenném, hogy saját családi házunkban is megvalósított a napkollektor, és ott már régtől hibátlanul működik a vezérléssel együtt. A kapcsolás lényege egy műveleti erősítővel felépített áramkör, amivel egyrészt egy hőmérséklet érzékelővel figyeljük a tároló tartályunkban lévő meleg víz hőfokát, valamint egy másik érzékelővel a napkollektorból kijövő meleg víz hőmérsékletét, ezáltal vezéreljük a keringető rendszert. A keringető szivattyú egy Grundfos Solar 25-45 kis teljesítményű keringető szivattyú. Nincs szükség keringetésre, ha a napkollektorban lévő víz hőmérséklete alacsonyabb, mint a tartályunkban lévő víz hőmérséklete. Az áramkör lényege egy UA 741-es típusú műveleti erősítő. A műveleti erősítő működése olyan, hogy ha az invertáló bemenetére magasabb feszültség szint kerül, akkor bekapcsolva marad mindaddig, amíg ez a feszültség nagyobb. A hőmérsékletérzékelést 2 db NTC ellenállással oldottam meg, az egyik a napkollektorból kijövő ágra van rögzítve (23. ábra), réz felületre, műgyantával kiöntve, majd ezt az egészet szorosan a csőre illesztettem.

23. ábra NTC ellenállás rögzítése, műgyantával

35


Az NTC ellenállás értéke a hőmérséklet növekedésével csökken egy bizonyos alkatrészre jellemző karakterisztika szerint. A másik szenzor pedig, a villamos fűtőbetét helyére lesz beépítve, mivel erre nem lesz szükség. A kapcsolás invertáló bemenetére kerül a napkollektor vízhőfok érzékelő és a tartályban lévő vízhőfok érzékelő alkotta feszültség osztó. A kapcsolásban a nem invertáló bemenetre, egy több fordulatú potenciométerből és egy ellenállásból álló feszültség osztó kerül. Amennyiben a napkollektorban levő víz melegszik, a műveleti erősítő invertáló bemenetére magasabb feszültség kerül és a kapcsolás kimenetén levő relé behúz. A relé bekapcsolja az érintkezőjén keresztül a keringtető szivattyút és így a napkollektorból a meleg víz elindul a tartályunk hőcserélője felé. A szivattyú mindaddig bekapcsolva marad, amíg a nem invertáló bemeneten magasabb feszültségünk nem lesz. Ez akkor lesz magasabb, hogyha a napkollektorban a hőmérséklet lecsökken, vagy a tartályban levő meleg víz hőfoka meg nem közelíti a bejövő águnk hőmérsékletét. A két hőfok közti különbséget a potenciométerrel tudjuk beállítani, amit tapasztalatok alapján körülbelül 5 C fok –ra érdemes beállítani. A több fordulatú potenciométerre a minél pontosabb

o

beállítás miatt van szükség. Ezt a beállítást működés közben lehet, és kell pontosítani. A kapcsolás működését a kimenetre kötött LED jelzi, bekapcsolt állapotban világít. A kapcsolásban helyet kapott egy visszacsatoló ellenállás (15K), ami azt a célt szolgálja, hogy az áramkörnek hiszterézist adjon, vagyis a ki és bekapcsolás ne egy hőmérsékleten történjen. A relével párhuzamosan ellentétes polaritással kötött dióda a relé kikapcsolásakor indukálódott nagyfeszültséget vágja le, ezáltal megvédi a tranzisztort és az integrált áramkör kimenetét a túlfeszültségtől. Az egész kapcsolás 220/12V biztonsági transzformátorról működik. Mivel önmagában a napkollektor nem szerelhető be és nem üzemképes, ezért egyéb berendezésekre is szükség van, amiket a beruházási költség miatt ismernünk kell. 

Napkollektor szerelő keret: ez teszi lehetővé a napkollektor rögzítését, könnyűfém szerkezetű. Időjárás változásnak ellen álljon, illetve esztétikailag is elfogadható legyen. Rögzítése kampók, csavarok, és egyéb apró konzol darabok segítségével történhet. Teljes szettben az ára: 43 000 Ft

36




Tágulási tartály: célja hogy a napkollektorban lévő hőmérsékletváltozás okozta térfogat változást kiegyenlítse. Megnevezése: Flamco Flexcon 12 literes szolár tágulási tartály, ára: 12 700 Ft



Csővezeték rendszer: A fűtő közeg szállításának útja, követelménye, hogy hőmérsékletálló legyen és szigeteléssel legyen ellátva a minimális hő veszteségek miatt. ára: 42 530 Ft/20 m



Hő szállító közeg: fagyállónak kell lennie, illetve ne képezzen lerakódást a rendszerben. Frigoszolár 10L fagyálló folyadék, ára: 11 938 Ft



Légtelenítő elemek: a csőhálózatban lévő folyadék légmentesítése a cél, és ezt légtelenítő szeleppel hozzuk létre. ára: 5 785 Ft



Keringető szivattyú: a napkollektor és a hőcserélő közti áramlás biztosítása. Grundfos Solar 25-45 ára: 45 583 Ft



Beszerelési munkadíj: Az elemek összeillesztése és készre szerelése, becsült összeg kb 250 000 Ft



Napkollektorunk ára: 110 400Ft x 2 = 220 800 Ft



Vezérlő berendezés ára: 5 600 Ft

Ezek figyelembevételével az új hő termelő berendezés rendszerünk beruházási költsége: 637 936 Ft

3.1.2. Fűtési rendszer megvalósítása hőszivattyúval Mivel a fűtési kör feladatát elsődlegesen a hőszivattyú látja el, ezért a napkollektor kiegészítő berendezésként üzemel. A tervezést azért a napkollektorral kezdtem, hogy megtudjam, hogy mennyi terhet vehetek le a hőszivattyúról. Most már csak az a kérdés, hogy miből szeretnénk nyerni az energiát és mekkora teljesítményre lesz szükségünk. A talajszondás megoldást elvetettem, mivel hatalmas költséggel járna annak lefúrása. Ezért a talaj kollektoros megoldást választottam a kedvezőbb beruházás miatt.

3.1.2.1. Hőszivattyú választása Csak olyan típus jöhet szóba, ami képes a HMV víz előállítására is, mivel ahogyan a szimulációm is mutatja, egy átlagos decemberi hónapban néhány nap kivételével, szinte mindig a szivattyú fogja szolgáltatni a meleg vizet. A grafikonon a hagyományos hő termelő (pirossal jelölve) mutatja, hogy mennyi teljesítményt kell biztosítania. 37


A fűtés kör energia meghatározásához: E1= 22 244,4 kWh az egész éves fűtési energia igény, ezt a fűtési idényre átszámolva októbertől kezdve áprilisig, 6 hónapra: Eh = 22 244,4 / 6 = 3 707,41 kWh/hó Egy napra jutó energiaigény: En = 3 707,41 / 30 = 123,58 kWh Tudnunk kell, még hogy a HMV előállításához legrosszabb téli hónapban is (24. ábra), a napi energia igényünk legrosszabb esetre méretezve, amikor a napkollektor esetlegesen nem is tud részt venni a működésben. Az adatok leolvashatóak tehát: Edecö = 151,4 kWh + 30,8 kWh = 182,2 kWh az egész hónapos szükséglet összesen, ezt napira átszámolva: Enn = 182,2 kWh / 31 = 5,87 kWh

24. ábra Hőszivattyú szükségessége a decemberi hónapban a HMV előállításhoz

Tehát a napi maximum az: Etél = En + Enn = 123,58 kWh + 5,87 kWh = 129,45 kWh A piaci kínálatot áttanulmányozva, azt a következtetést vonhatom le, hogy egy 10 kW teljesítményű hőszivattyú bőven ki tudja szolgálni az igényeinket. A választott típusom: 38


Spark WW10H, jelenlegi ára: 1 201 732 Ft. Ár érték arányban legkedvezőbb tulajdonságú, mindemellett magyar gyártmányú is. Egyéb költségek: A másik nagy költség a hőszivattyús rendszernél, a földmunkák és a KPE csövek elhelyezése. Mivel az ideális elhelyezés 1,5-2 m mélyen optimális (25. ábra), ezért a földmunka elkerülhetetlen.

25. ábra Hőingadozás a talajban 2m mélyen

A talajban elhelyezett csőkígyó hosszát számítással lehet meghatározni, ami függ a hőszivattyúnk műszaki jellemzőitől, illetve a talaj minőségétől is.

3.1.2.2. Talajkollektor méretezése Fűtési teljesítmény szükséglet: 9,24 kW Teljesítmény szám (COP) meghatározása: Fűtési üzemmódban 5,92 Meleg víz előállításkor, gyártótól megkérdezett adat alapján 3,27 Átlagos COP meghatározása, a felhasználási idők szerint: Meleg víz előállításához szükséges: A megkérdezett víz hőfok előállításakor leadott teljesítmény: 7,2 kW 5,87 kWh / 7,2 kW = 0.81 h Fűtéshez szükséges idő: 123,58 kWh / 9.24 kW = 13,37 h 39


A teljes üzemidő naponta: 13,37 h + 0.81 h = 14,18 h/nap Ebből az átlagos COP meghatározás arányosság alapján: 0,81 * 3,27 + 13,3 * 5,92 = 14,18 * x x = 5.74 Tehát 5,74 átlagos COP értékkel lehet számolni. Elpárologtató teljesítménye = (9,24 kW * (5,74 – 1)) / 5,74 = 7,63 kW Ez az a teljesítmény, amit a talaj kollektorunknak a földből fel kell vennie. A talaj fajlagos elvonási teljesítménye függ a talajviszonyoktól és az üzemeltetés időtartamától. Számításaim szerint az üzemelési idő: Th = hónapszám * napok száma * fűtési idő = 6 * 30 * 14,18 h = 2 552 h/év ez alapján táblázatból kiolvasható, hogy a talaj fajlagos elvonási teljesítménye, milyen értéket tud felvenni.

26. ábra Hőszivattyús rendszer felépítése

40


A kollektor felület most már kiszámítató: A = elpárologtató teljesítmény / fajlagos elvonási teljesítmény = 7,67 kW/ 0,021 kW/m2 = 365,24 m2 Csőméret és csőhossz meghatározása: Táblázatból ki lehet olvasni hozzávetőlegesen, hogy milyen elvonási teljesítményhez milyen csőátmérő rendelhető, ez alapján: 25 x 2,3 mm A fektetési távolság tapasztalati ismeretek alapján, 65cm-re szükséges cső mennyiség = A / 0,65 m =365,24 m2 / 0,65 m = 561,9 m = 562 m Ára: 562 m x 160 Ft = 84 640 Ft Szükséges földmunka díja, vállalkozói tarifa alapján: 375 000 Ft Egyéb szerelési segédanyagok, kötő elemek stb.: 25 000 Ft Beüzemelési és szerelési költség: 75 000 Ft. Egy lehetséges hőszivattyús rendszer felépítését a 26. ábra mutatja be. Szükséges egy fűtés köri keringető szivattyú Grundfos 25-40 ára: 25 275 Ft Beépíteni kívánt talaj kollektor keringető szivattyú: Grundfos 25-80, ára: 111 000 Ft 3járatú váltószelep: ESBE VZA 162-15 ára: 26 139 Ft 2db tágulási tartály, a talaj kollektorhoz elegendő a legkisebb, mivel nincs nagy hőingadozás: Varem Extravarem 5L ára: 5 636 Ft a fűtési körhöz és a bojler hőcserélőhöz elegendő egy közös tartály ami: Varem Extravem 18 L ára: 7 602 Ft A hőszivattyú beruházási költsége összesen: 1 949 304 Ft.

3.2. Gazdaságossági és megtérülési számítás A meglevő rendszerrel történő meleg víz és fűtés éves költségei: Meleg víz előállítása éjszakai árammal a jelenlegi tarifa szerint Korábban meghatározott fűtési energia * éjszakai áram díja 2 390,75 kWh * 24,47 Ft = 58 502 Ft/év A fűtéshez szükséges barnaszén ára: Tudjuk, hogy jelenleg a barnaszén átlagos ára: 2 500 Ft/q és hogy 130 q szükséges egy idény alatt, tehát: 130 x 2 500 Ft = 325 000 Ft/év Tehát a jelenlegi rendszerünkkel a fűtés és a meleg víz előállítása: 383 502 Ft/év

41


3.2.1. Az új rendszerünk bekerülési költsége Hőszivattyús rendszerünket illetve a napkollektort összeadva 1 949 304Ft + 637 936 Ft = 2 580 240 Ft Üzemelési költségek meghatározása a hőszivattyúnál: Figyelembe véve a működési időt, illetve nappali áram tarifájával számolva Fűtésre fordított idő: 180 n * 13,3 h = 2 394 h/év Meleg vízre fordított idő: 180 n * 0,8 h = 144 h/év Energia igények meghatározása: 2 394 h * 1,56 kW = 3 737,6 kWh/év A fűtésre leadott teljesítmény és a COP hányadosa: 7,2 kW / 3,27 = 2,2 kW 144 h * 2,2 kW = 316,8 kWh Eö = 3 737,6kWh + 316,8 kWh = 4054,4 kWh Üzemelési költség tehát: 4 054,4 kWh * 39,48 Ft = 160 067,7 Ft Segédberendezések költsége: 2 db keringető szivattyú ebből a talaj kollektor szivattyú: A szivattyúk teljesítménye katalógusból leolvasva, a szivattyúk működési ideje annyi, mint a hőszivattyúnké, illetve a költségek a nappali áram tarifájával számolva 130 W * 2 552 h = 331,8 kWh 331,8 kWh *39,48 Ft/kWh = 13 099 Ft/év A fűtés köri szivattyú pedig: 45 W * 2 552 h = 114,8 Wh 114,8 kWh *39,48 ft/kWh = 4 532,3 Ft/év Az évi összes üzemelési költség: Hőszivattyú és a szivattyúk üzemelési költsége 160 067,7 Ft + 13 099 Ft + 4 532,2 Ft = 177 698,9 Ft/év

42


Kedvezmény az áramszolgáltatótól: Lehetőség van az áramszolgáltatótól igényelni úgynevezett Geo tarifát, ami jelentősen csökkentheti a hőszivattyú működési költségét. Az általam választott hőszivattyú műszaki paramétereiben megfelel az áramszolgáltató követelményeinek a Geo tarifa igényléséhez. Ebben az esetben az új üzemelési költség: A geo tarifa bruttó végfelhasználó díja, lakosság részére: 29,05 Ft/kWh Ezzel újraszámolva az egészet: (4 054,4 kWh + 331,8 kWh + 114,8 kWh) * 29,05 Ft/kWh = 130 754 Ft/év

Napkollektor A keringtető szivattyú üzemideje és költsége pontosan nehezen meghatározható, mivel nagymértékben függ az időjárástól, a napsütés intenzitásától. Szakaszos üzemmódban működik, ezért megfigyelések és becslések alapján 4,5 órára tehető a napi működés. Éves szinten az üzemideje: Nyári időszakban, 7 hónap * 30 nap * 4,5 h = 945 h Téli időszakban 5 hónap * 30 nap * 2 h = 300h Összidő: Tö= 945 h + 300 h = 1 245 h Össz. teljesítménye: Szivattyú működési ideje és teljesítményének szorzata 1 245 h * 25 W =31 125 Wh = 31,125 kWh tehát az üzemeltetési költsége: 31,125 kWh *39,48 Ft/kWh = 1 229 Ft Ezekhez számolható még a vezérlő elektronika teljesítménye is, ami 5 W, azonban ezt egész éves állandó üzemi ideje van. 365 * 24 h = 8 760 h 8760 h * 5W = 43 800 Wh = 43,8 kWh azonban arra gondoltam, hogy éjszaka is feleslegesen működik, ezért a konnektorba dugható időkapcsoló órával, beállítható hogy éjszaka 20 h-8 h óra között ne üzemeljen, ami most már: 43,8 kWh / 2 =21,9 kWh 21,9 kWh * 39,48 Ft/kWh = 864,6 Ft/év Napkollektor éves üzemelési költség: 1229 Ft + 864,6 Ft = 2093,6 Ft/év Utánajártam, hogy milyen pályázati lehetőségek lennének a megújuló energiaforrások alkalmazására, azonban 2012. júliusi hónapban ezt felfüggesztették, így nincs egyéb lehetőségünk a költségek csökkentésére.

43


Karbantartási költségek: Hagyományos rendszernél, szükséges a bojlerből és a fűtőszálról, a vízkőnek az eltávolítása, esetleg maga a fűtő betét cseréje, illetve az anód elhasználódásának következtében 3 évenkénti cseréje. Hőszivattyúnál gyakorlatilag, ha nincs meghibásodás, akkor nem igényel karbantartást. Egyedüli ellenőrzést a rendszerben keringő folyadék szintje igényelhet, azonban erre csak szivárgás esetén van szükség. A napkollektornál néhány paraméter vizsgálata szükséges, ilyen az 1 év eltelte után a rendszer átvizsgálása, a nyomást (3,5 bar) illetve vezérlő után állítás, ha szükséges 3 év után a fagyálló folyadékunk fagyáspontját és PH értékét. 10 év elteltével fontos a teljes vizsgálat a rendszer tömítettségén, az érzékelők pontossági beállításán, illetve ismételten a folyadékban. Úgy gondolom, hogy a két rendszer karbantartási igénye költségeiben megegyezhet, 10év távlati időben, ezért ezzel külön nem szeretnék foglalkozni.

3.2.2. Megtérülési időszámítás A napkollektort és a hőszivattyút egyben számolom mivel egyszerre került megépítésre: Hőszivattyús rendszerünket illetve a napkollektort összeadva 1 949 304 Ft + 637 936 Ft = 2 580 240 Ft ezt osztom a jelenlegi éves költséggel 2 580 240 Ft / 383 502 Ft/év = 6,7 tehát látható hogy a beruházásunk 7 év alatt megtérül, ezután már csak az üzemelési költséggel kell számolnunk. 30 év alatti megtakarítás a beruházással figyelembe véve: 30 év üzemelési költség: (2093,6 Ft/év + 130 754 Ft/év) * 30 =3 985 428 Ft Ehhez hozzáadjuk a beruházási költséget: 3 985 428 Ft + 2 656 925Ft = 6 642 353 Ft A régi rendszerünk 30 év működési költsége: 383 502 Ft/év * 30 év = 11 505 060 Ft Jól látható hogy 30 év alatt 11 505 060Ft – 6 642 353 Ft = 4 862 707 Ft spórolható meg

4. Tanyai családi ház villamos energia mérlege, fogyasztás meghatározása Mivel szakdolgozatom a tanyai életre épül, ezért ismernem kell az ottani élet szokásait, a villamos energia felhasználásának módját. Tudjuk, hogy a tanyánkhoz nem tartozik 44


semmilyen áram/víz/gázszolgáltatás, azonban az újonnan vásárolt tanya birtokot fejleszteni szeretnénk és a hő-, valamint a villamosenergia rendelkezésre állása ma már nélkülözhetetlen. Ismételten egy hasonló tanyai életet veszek alapul, ebből határozom meg a villamos energiaszükségletet és ennek az energiának a hozzáférési lehetőségeit határozom meg. Háztartásbeli eszközök. amelyek ma már nélkülözhetetlenek egy család életéből: Mikrohullámú sütő: 1,5 kW Elektromos tűzhely, sütővel: 1.8 kW Vasaló: 1,5 kW Víz szivattyú a kúthoz: 1,3 kW Hűtőszekrény: 1 kWh/nap + fagyasztó szekrény szintén 1 kWh/nap Számítógép, televízió, rádió: 1 kWh/nap Automata mosógép: 0,5 kWh/nap átlagban Terménydaráló: 4,1 kW ez havi szinten közel 5 órát, ami 20 kWh/hónap fogyasztást jelent Izzók teljesítmény igénye minimális, mivel energiatakarékos fénycsövek vannak felszerelve a konyhában, közlekedőben, fürdőszobában: 21-21 Wattos, míg a szobákban, a csillárban 3 db 11 Wattos, ez körülbelül egy időben 70 Watt teljesítményt jelent. A konyhai nagy gépek közül, a mikrohullámú sütő és a vasaló üzemideje meglehetősen rövid, napi 2 kWh energiát igényel. Az elektromos tűzhely üzemideje napi 3 óra az 3x1,8 = 5,4 kWh A vízszivattyú energia igényéhez szükséges tudni, hogy nem csak lakásban szükséges a hideg víz, hanem locsoláshoz, állatok itatására, illetve egyéb célokra is. Személyenkénti fogyasztás 100 L/fő, egy 4 tagú családot figyelembe véve ez 400 L, az itatásra, az állatok számát figyelembe véve összesen 2000 L víz szükséges, egyéb célokra még 200 L. Tehát összesen: 2,6m3 víz naponta. A szivattyúnk vízszállító képessége 50 L/perc, tehát 2600/50 = 52 perc, vagyis körülbelül 1 órát számolhatunk üzemidőnek naponta. 1 óra = 1,3 kWh/nap Napkollektor keringető szivattyú:53.025 kWh / 360 = 0,147 kWh/nap Napi fogyasztás összesen a fentiek alapján: 2 kWh + 5.4 kWh + 1,3 kWh + 0,07 kWh + 0,5 kWh + 1 kWh + 2 kWh +0,147 kWh = 12,417 kWh/nap Erre rájön még a terménydarálónk időnkénti használata, ami alkalomszerűen heti 1 alkalommal 1 órát jelent. Ezt hozzáadom a napi fogyasztáshoz: 12,417 kWh + 4,1 kWh = 16,517 kWh/nap Áramfelvételeink a következők, I = P/U képlet alapján: 45


Mikrohullámú sütő: 6,81 A Vasaló: 6.81 A Tűzhely: 8,18 A Vízszivattyú:5,91 A Hűtőfagyasztó és hűtőláda: 9,09 A Számítógép, televízió, rádió: 4,54 A Automata mosógép: 9,09 A A darálónk 3 fázisú az áramerősség I = P / (Uvonali * √3 *cosφ) Daráló: 4,1 kW / (380 V * √3 * 0,9) = 7,05 A Izzók: 0,32 A Napkollektor szivattyú és elektronika: 0,14 A Összes áramunk:57,84 A, ezt 3 fázis felé szétosztva: I1f=19,28 A Ezeket az adatokat figyelembe véve, meg tudjuk határozni a fogyasztásmérőnk fő biztosítóinak értékét. A választandó érték a legközelebbi nagyobb szabványos érték: 3 * 20 A A kiszámolt áram érték abban esetben lenne igaz, ha minden egy időben lenne használva. Azonban ez nem fordul elő, ezért ezt figyelembe véve a 3*20 A főbiztosító elegendő, még ha számolunk a daráló beindításakor keletkező viszonylag nagy áramlökéssel is. A hőszivattyú üzemeltetéséhez geo tarifa igényelhető, ami külön mért rendszer, külön fogyasztásmérő és biztosító tartozik hozzá és ezért a számításainkban nem vesszük figyelembe. A hőszivattyúnk napi fogyasztása: 4 408,5 kWh/év osztjuk 180 nappal =24,49 kWh/nap

4.1. Villamos hálózat kiépítésével kapcsolatos költségek A tanyánk elhelyezkedése olyan, hogy a legközelebb eső középfeszültségű szabadvezeték légvonalban mérve 2970 m-re található. Az áramszolgáltató jogszabály alapján, 300 m vezetéket épít ki a fogyasztónak ingyenesen, a többit önerőből szükséges finanszíroznia. Ez alapján nekünk 2670 m vezeték telepítését kell kifizetnünk. 117/2007. (XII. 29.) GKM rendelet 7. § alapján 3 600 Ft/m vagyis ez 2 670 m * 3 600 Ft = 9 612 000Ft + ÁFA költséget jelent.

46


Erre jön még az alanyi jogon 32 A ingyenes csatlakozási teljesítményen felül, plusz 3*20 – 32 = 28 A csatlakozási alapdíj megfizetése, ami ugyanezen rendelet 5. § alapján amperenként 3 600 Ft, vagyis 28 * 3 600 = 100 800 Ft + ÁFA. Villamos hálózatunk kiépítésének költsége: 9 712 800 Ft + ÁFA. Tehát a teljes kiépítési költség: 9 712 800 Ft * 1,27 = 12 335 256 Ft Ami nem elhanyagolható költség, ezért megfontolandó egy saját energiaellátó rendszer kiépítése

megújuló

energiaforrással,

például

napelemmel

vagy

szélenergia

hasznosítással.

4.2. Villamos energiatermelés háztartási méretű kiserőművel 4.2.1. Alkalmazási típusok Hálózatra kapcsolt megoldás: A napelem által előállított energiát,

azonnal

felhasználhatjuk, ha folyamatos üzemelésű fogyasztóink vannak. Azonban ha a fogyasztási időszak nem egyezik a napsütés idejével, vagy kevesebb a felhasználni kívánt energia, mint a megtermelt, akkor a közcélú villamos hálózatra is visszatermelhetjük az energiát (27. ábra).

27. ábra Hálózatra kapcsolt megoldás

Ezekhez a rendszerekhez szükséges, egy olyan inverteres, átalakító eszköz, ami a hálózattal együttműködni képes, így olyan tulajdonságokkal rendelkezik, mint a villamos hálózat által felhasznált áramunk. Külön mérő óra szükséges, ami két irányú mérésre alkalmas fogyasztásmérő. A fölösleges villamos energiát a hálózatba tápláljuk vissza, amit az áramszolgáltató átvesz. 47


Szigetüzemű megoldás: Ezt a lehetőséget akkor kell választani, amikor nincs kiépítve elektromos hálózat, azonban az igény meg lenne rá. Itt nem csak a termelést kell figyelembe venni, hanem az energiatárolást is (28. ábra). A tárolást akkumulátorok használatával lehet megvalósítani a későbbi felhasználásra. Ennek a rendszernek a kiépítése jóval költségesebb a tárolók miatt, számunkra azonban ezt a lehetőséget kell figyelembe venni.

28. ábra Energiatermelés és tárolás

4.2.2. Méretezéshez szükséges információk Mint tudjuk a téli időszakban nagyobb a villamos energia igényünk, ezért ezt az időszakot kell alapul vennem a számításaimhoz. A villamos eszközök használatát egy grafikonon jellemeztem egy tanyai napirend szokásai szerint (29. ábra).

48


Téli időszak napi fogyasztási görbe a tanyánkon

kW 6

Hűtőszekrény és fagyasztó 5

Villany tűzhely

daráló

Hőszivattyúval fűtés

Mikrohullámű sütő Napkollektor

4

Vasaló Számítógép, rádió, Tv

3 2

Fénycsövek

1

Hőszivattyúval meleg víz előállítása

Mosógép

0

idó Fogyasztók üzemelése

29. ábra Napi teljesítmény igény a tanyán

A hűtőszekrényt és fagyasztót folyamatos üzeműnek vettem, ezáltal a hőszivattyú működési idejét is figyelembe véve közel 14 órás, szakaszos a működése, tehát minden második órában üzemel, illetve ahol szükséges ott több órán keresztül is. Azt is fontos tudni még, hogy a napelem hatásfoka télen kevesebb, ezért ismételten a téli időszakot kell alapul vennem, hogy a „legrosszabb” körülmények között is kitudja szolgálni az igényeket. Tanulmányozásom során szembesültem azzal - a szigetüzemi ellátás miatt -, hogy az akkumulátorok kapacitását úgy kell megválasztani, hogy esetleges rossz idő esetén, amikor a napelem nem, vagy csak nagyon gyengén tud üzemelni, ezt az időszakot az akkumulátorokban tárolt energiával tudjuk pótolni. A gazdaságosságra való tekintettel nem érdemes nagyon túl méretezni, mivel akkor a telepítés soha nem térülne meg, Erre való „szabályt vagy utalást” nem találtam ezért úgy gondoltam, hogy nagy biztonságúvá téve rendszerem, 5 napra választom ezt a számot, így még a legzordabb időszakban is ki tud szolgálni.

4.2.3. Napelem meghatározása, és méretezése A választott típusom: Amerisolar as-6p 30 250W A döntésem azért erre esett, mivel a piacon fellelhető napelemek közül ezt találtam ár/érték arányban a legkedvezőbbnek. Másrészről a többi típussal ellentétben, erre a 49


gyártó 12 év teljes körű garanciát vállal, illetve teljesítmény romlásának ideje is felülmúlja társait (30. ábra).

30. ábra Napelem teljesítmény romlása

Tény, hogy a napelemek hidegebb derült időben jobban tudnak teljesíteni. Ezzel azért érdemes foglalkozni, mivel ebben az időszakban amúgy is kevés a napsütéses órák száma, ezért minden olyan tényezővel érdemes számolni, amivel javíthatjuk a hatásfokunkat. Tehát a következők szerint alakul a napelemünk cellahőmérsékletének-teljesítmény függése (31. ábra):

31. ábra Napelem teljesítmény függése a hőmérséklet függésében

50


Ha feltételezem azt, hogy a 4 A-os görbén tartózkodom, ennyit veszek áramfelvételnek és egy téli időszakra 0 oC-al számolok, a feszültségem: Utél = 38 V tehát: Ptél = 4 A * 38 V = 152 W Ugyanez nyári 25 oC időszakra: Unyár = 35 V Pnyár = 4 A * 35 V = 140 W Kiszámolható a teljesítménynövekedésem százalékban kimutatva: ((152 - 140) / 140) * 100% = 8,57% Ezek alapján a téli hónapokban az eredeti 15,37% hatásfokot növeljük, a kiszámolt értékkel 15,37 * 1,0857 = 16,69% most már ezzel a hatásfokkal lehet számolni. Mivel már megvan a kiválasztott napelem típusa, ezután tudnom kell még, hogy milyen hasznosítható energiával számolhatok (32. ábra). A felhasznált táblázat és diagram átlagolva számol, ezért biztos akad olyan nap is mikor ezen adatok nem érvényesek, ezért is van szükség akkumulátorok használatára többek között.

32. ábra Napelem termelési adatai havi és órás bontásban

Megjegyzendő, hogy ahogyan a korábbi napkollektoromnál is hivatkoztam rá, a tető szerkezete éppen 45o dőlésszögű, ami a legjobban kedvez ennek az energiának a felhasználására. Egy másik helyről diagram is rendelkezésemre áll (33. ábra), ami alapján megbizonyosodhatok róla, hogy a táblázatba foglalt adatok helyesnek bizonyulhatnak.

51


33. ábra Szórt és direkt sugárzás

4.2.4. Szigetüzem tervezése Látható hogy decemberi hónapban mindösszesen, napi 1,2 kWh/m2 besugárzási értékkel számolhatunk. Ennek az energiának a kiszámolt hatásfokkal, 16,69%-a válik számunkra hasznossá. Amiből látható, hogy: 1,2kWh * 0,1669 = 0,20028 kWh nyerhető ki négyzetméterenként legjobb esetben. A fogyasztásunk napi szinten, amit fedezni szeretnénk az a korábban kiszámolt napi fogyasztásunk és ehhez hozzájön még a hőszivattyúnk működése is ami: 12,417 kWh/nap + 24,49 kWh/nap = 36,907 kWh/nap Szándékosan a daráló nélküli napi teljesítményt veszem figyelembe, mivel ennek az eszköznek a használata heti 1 alkalom, így ezt a tárolókból szeretném működtetni, mivel így is már hatalmas fogyasztási adattal lehet számolni.

4.2.5. Napelem felületének meghatározása 36,907 kWh / 0,20028 kWh = 184,3 m2 lenne szükségünk, azonban a napelemünk méretét tekintve: 992 mm x 1 640 mm = 1,63 m2 és a számolásunk 1m2 lett végezve, ahhoz hogy megkapjuk a végső méretünket a 184,3m2 meg kell szoroznunk az 1,63 m2 / 1 m2 hányadossal ebből megkapjuk a végső felületünket. Anapelem = 184,3 m2 * 1,63 m2/1 m2 = 300,4 m2 a végső felületünk. Ebből már a darabszám meghatározható: Ndb = Anapelem / Anmodul = 300,4 m2 / 1,63 m2 =184 db-ra van szükség. Ára:54 300 Ft/db Tehát napelem telep beruházási költsége: 184 db * 54 300 Ft/db = 9 991 200 Ft 52


A rendszer feszültségünket 48 V-ra kell tervezni, ugyanis a 3 fázisú fogyasztóink miatt az inverter bemeneti paraméterei szerint legalább erre a feszültségre van szükség. Ezért a 48 V úgy érjük el, hogy a napelemeket kettesével sorba kapcsoljuk.

34. ábra Tartószerkezet kialakítása napelemhez

A napelemek rögzítésére tartószerkezet szükséges, a tartószerkezet 4 db modult rögzít egyszerre. Így 184 db / 4 = 46 db tartószerkezet szükséges (34. ábra) 1 db tartószerkezet ára: 39 600 Ft azonban 46 ilyenre van szükség: 1 821 600Ft 4.2.6. Energiatárolás Az energia tárolás akkumulátorok segítségével történik. A szolár akkumulátorok nagyobb tömegű ólommal, vastagabb lemezekkel képesek biztosítani a ciklusállóságot, mint a hagyományos gépjármű akkumulátorok. Az élettartamát tekintve, 6 és 10 év közé tehető, míg hagyományos akkumulátorok ilyen körülmények között 1-2 év maximum, addig is rossz hatásfokkal üzemelve, az önkisülések miatt. Szerkezeti felépítés szerint 3 féle akkumulátort különböztetünk meg: Ólom-savas, ólom-zselés és lithium-ion. Az első típus a legelterjedtebb, köszönhetően az árának. Egyszerűen tölthetők, aránylag jól kisüthetők. Az ólom-zselés típusok drágábbak, de töltésük-kisütésük is egyszerűen megoldható. A lithium-ion akkumulátorok ára többszöröse az ólomakkumulátorokénak, ezen kívül komoly, költséges töltést- kisütést vezérlő áramkört igényelnek. Néhány tized voltos

53


túltöltés vagy kisütés a megengedettől tönkreteszi a cellákat. Ezen kívül viszont gyakorlatilag nincs önkisülésük, és nagyon jól terhelhetők. Jó tulajdonságaik ellenére, az áruk miatt sajnos igen nagy költséget jelentenének. Ezért a mi esetünkben a választott akkumulátor az ólom-savas lesz: Energy Bull 12V 230 Ah szolár akkumulátor.

4.2.6.1. Tároló kapacitásának meghatározása Fenti számításainkból tudjuk, hogy 5 napra, napi 36,907 kWh energiát szeretnénk tárolni: 5x36,907=184,5 kWh A 48 V-os rendszerünkben ez I= P/U alapján 184 500 Wh / 48 V=3 843,75Ah tároló kapacitást jelent. Méretezéshez figyelembe veszem a szolár áram tárolásából adódó veszteséget, ami körülbelül 10% jelent, valamint azt a tényt, hogy az akkumulátorokat nagyjából 75%-os mértékben lehet kisütni. Így a kapacitás a következő módon alakul: 3 843,75 Ah * 1,1 * 1,25 = 5 285Ah A szükséges darabszám meghatározása: 5 285Ah / 230Ah =22,9 db vagyis 23 db. Az akkuk feszültsége 12 V, míg a rendszerünk feszültsége 48 V. Ezért ezt a mennyiséget négyszerezni kell, vagyis 92 db akkumulátorra lesz szükségünk. 23 db párhuzamosan kapcsolva, és négyszer 23 db sorba kötve.

35. ábra Töltés kisütés szám

54


Az akkumulátorok élettartamát nagyban befolyásolja a töltés-kisütés ciklus száma (35. ábra). A fenti karakterisztikából látható, hogy nagyjából 3500 töltés-kisütés után az akkumulátor kapacitása már csak 50%. A gyakorlatban körülbelül 5-6 év alatt elhasználódnak, ami napi 1 ciklussal számolva, 6 x 365 = 2 190 db, ekkor még 70% kapacitással bírna. Az akkumulátor ára: 82 000 Ft/db Az összes akkumulátor ára: 7 544 000 Ft

4.2.6.2. Töltés vezérlő A rendszerünk fontos eleme a töltés vezérlő, aminek a feladata az akkumulátorok megfelelő feltöltése, valamint az inverter feszültség ellátása. Elsődleges feladata, hogy megvédje az akkumulátorunkat a túltöltéstől, a mélykisülés ellen az inverter felel. A kínálatot áttekintve az igényeimnek Victron Energy Bluesolar MPPT 150/85A típusú töltésszabályzó felel meg (36. ábra). Ebben a teljesítmény kategóriában csak néhány választható gyártmány van, ezt ár/érték arányban a legmegfelelőbbnek találtam.

36. ábra Töltés vezérlő paraméterei

55


Adatlapon szerepel, hogy 48 V-os rendszer esetén, a maximális bemenő szolár teljesítmény 4 850 W lehet. Tehát 1 db szabályzóra 4 850 W / 250 W = 19,4 vagyis 19 db napelem modul csatlakoztatható. A kiszámolt napelemünk darabszáma 184 db ezt osztom a 19-cel ami 9,68 tehát 10 db szükséges a működéshez. Vezérlő ára: 292 040 Ft/db A teljes ára: 10 db * 292 040 Ft/db =2 920 400 Ft Ahhoz hogy a napelemek által megtermelt és az akkumulátorok által elraktározott egyenfeszültséget hasznosítani tudjuk, szükségünk van egy feszültség átalakítóra, inverterre ami az egyenfeszültségből hálózati 3 * 400/230 V-os 50 Hz szinuszos feszültséget képes előállítani.

4.2.6.3. Inverter meghatározása A napi fogyasztási görbéből látható, hogy a csúcsteljesítmény 5 kW körül alakul. A 3 fázisú feszültséget 3 db inverter állítja elő (37. ábra), a típusa: SMA SI 5048

37. ábra Választott inverter adatai

A 3db invertert az alábbi módon kapcsolhatjuk össze (38. ábra), hogy 3 fázisú hálózatunk legyen. Az összekapcsolás UTP kábellel történik, a megfelelő csatlakozókba 56


38. ábra. Inverterek összekapcsolása

57


Ára: 1 350 000 /db A 3 db beruházása: 4 050 000 Ft. Ezen kívül szükség van még egyéb segédberendezésekre: Egyenáramú oldalon túlfeszültség védelemre a napelem és az inverter miatt, szükség van egy lekapcsolási/leválasztási lehetőségre, hogy függetleníteni tudjuk a napelemet az akku teleptől és invertertől. Az AC oldalon a túláram védelem kismegszakítókkal megoldható. Ezen kívül szükség van még a napelemeket összekötő és levezető kábelekre is. A sorba kötött napelemek védelmét és egyben leválasztási lehetőségét 92 db 1P 10A 6kA DC egyenáramú megszakító látja el. 92 * 1 349 Ft/db = 124 108 Ft Inverterek védelmére 3 db késes egyenáramú olvadó betét aljzattal kerül beépítésre. 5 kW / 48 V =104,16 A típusa: NH1-100 ára: 3betét * 1 452 Ft/db = 4 356 Ft, ehhez tartozó aljazat THB NH ára: 14 771 Ft Vezeték szükséglete, összekötés és a szabályzóig elvezetés 4 mm2 200 m : 208 Ft/m * 200 m = 41 600Ft Az akkumulátorok szabályzóval való összekötéséhez már nem szükséges szolár vezeték elegendő a lényegesen olcsóbb hagyományos 4mm2 sodrott réz vezeték: 100 m * 118 Ft/m = 11 800 Ft Inverterek bekötéséhez 6 000 W / 48 V = 125 A ami táblázat alapján 35 mm2 ára: 1 015 Ft * 30 m = 30 450 Ft AC oldalon a hőszivattyú és a darálónak 2 db 3 fázisú motorvédő kapcsoló kerül elhelyezésre: 2 * 5 000 Ft/db =10 000 Ft A többi fogyasztó számára, 3 db kismegszakító: 1 500 Ft Kiegészítők együttes ára: 124 108 Ft + 4 356 Ft + 14 771 Ft + 41 600 Ft + 11 800 Ft + 30 450 Ft + 8 125 Ft + 10 000 Ft + 1 500 Ft = 246 710 Ft Napelemes rendszerünk bekerülési költsége: napelem+tartószerkezet

ára:

11 812 800 Ft

akku telep:

ára:

7 544 000 Ft

töltésvezérlők

ára:

2 920 400 Ft

inverterek

ára:

4 050 000 Ft 58


kiegészítők

ára:

246 710 Ft

Összes anyagberuházásunk

26 573 910 Ft

munkadíj szerelés költsége:

1 100 000 Ft

A teljes napelem rendszerünk bekerülési költsége: 27 673 910 Ft

4.3. A családi ház villamos kapcsolási sémája A következő fejezetben a családi ház villamos kapcsolási sémáját mutatom be. A séma egy háromfázisú, szigetüzemű napelemes rendszert mutat be. A szigetüzemi működést a rendszerhez kapcsolódó akkumulátor telepek biztosítják. Nem terveztem meg a lakásbelső, kisfeszültségű hálózatát, az áramkörök elosztását. A lakás érintésvédelme szabadon választható, hiszen nincs közcélú hálózati kapcsolata. Ennek megfelelően lehet az érintésvédelem védőföldelés (TT rendszer), vagy akár nullázás (TN rendszer) is. Mindenképpen gondoskodni kell megfelelő védőföldelés kialakításáról. Az egyenáramú rendszer kialakítása, szerelése fokozott gondosságot igényel. Az akkumulátor telepek elhelyezésénél fokozott figyelemmel kell lenni a helyiség szellőzésére és fűtésére

59


39.ábra: napelemes rendszer kapcsolási sémája

4.4. Villamos energiaellátás gazdaságossági, megtérülési számításai 30 éves időtartamra számolva, mivel a napelemünk teljesítménye is addig garantált, azonban az akkumulátorok ez idő alatt 6 éves csereciklussal számolva 30 / 6 = 5 tehát még 4 alkalommal szükséges a megvásárlásuk. 4 * 7 544 000 Ft = 30 176 000 Ft ehhez hozzáadjuk a beruházási költséget ami: 57 863 188 Ft / 30 év Az akkumulátor cserén kívül gyakorlatilag, ha nincs meghibásodás, akkor nem igényel plusz anyagi ráfordítást. Megtérülési számítás: 60


Tudjuk, hogy a fűtés és meleg víz előállítása hagyományos eszközökkel(szén+villany bojler): 383 502 Ft/év ezt átszámolva 30 évre: 11 505 060 Ft / 30 év Napi elfogyasztott villamos energia 12,3 kWh/nap 12,3 kWh/nap * 39,48 Ft/kW = 485,6 Ft Éves szinten: 177 245 Ft/év ezt 30 évre átszámolva: 5 317 364 Ft/ 30 év A hálózat kiépítése: 12 335 256 Ft A hagyományos energiaellátó rendszer kiépítése és 30 éves működési költsége: 29 157 680 Ft / 30 év A fenti számításokból kiolvasható, hogy napelemes szigetüzemű rendszer megvalósítása jóval költségesebb a nagy tároló akkumulátorok miatt, mint a hagyományos villamos hálózat kiépítése.

5. Összefoglalás A 21. században mindenkinek joga van a kulturált életkörülmények eléréséhez. A ma élő ember számára a villamos energia és hőenergia nélkülözhetetlen a mindennapi élethez. Ennek lehetőségeit, feltételeit vizsgáltam egy tanya esetében. Szembesülnöm kellett azzal, hogy a megújuló energiaforrásokat felhasználó eszközök kiválasztása, biztosítása nem egyszerű feladat. Nem a hatásfokra gondolok elsősorban, hanem az eszközök árára és a beruházási költségekre. Az eszközök árai néhány év alatt jelentősen csökkentek, azonban úgy gondolom, hogy még jó néhány évnek kell eltelnie ahhoz, hogy egy átlagember is képes legyen beruházni például napelemre. Természetesen, ha a napelemes rendszerrel hálózathoz tudunk kapcsolódni, akkor nem kell drága tároló kapacitásról gondoskodni. Egy szigetüzemű rendszer költségeit azonban a tároló kapacitás ára jelentős mértékben növeli. A hőszivattyú és napkollektor tekintetében láthatjuk, hogy viszonylag hamar megtérül. Megfelelő támogatási rendszerekkel sokan elgondolkozhatnak a fűtés és/vagy meleg víz előállítás energia és költségtakarékos megoldásában. A villamos energia előállítása még nem egyszerű és ugyan akkor költséges feladat, különösen néhány problémát figyelembe véve. A szigetüzemű energiaellátás esetében, amire a szakdolgozatom is épül - látható hogy 30 éves üzem során milyen költségekkel 61


kell számolni. Az elmondható, hogy ebben a formámban soha meg nem térülő befektetést jelent. Ez részben köszönhető az energiatároló akkumulátorok költségének, illetve az ehhez szükséges inverter(ek) szükségletnek, ami a szigetüzemű működés miatt tovább drágítja beruházásunkat. Az inverterek költsége hálózati üzem esetén is megjelenik. Különös probléma még a 3 fázis előállítása szigetüzemben, amit úgy gondolok egy tanyai életben majdhogynem nélkülözhetetlen a nagyteljesítményű mezőgazdasági eszközök használata miatt. A 3 fázis előállítására alapvetően a gyártók nem is adnak lehetőséget, ezért hosszas utánajárás alapján találtam meg ezt az egy gyártót, illetve típust, ami képes az igényünk kielégítésére. Másik fő probléma a méretezés és az energiatárolás. Méretezésnél gondolok a téli és nyári időszakra, mivel elég csak abba belegondolni, hogy amit használtam napenergia táblázatot, ott is látható, hogy milyen nagy különbségek tapasztalhatóak a nyári és téli üzemben. A méretezésemet tekintve látható, hogy nyári idényre átszámolva körülbelül 1/5 akkora napelem rendszert igényelne csak. A tároló kapacitás is nyári idényben teljesen feleslegesen üzemel ilyen nagy kapacitással. A hőenergia igény esetében látható, hogy a hőszivattyú és napkollektor beüzemelése mindenképpen ajánlott. A hőszivattyú gyakorlatilag állandó, üzembiztos működést, többcélú kihasználást jelent, a környezet, időjárás bármilyen változása esetén is. A napkollektor bár ki van szolgáltatva az időjárás változásnak, elsősorban a napsütéses órák alakulása miatt, azonban ezt azzal kompenzálja, hogy manapság már olcsón hozzá lehet jutni és nem igényel utána különösképp figyelmet a rendszer működése, üzemeltetése. A villamos közcélú hálózat kiépítési költsége az én esetemben lényegesen kedvezőbb, mint egy szigetüzemű villamos energia ellátás megépítése, de ha a távolság többszörösére nőne a meglévő hálózat és a tanya között, akkor már érdemes elgondolkozni a megvalósításon. A vizsgált esetben úgy gondolom, hogy a legcélszerűbb lenne a villamos hálózat megépítése, és ezen felül besegítene a napelemünk, a tárolást pedig a hálózat biztosíthatná. Ezzel lehetne az üzemeltetési költségeket csökkenteni.

62


6. Summary In the 21th century everybody has the rights to cultured living circumstances. Nowadays electiric and thermal energy is essential for everyday living. I was examining the possibilities and requirements of these in the case of a farm. I had to face the fact, that it’s not easy to assure and choose devices that use renewable enregy sources. It’s not the efficiency that I have problems with, rather the price of the devices and the investment costs. Though the cost of such devices getting decreased year by year, however in my opinion we require a couple of years for them to become availabe for everyday people. Of course if we connect to the network with a solar panel, we won’t have to worry about the expensive storage capacity. The expenses of an off grid system can be significantly increased by the price of the storage capacity. In the case of a heat pump and a nup collector we can see that they relatively quickly pay off. With the right support system many people can think about manufacturing heat and/or hot water in a cost effective way. Manufacturing electric power is not easy and a costly job considering some problems. In the case of off grid power supplies – which my disseratation is about – we can see that during a 30 year operation how much it costs. It can be said that in this form it will never pay off. It is partly because of the energy storage batteries’ price and the cost(s) of the inverter(s), which because of the off grid operation makes our investment even more expensive. The outlay of the inverters can be noticed in a network plant. Particular problem is the manufacturing of the three phase in the off grid, that I think is essential in the life of a farm because of the high performance agricultural devices. Even the manufacturers don’t provide possibilities for three phase generation, so only after long chasing I found this manufacturer and type, that can satisfy our needs. The other main problem is the scaling and the energy storage. In scaling I mean winter and summer periods. It is enough to look at the solar energy chart I made, to see how much difference there is between the winter and summer period. My scaling shows that in the summer period it needs only one fifth size solar cell system. The storage capacity in summer operates at completely unnecessarily high capacity. In need of heat energy it can be seen easily, that the set up of the heat pump and solar cell is strictly recommended. The heat pump means practically permanent, fool-proof work, and multipurpose usabilty, and its not effected by the change of the weather. The 63


solar cell is affected by the weather, mostly by the amount of sunny hours, however as a compensation its cheap and doesnt need any more attention. The public electricity network in my case is substantially lower, than building an offgrid electrical energy supply, but if the distance is multiplying between the network and the farm, it is worth thinking about the implement. In the present case i think the buliding of the electric network would be the most appropriate, and furthermore the solar cells could help, and the storage would supply the storage. This could lower the costs of the operation.

64


Köszönetnyilvánítás Köszönet mondok a következő személyeknek az szakdolgozatom elkészítésének segítségében: 

Orlay Imre Műszaki szakértő ÉMÁSZ Hálózati KFT.



Dr. Radács László főiskolai docens Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék

65


Irodalomjegyzék Felhasznált irodalmak: Kacz Károly-Neszményi Miklós Megújuló energiaforrások Armin Thermessl-Werner Weiss: Napkollektoros berendezések Véghely Tamás: Napelemek és napelem rendszerek szerelése

Hőszivattyú tervezéséhez felhasznált irodalom: http://www.proidea.hu/rehau-82235/rehau-hoszivattyu-rendszer337361/a_6_d_30_1254307078023_REHAU_tervezes_es_meretezes.pdf Ábrajegyzék: 1.ábra: http://www.gsenapelem.hu/userfiles/images/napelem_utcai_villagitas.jpg 2.ábra: http://www.gsenapelem.hu/userfiles/images/napelem_cella_abra_1.jpg 3.ábra: http://www.cspenergy.eu/images/bevezeto/napelem1.jpg 4.ábra: http://www.okotaj.hu/kep/22/831.jpg 5.ábra: http://www.solarworks.co.uk/wp-content/uploads/2008/01/2007-11-12-044.jpg 6.ábra: http://www.zoldhazsolar.hu/furdo.jpg 7.ábra: http://www.naturenergia.hu/napkollektor/kollektor_rajz2.jpg 8.ábra: http://ekh.kvk.uni-obuda.hu/napkollektorok/6-napkollektorok-mukodese-esalkalmazasa.html http://www.megujulofutes.hu/wp-content/uploads/2010/12/22bb.jpg 9.ábra: http://www.foek.hu/korkep/enhat/hoszivattyu/hosziv_mukodes_sema.gif 10.ábra: http://www.megujulofutes.hu/wp-content/uploads/2010/12/22bb.jpg 11.ábra:http://www.otthontechnika.hu/Hoszivattyu/talaj_verti.jpg 12.ábra: http://www.geotermikusenergia.hu/pic/hoszivattyu.jpg 13.ábra: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/ 2010-0017_13_alternativ_energiarendszerek/images/T13_M3_L2_T1_001.jpg 14.ábra: http://www.futesuzlethaz.hu/drazice5_1.png 15.ábra: http://gazor.hu/feltoltesek/media/1_puffertartaly.jpg 16.ábra: http://www.hajdurt.hu/_data/VFS_4ff4decadb0f2192ea90d8b054daf7a1.pdf 17.ábra: http://www.vgfszaklap.hu/images/cikkkepek/2005/4/nap2.jpg 18.ábra: http://www.komplett-otthon.hu/cikk_kepek/ 66

Miskolci Egyetem - Gépészmérnöki és Informatikai kar napkollektoros-rendszerek-hogy-is-van-ez-ii-resz/nakollektor-cikk-II-5.jpg 19.ábra: 20.ábra: 21.ábra: 22.ábra: 23.ábra: 24.ábra: 25.ábra: http://ost.hu/image/diagrammagyar1.jpg 26.ábra: http://webaruhaz.permanent.hu/katalog/megujulo/PERHPmanual.pdf 27.ábra: http://www.koz-tervill.hu/wp-content/uploads/2011/06/ napelemes-aramtermelo-rendszer.jpg 28.ábra: http://www.naplopo.hu/images/napelem/rendszer/szigetuzem_feliratos.png 29.ábra: 30.ábra: http://www.naploposhop.hu/custom/naplopo/image/data/pdf/Amerisolar /AS-6P30-adatlap.pdf 31.ábra: http://www.naploposhop.hu/custom/naplopo/image/data/pdf/Amerisolar /AS-6P30-adatlap.pdf 32.ábra: http://www.solarkollektor.hu/napkollektor_rendszerek_meretezese 33.ábra: http://www.futesuzlethaz.hu/vakumcsovesnapkollektor3.jpg 34.ábra: http://www.thesolarprovider.hu/shop_ordered/1719/shop_altpic/small/0002_altpic_1.jpg?ti me=1410084656 35.ábra: http://www.kazan-haz.hu/data/image/tartalmi_kepek/15.jpg 36.ábra: http://www.ipari-led.hu/shop_ordered/5467/pic/mppt-150-70.pdf 37.ábra: http://www.sinetech.co.za/printdocs/SI5048Install.pdf 38.ábra: http://www.sinetech.co.za/printdocs/SI5048Install.pdf 39.ábra:

67

Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék

Recommend Documents