Napenergia-hasznosítás Kaszás Csilla
[email protected]
Tartalom • 1. Napenergia jellemzői • 2. Villamosenergia-termelés napenergiából – termikus naperőművek – napelemek
• 3. Hőigények kielégítése napenergiával – Passzív napenergia-hasznosítás – Aktív napenergia-hasznosítás – Hűtés napenergiával
1. Napenergia jellemzői • Napenergia forrása • Felszínre érkező teljesítmény • Magyarország adottságai
A Naptól a Föld légköréig • Nap magjában: fúzió (15000000 °C)
• Nap felszínének hőmérséklete ≈ 6000 °C • Hőterjedés sugárzásos úton
Hősugárzás • Plank, Stefan-Boltzmann, Wien E(T)= σ T4 Napállandó: 1360W/m2 Föld légkörére érkező teljesítménysűrűség
Egységnyi felületre érkező teljesítmény • Évszak, napszak -> Nap állása • Felület dőlésszöge, tájolása • Befolyásoló tényezők: – Tereptárgyak árnyékolása – Időjárási viszonyok – Szálló por koncentrációja
Napsugárzás elméleti rendelkezésre állása
Adott felületre érkező sugárzás elméleti értéke
Θ: a napsugarak és a felület normálisa által bezárt szög β: felület dőlésszöge γ: felület tájolása a déli irányhoz képest δ: adott naphoz tartozó maximális napállás Φ: szélességi fok
Mi az optimális tájolás? • Mikor akarjuk használni?
Napállandó: 1360 W/m2
Direkt + szórt sugárzás = globálsugárzás
Napsugárzás intenzitása a hullámhossz függvényében
Globálsugárzás éves összege
www.met.hu
Napsugárzás jellemzőinek havi alakulása
Részletes mérési adatsorok
www.naplopo.hu
Közvetett napenergia-hasznosítás
2. Villamosenergia-termelés • Termikus naperőművek – Napsugárzást koncentráló típusok – Naptó – Napkémény
• Napelemek – Működési elve, felépítése – Jelleggörbe – Hasznosítás köre
Torony-típusú naperőmű
Torony típusú naperőmű Teljesítmény: 0,5-10 MW Területigény: 4e-80e nm Torony magassága: 40-100 m
Kalifornia
Parabola-vályús rendszer
Parabola-vályús rendszer Teljesítmény: 0,5-80 MW Felület: 5e-450e nm
ORC (Organic Rankine Cycle) munkaközeg : szervesanyag, pl. izobután gőzfejlesztő
Gőzturbina
Kondenzátor
Szivattyú
Naperőmű kapcsolási vázlata
Parabolatányéros koncentrátor
Parabola-tányér Teljesítmény: 7-60 kW Felület: 40-250 nm
Stirling motor
Szolár kémény
Spanyolország Teljesítmény: 50 kW Magasság: 200m, sugár: 122m
Naptó
Naptó (Texas) Teljesítmény: 15kW-5MW (70kW) Felület:
1,6-250e nm (3350 nm)
Fotovillamos cellák felépítése
Fotovillamos energiaátalakítók • Félvezető anyagból készül, gyakorlatilag egy dióda • Fénysugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává alakítja • A fénysugárzás gerjeszti a töltéseket: a becsapódó foton energiájának hatására egy elektron kilép a vegyérték-sávból • A gerjesztett, szabad töltések kimozdulnak a helyükről, és az elektromos tér által meghatározott irányba mozognak
Rétegek: Si-alapú félvezetők • p típusú: – bór-szennyezéssel , – A bórnak 3 vegyérték-elektronja van, – Si (4 vegyérték elektron) atom helyére kerülve egy elektron helye üres marad, azaz ott „lyuk” jön létre, – pozitív-típusú (elektron-hiány).
• n típusú: – – – –
Foszforral szennyezett 5 vegyérték-elektronja van, tehát szilíciumhoz képest 1 elektron feleslege van, negatív-típus (elektron-többlet).
Napelemek típusai • Amorf – Hatásfok: 5-7% – Viszonylag olcsó
• Polikristályos – 13-15%
• Monokristályos – 14-17% – drága
Hatásfok 25
20
Hatásfok (%)
15
10
monokristályos Si amorf Si nano TiO2
5
1950
CuInSe2/CuInGaSe CdTe
1960
1970
1980
1990
2000
Cella jelleggörbéje
Napelemek felépítése
Cellák kapcsolása áramerősség
Két cella párhuzamosan kapcsolva
Egyetlen cella jelleggörbéje
Két cella sorosan kapcsolva
feszültség
Környezeti hatások • Hőmérséklet • Besugárzás
Árnyékolás • Egyetlen cella leárnyékolásának hatása a modulra! (sérült cella azonos következményhez vezet)
Fotovillamos rendszer
Hazai rendszerek • Újbudai Önkormányzat
www.energiacentrum.com
Napelem a mindennapi életben
Érdemes-e használni? Előnyei • Nincs üzemanyagköltség • Üzemeltetése biztonságos • Üzemeltetéskor nincs károsanyag-kibocsátás • Széles körben alkalmazható • Energiafüggőséget csökkenti
Hátrányai • Költséges • Gyártása energiaigényes • Gyártáskor, leszereléskor veszélyes anyagok • Hatásfoka romlik (kb 1%/év)
3. Hőigények kielégítése napenergiával • Passzív napenergia-hasznosítás • Aktív napenergia-hasznosítás
Passzív napenergia-hasznosítás – Szerkezeti elemekkel napenergia elnyelése, tárolása, hasznosítása (télen) – nyáron napsugárzás kizárása, hűtés? – Természetes világítás – villamos energia megtakarítás
– Eszközei: • • • •
Tájolás, alaprajz Üvegezés, sugárzáselnyelő felületek, hőtároló anyagok Hőszigetelés, árnyékolás Minél kisebb felület a térfogathoz képest
Üvegházhatás
Tájolás É Keleti, nyugati falon minimális üvegfelület!
Árnyékolás • • • •
Árnyékvetők, lamellák, Ponyvák, Változó tulajdonságú üvegezés
Nyári napállás
Téli napállás
Direkt rendszerű passzív napenergiahasznosítás Téli napon
Téli éjszaka
Trombe fal
Elkülönített naptér
Ventilláció biztosítása napkéménnyel
Természetes megvilágítás
Napfény-csövek
Aktív napenergia hasznosítás külön mechanikus és elektromos berendezések szükségesek hozzá • Rendszer felépítése: – Elnyelő-szerkezet (kollektor), – Tároló, – Működtető szerkezetek és hálózat.
• Rendszer feladata: – – – –
épületfűtés Használati melegvíz előállítása Medencefűtés Technológiai hőigények kielégítése
Napkollektor (!) • Feladata: – napsugárzás elnyelése, – hőátadás a közvetítőközegnek.
• Felépítése: Hőszigetelés, tokozás
fényáteresztő borító
hőhordozó közeg bevezetés csővezetéke
abszorber
kivezetés
Napkollektor veszteségei
Abszorber (!) • az érkező sugárzás lehető legnagyobb részét elnyelje • Lehetséges megoldások: – Abszorberre érkező sugárzás növelése • • • •
Lefedés tükröződésének csökkentése Lefedés elnyelésének csökkentése (vas-mentes üveg) Abszorber tükröződésének csökkentése Abszorber elnyelésének növelése (króm-oxid)
– Abszorber hőveszteségének csökkentése • Emisszió csökkentése • Konvekciós veszteség csökkentése (vákuum)
Abszorber • Reflexiós tényező változtatása – (Többrétegű) szelektív bevonat
– Mikrostruktúra kialakítása
Napkollektor lefedése (!) • mechanikai védelem, • az abszorber és a külső tér közötti hőszigetelés, • a napsugárzás áteresztése a lehető legkisebb veszteséggel, • az abszorber hosszúhullámú sugárzása által létrejövő hőveszteség csökkentése • Okozott veszteség: – Reflexió (beesési szög, anyag törésmutatója) – Elnyelés (anyag, vastagság)
Hőhordozó közeg • Víz: – Egyszerű hozzájutni – Jó hővezető – Ártalmatlan – csak 0-100°C-ig alkalmazható (1 bar nyomáson)
• Fagyálló • Levegő
Napkollektorok kapcsolása
csőkígyós
osztó-gyűjtős
vegyes
Vákumcsöves napkollektor Szimpla vagy dupla üvegfal Abszorber alakja változatos lehet
Vákuumcsöves kollektor – hőátadás • Fázisváltó • Közvetítőközeg: közvetítőközeg víz/fagyálló folyadék kondenzáció
forrás U-csöves
koaxiális
Hőcső (Heat-pipe)
Sugárzás-koncentrátor
Napkollektorok hatásfoka
η: ηo: a1:
a2: ΔT: tlev)
a kollektor hatásfoka a kollektor optikai hatásfoka az elsőfokú hőveszteségi együttható a másodfokú hőveszteségi együttható hőmérsékletkülönbség ΔT=(tkoll –
tkoll: kollektor közepes hőmérséklete tkoll=(tki + tbe)/2 tki: a kollektorból kilépő közeg hőmérséklete tbe: a kollektorba belépő közeg hőmérséklete tlev: a környezeti levegő hőmérséklete G: a kollektor felületére érkező globális napsugárzás
Napkollektor jelleggörbéje
Napkollektorok típusai Lefedés nélküli (sík)
Lefedéses
síkkollektor
sima
(vákuumos)
vákuumcsöves
Kollektor-jelleggörbék
Bitai András
Termoszifon - passzív
Egykörös és kétkörös rendszer
Kétkörös napkollektor-rendszer kiegészítő fűtéssel
Működtető szerkezetek • • • •
Keringető rendszerek, hőcsere rendszere, szabályozás, biztonsági berendezések.
60 lakásos társasház napkollektor tető, hmv előállítás
Zalaegerszeg, Dél hercegnője Matyéka
Szezonalitás problémája (havi hőigény - egységnyi felületre érkező napenergia)
Szezonális tároló lehetősége • A ház térfogatának megfelelő melegvíz-tartály • Fél méter vastag szigetelés • Megtérülési ideje nagy
Napenergia mezőgazdasági hasznosítása • Hajtató-házak üzemeltetése (fóliasátrak) • Terményszárítás • Technológiai melegvíz
Terményszárítás • Cél: tartósítás • Napenergia hasznosítás indokai: – – – –
Nincs tüzelőanyag-költség Tiszta Időszakok (igény és kínálat) egybeesnek Szárítási hőmérséklet igény megfelel az elérhetőnek
Tálcás kéményes töltetes szárító
Imre László
Napenergia hasznosítása hűtésre (választható tárgyas kollégáknak részletek csak az érdekesség kedvéért)
• Napelemmel hajtott kompresszoros hűtő • Abszorpciós hűtés napenergiával
Kompresszoros hűtő-körfolyamat magas hőmérsékletű közeg m1 hőleadás Q m 2
m2
1
C
hajtás F
GK
PH
E 3
4 hőfelvétel Q a
a2 a1 alacsony hőmérsékletű közeg
Kompresszoros hűtőgép • A kompresszoros hűtőgép (hőszivattyú) munkaközege valamilyen hűtőközeg: R717 (ammónia), klórmentes R134/a (tetrafluor-etán, CH2FCF3), R290 (propán). A korábban széles körben használt freon (R12) károsítja az ózonréteget, ezért ma már nem használható. • A hűtőgép (hőszivattyú) berendezései: elpárologtató (E), kondenzátor (C), villamos hajtású kompresszor (GK) és fojtószelep (F). • Az egykomponensű, kétfázisú munkaközeges hűtő-körfolyamatnál a hőfelvétel izotermikus, a hőleadás közel izotermikus. A hűtött közeg (általában levegő) Ta2 hőmérsékletről Ta1 hőmérsékletre lehűl, s hőjével elpárologtatja a kisebb nyomású (p3≈p4) munkaközeget (3-4).
Abszorpciós hűtőgép Hűtőközeg (vízgőz) kondenzátor
Fűtővíz 85-90 C
Hűtőközeg (vízgőz) Hűtővíz 27 C
abszorber
Hűtővíz 27 C fojtószelep
V pa
12-14 C 6C elgőzölögtető
H2o + LiBr-oldat
hűtőtorony
levegő
pf
kihajtó
Hűtővíz
Fogyasztók légtere
Abszorpciós hűtőgép • Az abszorpciós hűtőgépnél a villamos hajtású kompresszort termokémiai kompresszor helyettesíti, aminek elemei: – abszorber (oldó), – kihajtó (deszorber) – az oldatot keringtető szivattyú (SZ). A hűtőgép további elemei (kondenzátor, elgőzölögtető és fojtószelep) változatlanok.
• Az abszorpciós hűtőgépet általában ott alkalmazzák, ahol nyáron a hatékony kapcsolt energiatermelés hőteljesítménye biztosítja a hűtő munkaközeg kompresszióját. • Az abszorpciós hűtőgép hűtő munkaközege vízgőz, a termokémiai kompresszort lítium-bromid (korábban ammónia) vizes oldata működteti.
Működés •
•
• •
•
Az elgőzölögtető köpenyterében a kisebb nyomású (pa) vízgőz elpárolog, miközben csőterében a fogyasztók légterének levegőjét hűtő hűtővíz lehűl. A vízgőz hűtő-munkaközeg az abszorberbe kerül, ahol kondenzálódik, és a folyadékfázisú víz LiBr koncentrációja – kisebb hőmérsékleten való nagyobb oldódása következtében – jelentősen megnő. A kis hőmérsékletű, nagy koncentrációjú LiBr vizes oldat nyomását (pf+∆p) a szivattyú megnöveli, és a regeneratív hőcserélőn (kis hőmérsékletű, nagy LiBr koncentrációjú vizes oldat felmelegszik, ill. a nagy hőmérsékletű, kis LiBr koncentrációjú vizes oldat lehűl) keresztül a kihajtóba szállítja. A kihajtóban a hatékony kapcsolt energiatermelő berendezés által biztosított 85110 oC hőmérsékletű fűtővíz felmelegíti, elpárologtatja a vizes oldatot, és a nagyobb nyomású (pf) vízgőz a hűtőgép kondenzátorába kerül, ahol kondenzálódik. A vízgőzben a nem illékony (δ<<1) LiBr koncentrációja minimális, ezért döntő része folyadékfázisban marad, és a regeneratív hőcserélőn keresztül visszakerül az abszorberbe. A hűtő-körfolyamatot a fojtószelep zárja, ahol a kondenzátor pf nyomása az elgőzölögtető pa nyomására csökken. Az abszorber és a kondenzátor hűtővizét hűtőtoronyban a levegő hűti le.
Köszönöm a figyelmet.
