NAPENERGIA TERMIKUS ÉS FOTOVILLAMOS HASZNOSÍTÁSA INNOVÁCIÓK AZ EU-BAN SZENT ISTVÁN EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR KÖRNYEZETIPARI RENDSZEREK INTÉZET
Fizika és Folyamatirányítási Tanszék 2103 Gödöllő Páter K. u. 1. Tel: (06-28) 522055 Fax: (06-28) 410804
[email protected] http://fft.szie.hu
Farkas István, DSc egyetemi tanár, intézetigazgató E-mail:
[email protected] 1/65
TARTALOM • Bevezetés
• Napsugárzási viszonyok
• Fototermikus rendszerek • Fotovillamos rendszerek • Integrált energetikai/technológiai rendszerek • Referenciák • Szoláris potenciál 2/65
BEVEZETÉS • Az energiatermeléshez kapcsolódó környezeti problémák • Az energiaszektor kibocsátásában
szerepe
az
üvegházhatású
gázok
• Energiaintenzitás nemzetközi összehasonlításban • A napenergia helye a megújuló energiaforrások között • A megújuló energiák és az Európai Unió energiapolitikája
3/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (1/13)
2,0
Intenzitás a légkör határán
1,5
Átlagos sugárzásszint a földfelszínen
1,0 0,5
O3 abszorpció
Sugárzási intenzitás, kW/m2 m
A napsugárzás spektrális eloszlása a hullámhossz függvényében
0
A szóródás miatti veszteség Látható fény
H2O abszorbció
Szórt sugárzás 0,5
1,0
CO2 abszorbció 1,5
2,0
2,5
3,0
Hullámhossz, m 4/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (2/13) A napmagasság hatása a napsugárzás intenzitására
Intenzitáshányad
0,8 0,6 0,4 0,2 0
0 30 60 90 Napmagasság, fok 5/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (3/13)
A napmagasság alakulása az idő függvényében Hónapok
Napmagasság, fok
80 70 60 50 40 30 20 10
65 J, J 62 M, A 54 Á, SZ 42 M, O 32 F, N 22 J, D
5 6 7 8 9 10 11 12 19 18 17 16 15 14 13 Idő, óra 6/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (4/13) A homályosság számszerűsítésre alkalmazott mérőszám tipikus értékei: • tiszta idő, derült nap 2; • hegyvidéki területek 2,8; • falu 3,5; • város 4; • ipari területek 5. A visszaverődés mértékét kifejező számot albedonak nevezzük. Értéke néhány tipikus felszíni lefedés esetén a következő: • friss hó 0,84; • kavics, durva homok 0,15; • erdő 0,05-0,18; • földfelszín átlagos 0,42. 7/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (5/13) A földfelszínre jutó napsugárzás alakulása
Napállandó: 1.353 W/m2
Visszaverődés: ~100 W/m2
A légkör határa
Elnyelés a légkörben: ~250 W/m2 direkt szórt A földfelszínt elérő sugárzás max.: ~1.000 W/m2
8/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (6/13)
A teljes napsugárzás évi átlagos összege Magyarországon MJ/m2-ben o
o
17
18
o
19
4400
48o 4200
4500
Miskolc
4300 Móvár
Budapest
Debrecen 47o
4600 4700 4200 4300 o 46
4600 Pécs 4400
Szeged
4500 20
o
o
21
o
22
9/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (7/13) Az évi átlagos napsütéses órák száma Magyarországon 17o
18o
1900 2000
48o
1900
19o 1900
Miskolc
2000
Móvár
Budapest 2000
Debrecen 47o
Szeged
1800 Pécs
46o 1900
2000
2100 2000 2100
20o
21o
22o 10/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (8/13) Budapesten vízszintes felületre naponta és havonta érkező átlagos napsugárzás Hónap
Átlagos besugárzás, kWh/m2 nap
Összes besugárzás, kWh/m2 hó
Január
0,7756
24
Február
1,468
41
Március
2,733
85
Április
4,13
124
Május
5,171
160
Június
5,75
172
Július
5,807
180
Augusztus
4,988
155
Szeptember
3,82
115
Október
2,184
68
November
0,826
25
December
0,533
15
Évi összes:
1.164 11/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (9/13) Budapesten havonta lehetséges és tényleges napsütéses órák száma és aránya Hónap
Lehetséges, óra/hó Tényleges, óra/hó %
Január
278
58
20
Február
289
85
29
Március
371
140
38
Április
411
196
47
Május
470
250
53
Június
477
275
57
Július
480
309
64
Augusztus
440
283
64
Szeptember
376
213
56
Október
336
145
43
November
280
60
21
December
264
43
16
Évi összes:
4.472
2.057
46 12/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (10/13) Budapestre vonatkozó globálsugárzási adatok (derült napra), W/m2-ben Hónap
Óraköz 01
02
03
04
05
06
04 – 05 05 – 06
08
23
2
09
10
11
12
7
57
76
52
17
22
97
141
176
136
91
31
32
102
200
277
300
255
225
122
53
2
06 – 07 07 – 08
07
08 – 09
37
100
192
292
364
384
356
316
234
129
55
34
09 – 10
96
197
301
381
469
482
445
409
328
221
125
90
10 – 11
140
257
358
449
549
555
521
495
406
279
192
130
11 – 12
191
272
420
518
589
594
530
543
449
326
229
161
12 – 13
188
268
416
503
576
599
565
542
460
330
230
168
13 – 14
151
247
365
477
534
556
548
516
427
281
195
140
14 – 15
94
184
273
417
476
481
461
439
347
214
140
90
15 – 16
35
110
193
289
369
391
341
329
242
134
63
32
34
70
171
257
271
254
225
129
43
2
18
62
148
161
135
114
34
10
60
66
50
20
5
2
16 – 17 17 – 18 18 – 19 19 – 20
13/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (11/13) Budapestre vonatkozó globálsugárzási adatok (borult napra), W/m2-ben Hónap
Óraköz 01
02
03
04
05
06
04 – 05 05 – 06
08
15
8
09
10
11
12
17
40
58
49
19
29
63
76
86
84
52
27
26
82
87
95
114
100
86
59
40
6
23
06 – 07 07 – 08
07
08 – 09
28
57
98
106
106
133
115
103
85
65
39
47
09 – 10
52
75
117
120
117
140
134
116
93
83
63
57
10 – 11
67
83
125
128
125
150
149
127
102
90
70
60
11 – 12
79
88
126
128
124
153
151
135
103
95
70
60
12 – 13
77
89
125
134
143
161
145
129
102
98
72
55
13 – 14
68
83
117
124
130
152
151
130
98
91
70
44
14 – 15
53
74
108
116
122
136
144
115
89
80
64
22
15 – 16
34
54
93
100
126
134
128
95
78
66
40
21
69
78
126
115
114
76
60
38
7
29
51
95
92
90
60
25
10
52
66
53
24
14
11
16 – 17 17 – 18 18 – 19 19 – 20
14/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (12/13) Az elnyelőfelület geometriai viszonyai
A felület normálisa I m
90o-
ß
Horizontsík
DÉL
a 15/65
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (13/13) Budapestre, déli tájolású elnyelő felület esetén néhány tipikus β-érték a következő: • téli üzem (decembertől februárig)
76,2,
• nyári üzem (júniustól augusztusig)
18,5,
• egész éves üzem
43,5.
16/65
A NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS FŐ MÓDJAI • termikus napenergia-hasznosítás (napkollektor) • fotovillamos napenergia-hasznosítás (napelem) • passzív napenergia-hasznosítás
17/65
A TERMIKUS NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS SÉMÁJA
Melegvíz fogyasztók
Napkollektor Tápvíz Szivattyú
Tároló tartály
18/65
A FOTOVILLAMOS NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS SÉMÁJA
Fotovillamos panel
Kisfeszültségű fogyasztók
Töltésszabályozó
Inverter =12V/~230V
Hálózati fogyasztók
Tároló akkumulátor
19/65
FOTOTERMIKUS RENDSZEREK
• Az aktív termikus hasznosítás elemei • Technológiai melegvíz készítése • Egyéb alkalmazások
20/65
AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (1/9)
Mivel az érkező, viszonylag "híg" energia általában kevés a koncentrált felhasználásra, ezért valamennyi fototermikus berendezésre érvényes, hogy: • a sugárzás felfogására viszonylag nagy hasznosító felület szükséges, • a nagy felület elhelyezése – főként a tájolás és az árnyékmentesség miatt – figyelmet igényel, • a beérkező sugárzást optikai eszközökkel megsokszorozhatjuk, • napkövető rendszerek alkalmazása.
21/65
AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (2/9) Fedetlen elnyelő medencevíz melegítésére Tetőre fektetett kivitel
EPDM szőnyeg
Melegvíz
Hidegvíz
22/65
AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (3/9)
Dobozos kollektor metszete Fényáteresztő fedés
Hőszigetelés
Elnyelőlemez (abszorber)
Csővezeték
Burkolat
23/65
AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (4/9) Osztó-gyűjtős sík-kollektor
24/65
AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (5/9) A hatásfokot kétféle veszteség befolyásolja:
• optikai veszteség, amely a lefedés visszaverő és áteresztő képességétől és az elnyelőlemez abszorpciós képességétől függ, ez az optikai veszteség független a napkollektor és a környezet hőmérsékletétől; • hőveszteség, amely a napkollektor és a környezet hőmérséklete közötti különbségtől függ.
A hatásfokot általában relativ X=(tkoll-tkörny)/Iglob változó függvényében ábrázoljuk.
25/65
AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (6/9)
Hatásfokdiagram
1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
X, m2 K/W
26/65
AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (7/9) Hatásfokdiagram különböző sugárzási (I, W/m2) értékek mellett 1 0,8
0,6
I k=1.000
0,4
0,2
Ik=200
I k=600 I =400
Ik =800
k
0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
(Tk-Ta), K
27/65
AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (8/9)
Különböző típusú napkollektorok jellemző hatásfokgörbéi 1. Lefedés nélküli sík-kollektor 2. Nem szelektív sík-kollektor 3. Szelektív sík-kollektor
1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
4. Vákuumos sík-kollektor 5. Vákuumcsöves kollektor
5 4 3 2
1
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
2
X, m K/W 28/65
AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (9/9) Szoláris hőtárolók a. Fûtõköpenyes
b. Csõkígyós Meleg víz Meleg víz
Cirkuláció Kollektorból
Kiegészítõ fûtés
Kiegészítõ fûtés Kollektorba Hidegvíz
Kazánból Kazánba Kollektorból Kollektorba
Hideg víz Leeresztõ csonk 29/65
TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (1/8) Szoláris kisberendezés előregyártott elemekből
1
Napkollektor
2
Szivattyúegység
Automatika 3
Meleg víz 4
Hõcserélõs tároló
Hideg víz 30/65
TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (2/8) A szoláris berendezés tervezése a következő fő lépésekből áll: • melegvíz-szükséglet, energiaigény megállapítása, • kollektorfelület meghatározása, • tárolótérfogat meghatározása, • hőcserélő mérete,
• csőátmérők meghatározása a szolár-körben, • keringtető szivattyú teljesítményének meghatározása, kiválasztása,
• tágulási tartály kiválasztása
térfogatának
meghatározása,
31/65
TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (3/8)
Az átlagos napi melegvíz szükséglete literben: V = n V1 ahol: n - a melegvizet felhasználó személyek száma, V1 - a személyenkénti melegvíz fogyasztás [liter/nap], V1 értékére – napi literben mért fogyasztásra – a következő értékek vehetők alapul: - magas igények: 60 - 120, - átlagos igények: 40 - 60, - alacsony igények esetén: 30 - 40. A szükséges tárolókapacitás literben: Vt = (1,3 - 1,7) V
32/65
TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (4/8) Az igényelt melegvíz előállításához szükséges hőmennyiség [Wh/nap]-ban: Q = 1,1 c ρ V (tm – th) ahol: c ρ th tm
- 1,16 Wh/kgK a víz fajhője, - 1 kg/l a víz sűrűsége, - 15 °C a hálózati hidegvíz hőmérséklete, - 45-60 °C a tárolt melegvíz tervezett hőmérséklete.
33/65
TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (5/8) Átlagos összsugárzás vízszintes felületen Magyarországon Hónap
I
II
III
IV
V
VI
VII VIII
IX
X
XI
XII
Wh/m2, nap 1,00 1,77 2,72 4,08 5,14 5,69 5,71 5,10 3,91 2,51 1,02 0,76
A felhőzet átlagos aránya Magyarországon Hónap
I
II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Felhőzet, % 70 65 59 58 54 52
46
43
46 57 71
77
A nyári félévben hasznosítható hőmennyiség átlagos értéke: Qnyár ~ 2,8 kWh/m2 nap A téli félévben hasznosítható hőmennyiség átlagos értéke: Qtél ~ 1,1 kWh/m2 nap 34/65
TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (6/8) A napkollektoros rendszert úgy célszerű méretezni, hogy átlagos nyári napon a szükséges melegvíz mennyiséget 100 %-ban előállítsa. Ennek megfelelően a szükséges kollektorfelület [m2]-ben:
Fk = 1,2 Q / (k Qnyár) ahol: 1,2 - a külső veszteségeket és a meteorológiai ingadozásokat figyelembe vevő tényező, k - a tájolás és a dőlésszög hatását figyelembe vevő hatásossági tényező.
35/65
TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (7/8)
Hatásosság, %
A napkollektor hatásossága a tájolás és a dőlésszög függvényében 100 98 96 94 92 90 88 86 84 82 80 Vízsz. 0
Tájolás Dél = 0 ° +/- 15 °
+/- 45 °
+/- 30 °
+/- 60 ° +/- 90 °
15
30
45
60
75
Függ. 90
Dőlésszög, ° 36/65
TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (8/8) Kollektorok összekötése
37/65
EGYÉB ALKALMAZÁSOK (1/6) Közvetlen hasznosítású gravitációs berendezés
38/65
EGYÉB ALKALMAZÁSOK (2/6) Monoblokk vízmelegítő berendezés Elektromos Hőszigetelés pótfűtés Tartály Burkolat Melegvíz Hidegvíz
Kollektor 39/65
EGYÉB ALKALMAZÁSOK (3/6) Nyaralók temperálása napkollektorokkal KollektormezQ
Temperáló Hálózat
Fűtő szolártároló Meleg víz
Hideg víz
40/65
EGYÉB ALKALMAZÁSOK (4/6) Úszómedence fűtésének elvi vázlata Abszorber szőnyeg
Automatika
Medence
Szűrő Kiegészítő fűtés
41/65
EGYÉB ALKALMAZÁSOK (5/6) Levegős munkaközegű berendezés Nyári üzem
Ventillátor Gyűjtő csatorna
Befúvó csatorna
Levegő belépés 42/65
EGYÉB ALKALMAZÁSOK (6/6) Levegős, kőágyas napkollektoros szárítóberendezés
Kollektormezõ
Levegõ-visszaszívás
Levegõbefúvás a szárító helyiségbe
Kõtároló
Utófûtõ kazán Ventilátor
43/65
FOTOVILLAMOS RENDSZEREK
• a fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai • napelem technológiák és jellemzőik • fotovillamos modulok és generátorok • fotovillamos energiaellátó rendszerek koncepciói
44/65
Integrált szoláris energetikai/technológiai rendszer
M
G
W
- Interface egység - Meteorológiai állomás - Vizes kollektor - Tároló tartály - Növényház - Átkapcsoló - Napelem mező - Akkumulátor - Levegős kollektor - Szárító - Transzparent szigetelés
C I B
PV
S
T I
A
D 45/65
REFERENCIÁK : Moduláris felépítésű szoláris szárító (Gödöllő, 1996)
46/34
46/65
REFERENCIÁK : Transzparens szigetelésű fal (Gödöllő, 1996)
47/34
47/65
REFERENCIÁK : Napkollektoros úszómedence (Gödöllő, 2000)
48/34
48/65
REFERENCIÁK : Családi ház napkollektorral (Gödöllő, 2000)
49/34
49/65
REFERENCIÁK : Napkollektoros növényházi fűtés kiegészítés (Gödöllő, 2001)
50/34
50/65
REFERENCIÁK : Koncentrátoros naperőmű (Almeria, Spanyolország, 2002)
51/65
A kollektormező csövezése 52/65
Mozgató mechanizmus 53/65
Tároló tartály 54/65
Tamb Tin I Tref
Robosztus blokk
m Tref
~ M-1
.
v
Tout
Kollektor mező Tamb Tin
Modell hiba
I
Modell (M)
m Tout
Fototermikus naperőmű irányítási algoritmus 55/65
REFERENCIÁK: 10 kW-os hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszer (Gödöllő, 2005)
56/65
A SZIE
10 kW-OS PV ERŐMŰ MONITOROZÓ TÁBLA:
57/65
REFERENCIÁK: Hordozható fotovillamos berendezés (Gödöllő, 2006)
58/65
Szoláris termikus potenciál A napkollektorok segítségével történő aktív napenergia-hasznosításra alkalmas felület a következő évtizedben 32,25 millió m2. Magyarország teljes aktív szoláris termikus potenciálja: 48,815 PJ/év.
Szoláris termikus potenciál a mezőgazdaságban három fő területen (a növényházi fűtést, a szoláris szárítást és a technológiai melegvíz készítését) való napenergiahasznosítást tesz lehetővé, a mezőgazdasági termelés hőigényeit kielégítve. Ez a szoláris potenciál összesen: 15,91 PJ/év. 59/65
Fotovillamos potenciál A fotovillamos rendszerek szabad területeken telepítve erőművi alkalmazásokat szolgálnak, épületek tetőfelületére szerelve vagy épületek homlokzatába integrálva helyi energiaellátásra alkalmazhatók (autonóm, vagy hálózatra kapcsolt üzemmódban). Hazánkban a technikailag kedvezően beépíthető felület: 4051,48 km2 (beleértve a vasutak és autópályák mentén való létesítésre felhasználható területeket is). Figyelembe véve a felületek dőlésszög megoszlását, valamint a napelemek hatásfokát, a teljes fotovillamos energetikai potenciál: 1749 PJ/év. 60/65
Passzív szoláris termikus potenciál A passzív szolár termikus potenciál elsősorban a napenergia építészeti hőhasznosítására felhasználható energia. A szolár-bioklimatikus építészet technikai módszereivel (épületek tájolása, napterek, integrált homlokzati hőelnyelőtároló elemek alkalmazása, kedvező helyiségbeosztás, hőveszteség-csökkentés) hasznosított napenergiával hagyományos energiahordozók takaríthatók meg. Döntően a meglévő épületállomány rekonstrukciójára alapozva, hazánk teljes passzív szoláris termikus potenciálja: 37,8 PJ/év.
61/65
Környezeti hatások A jelenlegi helyzetet figyelembe véve a napenergiahasznosítás energetikai és környezeti hatásainak értékeléséhez mintegy 300 ezer m2 napkollektorral és 400 kWp teljesítményű telepített napelemmel számolhatunk.
Ezek a számok a napkollektoros rendszerek esetén 450 TJ/év hőenergia-hozamot, illetve 36 ezer tonna olajegyenértéknek megfelelő légszennyeződés-csökkenést jelent. A napelemes rendszerek esetén – átlagos adatokkal számolva – az előállított villamos energia nagysága 2,05 GJ/év, ami évente 468 t CO2-kibocsátás megtakarításával egyenértékű. 62/65
TETŐBE INTEGRÁLT NAPKOLLEKTOROS VÍZMELEGÍTŐ
63/65
NAPKOLLEKTOROS ÚSZÓMEDENCE
64/65
Köszönöm a megtisztelő figyelmet!
65/65
