MISKOLCI EGYETEM
GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR VEGYIPARI GÉPEK TANSZÉKE
NAPENERGIÁT HASZNOSÍTÓ RENDSZER TERVEZÉSE KÉSZÍTETTE: Volascsek Péter
TERVEZÉSVEZETŐ: Dr. Horváth Eszter PhD villamosmérnök KONZULENS: Dr. Szepesi L. Gábor PhD egyetemi docens
Miskolc, 2013
TARTALOM 1.
Bevezető ................................................................................................. 8 1.1.
Az energia........................................................................................... 8
1.2.
A megújuló energiaforrásoké a jövő? ................................................. 8
1.3.
A napenergia .....................................................................................11
2.
Napkollektoros rendszer.......................................................................12 2.1.
A napkollektoros rendszer felépítése, működése .............................12
2.2.
A napkollektorok felépítése, működése, fajtái..................................13
2.2.1. Síkkollektor .................................................................................13 2.2.2. Koncentráló kollektor .................................................................13 2.2.3. Vákuumcsöves kollektor .............................................................14 2.2.4. Heatpipe rendszerű napkollektor ...............................................15 2.2.5. U-pipe rendszerű napkollektor ...................................................15 2.3.
Síkkollektor vagy vákuumcsöves kollektor?.....................................16
2.4.
A szolárrendszerek tervezése............................................................16
2.4.1. Hőszükséglet a használati meleg víz előállításához ..................17 2.4.2. A telepítési helyszín időjárási adatai .........................................18 2.4.3. A kollektorfelület elhelyezése és beállítani kívánt dőlésszöge ..19 2.4.4. A rendszer-konfiguráció ..............................................................20 2.4.5. A kívánt éves szolár fedezeti fok és rendszer-kihasználtsági fok értéke...........................................................................................20 2.4.6. A kollektorfelület méretezése .....................................................22 2.5.
A kollektor teljesítményét leíró fogalmak, mennyiségek .................23
2.5.1. A kollektor hatásfoka ..................................................................23 2.5.2. Az optikai hatásfok .....................................................................23 2.5.3. A nyugalmi állapotbeli hőmérséklet ...........................................24 2.5.4. A lineáris hőveszteségi együttható .............................................24 2
2.5.5. A négyzetes hőveszteségi tényező ...............................................24 2.5.6. A napsugárzás intenzitása..........................................................24 2.5.7. A hatásfok független változója....................................................24 2.6.
A kollektoros-rendszer éves hasznos teljesítménye .........................27
2.7.
A tároló és a hőcserélő méretezése ...................................................28
2.8.
A csővezetékek és a szivattyú méretezése ........................................28
2.9.
Tágulási tartály méretezése .............................................................30
3.
Napelemes rendszer .............................................................................32 3.1.
A napelemes rendszer felépítése, működése ....................................32
3.2.
A napelemek felépítése, működése, fajtái ........................................33
3.2.1. Mono- és polikristályos napelem ................................................34 3.2.2. Amorf napelem ............................................................................35 3.3. 4.
A kiserőművek hálózatra csatlakoztatásának követelményei .........35 Villamos áramot és hőt előállító napenergia hasznosító rendszer ......37
4.1.
Dual Solar-Power (DSP®) Energy System .......................................37
4.2.
A globál és direkt sugárzás mérése ..................................................39
4.3.
Napgeometriai paraméterek, a hőnyerő felület és a napsugár viszonya .............................................................................................41
4.4.
Az optikai légréteg fogalma ..............................................................42
4.5.
A direkt energiamennyiség ...............................................................42
4.6.
Napsütéses órák száma ....................................................................44
4.7.
A DSP számára hasznos energia ......................................................44
4.8.
A DSP pillanatnyi villamos teljesítménye ........................................45
4.9.
A DSP pillanatnyi hőteljesítménye ..................................................46
4.10.
A DSP hatásfoka, éves és havi energiatermelése .........................47
4.11.
A háztartások energiaigénye .........................................................48
4.12.
Lakóépület áram- és hőigényének kiszolgálása DSP-vel .............49
4.12.1. Energiaigény, megtermelt energia ...........................................49
3
4.12.2. A megtermelt energia "értéke" .................................................51 4.12.3. Összegzés...................................................................................52 4.13.
Summary .......................................................................................52
5.
Az energiaellátás jövője ........................................................................53
6.
Irodalomjegyzék ....................................................................................54 6.1.
7.
A felhasznált képek forrása ..............................................................55 Függelék................................................................................................57
7.1.
Grundfos UPS 25-20/UPS 32-20 típusú szivattyú Adatlapja ..........57
7.2.
A DSP energiatermeléséhez szükséges adatok, számítások ............58
7.2.1. Napmagasság szögek év- és napszakonként Budapesten ..........58 7.2.2. Az optikai légréteg vastagsága az egyes év- és napszakokban ..59 7.2.3. A napsugarakra mindig merőlegesen álló, 1 m2-nyi felületre eső direkt sugárzás intenzitása ........................................................60 7.2.4. Lehetséges, valós, relatív napfénytartam ..................................61 7.2.5. Melegvíz-fogyasztás ....................................................................61
4
SZIMBÓLUMJEGYZÉK Qigény,hő [kWh]:
melegvíz-szükséglet
mvíz [kg]:
a víz tömege
cvíz [Wh/kgK]:
a víz hőkapacitása vagy fajhője
ΔT [°C]:
a hideg és meleg víz közötti hőmérséklet-különbség
Akoll [m2]:
nettó kollektorfelület
Sfedezeti [-]:
szolár fedezeti fok
Srendsz [-]:
szolár rendszer-kihasználtsági fok
Qbesugárzás [kWh/m2]:
1 m2-re eső éves szolár besugárzás
K [-]:
a kollektor tájolásától és dőlésszögétől függő tényező
Tkoll [°C]:
a kollektor átlaghőmérséklete
Tlev [°C]:
a levegő hőmérséklete
η [-]:
a kollektor hatásfoka
η0 [-]:
optikai hatásfok
K1 [-]:
lineáris hőveszteségi együttható
K2 [-]:
négyzetes hőveszteségi tényező
G [W/m2]:
a napsugárzás intenzitása
X [Km2/W]:
a kollektor hatásfok független változója
Ehasznos [kWh]:
a kollektor éves hasznos teljesítménye
dcső [mm]:
a csővezeték átmérője
l [m]:
a csővezeték hossza
Q [l/h]:
térfogatáram
ρ [kg/m3]:
a munkafolyadék sűrűsége
[m2/s]:
a munkafolyadék viszkozitása
Acső [m2]:
csőkeresztmetszet
v [m/s]:
a munkafolyadék sebessége
ƛ [-]:
csősúrlódási tényező
Re [-]:
Reynolds-szám [-]:
[-]:
a könyök veszteségtényezője a csap veszteségtényezője
Hcső [-]:
a csővezeték vesztesége
VN [l]:
a tároló névleges űrtartalma
Vtágulási [l]:
a tágulási térfogat
Vkoll [l]:
a kollektor űrtartalma 5
Vcső [l]:
a csővezeték-tartalom
pvég [bar]:
a rendszer végnyomása
ptöltési [bar]:
a rendszer töltési nyomása
pbizt [bar]:
biztonsági szelep megszólalási nyomása
g [m/s2]:
nehézségi gyorsulás
h [m]:
a szolárrendszerben lévő folyadékmagasság
moptikai [-]:
optikai légréteg
β[°]:
a napsugarak beesési szöge a napmagasság szöge
Gdirekt [W/m2]:
direkt sugárzás intenzitása
G0 [W/m2]:
napállandó
D [m]:
a parabola átmérője
a × b [mm × mm]:
egy napelem cella méretei
ncella [db]:
cellák száma
d [m]:
a központi egység átmérője
ηcella [-]:
a napelem cellák hatásfoka
ηreflexió [-]:
a parabola reflexiójának és a védőüveg áteresztőképességének szorzata
Ahasznos [m2]:
hasznos felülete a DSP-nek
Acellák [m2]:
napelem cellák területe
c [-]:
a DSP energiakoncentrációja
Akoncentrált [W/m2]:
koncentrált sugárzás értéke 1 m2-re
Pkoncentrált [W]:
koncentrált teljesítmény
Pki,vill [W]:
kimenő villamos áram teljesítménye
Pki,hő [W]:
kimenő hőteljesítmény
GDSP [W]:
a hasznos felületre eső napsugárzás teljesítménye
ηDSP,vill [-]:
a DSP hatásfoka villamos áram előállítására
ηDSP,hő [-]:
a DSP hatásfoka hőenergia előállítására
ηDSP [-]:
a DSP összhatásfoka
Evill [kWh]:
megtermelt villamos energia
Ehő [kWh]:
megtermelt hőenergia
Eösszes [kWh]:
összes megtermelt energia
Qigény,vill [kWh]:
a lakóház áramigénye
n [-]:
a DSP-k darabszáma
Efelesleg,vill [kWh]:
a DSP által megtermelt többlet villamos energia
6
Emeleg víz [kWh]:
melegvíz-fogyasztás szempontjából megtermelt hasznos hőenergia egy évben
Efűtés [kWh]:
fűtés szempontjából megtermelt hasznos hőenergia egy évben
H [MJ/m3]:
1 m3 gáz fűtőértéke
Egáz [kWh/m3]:
1 m3 gáz energiatartalma
ngáz [m3]:
gázmennyiség m3-ben kifejezett értéke
kvill [Ft/kWh]:
villamos áram ára
kgáz [Ft/m3]:
gáz ára
Kfelesleg,vill [Ft]:
többlet villamos áram ára
Kfelhasznált,vill [Ft]:
felhasznált villamos áram ára
Khő [Ft]:
melegvíz-készítéshez és fűtéshez felhasznált energia ára
Kösszes [Ft]:
összes megtermelt, hasznos energia ára
7
1. BEVEZETŐ 1.1. AZ ENERGIA A 21. századi ipari társadalom számára a legnagyobb problémát az energiaellátás és az ezzel szorosan összefüggő környezetszennyezés jelenti. Felmerül a kérdés, hogy vajon fenntartható-e az emberi civilizáció fejlődése? Képesek leszünk-e Földünk növekvő népességének energiaszükségletét kielégíteni 50 vagy 100 év múlva? Eltűnődünk rajta, hogy vajon gyerekeink, unokáink számára is lesz-e elegendő energia, tiszta víz vagy levegő, megfelelő ennivaló? [3] 2000-ben bolygónk 6 milliárd lakosának éves energiaigénye elérte a 400 EJt (400×1018 J). Prognózisok azt mutatják, hogy 2050-re Földünk 9 milliárd lakójának energiafelhasználása 990 EJ lesz, ami közel két és félszeres növekedést jelent. [2] Észre kell venni ugyanakkor, hogy már jelenleg is számos probléma forrása a hagyományos fosszilis tüzelőanyag (kőolaj, földgáz, szén stb.), valamint a hasadó nukleáris üzemanyag egyenlőtlen területi eloszlása. Mennyiségük korlátozott és a kitermelésük körüli állandó konfliktusok folyamatos árnövekedést okoznak. [1] Jelenlegi ismereteink szerint a nem megújuló energiavagyon megoszlása a következő: kőszén:
300-400 évre
földgáz:
100 évre
kőolaj:
kevesebb, mint 100 évre
urán:
szaporító reaktorok nélkül 130 évre szaporító reaktorokkal 700 évre [1]
1.2. A MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOKÉ A JÖVŐ? Világos
tehát,
hogy
az
energetikai
korszakváltásnak
az
energiatakarékosságon, az energia racionális, környezetbarát módon történő felhasználásán valamint a megújuló energiahordozókon kell nyugodnia. [1] A megújuló energiaforrások folyamatosan, emberi léptékkel mérve időtlenül rendelkezésre álló, regeneratív energiaforrások. Ide soroljuk a vízenergiát, a
8
szélenergiát, a napenergiát, geotermikus energiát, valamint a biomasszát. Ezek mindegyike energiaforrás,
korlátlan,
szabadon
kisajátítani
nem
hozzáférhető, tudjuk
őket,
globálisan
így
alkalmazható
konfliktust
nem
okoz
felhasználásuk, valamint árnövekedéssel sem kell számolni esetükben. Épp ellenkezőleg, a technológia fejlődésének köszönhetően folyamatos árcsökkenés várható. Az 1. ábrán a nagy kockák a természetben rendelkezésre álló források nagyságát mutatják, míg az előtte levő kis kockák a jelenleg technikailag "befogható" energia mértékét jelképezik. Az ábrából kiderül, hogy a Föld teljes energiaszükséglete
elvileg
kielégíthető
a
megújuló
energiaforrások
kihasználásával. [5]
Föld összes energiaigénye
Geotermikus energia
Szárazföldi napsugárzás
Óceáni eredetű hő-és szél
Szél
Víz
Biomassza 1. ábra. A természetben rendelkezésre álló források nagysága összevetve a technikailag "befogható" energiamennyiséggel [25] Mindközül
ki
kell
emelnünk
a
napenergiát,
mivel
a
regeneratív
energiaforrások áttételesen napenergiát hordoznak magukban. Kivételt képez a geotermikus energia, mert az a Föld mélyén zajló radioaktív bomlás eredménye. A Nap okozta nyomáskülönbség hozza mozgásba bolygónk légtömegét, a Nap párologtatja el vízkészleteinket, ami magasabb területekre visszahullva jelentős potenciális energiát jelent, és csakugyan a Nap hatásának köszönhetően fotoszintetizálnak és fejlődnek növényeink, amelyek a biomasszát szolgáltatják. [2]
9
1. táblázat. A megújuló energiák részesedési százaléka a villamosenergiatermelésben (geotermikus energia nélkül) 1 [2] Év
Szélenergia villamos
Bioenergia
Napenergia
Összesen [%]
kapacitása [%]
villamos
villamos
kapacitása [%]
kapacitása [%]
2002
0,34
1,3
0,003
1,6
2010
1,00
3,0
0,2
4,2
2025
2,00
3,2
1,0
6,2
2050
3,30
4,0
13,0
20,3
Egyre inkább világossá válik, hogy a vízenergia és szélenergia kihasználása – környezetünkre tett káros következményei miatt – lassan háttérbe fognak szorulni. A vízerőművek a vízi élővilág ökológiai egyensúlyának felborítása következtében,
a
szélturbinák
tájromboló
hatásuk
és
csendszennyező
tulajdonságuknak köszönhetően veszítenek népszerűségükből. A jövőben a biomassza és a napenergia fokozott mértékű hasznosítását fogjuk tapasztalni. Magyarországon lemaradásban vannak
a lakossági kisfogyasztók
a
megújuló energiaforrások kihasználásában. Ennek egyik oka a ma még drága technológia a jövedelmekhez képest. A jelenlegi európai gazdasági helyzet szintén nem kedvez a megújuló energiahasznosító rendszerek elterjedésének. Továbbá a magyarországi pályázati rendszer nem alkalmas ezen technológiák elérhetővé tételére a lakossági fogyasztók számára. [6] Az említett problémákat orvosolni lehetne a megújuló energiaforrások felhasználását
célzó
pályázati
rendszer
átdolgozásával,
a
források
átcsoportosításával, a kivitelezés, megvalósítás egyszerűbbé és életszerűbbé tételével. A centralizáltan történő energia előállítása helyett célszerű lenne egy - az internethez hasonló - decentralizált hálózat létrehozása, melyben az energia jelentős részét lokálisan, maguk a fogyasztók állítanák elő. Az ily módon létrehozott több lábon álló rendszer stabilabb, hatékonyabb lenne mint a jelenlegi monokultúrás felépítés, ahol egy-egy nagyobb szolgáltató (áramszolgáltató, gázszolgáltató) állítja elő a szükséges energiát. Kizárólag napkollektorok, napelemek, hőszivattyúk és energiatakarékos megoldásokkal képesek vagyunk épületek
fűtésére,
árammal
való
ellátására,
vagy
akár
többletenergia
megtermelésére is. Bizonyítják ezt a Németországban és skandináv országokban Az új Európai Uniós szabályok a statisztikák szempontjából a vízenergiát nem tekintik megújuló energiának. 1
10
egyre nagyobb népszerűségnek örvendő passzív- és aktívházak. A hálózat a mindenkori igényeknek megfelelően lenne bővíthető. A szolgáltató feladata az energia továbbítása, tárolása lenne, illetve a többletenergia-igény fedezése. [6] A megújuló energiaforrásból előállított
energia támogatásáról szóló
2009/28/EK irányelv valamennyi uniós tagország számára meghatároz egy 2020-ig kötelezően teljesítendő célszámot. Magyarország számára ez a szám 13%, amelyből 2012-ben 9,4%-ot sikerült teljesíteni.[7] Egy
2006-ban
született
rendeletet
módosító
jogszabály
szerint
Magyarországon 2019-től csak azon középületekre adható ki építési engedély, amelyek közel nulla energiaigényűek. 2021-től pedig a lakóépületekre is kötelező érvényű lesz ez a szabályozás. A kormány honlapján megjelent tervezet szerint, az energiaigény egynegyedét az épületben vagy annak közvetlen környezetében telepített megújuló energiát hasznosító rendszer(ek)ből kell biztosítani a jövőben. A beruházásnak az épület becsült élettartamáig kell megtérülnie. [11]
1.3. A NAPENERGIA A napenergia „befogásának” számos korlátozó tényezője nehezíti a napenergiát hasznosító rendszerek elterjedését. Látnunk kell, hogy ez a fajta energia változóan áll rendelkezésünkre, mind időben, mind térben. A kínálat és igény nem esik egybe, évszakonként és napszakonként változik. Télen, illetve éjszaka,
amikor
a
leginkább
szükségünk
lenne
rá,
nehezebben
tudjuk
szolgálatunkba állítani a Napot. Napjainkban nagy mennyiségű energia bármilyen formában történő tárolása az egyik legnagyobb műszaki kihívást jelenti, igaz ez a Nap által közölt energiára is. A negyedik problémát a jelenleg még igen magas beruházási költségek jelentik. A mostani energiaárak mellett kérdéses egy napenergiát „befogó” rendszer telepítésének megtérülése. [1] A Nap által a Földre érkező hatalmas energiamennyiség kihasználására két műszaki megoldás született:
napkollektoros-rendszer segítségével: a Nap által sugárzott hő begyűjtése.
fotovoltaikus
berendezéssel
(napelem):
a
Nap
elektro-mágneses
sugárzásának árammá fejlesztése. A következőkben ezen két rendszer felépítését, működését és méretezését szeretném részletesen ismertetni.
11
2. NAPKOLLEKTOROS RENDSZER 2.1. A NAPKOLLEKTOROS RENDSZER FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE A napkollektoros rendszerek a Nap sugárzási energiáját alakítják át hőenergiává, meleg víz formájában tárolják, valamint a fogyasztó rendelkezésére bocsátják. A napkollektoros rendszerek az alábbi fő részekből állnak:
napkollektor: a Nap a belőle érkező hősugárzási energiát valamilyen folyadékközegnek
adja
át.
A
napkollektor
hatásfoka
alapvetően
meghatározza az egész rendszer hatékonyságát.
tároló: ez a tartály a kollektor által felmelegített meleg vizet tárolja.
működtető, szabályzó, biztonsági és ellenőrző szerelvények: a rendszert működtető mechanikai és elektronikai szerkezetek tartoznak ide.
csővezetékrendszer:
a
kollektort
a
tárolóval,
illetve
felhasználási ponttal összekötő csővezetékek összessége. [3]
2. ábra. Napkollektoros rendszer [37]
12
a
tárolót
a
2.2. A NAPKOLLEKTOROK FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE, FAJTÁI A kollektor a szolárrendszer egyik legfontosabb egységét képezi. Típusa, hatásfoka nagyban befolyásolja a rendszer egészének működését, hatékonyságát. Kiválasztásánál körültekintően kell eljárnunk, ehhez viszont ismernünk kell típusait és azok felépítését. Alapvetően három fajtáját különböztetjük meg a kollektoroknak, viszont ezeken belül eltérő technikai megoldások is léteznek: Síkkollektor Koncentráló kollektor Vákuumcsöves kollektor o Heatpipe rendszerű napkollektor o U-pipe rendszerű napkollektor
2.2.1.
SÍKKOLLEKTOR A
síkkollektor
lényegében
kollektorházból,
hőelnyelőből
(abszorber),
hőszigetelésből és átlátszó fedőrétegből áll. A napsugárzás áthatol az átlátszó fedőrétegen, ráesik az elnyelőlemezre (abszorber), amely abszorpció révén átalakítja a sugárzást hővé. [1]
3. ábra. Síkkolektor [32]
2.2.2.
KONCENTRÁLÓ KOLLEKTOR Ennél a típusnál homorú tükröket használnak a napfény fókuszálására. A
napsugárzást egyetlen pontra vagy csővezetékre irányítják, amelyek a tükrök fókuszpontjában vagy egyenesén helyezkednek el. Jellemzően naperőművekben, magas
hőmérsékletű
(250°C-tól
800°C-ig)
13
technológiai
folyamat
hőjének
előállítására használják. Hátrányuk, hogy precíz követő berendezésre van szükség, mivel csak a közvetlen napsugárzást képesek hasznosítani, a szórt sugárzást nem. A követő automatikának köszönhetően drágább berendezés, mint sík vagy vákuumcsöves rokonai, ezért háztartások fűtésére, melegvíz-előállítására kevésbé elterjedt rendszer. [1]
4. ábra. Koncentráló kollektor[29]
2.2.3. VÁKUUMCSÖVES KOLLEKTOR Köztudottan a vákuum a legjobb hőszigetelő, ezt a rendkívül jó tulajdonságát használja ki ez a fajta kollektor. Egy dupla falú üvegcső két fallal határolt részéből kiszivattyúzzák a levegőt, ezzel biztosítva a szinte tökéletes hőszigetelést a cső belsejében. A duplafalú üvegcső anyaga bórszilikát, amely speciálisan ütésálló, és a felületére érkező napsugárzást szinte tökéletesen átengedi. A dupla falú üvegcső belső felületére különlegesen nagy fényelnyelő képességű abszorpciós bevonatot gőzölnek fel, amely megközelítőleg a beérkező fénysugár 100%-át elnyeli. Így érhető el, hogy a napsugárzás átjut az üvegcső falán, viszont a már hővé alakult energia nem képes távozni a rendszerből, szinte teljes egészében hasznosul. Összefoglalva, a vákuumcsöves napkollektorok hatékonysága független a környezeti hőmérséklettől, csak a napsugárzás intenzitásától függ, azaz téli hideg időszakban is lehetséges a hatékony hőtermelés. [8] A vákuum fokozását a csövek alján elhelyezkedő gyűrűben található fémes csillogású bárium elpárologtatásával idézik elő. Ez az elem megköti a gyártás után a vákuumtérben fellelhető gázmolekulákat, illetve jelzőként is működik, ha a cső megreped, vagy eltörik, ugyanis a fémes színű réteg fehérré válik. [8] [9]
14
2.2.4.
HEATPIPE RENDSZERŰ NAPKOLLEKTOR Ennél a típusnál a duplafalú vákuum üvegcsövekbe ún. hőcső (heatpipe)
kerül beszerelésre, amelyben speciális, alacsony olvadáspontú folyadék kering. A napenergia hatására ez a folyadék felforr, majd gőz halmazállapotúvá válik, és felszáll a cső felső részében található hőpatronba. Itt kondenzálódik, átadva hőenergiáját a hőcsöveket kívülről körülvevő munkafolyadéknak. A lecsapódott folyadék visszafolyik a hőcső alsó részébe, ahol ismét elpárolog, és a körfolyamat kezdődik elölről. [8] [9]
5. ábra. Heatpipe rendszerű kollektor [33]
2.2.5.
U-PIPE RENDSZERŰ NAPKOLLEKTOR Az üvegcsövekbe U alakúra hajlított rézcsövet szerelnek. Az üvegcső
belsejét hőátadó lemez borítja, amely felforrósodva átadja hőjét a rézcsőben keringtetett fagyálló munkafolyadéknak. A felmelegedett folyadék hőcserélőn keresztül adja át hőjét a tárolónak. [9] Ezekhez a típusokhoz fejlesztették ki a CPC (Compound Parabolic Concentrator: kettős parabola koncentrátor) tükröt a teljesítmény növelése érdekében. A kollektorcső a parabolatükör fókuszegyenesére kerül, így a kollektor felületére érkező teljes napsugárzást a cső belsejében található abszorber lemezre irányítja. A koncentrált napsugárzás miatt hatékonyabb a hőelnyelés, anélkül hogy a kollektor felülete növekedett volna. A CPC tükör időjárás-állóságát a felületét borító bevonat biztosítja. [9]
15
6. ábra. U-pipe rendszerű kollektor [31]
2.3. SÍKKOLLEKTOR VAGY VÁKUUMCSÖVES KOLLEKTOR? A CPC tükrös vákuumcsöves napkollektorok messze a leghatékonyabb berendezések a különféle típusú napkollektorok között. Ebben a berendezésben egyesül
a
síkkollektorok
nagy
fényelnyelő
felülete
és
a
vákuumcsöves
napkollektorok rendkívüli hőszigeteltsége. Kedvezőtlenebb fényviszonyok esetén is nagyon hatékony hőtermelésre képesek. Kiegyenlítettebb hőtermelést biztosítanak, ezért téli-nyári használatra jobb választás, mint a síkkolektoros berendezések. [9]
2.4. A SZOLÁRRENDSZEREK TERVEZÉSE [10] A tervezés a hagyományos fűtési rendszerekhez képest merőben eltér. A hagyományos rendszerek méretezésénél a várható maximális melegvíz-igényt tartjuk szem előtt, tehát a feltétel nélküli ellátás biztosítását. A napkollektoros rendszerek ugyanakkor másodlagos szerepet játszanak a lakás melegvízellátásában, vagyis kiegészítő berendezésként létesítik őket. Tervezésükkor a cél, hogy a napenergia-kínálatot a lehető leghatékonyabban hasznosítsák, csökkentve a tüzelőanyag-szükségletet.
16
A továbbiakban a szolárrendszer méretezésének lépéseit konkrét példán keresztül szeretném bemutatni a könnyebb megértés érdekében, melyet egy átlag paraméterekkel rendelkező családi házra vonatkoztatok. A napkollektoros rendszerek kiépítésénél a következő paramétereket kell figyelembe venni:
Hőszükséglet a használati meleg víz előállításához
A telepítési helyszín időjárási adatai
A kollektor felület elhelyezése és beállítani kívánt dőlésszöge
A rendszer-konfiguráció
A kívánt éves szolár fedezeti fok és rendszer-kihasználtsági fok értéke
2.4.1.
HŐSZÜKSÉGLET A HASZNÁLATI MELEG VÍZ ELŐÁLLÍTÁSÁHOZ A legfontosabb szempont a kollektoros rendszerek méretezésénél a
melegvíz-igény. Számításánál szükségünk lesz villanyóra segítségével mérhető adatok vagy tapasztalati értékek valamelyikére. Villanybojler-rendszer esetén az áramfogyasztást akár közvetlenül is mérni tudjuk villanyóra segítségével, ha külön áramkörben van a bojler. Ekkor csupán az éves fogyasztást kell korábbi villanyszámlák alapján kiszámolnunk. Ha erre nincs lehetőség, vagy gázkazánnal történik a melegvíz-előállítás, akkor egy egyszerű számítási képlet lesz a segítségünkre. A
napi
háztartási
melegvíz-szükséglet
kielégítéséhez
szükséges
energiaérték az alábbi képlettel számolható: (1) ahol: mvíz [kg]: a víz tömege cvíz [Wh/kgK]: a víz hőkapacitása vagy fajhője ΔT [°C]: a hideg és meleg víz közötti hőmérséklet-különbség Ha az éves energiaszükségletre vagyunk kíváncsiak, akkor a fenti képlettel kapott értéket beszorozzuk 365-tel.
17
2. táblázat. Melegvíz-fogyasztás személyenként és naponként (45 °C-os víz esetén) [10] Kis fogyasztás
20-30 l
Közepes fogyasztás
30-50 l
Nagy fogyasztás
50-70 l
Tehát ha feltételezzük, hogy egy 3 személyes háztartás személyenként 35 l liter vizet fogyaszt, akkor a napi energiaszükséglet a következő lesz: mvíz = 3 × 35 l ≈ 3 × 35 kg cvíz = 1,16 Wh/kgK ΔT = 35 °C Ezt átszámítva 365 napra 1556 kWh éves energiaszükséglet adódik. A későbbiekben 1500 kWh-ra kerekített értékkel fogok számolni.
2.4.2.
A TELEPÍTÉSI HELYSZÍN IDŐJÁRÁSI ADATAI A Napban rejlő potenciál kihasználásának mértéke jelentősen befolyásolt a
telepítés helyszínétől. A napfényből rendelkezésünkre álló energia mennyisége függ a sugárzás időtartamától, intenzitásától, a földrajzi helyzettől, az időjárási viszonyoktól és periodikusan ingadozik az aktuális évszaknak és napszaknak megfelelően. Magyarország az északi mérsékelt övben, az északi szélesség 45,8° és 48,6° között található, ahol a napsütéses órák száma megközelítőleg 2200 h/év. Magyarországot tekintve, az egy négyzetméterre érkező energiamennyiség értékét a 7. ábra alapján könnyen megállapíthatjuk. Például a miskolci térségbe érkező éves energia egy négyzetméternyi vízszintes felületre vonatkoztatott értéke Qbesugárzás = 1200 kWh/m2. Ha viszont a napenergiát hasznosító rendszerek gyakorlatában elterjedt tájolású és dőlésszögű felületre érkező éves energiamennyiséget mérjük, azt kapjuk, hogy akár a Qbesugárzás = 1400 kWh/m2 értéket is elérheti, így a továbbiakban ezzel számolok.
18
7. ábra. Egy évben, egy négyzetméter vízszintes felületre érkező energiamennyiség értéke Magyarországon [30] A földfelszínt elérő napsugárzás két komponensből tevődik össze. A közvetlen sugárzás lényegében akadálytalanul, irányváltoztatás nélkül hatol át a légkörön. Ez felhőkkel nem takart, tiszta égboltnál jellemző. Diffúz sugárzás a napfény atmoszférán történő szóródásából keletkezik. Felhős időben a közvetett sugárzás a globál sugárzás akár 20-100%-át is kiteheti. 3. táblázat. Az 1 m2-re eső napsugárzás intenzitása [4] G [W/m2]
Diffúz sugárzás aránya [%]
Kék égbolt délben
800-1000
10
Ködös, borús időben
0-800
20-100
Éves átlag
600
60
2.4.3.
A KOLLEKTORFELÜLET ELHELYEZÉSE ÉS BEÁLLÍTANI KÍVÁNT
DŐLÉSSZÖGE
A szolárrendszer hatásfokát rontja, ha az ideális (déli) tájolástól és (40-45°os) dőlésszögtől eltérünk a kollektor telepítésénél. Tervezésnél törekednünk kell ennek betartására, ha ez nem lehetséges, akkor a 8. ábrából egyszerűen megállapítható a hatásfokromlás. Tegyük fel, hogy a vizsgált ház fekvése lehetővé teszi, hogy a kollektort a tetőszerkezetre telepítsük. A 30°-os dőlésszögű tető kollektor elhelyezésére alkalmas oldala nagyjából 30°-kal tér el a keleti iránytól déli irányba, amely 19
meglehetősen szerencsés tájolást jelent. A diagram alapján a két érték metszéspontja körülbelül a K = 85%-os körbe esik, így a későbbiekben ezzel a hatásfokkal fogok számolni.
8. ábra. Kollektorok hatásfoka a tájolás és dőlésszög függvényében [26]
2.4.4.
A RENDSZER-KONFIGURÁCIÓ Ez alatt a szolárrendszer működtetését végző mechanikai és elektronikai
eszközök
beállítását
értjük.
A
megfelelően
automatizált
szolárrendszer
vezérlőelektronikája gondoskodik róla, hogy gazdaságosan működjön a kollektor. Például amennyiben a kollektorból érkező szolárfolyadék hőmérséklete nem haladja meg a 15-20 °C-ot, nem éri meg keringtetni a közeget.
2.4.5.
A KÍVÁNT ÉVES SZOLÁR FEDEZETI FOK ÉS RENDSZER -KIHASZNÁLTSÁGI
FOK ÉRTÉKE
A fedezeti fok a meleg víz előállításához szükséges teljes hőmennyiség és napkollektor-rendszer által megtermelt hőmennyiség hányadosa. 100%-os fedezeti fok elérése aligha lehetséges a már korábban említett kínálat és kereslet időbeli eltérése miatt. A kollektorfelület növelésével tudnánk a téli időszakban a teljes melegvíz-szükségletet szolárrendszerrel fedezni, azonban a nyári időszakban jelentős felesleget okozna, gazdaságosság szempontjából nem jó megoldás. A fedezeti fok megválasztásánál ésszerű cél lehet, hogy a fűtési időszakon kívül teljesen ki lehessen iktatni a fűtőkazánt. Ennek hátterében a csak háztartási melegvíz-előállítási üzemben rossz hatásfokkal működő kazán áll. Egy- és
20
kétlakásos családi házakban általában 100%-os nyári fedezeti fokra törekszünk, amely éves viszonylatban 60%-os fedezeti fokot jelent. Ez esetünkben is egy reális választás.
9. ábra. Hőszükséglet és hőnyereség a hónapok függvényében [26] A rendszer-kihasználtsági fok a rendszer energetikai értékelésére szolgál. E mutatószám alatt a szolárrendszer által megtermelt, fogyasztónak hasznos hőenergia és a kollektorfelületre besugárzott napenergia viszonyát értjük. E paraméter felső határa a jelenlegi technológiákkal kb. 70%-os értéket érhet el. Gyakorlatban azonban ennek a számnak a töredékét vagyunk képesek elérni a következő negatív befolyásoló tényezők miatt: 1. Nagy csőhosszak 2. Kevés vagy rossz hatásfokú hőszigetelés 3. Egyenetlen melegvíz-fogyasztási idők 4. Magas melegvíz-készenléti idők Fontos megjegyezni, hogy a rendszer-kihasználtsági fok és a fedezeti fok egymással ellentétesen viselkedik. Növekvő szolár fedezeti foknál csökken a rendszer-kihasználtsági fok, és fordítva. A 4. táblázat segítséget nyújt a kihasználtsági fok becslésénél, viszont figyelembe kell vennünk az előbb említett tényezőket, amelyek jelentősen ronthatják értékét.
21
4. táblázat. A fedezeti fok és rendszer-kihasználtsági fok értékei [10] Fedezeti fok [%]
Rendszer-kihasználtsági fok [%]
100
0
80
20
60
30
40
40
20
50 Egy- és kétlakásos családi házi berendezések melegvíz-készítéshez Egy- és kétlakásos családi házi fűtéskiegészítő berendezések
A világossárgával jelölt sort tekintve, 60%-os fedezeti fokhoz - irányadó értékként 30%-os rendszer-kihasználtsági fok párosul.
2.4.6.
A KOLLEKTORFELÜLET MÉRETEZÉSE
Ö KÖLSZABÁLY Ha a melegvíz-előállítás hőszükségletét, az iránybeállítást és hajlásszöget meghatároztuk, illetve a fedezeti fokot kiválasztottuk, akkor következik a kollektorfelület méretezése.A gyakorlatban egy nagyon egyszerű méretezési alapszabály
terjedt
el:
60%-os
fedezeti
fokhoz
személyenként
1-1,5
m2
síkkollektorra, illetve 0,8 m2 vákuumcsöves kollektorra van szükség. Az ideális iránytól és dőlésszögtől való eltérés esetén a korábban ismertetett K hatásfok tényezőt is figyelembe kell venni a számításnál.
P ONTOS SZÁMÍTÁS A szükséges kollektorfelület az alábbi képlettel számítható ki pontosan: (2) ahol: Akoll [m2]: nettó kollektorfelület Sfedezeti [-]: szolár fedezeti fok Srendsz [-]: szolár rendszer-kihasználtsági fok Qigény,hő [kWh]: éves hőenergia-igény a melegvíz-készítéshez Qbesugárzás [kWh/m2]: 1m2-re eső éves szolár besugárzás K [-]: a kollektor tájolásától és dőlésszögétől függő tényező Saját példámnál maradva az alábbi szükséges kollektorfelület adódik:
22
Sfedezeti = 0,6 Srendsz = 0,3 Qigény,hő = 1500 kWh Qbesugárzás = 1400 kWh/m2 K = 0,85
Természetesen nem kell ragaszkodni a fenti módszer szerinti pontos eredményhez, célszerű a piacon kapható modulméretekből választani, és azokból összeállítani az igényünknek legmegfelelőbb kollektorfelületet.
2.5. A KOLLEKTOR TELJESÍTMÉNYÉT LEÍRÓ FOGALMAK, MENNYISÉGEK 2.5.1.
A KOLLEKTOR HATÁSFOKA A piacon kapható számtalan napkollektor kiválasztását segíti a kollektorok
hatásfoka, mellyel lehetőségünk van a berendezések összehasonlítására. A kollektor hatásfoka alatt a kollektor által a hőhordozó közegnek átadott energiamennyiség és a Nap által a kollektor felületére érkező energiamennyiség hányadosát értjük. A hatásfok megállapításához szükség van a napkollektor teljesítményét
befolyásoló
tényezőkre,
a
kollektor
és
környezete
közötti
hőmérséklet különbségre, és a napsugárzás intenzitását jellemző adatra. A hatásfokot nem lehet egyetlen, fix értékkel megadni, mivel függvénye egy sor külső, környezeti tényezőnek. A gyakorlatban egy jelleggörbe formájában szokás megadni ezt a mennyiséget.
2.5.2.
AZ OPTIKAI HATÁSFOK A hatásfokgörbének a függőleges tengellyel való metszéspontja, a lehetséges
maximális hatásfoka a kollektornak. Ez a mennyiség döntően a felület optikai tulajdonságától függ, vagyis hogy mekkora hányadát reflektálja vissza a beérkező sugárzásnak, illetve az abszorber elnyelő-képességének függvénye.
23
2.5.3.
A NYUGALMI ÁLLAPOTBELI HŐMÉRSÉKLET Ez a napkollektor maximálisan elérhető hőmérsékletét jelenti, amely
értéket a kollektorok jellemzőinél szokás feltüntetni. A maximális hőmérséklet elérése akkor következik be, ha a szolár-berendezés nem vesz át hőt, tehát a csővezetékekben nem cirkulál a munkafolyadék.
2.5.4.
A LINEÁRIS HŐVESZTESÉGI EGYÜTTHATÓ A napkollektorra jellemző állandó érték, melytől a hőveszteségek lineárisan
függnek. A berendezések teljesítőképességének mérésekor egy sor szabványos mérést
végeznek
rajtuk,
hogy
leírják
viselkedésüket
különböző
üzemi
állapotokban. A mérés során állapítják meg K1 értékét.
2.5.5.
A NÉGYZETES HŐVESZTESÉGI TÉNYEZŐ Szintén a mérés során meghatározott, a kollektorra jellemző tényező. A
hőveszteségek négyzetesen függnek K2–től.
2.5.6.
A NAPSUGÁRZÁS INTENZITÁSA Megmutatja,
hogy
a
Napból
Föld
1
m2-nyi
felületére
mekkora
energiamennyiség érkezik 1 másodperc alatt. Értéke a 7. ábra alapján becsülhető meg.
2.5.7.
A HATÁSFOK FÜGGETLEN VÁLTOZÓJA A kollektor és levegő hőmérséklet különbség és a Napból érkező energia
hányadosát értjük alatta. Értékét a következő képlettel tudjuk kiszámolni: (3) ahol: Tkoll [°C]: a kollektor átlaghőmérséklete Tlev [°C]: a levegő hőmérséklete A fenti fogalmak ismeretében az alábbi képlettel tudjuk meghatározni a kollektor hatásfokát leíró görbét. (4) ahol: η0 [-]: optikai hatásfok
24
K1 [-]: lineáris hőveszteségi együttható K2 [-]: négyzetes hőveszteségi tényező G [W/m2]: a napsugárzás intenzitása X [Km2/W]: a hatásfok független változója Példaként tekintsük meg, hogyan alakulnak a hatásfokok függvényei néhány piacon kapható kollektor esetében.
0,9 0,8 Ariston Kairos CF 2.0 típusú síkkollektor
0,7 0,6 0,5 ɳ [-] 0,4
Ariston Kairos VT 15 típusú vákuumcsöves kollektor
0,3 0,2 0,1
G=600 W/m2 0,133
0,117
0,100
0,083
0,067
0,050
0,033
0,017
0,000
0,0
X [Km2/W]
10. ábra. Ariston Kairos CF 2.0 típusú síkkollektor és Ariston Kairos VT 15 Típusú vákuumcsöves kollektor összehasonlítása2
A görbék megszerkesztéséhez szükséges kollektorok adatait a [10] és [18] forrásokból merítettem. 2
25
0,9 0,8
auroTHERM classic VFK 990/1 típusú síkkollektor
0,7 0,6 0,5 ɳ [-] 0,4
auroTHERM exclusiv VTK 550 típusú vákuumcsöves kollektor
0,3 0,2 0,1
G=600 W/m2 0,167
0,150
0,133
0,117
0,100
0,083
0,067
0,050
0,033
0,017
0,000
0,0
X [Km2/W]
11. ábra. auroTHERM classic VFK 990/1 típusú síkkollektor és auroTHERM exclusiv VTK 550 típusú vákuumcsöves kollektor összehasonlítása 3 Általánosságban elmondhatjuk, hogy a vákuumcsöves kollektorok jobb hatásfokkal működnek, jól alátámasztják ezt az állítást a fenti diagramok.
26
0,9 0,8 0,7 Tiszta időben (1000 W/m2)
0,6 0,5 ɳ [-] 0,4
Párás időben (600 W/m2)
0,3 0,2 0,1
0,167
0,150
0,133
0,117
0,100
0,083
0,067
0,050
0,033
0,017
0,000
0
X [Km2/W]
12. ábra. auroTHERM exclusiv VTK 550 típusú vákuumcsöves kollektor viselkedése tiszta és párás időben3 Tiszta időben gyakorlatilag minimálisan csökken a kollektor hatásfoka, ahogy a kollektor és levegő hőmérséklet különbség növekszik. Azonban ritka az ilyen kedvező
időjárás,
kisebb
besugárzási
értéknél
jelentős
hatásfokromlás
tapasztalható ugyanazon kollektor esetében.
2.6. A KOLLEKTOROS-RENDSZER ÉVES HASZNOS TELJESÍTMÉNYE A kollektor éves hasznos teljesítménye: (5) 2,5 m2 felülettel és 40 %-os átlagos hatásfokkal számolva: Qbesugárzás = 1400 kWh/m2 K = 0,85 ɳ = 0,4 Akoll = 2,5 m2
A görbék megszerkesztéséhez szükséges kollektorok adatait a [10] és [18] forrásokból merítettem. 3
27
A számítások szerint tehát a szolárrendszer 80 %-ban fedezi a melegvízelőállításához szükséges 1500 kWh-ás éves energiaigényt.
2.7. A TÁROLÓ ÉS A HŐCSERÉLŐ MÉRETEZÉSE A
hagyományos
melegvíz-készítési
rendszerek
tárolóihoz
képest
a
szolárrendszerek tárolói nagyobb méretűek. Két okból kell a tároló űrtartalmat megnövelni. Egyrészt a szolárrendszer például téli napokon nem képes olyan magas hőmérsékletű vizet előállítani, mint a hagyományos rendszerek, ezért az alacsonyabb hőmérsékletű vízből nagyobb mennyiségre van szükség. Másrészt a derültebb napokon „befogott” napenergiát el tudják tárolni, hogy áthidalhassák a borultabb napokat. Viszont túl nagyra sem szabad méretezni. A gyakorlat azt mutatja, hogy a napi fogyasztás 1,5-2-szereséből kell kiindulni, de az 50 liter tároló űrtartalomnak meg kell lennie egy négyzetméter kollektorfelületre vetítve. Lehetőség szerint a szolár-berendezést célszerű kombinálni szabályozott utánfűtéssel. A szabályozást úgy kell beállítani, hogy az utánfűtés mindig a melegvíz-használat előtt történjen. A
hőcserélő
felületét
úgy
kell
méretezni,
hogy
egy
négyzetméter
kollektorfelületre legalább 0,3 m2-0,4 m2 bordáscsöves vagy 0,2 m2 simacsöves felület essen. Példámnál maradva, egy háromfős háztartás személyenként 35 literes melegvíz-fogyasztást feltételezve, kerekítve 100 liter meleg vizet igényel. Tehát 150-200 liter űrtartalmú tárolóra van szükség. Ehhez 1,2 m2 felületű bordáscsöves, vagy 0,6 m2 felületű simacsöves hőcserélő párosul.
2.8. A CSŐVEZETÉKEK ÉS A SZIVATTYÚ MÉRETEZÉSE A csővezetékeken keresztül jut el a felmelegített munkafolyadék a tárolóhoz, majd onnan a lehűlt közeg visszaáramlik a kollektorba. A folyadék cirkulációját a szivattyú tartja fenn, melynek méretezése fontos az egész rendszer gazdaságos működése szempontjából. A kollektorkörben folyó térfogatáram a kollektorfelülettől függ. Egy- és kétlakásos házaknál körülbelül 40-50 l/m2h térfogatárammal kell számolni, amely 2,5 m2-es kollektorfelületnél kb. 120 l/h térfogatáramot jelent. Tegyük fel, hogy a szolárrendszer csővezetékét 1/2” átmérőjű csövekből szeretném megépíteni. A vezeték becsült hossza 30 m.
28
Csőméretek: dcső = 15 mm = 0,015 m l = 30 m Térfogatáram: Q = 120 l/h = 0,120 m3/h = 1/30000 m3/s A fagyálló munkafolyadék sűrűsége: ρ = 1040 kg/m3 Kinematikai viszkozitása: Így a csőkeresztmetszet a következő lesz: (6) A csőkeresztmetszet és térfogatáram ismeretében meghatározom a munkafolyadék sebességét: (7) A csővezetékrendszer nyomásveszteségének kiszámításához szükségem van a csősúrlódási tényezőre (ƛ), amely a Reynolds-számtól (Re) függ: (8) (9) A szerelvények veszteségtényezői, feltételezve, hogy 10 db könyök és 5 csap kerül beépítésre:
A fentiek ismeretében meghatározom a csővezeték jelleggörbét: (10)
A csővezeték vesztesége alapján katalógusból kiválasztom a Grundfos UPS 2520/UPS 32-20 típusú háromfokozatú keringtetőszivattyút. (Függelék: 7.1. adatlap) A diagram vízszintes tengelyén a térfogatáram szerepel. Ezt a mennyiséget ismerem, így behúzhatok egy függőleges egyenest. Tehát a diagramban a piros
29
vonal mentén állandó Q = 120 l/h értékű térfogatáram van. A veszteség ismeretében a függőleges tengelyen megkeresem a H = 0,7 m értéket. Számomra a 1. fokozat lesz megfelelő, mivel ekkor már elegendő térfogatáramot tud biztosítani a szivattyú.
2.9. TÁGULÁSI TARTÁLY MÉRETEZÉSE A tágulási tartály feladata,
hogy a munkafolyadék melegedésekor
bekövetkező tágulást felvegye. Célunk, hogy a biztonsági szelep ne lépjen működésbe gőzképződés esetén, mivel ezzel is energia kerülne ki a rendszerből. Vákuumcsöves kollektoroknál nagyobb méretű tartályra van szükség, ugyanis űrtartalmuk nagyobb, mint a síkkollektoroké. A tároló névleges űrtartalma a következő képlettel számítható: (11) ahol: Vtágulási [l]: a tágulási térfogat Vkoll [l]: a kollektor űrtartalma Vcső [l]: a csővezeték-tartalom pvég [bar]: a rendszer végnyomása ptöltési [bar]: a rendszer töltési nyomása A tágulási térfogat a rendszer teljes űrtartalmának kb. 8,5 %-a: Vtágulási = (Vkoll + Vcső) × 0,085
(12)
A rendszer végnyomásának 0,5 bar-ral kisebbnek kell lennie a biztonsági szelep megszólalási nyomásánál: (13) ahol: pbizt [bar]: biztonsági szelep megszólalási nyomása A töltési nyomásnak pedig 0,5 bar-ral nagyobbnak kell lennie a rendszer statikus nyomásánál: (14) ahol: ρ [kg/m3]: a munkafolyadék sűrűsége g [m/s2]: a nehézségi gyorsulás h [m]: a szolárrendszerben lévő folyadékmagasság
30
Az auroTHERM exclusiv VTK 550 típusú vákuumcsöves kollektort veszem példának
a
következőkben.
Ennek
a
fénybelépési
felülete
0,82
m2,
kollektorűrtartalma 3,56 liter, maximális üzemi nyomása 6 bar. Három kollektor összekapcsolása esetén felületük 2,46 m2, tartalmuk 10,68 liter lesz: Vtágulási = (Vkoll + Vcső) × 0,085 = (10,69 + 5,4) × 0,085 ≈ 1,37 l Vkoll = 10,69 l Vcső = Acső × l = 0,00018 × 30 =0,0054 m3 = 5,4 l
A tároló névleges űrtartalma:
Vagyis 30 literes tágulási tartályra van szükség.
31
3. NAPELEMES RENDSZER 3.1. A NAPELEMES RENDSZER FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE A napelem erőmű olyan összetett rendszer, amely a napelem cellákon kívül magában foglalja a következő berendezéseket is:
kábelezés: a berendezéseket összekötő elektromos vezetékek összessége.
inverter: magyarul feszültség átalakító, használatával egyenáramból váltakozó áramot tudunk előállítani.
biztonsági földelés: érintésvédelmi eljárás, melynek során az elektromos eszközt a földdel, vagy a nulla vezetékkel kötjük össze, így elkerülve hogy kóboráramnál vagy rövidzárlatnál áramütést szenvedjünk.
villámvédelem: elektromos eszközeink védelme érdekében, egy esetleges villámcsapásnál,
annak
energiáját
egy villámhárítón
és
a hozzá
kapcsolódó vezetéken keresztül a földbe vezetjük.
transzformátor: olyan berendezés, amellyel átalakítjuk a váltakozó áram villamos teljesítményének feszültségét és áramerősségét.
kommunikációs
rendszer:
azon
eszközök
és
vezetékek,
amelyek
segítségével a napelemes rendszert hangoljuk össze.
árammérő óra: a hálózatra, illetve a hálózatból folyó áram mérésére szolgál.
32
13. ábra. Napelemes rendszer [34] Kétféle módja van egy napelemes rendszer üzemeltetésének. Az ún. sziget üzemmódban a többletenergiával akkumulátorokat töltünk, szükség esetén pedig az akkumulátorokból fedezzük a hiányt. Ekkor nincs szükség transzformátorra. Ez a típusa a napelemes rendszereknek akár 1,5-2-szer drágább is lehet, mint a hálózatra kapcsolt, a jelenleg még igen magas előállítási költséggel bíró akkumulátoroknak köszönhetően. Hálózatra kapcsolt rendszernél a megtermelt, de pillanatnyilag fölösleges villamos áramot visszatápláljuk a villamosenergia szolgáltató hálózatába. [14] [15]
3.2. A NAPELEMEK FELÉPÍTÉSE, MŰKÖDÉSE, FAJTÁI A napelem egy olyan berendezés, amely a napsugárzást képes közvetlenül elektromos egyenárammá alakítani. Tulajdonképpen egy fényelektromos hatás alapján működő pn-dióda, amely megvilágítás nélkül egyensúlyi állapotban van. Napsugárzásnak vagy mesterséges világításnak kitéve, fotonokat nyel el, melyek a pn-átmenetet polarizálják. Ekkor a p-réteg pozitív, míg az n-réteg negatív feszültséget kap, és a két réteg között fotoelektromos feszültség generálódik, az áramkörben pedig egyenáram fog folyni. [2]
33
14. ábra. A napelem felépítése 4 [35] Fényelektromos hatás vezetőknél éppúgy megfigyelhető mint szigetelőknél, azonban jelentősége a gyakorlatban a félvezetőknél van. Ezek az anyagok alacsony hőmérsékleten szigetelőként, magasabb hőmérsékleten vezetőként viselkednek. Leggyakrabban alkalmazott félvezetők a szilícium és a germánium. Az előbbi stabilitása miatt - különösen alkalmas a napenergia hasznosítására, mivel elvileg korlátlan ideig változatlan marad. [3] A napelemeknek alapvetően három típusa van:
monokristályos (15. ábra, középső)
polikristályos (15. ábra, bal oldali)
amorf (15. ábra, jobb oldali)
15. ábra. Napelem típusok [35] [36]
3.2.1.
MONO- ÉS POLIKRISTÁLYOS NAPELEM A különbség a két kristályos napelem között alapvetően a gyártási
eljárásban van. Az egykristályos napelemeknél a gyártás során a nagy tisztaságú szilíciumot egy tömbben dermesztik meg, majd nyolcszög alakú cellákat vágnak belőle. Ezeket vízmentesen sorba kötik, és egy műanyag hátlap, valamint üveglap EVA: etilén-vinil-acetát (polimer); Tedlar: a DuPont által gyártott polivinil-fluorid fólia fantázianeve. 4
34
közé helyezve rögzítik. A monokristályos cellák a legjobb hatásfokkal (15-18%) működő, leghosszabb élettartamú (30 év) napelemek, áruk viszont a legdrágább mind közül. A többkristályos napelemeknél a szilíciumot négyzet alapú tömbbe öntik ki, eközben az anyag több kristályban szilárdul meg. Az egykristályoshoz képest a többkristályos napelemek hatásfoka (10-13%), élettartama (20 év) előállítási költsége alacsonyabb. Ránézésre onnan lehet megkülönböztetni őket, hogy míg a monokristályos napelem nyolcszög, addig a polikristályos napelem négyzet alakú cellákból áll. [3] [12]
3.2.2.
AMORF NAPELEM Ennél a típusnál a szilíciumot néhány mikrométeres vastagságú rétegben
viszik fel a
felületre. A csíkokat utólag vágják a felületbe lézer segítségével
kedvezőbb tulajdonságok elérése érdekében. Az amorf típusú cellák hatásfoka (68%) a legrosszabb, élettartama (10 év) a legrövidebb mind közül, ezt ellensúlyozza, hogy a legolcsóbbak a piacon. [3] [13]
3.3. A KISERŐMŰVEK HÁLÓZATRA CSATLAKOZTATÁSÁNAK KÖVETELMÉNYEI A hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek nagyon jól működő, hatékony megújuló energiaforrásoknak számítanak. Ha süt a Nap, a rendszer a napsugárzás energiáját elektromos egyenárammá, majd váltóárammá alakítja, amelyet az épületben, vagy a napelemes telep közvetlen környezetében azonnal fel tudunk használni. Ekkor lényegében ingyen jutunk villamos energiához, a megtermelt többletenergiát
pedig
visszatápláljuk
a
közüzemi
hálózatba,
amelyet
az
energiaszolgáltató köteles átvenni. Ha több a pillanatnyi fogyasztás, mint amennyit a napelemek megtermelnek, akkor a közüzemi hálózatról látjuk el a háztartást villamos árammal. A közüzemi hálózatról fogyasztott, és az oda visszatáplált energiamennyiséget villanyórával mérjük, mely alapján megtörténhet az elszámolás a fogyasztó és a szolgáltató között. Jellemzően nappal van kisebb fogyasztás, mivel ilyenkor az emberek nem tartózkodnak otthon, viszont országos szinten a nappali időszak jelenti a csúcsot, ezt segít kielégíteni a napelemes rendszer. [15]
35
„2008-tól a villamos energiáról szóló 2007. évi LXXXVI törvény, valamint annak
végrehajtásáról
szóló
273/2007.
(X.19.)
Korm.
rendelet
alapján
kisfeszültségű közcélú csatlakozó fogyasztók (háztartások és vállalkozások is) 50 kVA-ig (45 kW) úgynevezett háztartási méretű kiserőművet létesíthetnek. A háztartási méretű kiserőmű
a felhasználó saját kisfeszültségű hálózatához csatlakozik
nem haladja meg a felhasználóként rendelkezésre álló teljesítményt
max. 50 kVA névleges teljesítőképességű (egy átlagos lakás éves fogyasztásának megfelelő energiamennyiséget 2-3 kVA-es napelemes rendszer megtermeli.)” [15] A jogszabály szerint az elszámolás egyszerű szaldó számítással történik.
Ennek alapján vagy tartozásunk van az áramszolgáltató felé vagy követelésünk, illetve az is előfordulhat, hogy annyit termeltünk meg, amennyit el is fogyasztottunk, ekkor senki nem fizet senkinek. A megtermelt többletenergiát a szolgáltató 85%-os fogyasztói áron köteles átvenni tőlünk. Az elszámolási időszak lehet éves, negyedéves vagy havi, melyet joga van a fogyasztónak megválasztani. Célszerű éves elszámolást kérni, ugyanis az el nem fogyasztott energia bekerül a közüzemi
hálózatba,
ahonnan
az
elszámolási
időszakon
belül
bármikor
visszavehető, így lényegében a hálózat tárolóként használható. Ezzel szemben, ha havi elszámolást kérünk, és többletenergiánk van (pl. nyáron), ugyan kifizetésre kerül a visszatáplált villamos áram, de csak az aktuális fogyasztói ár 85%-án. [15]
36
4. VILLAMOS ÁRAMOT ÉS HŐT ELŐÁLLÍTÓ NAPENERGIA HASZNOSÍTÓ RENDSZER 4.1. DUAL SOLAR-POWER (DSP®) ENERGY SYSTEM
16. ábra. Dual Solar-Power Energy System [38] Az NG Project Kft. által kifejlesztett találmány egy olyan berendezés, mely egyesíti a dolgozatomban korábban tárgyalt napenergiát hasznosító kétféle rendszert. A Dual Solar-Power (DSP®) Energy System képes egyidejűleg villamos energia, valamint hő előállítására. A berendezés parabolikus tükröző eleme a napsugarakat egy központi felületre vetíti, ahová így a napenergia koncentrált formában érkezik. A Napból érkező sugárzást egy félvezető anyagból készült, DENSE ARRAY típusú napelem alakítja át elektromos egyenárammá. E mögött helyet kapott egy hőcserélő rendszer, amely a napelem túlmelegedését hivatott megakadályozni. A cellák hűtése során meleg vízhez jutunk, amit fűtésrásegítésre vagy a háztartási melegvíz-igény kielégítésére használhatunk. A rendszer kéttengelyes, PLC vezérelt napkövető berendezéssel való ellátása biztosítja, hogy mindig, minden év- és napszakban a lehető legtöbb energia "befogását" érjük el.
37
Maximálisan 4,4 kW villamos áram és 10 kW hő előállítását tudja produkálni. A találmány
a
nap
mozgását
követő,
és
sugárzását
fókuszáltan
vetítő
parabolatükörrel (1) rendelkezik, mely a koncentrált napsugarakat a cellákra (4) irányítja. Az áramköri hordozón elhelyezett cellák alatt a már fentebb említett hőcserélő rendszer (5) biztosítja a hőenergia hasznosítását. A cellák védelmét egy kis abszorpciójú védőüveget (3) szolgálja. A mérőeszközök mérik a szélsebességet, a sugárzás
intenzitását,
a
hűtőfolyadék
hőmérsékletét,
valamint
áramlási
sebességét. Szükség esetén, az áramkör sugárzás elleni védelmét kitakaró lemez (2) biztosítja. Kitakarásra akkor kerülhet sor, ha leáll a hűtőközeg áramlása. A parabola fókusztávolsága (F) 1750 mm. Az egyenáram váltakozó árammá alakítását egy GROWAT 4400TL típusú inverter végzi. Így érhető el, hogy szükség esetén a felesleges energiát visszatápláljuk a közüzemi hálózatba, valamint hogy a legtöbb, váltakozó árammal működő háztartási gép használni tudja a megtermelt áramot.
17. ábra. A DSP felépítése A rendszer részei:
1: parabola
2: kitakaró lemez 38
3: védőüveg
4: napelem cellák
5: hőcserélő egység
4.2. A GLOBÁL ÉS DIREKT SUGÁRZÁS MÉRÉSE A berendezés koncentráló jellegénél fogva, kizárólag a Napból közvetlenül érkező, direkt sugárzás hasznosítására képes. Ennek meghatározása kétféleképpen történhet: méréssel vagy számítással. A
meteorológia
sugárzástanban
két
mérőeszközt
használnak
leggyakrabban. Ezek általában termoelektromos elven mérik a Napból érkező áramsűrűséget. A piranométer a globális sugárzást, vagyis a diffúz és a direkt sugárzást egyszerre méri. Ennek mérési eredményeit síkkollektorok illetve vákuumcsöves kollektorok esetében tudjuk felhasználni, mivel a sugárzás mindkét típusát hasznosítani tudják működésük során.
18. ábra. Piranométer [39] A piranométerrrel ellentétben a pirheliométer kizárólag az akadálytalanul, közvetlenül a Napból érkező sugárzás energiasűrűségét méri. Ehhez precíz napkövető berendezést kell biztosítani, hogy az eszközre mindig merőlegesen érkezzenek a napsugarak. Magyarországon jelenleg az Országos Meteorológiai Szolgálat végez piranométerrel mérést, amellyel a vízszintes felületre érkező globál sugárzás nagyságát, valamint pirheliométerrel a napsugarakra merőleges felületre eső direkt sugárzást rögzítik. Míg az előbbi nyilvános adat, az utóbbihoz díjazás ellenében lehet hozzájutni. [3]
39
19. ábra. Pirheliométer [40]
0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
20. ábra. A direkt és globál vízszintes felületre érkező sugárzás havi összegeinek aránya Magyarországon5
A diagram megszerkesztéséhez szükséges adatokat a [3] számú forrásból merítettem. 5
40
4.3. NAPGEOMETRIAI PARAMÉTEREK, A HŐNYERŐ FELÜLET ÉS A NAPSUGÁR VISZONYA A Földre jutó napsugárzás mennyisége elsősorban a Nap és a Föld egymáshoz viszonyított geometriai helyzetétől és a napsugarak beesési szögétől függ. Az NG Project Kft. által tervezett találmány napkövető berendezéssel való ellátása lehetővé teszi, hogy az eszköz mindig merőleges legyen a Napból érkező sugarakra. Ahhoz, hogy ki tudjuk számolni a DSP napkövető parabolájára érkező energia mennyiségét, a következő fogalmakkal tisztában kell lennünk.
Napmagasság szöge: a Naphoz húzott egyenes és a megfigyelő horizontja által bezárt szög.
Beesési szög: a felszínre érkező sugárzás és a felszín normálisa által bezárt szög.
Nap azimutszöge: vízszintes síkon a napsugár vetületének elmozdulási szöge. [16] A Nap járását az égbolton ún. nappálya diagramok segítségével lehet síkban
ábrázolni. Erre mutat példát a Budapestről készült 21. ábra. Leolvashatjuk róla a napmagasság szögeket, valamint a Nap azimutszögeit az év- és napszak függvényében.
21. ábra. Nappálya diagram Budapestről [41]
41
Egy internetes program segítségével a napmagasság szögeket havi és óránkénti bontásba kigyűjtve, a Függelék 7.2.1. táblázatát kapom.
4.4. AZ OPTIKAI LÉGRÉTEG FOGALMA A Napból érkező sugárzás egészen a Föld atmoszférájáig akadálytalanul jut el. Ekkor a napsugarak egy négyzetméterre eső energiamennyisége G0 = 1353 W/m2, amit napállandónak nevezünk. Azonban az atmoszféra felső határától kezdve intenzitása attól függően csökken, amekkora utat a légkörben megtesz, míg a földfelszínt eléri. A légkör befolyásoló hatását leíró mennyiség az optikai légréteg, melyet m-mel jelölünk. Segítségével megbecsülhető, hogy a napsugarak hány atmoszférányi utat tesznek meg, míg elérik a Földet. Az optikai légrétegre a következő összefüggés érvényes: (15) ahol: β[°]: a napsugarak beesési szöge a napmagasság szöge [23] Vegyük például azt az esetet, amikor a napmagasság szöge 30°, vagyis a függőlegessel bezárt szöge 60°:
Ez azt jelenti, hogy ekkor a sugaraknak a légréteg vastagságának kétszeresét kell megtenniük. A 7.2.1. táblázat mindegyik értékével elvégezve a műveletet az összes esetre megkapom az optikai légréteg vastagságát. (Függelék: 7.2.2. táblázat)
4.5. A DIREKT ENERGIAMENNYISÉG Ismerve az optikai légrétegeket a év- és napszakok függvényében az alábbi képlettel számolhatom ki a direkt sugárzás intenzitását: (16) ahol: G0 [W/m2]: napállandó moptikai [-]: optikai légréteg [24] Például 60°-os beesési szögnél: moptikai = 2
42
A Függelék 7.2.2. táblázat összes adatára elvégezve megkapom a Függelék 7.2.3. táblázatát, ezt szemlélteti a 22. ábra.
Gdirekt [W/m2] 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 3 5
7
9
11
13
15
Jan Febr Márc Ápr Máj Jún Júl Aug Szept Okt Nov Dec
17
19
22. ábra. A napsugarakra mindig merőlegesen álló, 1 m2-nyi felületre eső direkt sugárzás havonta és óránként A Függelék 7.2.3. táblázatának értékeit oszloponként összegezve és egy hónapra vetítve (30-cal beszorozva) megkapjuk, hogy mekkora direkt energiamennyiség érkezik 1 m2-nyi, a napsugarakra merőleges területre havonta. 5. táblázat. 1 m2-nyi, a napsugarakra merőleges területre eső direkt energiamennyiség havonta Hó Jan Energia 123 [kWh]
Febr 170
Márc Ápr 223 276
Máj 317
Jún 335
Júl 330
Aug 298
Szept 251
Okt 196
Nov 140
Dec 114
Egy évre vetítve ez az érték 2772 kWh lenne. Ekkora energiamennyiséget akkor tudnánk hasznosítani, ha az év minden napja abszolút felhőmentes lenne.
43
4.6. NAPSÜTÉSES ÓRÁK SZÁMA A napsütéses órákra vonatkozó mérések adatai megmutatják, hogy mekkora óraszámban volt felhőmentes az ég, adott időszakban. A koncentráló napenergia hasznosító berendezések kizárólag az akadálytalanul érkező, direkt sugárzást tudják
villamos-
vagy
hőenergiává
alakítani,
felhővel
takart
égboltnál
teljesítményük nulla. A magyarországi 2009-2012 időszakra vonatkozó napsütéses órák számát havi bontásban a Függelék 7.2.4. táblázata mutatja. Ezen adatokból átlagértékeket képezve, majd osztva a havi lehetséges napfénytartam értékekkel megkapjuk a relatív napfénytartamot. (szintén Függelék: 7.2.4. táblázat)
0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
23. ábra. Átlagos havi relatív napfénytartam Budapesten (2009-2012 közötti adatok alapján) 6
4.7. A DSP SZÁMÁRA HASZNOS ENERGIA Az 4.5. fejezetben kiszámoltuk, hogy mekkora direkt sugárzás érkezne a napsugarakra mindig merőleges 1 m2-es felületre, ha az égboltot soha nem takarná felhő. Az 4.6. fejezetből pedig az derül ki, hogy az egyes hónapok mekkora hányada felhőmentes.
Tehát
a
Függelék
7.2.4.
táblázatában
kiszámolt
relatív
napfénytartam értékekkel beszorozva az 5. táblázat értékeit megkapom, hogy hány
6
A diagramot a [21], [22] forrás adatai alapján készítettem. 44
kilowattóra energiát hasznosíthatok a DSP-vel havonta, egy négyzetméternyi felületére vonatkoztatva. 6. táblázat. A DSP számára hasznos energiamennyiség Hó Jan Energia 36 [kWh]
Febr 48
Márc Ápr 117 164
Máj 185
Jún 189
Júl 217
Aug 213
Szept 143
Okt 94
Nov 45
Dec 25
Ezek alapján az éves hasznosítható energia Qbesugárzás = 1475 kWh/m2.
4.8. A DSP PILLANATNYI VILLAMOS TELJESÍTMÉNYE A DSP-re vonatkozó adatok: A parabola átmérője: D = 4,67 m Egy napelem cella méretei: a × b = 10 × 15 mm Cellák száma: ncella = 136 db A központi egység átmérője: d = 0,191 m A napelem cellák hatásfoka: ηcella = 0,3487 A parabola reflexiójának és a védőüveg áteresztőképességének szorzata: ηreflexió = 0,95 A napelem cellák a d átmérőjű központi egységen vannak optimálisan elhelyezve. Ez a felület a parabola egy részét beárnyékolja, ezért a kettő különbségét veszem. Ez lesz az a felület, amelyre eső sugarakat képes hasznosítani a napelem, illetve napkollektor: (17) A napelem cellák területe: (18) Az energiakoncentráció értéke arányos az átmérők négyzeteinek arányával. (19) A cellákat érő koncentrált sugárzás értéke Gdirekt = 800 W/m2 direkt sugárzást feltételezve: (20) A veszteség nélküli koncentrált teljesítmény képlete: (21)
45
A villamos áram teljesítménye, amit a berendezéssel nyerhetünk. (22) A fenti példa alapján, több besugárzási értéknél vizsgálva a rendszert, ábrázolhatom a teljesítményt a besugárzási energia függvényében.
Pki ,vill [W]
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0
Gdirekt [W/m2] 24. ábra. A DSP villamos-energia-termelése a direkt sugárzás függvényében
4.9. A DSP PILLANATNYI HŐTELJESÍTMÉNYE A napelem cellák amellett, hogy villamos áramot termelnek, működésük során melegszenek. A villamos-energia-termelés szempontjából veszteségként elkönyvelt energia a hőcserélő számára hasznos lesz Pontosan annyi hőenergia fog keletkezni, amennyi energiát a napelem cellák nem tudtak hasznosítani: (23) A villamos teljesítményhez hasonlóan a hő teljesítményt ábrázolom a direkt besugárzás függvényében.
46
10000 9000 8000 7000 6000 5000 Pki ,hő [W] 4000 3000 2000 1000 0
Gdirekt [W/m2] 25. ábra. A DSP hőenergia termelése a direkt sugárzás függvényében
4.10. A DSP HATÁSFOKA, ÉVES ÉS HAVI ENERGIATERMELÉSE A hasznos felületre eső napsugárzás teljesítménye Gdirekt = 800 W/m2 direkt sugárzás esetén: (24) A DSP villamos- és hőenergia előállítását a következő hatásfokokkal tudja produkálni: (25) (26) A berendezés összhatásfoka: (27) Éves viszonylatban a napenergia hasznosító berendezés által megtermelt villamosés hőenergia a következő lesz: (28) (29) Teljesítménye egy év alatt: (30)
47
7. táblázat. A DSP energiatermelése havonta 7 Hó
Q × Ahasznos × ηDSP,vill
Eáram
Q × Ahasznos × ηDSP,hő
[kWh]
Ehő [kWh]
Jan
36 × 17,1 × 0,237
144,41
36 × 17,1 × 0,443
269,92
Febr
48 × 17,1 × 0,237
193,74
48 × 17,1 × 0,443
362,13
Márc
117 × 17,1 × 0,237
475,12
117 × 17,1 × 0,443
888,10
Ápr
164 × 17,1 × 0,237
664,49
164 × 17,1 × 0,443
1242,07
Máj
185 × 17,1 × 0,237
750,35
185 × 17,1 × 0,443
1402,55
Jún
189 × 17,1 × 0,237
764,78
189 × 17,1 × 0,443
1429,52
Júl
217 × 17,1 × 0,237
878,36
217 × 17,1 × 0,443
1641,83
Aug
213 × 17,1 × 0,237
862,85
213 × 17,1 × 0,443
1612,84
Szept
143 × 17,1 × 0,237
580,29
143 × 17,1 × 0,443
1084,67
Okt
94 × 17,1 × 0,237
380,65
94 × 17,1 × 0,443
711,50
Nov
45 × 17,1 × 0,237
182,75
45 × 17,1 × 0,443
341,59
Dec
25 × 17,1 × 0,237
101,01
25 × 17,1 × 0,443
188,81
4.11. A HÁZTARTÁSOK ENERGIAIGÉNYE Egy háztartás villamos energiaigénye a 8. táblázat alapján könnyen megbecsülhető. 8. táblázat. Egy háztartás átlagos, éves áramfelhasználása [19] Háztartás létszáma
Éves fogyasztás [kWh]
1
1790
2
3030
3
3800
4
4430 A használati melegvíz-szükséglet kiszámítását a 2.4.1. fejezet részletezi.
Lakóépületek, középületek, intézmények melegvíz-igényét a Függelék 7.2.5. táblázata tartalmazza. Sajnos a magyarországi éghajlati viszonyok nem teszik lehetővé a fűtésigény kielégítését, csupán minimális fűtésrásegítést, mivel télen kevés a napsütéses órák száma, nyáron pedig nincs szükség fűtésre.
7
Készítve a 6. táblázat felhasználásával. 48
4.12. LAKÓÉPÜLET ÁRAM- ÉS HŐIGÉNYÉNEK KISZOLGÁLÁSA
DSP-VEL
Vegyük példának egy 5 háztartásból álló 16 fős lakóépületet. Ebből egy kétszemélyes, kettő háromszemélyes, kettő négyszemélyes háztartás.
4.12.1. ENERGIAIGÉNY , MEGTERMELT ENERGIA Számítsuk ki, hogy hány darab DSP-re van szükség, és ezekkel hogyan tudjuk fedezni a energiaigényeket! A 8. táblázat alapján a lakóház áramigénye: (31) A 3.3. fejezetben tárgyaltak szerint lényegtelen, hogy az év mely időszakában termeljük meg a villamos áramot, ugyanis a közüzemi hálózat tárolóként működik, tehát az általunk előállított pillanatnyi fölösleges energia nem vész el. A nyáron "befogott"
sugárzást
a
téli,
napsütéses
órákban
szegény
időszakban
is
hasznosíthatjuk, az éves elszámolás során pedig a fölösleges villamos energiát 85%-os fogyasztói áron átveszi a szolgáltató. Ha a cél az, hogy a szükséges villamos energiát teljes egészében megújuló energiaforrásból fedezzük, akkor (32) DSP-t szükséges telepíteni. Ekkor a fölös energia: (33) A háztartási melegvíz-fogyasztás kiszámítását az (1) képlet alapján végzem el. Ha feltételezzük, hogy egy személy 50 liter (2. táblázat) vizet fogyaszt, akkor a 16 személy napi energiaszükséglete a melegvíz-előállításhoz a következő lesz: m = 16 × 50 l ≈ 16 × 50 kg cvíz = 1,16 Wh/kgK ΔT = 35 °C Ezt átszámítva egy hónapra (30 nap) 974,4 kWh energiaszükséglet, míg éves viszonylatban (365 nap) 11855,2 kWh adódik. A villamos energiával szemben, a hőenergiát hosszú távon nem vagyunk képesek tárolni. A nyáron megtermelt többletenergia egy része sajnos felhasználatlanul el fog veszni, míg a téli
49
időszakban lehetséges, hogy hiány fog mutatkozni. Ezért a valósághoz közelebb álló értékeket kapunk, ha a megtermelt hőenergiát havi bontásban vizsgáljuk. 9. táblázat. A 4 DSP által szolgáltatott hőenergia Hó
n × Ehő
Hőenergia [kWh]
Jan
4 × 269,92
1079,70
Febr
4 × 362,13
1448,52
Márc
4 × 888,10
3552,40
Ápr
4 × 1242,07
4968,27
Máj
4 × 1402,55
5610,21
Jún
4 × 1429,52
5718,09
Júl
4 × 1641,83
6567,31
Aug
4 × 1612,84
6451,35
Szept
4 × 1084,67
4338,69
Okt
4 × 711,50
2846,01
Nov
4 × 341,59
1366,35
Dec
4 × 188,81
755,23
A melegvíz-fogyasztás szempontjából megtermelt hasznos hőenergia egy évben: A fűtési időszak elején és végén lehetőség van fűtésrásegítésre, például a hidegvíz előmelegítésére, de a teljes hőigényt nem tudjuk kielégíteni. Tekintsük azt az általános esetet, amikor a fűtési szezon október hónappal kezdődik és áprilissal ér véget. A használati melegvíz-előállításhoz felhasznált energián felül, 6 havi fűtés energiaigényét egészíthetjük ki a 4 DSP-vel. A 9. táblázat segítségével számszerűen:
Ezt a mennyiséget összehasonlítva hagyományos energiahordozóval: 1 m3 gáz fűtőértéke: H = 33,96 MJ/m3 Átváltva kWh mértékegységbe, 1 m3 gáz energiatartalma: (34) A szükséges gázmennyiség: (35)
50
Tehát
körülbelül
1000
m3
gáznak
megfelelő
energiamennyiséget
tudunk
felhasználni fűtésre. 7000 6000 5000 4000 Ehő [kWh]
3000 2000 1000 0
26. ábra. Az éves hőnyereség megoszlása
4.12.2. A MEGTERMELT ENERGIA "ÉRTÉKE" Számítsuk ki, hogy 4 DSP-vel megtermelt energia mekkora értéket képvisel a villamos áram és gáz aktuális árán! (villamos áram ára: kvill = 40 Ft/kWh, gáz ára: kgáz = 130 Ft/m3) A 85%-os fogyasztói áron visszavett áram utáni "nyereség": (36) A felhasznált villamos áram ára: (37) A használati meleg víz-készítéshez és fűtésrásegítéshez felhasznált energia pénzben kifejezett értéke: (38) Összesen: (39)
51
4.12.3. ÖSSZEGZÉS Láthatjuk, hogy a 4 DSP-vel teljes egészében megújuló energiaforrásból tudjuk ellátni a lakóépületet árammal (19490 kWh), sőt, még többletenergia is termelődik (4421 kWh), amelyet köteles átvenni a szolgáltató 85 %-os áron. A havi használati melegvíz-igény (974 kWh) december kivételével, mindegyik hónapban kielégíthető a 4 DSP-vel. A decemberi hiányt (219 kWh) kénytelenek vagyunk a hagyományos módon megoldani. A fűtési igényt csak részben tudjuk fedezni a DSP-kel. Napenergiával csupán 1000 m3 gáznak megfelelő energiát tudunk biztosítani fűtésre.
4.13. SUMMARY With the four DSP, we can satisfy the electricity demand of the whole building with renewable energy source. Moreover, the public supplier have to pay the 85 % of the current price for the energy we did not use. Demand of monthly domestic hot water is also supplied with the four DSP except December. The system can assure partly the heat of the building, particularly in spring and autumn. This amount of energy equals to approximately 1000 m3 gas consumption. Because of the continuously increasing energy prices the solar energy sources will be more popular than nowadays. Investment in solar energy as renewable energy source has already proved its returns in several European countries. The technology of traditional solar and power systems' prices decrease, which occurs the faster spreading of renewable sources. It is possible, that new direction of solar energy developments will be combined solar-power systems. Devices - similar to DSP - is being developed in California and by the israeli Suncore Photovoltaic Technology Company, too. In the future, the optimal consumption of non-renewable and renewable energy sources will be important, in order to satisfy our demand of energy. The governments will take strong energy-saving measures to decrease the consumption. The developed countries will urge the using of renewable sources, however the developing countries will stay at the using of traditional energy sources.
52
5. AZ ENERGIAELLÁTÁS JÖVŐJE A folyamatos növekedést mutató energia árakat látva, pár éven belül talán nagyobb népszerűségnek fognak örvendeni a napenergia hasznosító berendezések, mint manapság. A napenergiába, mint megújuló energiaforrásba való befektetés már számos európai országban bizonyította megtérülését. A hagyományos napkollektoros, napelemes rendszerek árai csökkenő tendenciát mutatnak, ami a kombinált napenergia hasznosító rendszerek előállítási költségeinek csökkenését is magával hozza, így akár a fejlesztések fő irányát is jelentheti. A DSP-hez hasonló kombinált napenergia hasznosító berendezések területén folynak kutatások például Kaliforniában, de hasonló termék fejlesztésével foglalkozik az izraeli Suncore Photovoltaic Technology Co. is. A jövő a jelenleg meghatározó fosszilis energiahordozók és a rendelkezésre álló megújuló energiák optimális keverékén nyugszik. Elméleti számításokkal ma már igazolni tudjuk, hogy az emberiség energiaigénye nem elégíthető ki csak az egyik, vagy csak a másik energiafajtával. Fontos megjegyezni, hogy a nem megújuló energiahordozók készleteinek kitermeléséhez szükséges technológia folyamatosan fejlődik. Amit 10-20 évvel ezelőtt nem volt nyereséges kitermelni, lehet, hogy napjainkban gazdaságosan a felszínre hozható. Az idővel csökkenő ellátottsági időszak miatt biztosan nő ezen energiahordozók ára, mégpedig exponenciális ütemben. [2] A kormányok világszerte energiatakarékossági intézkedéseket fognak hozni, és technikailag felkészülnek az adott térség számára legkedvezőbb energiaforrások kiaknázására. A gazdag, fejlett országok a megújuló energia bevezetését fogják szorgalmazni, míg a szegényebb országok maradnak a szénerőműveknél. Fejleszteni kell az atomerőműveket, és semmiképpen sem szabad kiszállni belőle. A biztonsági kockázaton túl meg kell említeni, hogy az urán- és thóriumkészletek eloszlása a legegyenletesebb a Földön. Ez a fejlődő országokon is segíthet. [2] A megújuló energiák villamos áram formában történő tárolására jelenleg nincs reális technológia. Ezen probléma megoldása új utakat nyithat az emberiség energiával való ellátásában.
53
6. IRODALOMJEGYZÉK [1] Armin Themaßl, Werner Weiß: Napkollektoros berendezések. Cser Kiadó, Budapest, 2004. [2] Dr. Giber János: Megújuló energiák szerepe az energiaellátásban. B+V Lap- és Könyvkiadó Kft, Budapest, 2005. [3] Juhász Árpád, Láng István, Blaskovics Gyula, Mika János, Szépszó Gabriella, Horányi András, Dobi Ildikó, Nagy Zoltán: Megújuló energiák. Sprinter Kiadói Csoport. [4] Thomas Königstein: Az energiatakarékos építkezés kézikönyve. Z-Press Kiadó Kft., Miskolc, 2006. [5] http://www.solarinvest.hu/energia.html 2013. 11. 17. [6] http://www.mnnsz.hu/wp-content/uploads/2013/05/ Decentralizalt_energiaellatas_kiepitese_Magyarorszagon.pdf [Árvai László] 2013. 11. 17. [7] http://energiaklub.hu/sites/default/files/ek_sajto_hatter__megujulok_eu.pdf 2013. 11. 17 [8] http://www.napkollektor.rezsi-stop.hu/vákuumcsöves-kollektor 2013. 11. 08. [9] http://www.solartrade.hu/napkollektor/napkollektor-tipusok 2013. 11. 03. [10] Napenergia hasznosító rendszerek tervezési segédlete (Vaillant) [11] mfor.hu/cikkek/ Csak_nulla_energiaigenyu_hazak_epulhetnek_az_evtized_vegen.html 2013. 11. 10. [12] napelem.net/napelemes_rendszer/monokristalyos_polikristalyos_napelem.php 2013. 11. 12. [13] napelem.net/napelemes_rendszer/vekonyretegu_vekonyfilmes_napelem.php 2013. 11. 05. [14] tisztaenergiak.hu/napelem/szigetuezem-napelem 2013. 11. 03. [15] tisztaenergiak.hu/napelem/halozatra-visszataplalo-napelem] 2013. 10. 18. 54
[16] tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tkt/kornyezettechnika-eloszo/ch02s05.html 2013. 11. 12. [17] ngproject.hu/villamos/termekek/megujulo-energia--solarbe 2013. 10. 05. [18] solaqua-napenergia.hu/ariston-napkollektorok 2013. 09. 25. [19] energiapersely.hu/ Haztartasi_eszkozok_energiafogyasztasa_Fogyasztasi_tablazat 2013. 11. 10. [20] apps.biosolar.hu/sun_position/ 2013. 11. 11. [21] ksh.hu/docs/hun/xstadat/xstadat_evkozi/e_met001.html 2013. 11. 13. [22] tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tkt/agrookologia/ch03.html 2013. 11. 07. [23 ] tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tkt/kornyezettechnika-eloszo/ch02s05.html 2013. 11. 15. [24] en.wikipedia.org/wiki/Air_mass_(solar_energy) 2013. 11. 20.
6.1. A FELHASZNÁLT KÉPEK FORRÁSA [25] solarinvest.hu [26] naplopo.hu [27] solaqua-napenergia.hu [28] szivattyu.hu/wp-content/uploads/2010/11/termek/Grundfos%20UP%20100.pdf [29] solentis.hu [30] napenergia-napkollektor.hu [31] solartrade.hu [32] klimagyor.hu [33] napkollektor.rezsi-stop.hu [34] tisztaenergiak.hu [35] napelem.net [36] conrad.biz [37] mk.unideb.hu
55
[38] ngproject.hu [39] zivatar.hu [40] data.kishou.go [41] bausoft.hu [42] met.hu
56
7. FÜGGELÉK 7.1. GRUNDFOS UPS 25-20/UPS 32-20 TÍPUSÚ SZIVATTYÚ
ADATLAPJA
57
7.2. A DSP ENERGIATERMELÉSÉHEZ SZÜKSÉGES ADATOK, SZÁMÍTÁSOK 8 7.2.1.
NAPMAGASSÁG SZÖGEK ÉV- ÉS NAPSZAKONKÉNT BUDAPESTEN
Óra/Hó 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Jan 0 0 0 0 0 4 10 17 20 21 19 15 9 2 0 0 0 0
Febr 0 0 0 0 0 10 18 23 28 29 28 24 17 9 0 0 0 0
Márc 0 0 0 0 9 19 28 34 39 40 38 32 25 16 7 0 0 0
Ápr 0 0 0 10 20 30 39 45 50 51 49 42 34 24 14 4 0 0
Máj 0 0 8 18 28 38 47 54 60 61 56 50 40 30 20 10 0 0
Jún 0 0 10 20 30 40 49 58 65 66 61 54 44 34 24 14 4 0
Júl 0 0 8 18 28 38 48 56 62 64 60 53 44 34 24 14 4 0
Aug 0 0 0 12 22 32 42 50 55 56 53 48 39 29 19 9 0 0
8A
Szept 0 0 0 6 16 26 35 41 45 46 42 37 29 19 9 0 0 0
Okt 0 0 0 0 9 18 25 31 34 34 30 25 18 8 0 0 0 0
Nov 0 0 0 0 0 10 16 21 23 23 21 16 9 0 0 0 0 0
Dec 0 0 0 0 0 4 11 16 19 20 17 12 6 0 0 0 0 0
táblázat elkészítéséhez szükséges adatokat a [20] forrásban található program szolgáltatta. Az napmagasság szögek az adott hónap 15. napjára vonatkozó értékek. 58
7.2.2. Óra/hó 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
AZ OPTIKAI LÉGRÉTEG VASTAGSÁGA AZ EGYES ÉV- ÉS NAPSZAKOKBAN Jan 14,34 5,76 3,42 2,92 2,79 3,07 3,86 6,39 28,65 -
Febr 5,76 3,24 2,56 2,13 2,06 2,13 2,46 3,42 6,39 -
Márc 6,39 3,07 2,13 1,79 1,59 1,56 1,62 1,89 2,37 3,63 8,21 -
Ápr 5,76 2,92 2,00 1,59 1,41 1,31 1,29 1,33 1,49 1,79 2,46 4,13 14,34 -
Máj 7,19 3,24 2,13 1,62 1,37 1,24 1,15 1,14 1,21 1,31 1,56 2,00 2,92 5,76 -
Jún 5,76 2,92 2,00 1,56 1,33 1,18 1,10 1,09 1,14 1,24 1,44 1,79 2,46 4,13 14,34 -
59
Júl 7,19 3,24 2,13 1,62 1,35 1,21 1,13 1,11 1,15 1,25 1,44 1,79 2,46 4,13 14,34 -
Aug 19,11 4,81 2,67 1,89 1,49 1,31 1,22 1,21 1,25 1,35 1,59 2,06 3,07 6,39 -
Szept 9,57 3,63 2,28 1,74 1,52 1,41 1,39 1,49 1,66 2,06 3,07 6,39 -
Okt 6,39 3,24 2,37 1,94 1,79 1,79 2,00 2,37 3,24 7,19 -
Nov 5,76 3,63 2,79 2,56 2,56 2,79 3,63 6,39 -
Dec 14,34 5,24 3,63 3,07 2,92 3,42 4,81 9,57 -
7.2.3.
A NAPSUGARAKRA MINDIG MERŐLEGESEN ÁLLÓ, 1 M2-NYI FELÜLETRE
ESŐ DIREKT SUGÁRZÁS INTENZITÁSA 9
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
9
Jan 0 0 0 0 0 155 420 595 647 662 631 555 386 42 0 0 0 0
Febr 0 0 0 0 0 420 614 689 746 755 746 702 595 386 0 0 0 0
Márc 0 0 0 0 386 631 746 797 830 836 824 782 714 576 306 0 0 0
Ápr 0 0 0 420 647 765 830 862 883 886 879 847 797 702 532 155 0 0
Máj 0 0 348 614 746 824 871 896 913 916 902 883 836 765 647 420 0 0
Jún 0 0 420 647 765 836 879 908 924 926 916 896 857 797 702 532 155 0
Júl 0 0 348 614 746 824 875 902 918 922 913 893 857 797 702 532 155 0
Az adatok W/m2 mértékegységgel értendők. 60
Aug 0 0 97 481 676 782 847 883 899 902 893 875 830 755 631 386 0 0
Szept 0 0 0 260 576 725 804 842 862 866 847 818 755 631 386 0 0 0
Okt 0 0 0 0 386 614 714 773 797 797 765 714 614 348 0 0 0 0
Nov 0 0 0 0 0 420 576 662 689 689 662 576 386 0 0 0 0 0
Dec 0 0 0 0 0 155 452 576 631 647 595 481 260 0 0 0 0 0
7.2.4.
LEHETSÉGES, VALÓS, RELATÍV NAPFÉNYTARTAM10
Hó
jan
febr
márc
ápr
máj
jún
júl
aug
szept okt
Napi lehetséges napfénytartam11 Havi lehetséges napfénytartam Napsütéses órák 200912 Napsütéses órák 2010 Napsütéses órák 2011 Napsütéses órák 2012 2009-2012 átlaga Relatív napfénytartam
8,9
10,2
11,8
13,5
15
15,7
15,4
14,2
12,6
10,9 9,3
267 306
354
405
450
471
462
426
378
327
279 249
64
74
121
280
274
237
343
275
241
133
59
53
67
170
214
168
246
311
267
139
157
102 52
68
86
193
241
321
275
250
331
275
176
131 54
261
227
287
304
310
344
207
162
68
60
77,5 86,25 186,25 240,5 262,5 265,5 303,5 304,25 215,5 157
90
54,5
7.2.5.
125 118
0,29 0,28
0,53
0,59
0,58
0,56
0,66
0,71
0,57
nov dec 8,3
52
0,48 0,32 0,22
MELEGVÍZ-FOGYASZTÁS [23]
Fogyasztó
Fogyasztási egység
Fajlagos fogyasztás (l) Hőmérséklet (°C)
Szállodák és panziók Kórházak, általános jellegű szanatóriumok közös vizescsoporttal Szanatóriumok, üdülők szobánkénti fürdőszoba Kórházak és szanatóriumok iszapés gyógykezeléssel
1 ágy/nap 1 ágy/nap
100–150 150–180
60 60
1 ágy/nap
180–200
60
1 ágy/nap
200–250
60
Vendéglő Mosoda Iskola Óvoda Bölcsőde
1 adag/nap 1 kg száraz ruha 1 fő/nap 1 fő/nap 1 fő/nap
2–5 15–20 4–5 10–20 30–40
60 60 45 60 60
Az adatok órában vannak, kivétel az utolsó sor, ahol dimenzió nélküli adatok szerepelnek. 11 Forrás: [22] 12 A 2009-2012 időszakra vonatkozó adatok forrása: [21] 10
61
