Napkollektoros rendszerek. Gyakorlati tervezési és s kivitelezési ismeretek

Napkollektoros rendszerek

Gyakorlati tervezési és kivitelezési ismeretek

Megújuló energiaforrások

Aktív hasznosítás: • Fotovilamos áramtermelés (Napelem) • Hőenergia előállítás (Napkollektor) • Használati-melegvíz készítés • Medence fűtés • Épületfűtés • Egyéb technológiai melegvíz • Hűtés

A napsugárzás mennyiségi jellemzői

Mekkora mennyiségű napsugárzás érkezik Magyarország területére egy év alatt? 1.

Körülbelül annyi, ami fedezni tudná Budapest teljes évi energiaszükségletét.

2.

Körülbelül annyi, ami fedezni tudná Magyarország teljes évi energiaszükségletét.

3.

Több mint 380-szor annyi, mint Magyarország teljes évi energiaszükséglete.

(Magyarország területe 93.030 négyzetkilométer. Egy négyzetméter vízszintes felületre egy év alatt a gyengébb sugárzási adottságú részeken is kb. 1.250 kWh energia érkezik a Napból. A teljes területre tehát összesen 116.287.500.000.000 kWh = 418.635 PJ (1 kWh= 3.600.000 J). Magyarország egy éves energiafelhasználása kb. 1.100 PJ. Tehát az érkező napsugárzás és az energia-felhasználás aránya: 418.635 PJ / 1.100 PJ = 380.)


A Nap (fotoszféra) hőmérséklete: 6000 K Sugárzási teljesítménye: 4 x 1023 kW Földfelszínre érkező sugárzás: 173 x 1012 kW

A napsugárzás spektrális megoszlása 0,3-3 µm

A Föld keringése a Nap körül


A Nappálya


A Nap helyzetének jellemzése: •Napmagasság •Azimut, kelet (-), nyugat (+)


Nappálya diagram


Nappálya diagram


Árnyékolás hatása


Magyarország napsugárzási adottságai

Magyarország: ~1300-1400 kWh/m2.év


Vízszintes felületre érkező globális napsugárzás Magyarországon

A legnagyobb különbség az országrészek között: 8% Az ország egész területe alkalmas a napenergia gazdaságos hasznosítására!


A napsugárzás adottságai

2009 Napi adatok

Napi adatok 30 napos átlagolással Napsugárzás mérése piranométerrel Budapest, Naplopó Kft. Mérés: 2004-től Adatok: www.naplopo.hu Átlagos napsugárzás (7 év):

1350 kWh/m2

Havi adatok


Téli hónap napsugárzása

Nyári hónap napsugárzása

Derült, borult és változékony nap napsugárzása


Déli tájolású és 45°-os d őlésszögű felületre érkező globális napsugárzás derült idő esetén

Téli és nyári napsugárzás összehasonlítása


50 liter víz 10°C-ról 50°C-ra melegítésének hőszükséglete

Déli tájolású, 45°-os d őlésű felületre érkező, és ebből napkollektorokkal hasznosítható napsugárzás havi megoszlása Magyarországon

Érkező napsugárzás:

~1300-1400 kWh/(m2.év)

Hasznosítható napsugárzás:

~550-600 kWh/(m2.év)


Délnyugat / 45°= 93%

Délkelet / 30°= 94%

Az érkező napsugárzás mennyisége az elnyelőfelület dőlésszöge és tájolása függvényében


Napkollektoros rendszerek gazdaságossága

Napkollektorok és napelemek összehasonlítása

Napkollektoros rendszer:

Napelemes rendszer:

Napkollektor felület: 6 m2

Napelem felület: 19,8 m2

Maximális teljesítmény: 4,2 kW

Maximális teljesítmény: 2,94 kWp

Bruttó ár kivitelezéssel: 1 200 000 Ft

Bruttó ár kivitelezéssel: 1 800 000 Ft

Éves hőmennyiség termelés: ~3500 kWh

Éves villamos energia termelés: ~3500 kWh

Szolárhő ára: 34 Ft/kWh

Szoláráram ára: 49 Ft/kWh

Megtérülési idő (villamos energia kiváltás): 7,5 év

Megtérülési idő: ~11,6 év

Megtérülési idő (vezetékes földgáz kiváltás): 18,8 év

A napkollektoros rendszerek általános felépítése

Napkollektoros rendszerek csoportosítása

A leggyakoribb: Kétkörös, szivattyús, zárt rendszer

A napkollektoros rendszerek általános felépítése

Kétkörös, szivattyús, zárt rendszer

Napkollektorok Csővezeték rendszer Szabályozó Tároló

Szoláris szerelési egység

Tágulási tartály

A napkollektorok

A napkollektor feladata: • elnyelje a napsugárzást, • az elnyelt napsugárzást hőenergiává alakítsa, • a keletkezett hőenergiát átadja egy hőhordozó közegnek.

A napkollektorok

Napkollektorok általános felépítése, főbb részei

A napkollektorok

A jó napkollektorok titka: szelektív bevonat A szelektív bevonat a hullámhossz függvényében engedi át, vagy veri vissza az elektromágneses sugárzást. • A Nap rövid hullámhosszú sugárzását átengedi, azaz elnyeli. • Az abszorber lemez hosszú hullámhosszú sugárzását visszaveri, azaz nem engedi át.

Nikkelpigmentes alumínium-oxid

A napkollektorok hatásfoka

A napkollektor hatásfoka =

A kollektor által leadott hőteljesítmény A kollektor felületére érkező napsugárzás

Q& H = G A − Q&V

GA: Az abszorber által elnyelt és hővé alakított napsugárzás QV: A konvekció, hővezetés és hősugárzás útján létrejövő hőveszteségek

. QV = a1⋅ ∆T +a2⋅ ∆T2

GA = G⋅τ⋅α = G⋅η0

Q& H η= G

A hőveszteségek arányosak a környezeti levegő és az abszorber közepes hőmérsékletének különbségével. Alacsony hőmérsékletkülönbség esetén az arányosság döntően elsőfokú, magasabb értékeknél viszont mind meghatározóbb a másodfokú arányosság.

G: A kollektor felületére érkező napsugárzás τ: Az üveg fényáteresztő képessége α: Az abszorber elnyelőképessége η0: Optikai hatásfok (a τ⋅és az α tényezők szorzata)

.

2 Q& H GA − QV G ⋅η0 − a1 ⋅ ∆T − a2 ⋅ ∆T 2 ∆T  ∆T  = = = η0 − a1 − a2 ⋅ G  η=  G G G G G  

η = η0 − a1 ⋅ X − a2 ⋅ G ⋅ X 2

∆T =X G

A hatásfok η0, a1 és a2 megadásával definiálható.


Napkollektorok hatásfokának ábrázolása

η = η0 − a1 ⋅ X − a2 ⋅ G ⋅ X 2


Napkollektorok energiamérlege

Kollektorok energia átalakítási viszonyai átlagos napsugárzás esetén

A Napkollektorok napkollektorok Napkollektorok jellemző felületei

Síkkollektor Teljes, bruttó felület:

Vákuumcsöves kollektor A kollektor szerkezet teljes befoglaló mérete

Szabad, besugárzott üvegfelület: Az üvegfelület nagysága, ahol a napsugárzás bejut az abszorber lemez felületére Abszorber felület:

A kollektor elnyelőlemezének besugárzott felülete

A Napkollektorok napkollektorok

A napkollektorok főbb típusai: •Lefedés nélküli napkollektorok (szolárszőnyegek)

•Síkkollektorok •Nem szelektív síkkollektorok •Szelektív síkkollektorok •Vákuumos síkkollektorok

•Vákuumcsöves kollektorok


Lefedés nélküli kollektorok Elsősorban medencék fűtésére

Soladur S


Síkkollektorok •Nem szelektív síkkollektorok •Szelektív síkkollektorok •Vákuumos síkkollektorok Szelektív síkkollektor

Síkkollektorok általános felépítése Vákuumos síkkollektor


A síkkollektorok belső csövezése


Vákuumcsöves napkollektorok A vákuum előnye, hogy kiküszöböli a kollektor házon belül a konvektív hőátadást. Ennek elsősorban akkor van nagyobb jelentősége, ha a hőmérséklet különbség a kollektor és a környezeti levegő között nagy, tehát pl. télen, fűtésrásegítés esetén, vagy akkor, ha a kollektoroknak magas hőmérsékletű közeget kell fűteni.

Vákuumcső típusok


Vákuumcsöves napkollektorok

Vákuumcső kollektorok belső csövezése

A Napkollektorok napkollektorok Vákuumcsöves napkollektorok Hőcsöves napkollektor (Heat pipe)

Forrás: Viessmann

A napkollektorok

Vákuumcsöves napkollektorok

CPC reflektor

A napkollektorok

Napkollektor típusok összehasonlítása

A napkollektorok

Napkollektor típusok összehasonlítása

? Síkkollektor,

vagy kollektor?

vákuumcsöves

A napkollektorok

Forrás: 2,2%

11,4%

4,1%

3,3% 0.7%

12,5%

www.estif.org

A napkollektorok

Vákuumcsöves napkollektorok Efficiency characteristic curves (referring to Absorber area) 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0 0,00

0,02

0,04

0,06 0,08 x [m˛ K / W]

0,10

Efficiency characteristic curves (referring to Absorber area) 1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0 0,00

0,12


0,8

0,6

0,4

0,2

0,0 0,00

623 (Vaillant VTK 550) 624 (Oertli Sun 3000) 604 (Thermomax Solamax 30 - TDS 300) 603 (Thermomax Solamax 20 - TDS 300) 602 (Thermomax Mazdon 30 - TMA 600S) 601 (Thermomax Mazdon 20 - TMA 600S) 597 (Viessmann Vitosol 250) 589 (Schott ETC 16) 559 (Focus Technology FSCB-20-SS) 534 (Collectra OPC 15 T) 500 (Consolar TUBO 11 CPC) 456 (Hoval Solamax) 414 (Hoval Solkit Mazdon) 404 (Schw eizer Energie Sw isspipe 2) 370 (Paradigma CPC 14 Star)

Szelektív síkkollektorok

344 (GreenOneTec VK29) 338 (Viessmann VitoSol 200 D20) 264 (Thermomax Memotron TMO 600) 250 (Microtherm SK-6) 239 (ThermoLUX LUX 2000-6R) 238 (ThermoLUX LUX 2000-5R) 221 (AMK SLL-120/50-H) 196 (Sunda SEIDO 5-16) 182 (Sunda SEIDO 1-16) 181 (Sunda SEIDO 2-6) 115 (Schw eizer Energie TTS 2700) 56 (Microtherm SK-6F)

0,02

0,04

0,06 x [m˛ K / W]

0,08

0,10

613 (Rüesch Terza) 598 (Tecalor TSK 25 S) 595 (Velux CLI U10 2000) 590 (Sun-Systems Synox 9000 si) 588 (Brötje FK 25 R) 585 (Vescal Oertli SKF 225) 584 (Friap Friap 230) 582 (SESOL 2.5 Quick Var 1) 580 (SESOL FK3.8) 579 (Vögelin Aldo 225) 576 (Energiebig ENZX 54) 573 (Stiebel Eltron SOL 25 Plus) 572 (Geo-Tec GSE 2000/TIN) 567 (Winkler VarioSol A) 566 (Winkler VarioSol A-antireflex)

0,12


0,8

0,6

0,4

562 (Teufel u. Schw arz Eurosol) 561 (Sonnenkraft SK 500 N Sunselect) 560 (Ebner P2) 556 (Solarw erk 2.60) 547 (P. Weissb. DW 750 Select) 546 (P. Weissb. DW 580 Standart) 537 (Rosskopf OEKO 3000) 535 (Solarw erk 2.25) 533 (Niklaus Vela Star AR) 532 (Solarenergie Kranmodulk. IDK) 529 (ROTEX Solaris V26) 527 (Ernst Schw eizer AV 23) 521 (Sandler S 03)

0,2

0,02

0,04

0,06 0,08 x [m˛ K / W]

0,10

0,12

0,0 0,00

0,02

0,04

0,06 0,08 x [m˛ K / W]

0,10

0,12

Institut für Solartechnik SPF, www.spf.ch

Rapperswil, Svájc

A napkollektorok

Napkollektorok minősítése Európában elfogadott minőség tanúsítás:

Solar Keymark www.solarkeymark.org www.estif.org/solarkeymark

A napkollektorok

Solar Keymark Vizsgálatok EN 12975 szabvány alapján •Megbízhatósági, tartóssági teszt •Hatásfok, nyomásveszteség vizsgálat

Konkrét vizsgálati jegyzőkönyv megnevezése

Konkrét, kimért hatásfok • Szabad üvegfelületre, • Abszorber felületre

A napkollektoros rendszerek részei

•Napkollektorok •Napkollektorok tartószerkezetei •Szivattyús szerelési egységek •Tágulási tartályok •Melegvíz-, és puffertárolók •Szabályozók •Hőcserélők •Motoros váltószelepek •Légtelenítők •Fagyálló folyadék •Csővezeték •Hőszigetelés

Napkollektorok tetőre szerelése

Szerelőkeret napkollektorok ferdetetőre szereléséhez


Acélcsöves szerelőkeret


Cserépléc tetőkampós szerelőkeret


Tőcsavaros szerelőkeret


Tetőbe integrált beépítés A napkollektorok helyettesítik a tetőhéjalást.


Szerelőkeret napkollektorok lapostetőre szereléséhez


Normál lapostetős keret

Megerősített lapostetős keret (20m-nél magasabb tetőre)


Lapostetőre szerelés


Lapostetőre szerelés

b / a ≅ 1,75 ÷ 2,50

Nappálya diagram


Rögzítés: beton súlyokkal


Rögzítés: beton súlyokkal (Budaörs)


Rögzítés: a vízszigitelés átfúrásával (Ózd)

Szoláris szerelési egységek

Napkollektor (primer) kör kialakítása

Tágulási tartály

A tágulási tartály feladata: Biztosítani a hőhordozó közeg térfogatváltozását úgy, hogy a rendszer nyomása csak kis mértékben változzon. A hőtáguláson kívül a gőzképződést is figyelembe kell venni! Nyomásviszonyok: Ptart min= pgeo + 50 kPa Pelő = 0,9 x phideg

Tágulási tartály

Méretezés: 1. 2. 3. 4.

Meghatározni a rendszer nyomásviszonyait Kiszámolni a teljes rendszer térfogatát Megállapítani a tágulási térfogatot Kiszámolni a tágulási tartály méretét Kollektorfelület m2

Tágulási tartály

2-4

12 liter

∆V = Vrendszer · ∆Vrel

4-8

18 liter

A forrás lehetőségét is figyelembevéve:

8-20

24 liter

∆V = Vrendszer · ∆Vrel+ Vkoll

20-30

50 liter

30-40

60 liter

pmax Vt = ∆V 0,9 ⋅ pmax − pelő

A nyomás értékeket abszolút nyomásban kell behelyettesíteni!

Közelítő méretek (6 liter/kollektor):

Relatív térfogatváltozás Naplopo- Expans.exe

Melegvíz és puffertárolók Melegvízés puffertárolók

Melegvíz-tárolók

Tárolók hőveszteségének csökkentése

Melegvíz-tárolók

Cirkulációs vezeték helyes bekötése

Melegvíz-tárolók

Cirkulációs vezeték helyes bekötése termosztatikus keverőszelep alkalmazása esetén

Melegvíz-tárolók

Tárolók optimális méretének meghatározása

Belső hőcserélők felülete: simacsöves hőcserélő: ~0,2 m2 / kollektor m2 bordáscsöves hőcserélő: ~0,3-0,4 m2 / kollektor m2

Puffertárolók

Puffertárolók

Forrás: HAJDU Zrt.

Puffertárolók

Külső hőcserélők alkalmazása

Forrás: HAJDU Zrt.

Külső hőcserélők

Külső hőcserélők alkalmazása


Lemezes hőcserélők felépítése

Hőmérséklet viszonyok a hőcserélőben


55°C

38°C

10720 W, η=67%

Mekk Elek

Hát Izsák

90°C

79°C

7040 W, η=44%



Külső hőcserélő méretezése


Hőcserélő kiválasztási táblázat

High flow

Low flow

Medence fűtés


Hőcserélő rögzítő és bekötő készlet

Szabályozók

A legegyszerűbb rendszer szabályozása

Te

Tv

Szabályozók

Medence fűtő napkollektoros rendszerek szabályozása

Szabályozók

Két tárolós rendszerek szabályozása

Közös szivattyú és váltószelep

Két külön szivattyú

Szabályozók

Összetett rendszerek szabályozása

Szabályozók

Összetett rendszerek szabályozása

Szabályozók

Hőérzékelők elhelyezése.

Kollektor érzékelőt a kollektorokban erre a célra kialakított érzékelő hüvelybe kell helyezni. Az érzékelő vezeték kiépítését nem szabad a kivitelezéskor elfelejteni, az erősáramú vezetékektől elkülönítve kell vezetni.

Tároló érzékelőt a kollektor hőcserélő középső magasságába célszerű elhelyezni.

Csővezeték rendszer

Csővezeték anyaga:

Félkemény és lágy vörösréz cső

Hajlítható, rozsdamentes acélcső

Nagyon magas hőmérséklet! >180C°

Kívül horganyzott szénacél cső

Nano hőszigetelésű hajlítható rozsdamentes acélcső

Csak vörösréz, acél, vagy rozsdamentes acél anyagú cső használható! Műanyag, vagy ötrétegű cső nem!


Csővezeték átvezetése a tetőhéjaláson: Szellőző cserép


Párhuzamos kapcsolás

Soros kapcsolás


Tichelmann kapcsolás (azonos csővezeték hossz - azonos áramlási sebesség)


Úgyeljünk a hőtágulásokra!


Lehetőleg könnyen ürülős rendszereket készítsünk!


A hidraulikai méretezés célja: Biztosítani a napkollektor körben a kívánt térfogatáramot 1. A térfogatáram meghatározása: High Flow: ~30 l/m2.h Low Flow: ~15 l/m2.h

Q [W ]

Q = c ⋅ m& ⋅ ∆T

Q ∆T = c ⋅ m&

c = 1,16 Wh /(kg ⋅ K ) m& [kg / h ≈ l / h] ∆T = TE − TV [K ]

Hőmérséklet különbség 550W/m2 napkollektor teljesítménynél: High Flow: ~30 l/m2.h

dT=550/(1,16 x 30)=15,8 K

pl. 15°C-ról 30,8°C

Low Flow: ~15 l/m2.h

dT=550/(1,16 x 15)=31,6 K

pl. 15°C-ról 46,6°C


A hidraulikai méretezés célja: Biztosítani a napkollektor körben a kívánt térfogatáramot Feladat: kiszámítani a teljes rendszer ellenállását, kiválasztani a keringető szivattyút

Rendszerellenállás összetevői: • Kollektorok • Csővezeték • Légtelenítők • Tárolók belső hőcserélői • Külső hőcserélők • Váltószelepek • Szabályozószelepek • Visszacsapószelepek • Térfogatárammérők • Be-, és kiömlések tartályba • Szennyfogó szűrők


Hogyan méretezzük a csővezetéket?

S’ a fajlagos nyomásveszteség javasolt értéke: 100 – 350 Pa/m

S’: egyenes csővezeték fajlagos nyomásvesztesége

Csővezeték rendszer hőszigetelése

?

Csővezeték hőszigetelésének méretezése



Csővezeték rendszer hőszigetelése

A napkollektor köri csővezetéket teljes terjedelemben hőszigetelni kell! Magas hőmérséklet! A hagyományos szigetelés leolvad!

Alkalmazható szigetelések: • Hőálló szintetikus kaucsuk

• Kőzet, vagy üveggyapot

Csővezeték hőszigetelése

Kültéri csővezeték hőszigetelését védeni kell a napsugárzástól és a madaraktól, rágcsáló állatoktól!

UV álló festék

Fémszál erősítésű szövet burkolat Fémlemez, vagy alumínium bevonatos műanyag lemez burkolat!







Motoros váltószelepek

Honeywell VC típ. szelep

First motoros szelepek

Szelepek nyomásvesztesége:

 V& ∆p =   KV

2

  [bar ] 

V& , térfogatáram a szelepen : [m 3 / h]

Termosztatikus keverőszelepek

Légtelenítés Hatékony légtelenítés: Abszorpciós légtelenítők

Légtelenítés Hatékony légtelenítés: Abszorpciós légtelenítők

Spirovent

Flamcovent

Fagyálló hőátadó folyadék

Csak nem mérgező, anyag használható!

Fagyáspont

Fajlagos hőkapacitás

Propilénglikol Etilénglikol Víztől eltérő tulajdonságok! • Alacsonyabb fajhő, • Nagyobb sűrűség. • Magasabb viszkozitás.

Sűrűség

Dinamikai viszkozitás


Frigosolar

Innosolar Basic

Innosolar HT

~180°C-ig

~210°C-ig

~265°C-ig

Síkkollektoros rendszerekhez 5, 10 és 50 literes kiszerelés

Síkkollektoros és vákuumcsöves rendszerekhez is.

Elsősorban vákuumcsöves rendszerekhez.

5 és 20 literes kiszerelés

5 és 20 literes kiszerelés

Koncentrátum!

Készre kevert!

Készre kevert!


Fagyálló folyadék és vízminőség ellenőrzése

Fagyáspont: Refraktométer

pH érték: Indikátorpapír

Vízkeménység: pl. Aquarapid

Feltöltés fagyálló folyadékkal

QuickFill

FillJet

Napkollektoros rendszerek. Gyakorlati tervezési és s kivitelezési ismeretek

Recommend Documents