STŘEDOŠKOLSKÁODBORNÁ ODBORNÁČINNOST ČINNOST STŘEDOŠKOLSKÁ
OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE PRO VYUŢITÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ
ENERGETICKY AKTIVNÍ DŮM Roman Svoboda
Písek 2011
STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST Obor SOČ: 8. Ochrana a tvorba ţivotního prostředí
Obnovitelné zdroje energie pro energeticky aktivní dům Renewable resources of energy for the energetically active house
Autor:
Roman Svoboda
Škola:
SPŠ a VOŠ Písek, Karla Čapka 402, 397 11 Písek
Konzultant:
Ing. Miroslav Paul
Písek 2011 Stránka 1 z 25
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem svou práci vypracoval samostatně pod vedením pana Ing. Miroslava Paula, použil jsem pouze podklady (literaturu, SW atd.) uvedené v přiloženém seznamu a postup při zpracování a dalším nakládání s prací je v souladu se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) v platném znění. V Písku dne 19. 4. 2011 Podpis: .............................. ...................
Stránka 2 z 25
Poděkování Chtěl bych poděkovat Ing. Miroslavu Paulovi za obětavou pomoc, strávený čas a podnětné připomínky, které mi během vypracovávání práce poskytoval.
Stránka 3 z 25
Anotace Celá tato práce má za úkol obeznámit čtenáře se způsobem, jakým se navrhuje solární termika a fotovoltaika pro konkrétní dům. Práce se snaží nabídnout univerzální návod pro ty, které zajímá způsob a postup při návrhu fotovoltaiky a solární termiky pro dům, jaké parametry je důležité zvážit, jaké komponenty vybrat a na závěr – jak bude celá realizace cenově náročná. Práce může být inspirací pro lidi, kteří uvažují o pořízení těchto technologií a chtějí se stát energeticky soběstačnějšími, nebo úplně energeticky soběstační. Nespornou výhodou tohoto projektu je jeho velká universálnost, protože jen při malých úpravách ve vztazích si každý může spočítat, jak by vše vypadalo pro jeho dům, byt, chatu, atd. Praktické výstupy práce je možné také využít při posuzování vhodnosti alternativních zdrojů energie pro stavební objekty, zejména pak pro rodinné domky a byty. Práce shrnuje všechny důležité informace, které byste pohromadě jen těžko hledali.
Klíčová slova: obnovitelné zdroje energie; fotovoltaika; solární termika; fotovoltaické panely; solární termické kolektory; sluneční energie.
Stránka 4 z 25
Annotation This whole work aims to familiarize readers with the way of designing Solar thermal and photovoltaic for a specific house. The work attempts to provide an universal guide for those who are interested in the method and procedure while a proposal of photovoltaic and solar thermal for the house, which parameters are important and which components to choose and in the end – how will be the realization expensive. This work can be an inspiration for people who are thinking of acquiring the technology and want to become energy self-sufficient, or completely energy self-sufficient. Doubtless advantage of this project is its great universality, because after small adjustments in the mathematical calculations everyone can count, how would everything look on his own house, flat, cottage, etc. Practical outputs of this work can also be used in choosing the suitability for alternative energy resources for many object constructions, especially family houses and flats. The paper summarises all important information which could be difficult to find together.
Keywords: renewable resources of energy; photovoltaic; Solar thermal; photovoltaic panels; solar thermal collectors; solar energy.
Stránka 5 z 25
OBSAH 1 Úvod – Proč jsem si vybral toto téma? .......................................................................... 7 2 Stručná charakteristika projektu a pouţité technologie .............................................. 7 2.1 Použité technologie ................................................................................................................. 7
3 Vlastní obsah projektu – Solární ohřev vody................................................................ 8 3.1 Jak funguje solární ohřev vody? .............................................................................................. 8 3.2 Záření ze Slunce ...................................................................................................................... 9 3.3 Změna spektra slunečního záření při vstupu do atmosféry ................................................... 10 3.4 Vlivy atmosféry na sluneční záření ....................................................................................... 10
4 Vlastní obsah projektu – Návrh solární termiky ........................................................ 11 4.1 Počet osob v domě ................................................................................................................. 12 4.2 Spotřeba teplé vody na jednoho člověka za den .................................................................... 12 4.3 Objem zásobníku vody .......................................................................................................... 12 4.4 Energetická náročnost ohřevu ............................................................................................... 12 4.5 Potřebná solární energie pro ohřev vody ............................................................................... 13 4.6 Plocha kolektorů, kterou potřebujeme na to, abychom získali potřebné množství solární energie ........................................................................................................................................... 14 4.7 Výběr konkrétního kolektoru (A proč jsem vybral tento typ kolektoru?) ............................. 14 4.8 Objem expanzních nádob ...................................................................................................... 15 4.9 Celková cena mého návrhu ................................................................................................... 16
5 Vlastní obsah projektu – Návrh fotovoltaiky .............................................................. 16 5.1 Potřebné výpočty ................................................................................................................... 17 5.2 Možnosti zapojení FVE ......................................................................................................... 17 5.3 Síťové ochrany ...................................................................................................................... 18 5.3.1 Ochrana před přepětím v obvodech stejnosměrného proudu ......................................... 18 5.3.2 Ochrana před přepětím v obvodech střídavého proudu .................................................. 19 5.3.3 Elektroměr ...................................................................................................................... 19 5.4 Celková cena mého návrhu ................................................................................................... 19
6 Vlastní obsah projektu – Návrh solární termiky a fotovoltaiky pomocí hybridních kolektorů.............................................................................................................................. 20 7 Závěr – Hodnocení získaných zkušeností, vlastní názory .......................................... 22 8 Přílohy............................................................................................................................. 23 9 Pouţité zdroje informací ............................................................................................... 24 10 Pouţité obrázky............................................................................................................ 25
Stránka 6 z 25
1 Úvod – Proč jsem si vybral toto téma? Jsem studentem SPŠ a VOŠ Písek a v rámci pokračování programu Leonardo da Vinci na naší škole jsem se letos zúčastnil (s dalšími 11 žáky naší školy) 3týdenní odborné stáže v Německu. Stáž se konala od 26. 10. 2010 do 16. 11. 2010 v Regenstaufu (poblíž Regensburgu – česky Řezno). Během těchto týdnů byl pro nás na hostitelské škole (Eckert Akademie) připraven bohatý vzdělávací a kulturní program na téma: Obnovitelné zdroje (Regenerative Energien), konkrétně: tepelná čerpadla, solární termika a fotovoltaika. Během této stáže jsem získal opravdu mnoho zkušeností a znalostí v oboru obnovitelných zdrojů. Mohu zde prezentovat výsledky mého 3týdeního snažení v Německu a teoretických přednášek a seminářů, které probíhaly před odjezdem na stáž, a tím předat své zkušenosti ostatním účastníkům této soutěže. A proč jsem si vybral technologii, která využívá energii ze Slunce? Solární termika (ohřev vody pomocí Slunce) a fotovoltaika (výroba el. energie pomocí FV panelů) jsou dva nejrozšířenější a nejvyužívanější způsoby zpracovávání solární energie. Česká republika v roce 2010 zažila doslova „boom“ v těchto dvou oblastech, ostatně toho si všiml snad každý. Sluneční energie mě zaujala ze všech obnovitelných zdrojů nejvíce. Už jen proto, že většina obnovitelných zdrojů má svůj původ v energii slunečního záření, nepřekvapuje proto, že největší potenciál (ve smyslu množství energie, které nám může poskytnout) má přímé využití slunečního záření k výrobě tepla nebo elektřiny. Je to asi jediný obnovitelný zdroj, který v případě nutnosti dokáže pokrýt veškerou současnou potřebu energie. Tudíž sluneční energii nelze upřít, že bez ní by nemohly existovat další druhy obnovitelných zdrojů. Proto si myslím, že je to bezpochyby nejdůležitější obnovitelný zdroj.
2 Stručná charakteristika projektu a pouţité technologie Jak již bylo výše uvedeno, tento projekt popisuje způsob, jakým se navrhuje solární termika a fotovoltaika pro konkrétní dům. Je to takový univerzální návod pro ty, které zajímá způsob a postup při návrhu FV a solární termiky pro dům, jaké parametry je důležité zvážit, jaké komponenty vybrat a na závěr – jak bude celá realizace cenově náročná. Řekl bych, že to může být velmi praktické znázornění postupu i pro lidi, kteří uvažují o pořízení těchto technologií.
2.1 Pouţité technologie V tomto projektu jsou použity a popisovány následující technologie:
Solární kolektory, které dále dělíme na: o Ploché – V kovovém rámu je umístěna plochá absorpční plocha. Na ní je umístěna měděná trubička procházející celou plochou od vstupu ohřívané vody k jejímu výstupu. Izolaci zde tvoří vzduch. Sklo musí zajistit tepelnou izolaci, maximální propustnost a minimální odrazivost pro dopadající záření. Vysokou pohltivost záření musí mít absorpční plocha s Cu-trubičkami, právě z vrchní strany je kolektor kryt sklem s nanesenou selektivní vrstvou vysoce absorpční látky a z opačné strany je izolován minerální vatou. Výhoda: Pomocí termických plochých (vakuových) kolektorů lze v podmínkách ČR ušetřit až 75 % ročních nákladů na ohřev teplé vody. Tyto systémy dokáží pracovat s celkovou účinností až 35 %, přičemž životnost základních komponentů se pohybuje okolo 30 let. Další výhodou je nízká pořizovací cena. Nevýhoda: Nižší účinnost oproti trubicovým kolektorům. Stránka 7 z 25
o
Trubicové vakuové – Konstrukce trubicových vakuových kolektorů je založena na systému řady skleněných trubic uspořádaných konstrukčně vedle sebe. V každé trubici je vedena měděná trubička opatřená absorpční plochou a protékaná teplonosnou látkou. Tyto trubičky jsou jakoby uzavřeny v samostatných skleněných dvoustěnných vakuovaných trubicích.
Fotovoltaické panely, které dále dělíme na: o Monokrystalické panely – Základem je křemíková podložka. Krystaly jsou větší než 10 cm a vyrábí se tažením roztaveného křemíku ve formě tyčí o průměru až 300 mm. Účinnost těchto článků se pohybuje v rozmezí 14 až 18 %. o
Polykrystalické panely – Základem je křemíková podložka. Křemík se nechá nejdříve vykrystalizovat a až poté se řeže do článků. Účinnost 12 až 17 %.
o
Amorfní panely – Základem je napařovaná křemíková vrstva. Účinnost těchto článku se pohybuje v rozmezí 5 až 11 %, ale vlivem difúzního záření se v našich podmínkách dosáhne až o 10 % vyšší energetické výtěžnosti než u panelů monokrystalických! Je nejlevnější pro místa, kde není omezen prostor, neboť pro stejný instalovaný výkon je potřeba 1,5krát až 2krát větší plocha.
o
Hybridní panely – Jsou spojením solárních kolektorů se solárními fotovoltaickými panely v jednom. Hybridní kolektor v prvním kroku zpracuje dopadající záření na elektrickou energii a nezpracovanou část dopadajícího záření následně využije pro ohřev teplonosné látky.
Obr. 2.0 – Monokrystalický panel
Obr. 2.1 – Polykrystalický panel
Obr. 2.2 – Amorfní panel
3 Vlastní obsah projektu – Solární ohřev vody Slunce nám denně poskytuje obrovský energetický potenciál. Tento zdroj energie je prakticky nevyčerpatelný a v příštích letech to bude čím dál tím více využívaný zdroj energie. Zásoby fosilních paliv jsou však omezené. Příští generace se na fosilní paliva nebudou moci spolehnout, takže Slunce je bezesporu energie budoucnosti. Solární ohřev vody je založen na principu, kdy sluneční záření předává svoji energii vodě. K tomu se využívají sluneční kolektory.
3.1 Jak funguje solární ohřev vody? Princip solárního ohřevu vody je znázorněn na výše uvedeném obrázku. Sluneční paprsky, které procházejí bezbarvým krytem kolektoru, jsou pohlcovány absorbérem, který se nachází uvnitř kolektoru. Na povrchu absorbéru je sluneční záření přeměňováno na tepelnou energii. Absorbér je tvořen trubkami nebo plechy, které jsou natřeny selektivní barvou. Trubky jsou součástí absorbéru a zajišťují průtok ohřívané vody. Umístění trubek v absorbéru záleží na konkrétním typu. Stránka 8 z 25
Sklo kolektorů brání úniku tepla prouděním a zářením do ovzduší. Tím je zajištěno dosažení přijatelné účinnosti přeměny energie slunečního záření na energii tepelnou. V trubkách je teplonosná kapalina, která se zahřívá a přenáší teplo z absorbéru do výměníku, ve kterém předává teplonosná kapalina tepelnou energii vodě v zásobníku. Součástí je zpětný ventil, expanzní nádoba a řídící jednotka.
Obr. 3.0 – Solární ohřev vody
3.2 Záření ze Slunce Vzdálenost cirka 150 000 000 km SLUNCE ZEMĚ
Měrná energie vyzářená Sluncem = 63 000 kW/m
2
Energie slunečního záření, které dopadá na atmosféru Země = 1,37 kW/m2 (Solární konstanta)
Sluneční záření je pohlcené atmosférou Země. Celkové záření sluneční energie, která dopadá na metr čtvereční atmosféry Země, je popsáno solární konstantou. To je v průměru:
Stránka 9 z 25
V praxi je množství využitelné energie v roce celkem:
3.3 Změna spektra slunečního záření při vstupu do atmosféry
Obr. 3.1 Na území České republiky dopadá ze Slunce určité množství energie. Tato energie je ale využitelné pouze po omezenou dobu. Jednotlivé vlnové délky jsou ve slunečním záření zastoupeny různou měrou (viz obr. 3.1). Spektrální složení ve vesmíru bývá označováno jako AM 0. Vlivem atmosféry se toto složení mění a na povrchu Země hovoříme o rozložení AM 1,5. Na obrázku je také naznačeno idealizované spektrum.
3.4 Vlivy atmosféry na sluneční záření
Obr. 3.2 – Vlivy atmosféry na sluneční záření
Stránka 10 z 25
Existují dva druhy slunečního záření (obr. 3.2): a)
Přímé – Při jasné a bezmračné obloze dopadá největší část slunečního záření na Zemi, aniž by změnilo směr. Toto záření se nazývá přímé.
b)
Difuzní – Rozptylem přímého záření v mracích a na částečkách v atmosféře vzniká záření difúzní, které na Zemi přichází ze všech směrů.
Poměr přímého a difuzního záření v jednotlivých měsících v průběhu roku ukazuje obrázek níže. Nejnižší využití slunečního záření je v měsících listopad – únor.
Obr. 3.3 – Poměr přímého a difuzního záření
4 Vlastní obsah projektu – Návrh solární termiky Při návrhu vlastní solární termiky jsem postupoval následujícími kroky: 1)
definoval počet obyvatel v domě, pro který je tento systém navrhován,
2)
vypočítal spotřebu teplé vody na jednoho člověka za den,
3)
vypočítal objem zásobníku vody,
4)
vypočítal celkovou energetickou náročnost ohřevu vody,
5)
vypočítal potřebnou solární energii pro ohřev vody,
6)
vypočítal plochu kolektoru, kterou potřebuji na to, abych získal potřebné množ. sol. energie,
7)
vybral konkrétní typ kolektoru (výrobce, typ, druh, atd.),
8)
vypočítal objem expanzní nádoby,
9)
vytvořil grafický návrh,
10) vykalkuloval celkovou cenu obou projektů.
Stránka 11 z 25
4.1 Počet osob v domě Dům, pro který solární termiku navrhuji, je dostatečně velký pro 6 osob. Viz obrazová příloha na CD. Při skutečném návrhu, který by byl realizován, by se samozřejmě dosadil počet lidí, kteří celoročně daný dům obývají.
4.2 Spotřeba teplé vody na jednoho člověka za den V závislosti na výbavě domácnosti nám vzejdou tyto průměrné spotřeby vody jednoho člověka za den. (Teplá voda cca 50 °C – tato hodnota je relativní. Záleží na tom, jak chceme mít vodu teplou.)
Nízká spotřeba Střední spotřeba Vysoká spotřeba
Je tedy jen na mně (resp. na obyvatelích domu), jakou hodnotu spotřeby vody z těchto tří si do projektu zvolím. Nakonec volím rodinu, ve které jeden obyvatel tohoto domu spotřebuje 70 l vody za jeden den. To je v rozmezí vysoké spotřeby. Z těchto údajů vypočítám celkovou denní spotřebu vody všech obyvatel v domě. To je: 6 osob v domě × 70 l za den = 6 × 70 = 420 l za den.
Všechny osoby v domě spotřebují 420 l teplé vody za jeden den.
4.3 Objem zásobníku vody K překonání dní, kdy nesvítí Slunce, musíme zvýšit objem zásobníku vody 1,5krát až 2krát, než je denní spotřeba. Zvolil jsem: 420 × 1,5 = 630 l Nakonec jsem zvolil lepší zásobník vody se 700 l, protože zásobník s objemem 630 l jsem v katalogu firem nenalezl.
4.4 Energetická náročnost ohřevu Další faktor, který potřebujeme při navrhování znát, je energetická náročnost ohřevu vody. Energii potřebnou na ohřev vody (daného množství vody na danou teplotu) vypočteme pomocí tohoto vztahu:
(
)
QWW = energetická náročnost ohřevu Cp = specifická tepelná kapacita vody – 1,16 Wh / (kg × K), (kg = l) V = denní spotřeba teplé vody všech osob na den TWW = teplota vody (Volitelné! Toto je teplota vody, na kterou ji solární termika ohřeje.) TkW = teplota studené vody – tj. 10 °C (dle patřičné ČSN normy) Stránka 12 z 25
Dosadím: (
) (
)
Z výsledku je patrné, že na 1 den potřebujeme 19,5 kWh/d tepelné energie. Avšak pro dosazování do dalších výpočtů potřebujeme vědět tuto hodnotu na celý rok. To znamená 365 × 19,5 kWh/d = = 7 118 kWh za rok.
Potřebná tepelná energie pro ohřátí 420 l vody je 7 118 kWh za rok.
4.5 Potřebná solární energie pro ohřev vody Tu vypočteme pomocí tohoto vztahu:
Pro ploché kolektory 𝑸𝒔𝒐𝒍=
Pro trubicové vakuové kolektory
𝑸𝒘𝒘 𝒇𝒔 𝜼𝒔𝒚𝒔
𝑸𝒘𝒘 𝒇𝒔 𝜼𝒔𝒚𝒔
𝑸𝒔𝒐𝒍=
Qsol = potřebná solární energie na ohřev vody za rok v kWh/rok
Qsol = potřebná solární energie na ohřev vody za rok v kWh/rok
QWW = potřebná energie na ohřátí vody za rok v kWh/rok, zde: 7 118 kWh/rok
QWW = potřebná energie na ohřátí vody za rok v kWh/rok, zde: 7 118 kWh/rok
fs = úhel naklonění panelu, zde: 0,6
fs = úhel naklonění panelu, zde: 0,6
ηsys = účinnost systému, zde: 0,35 (35 %)
ηsys = účinnost systému, zde: 0,45 (45 %)
𝑸𝒔𝒐𝒍
𝟕 𝟏𝟏𝟖
𝒌𝑾𝒉 𝒓𝒐𝒌
𝟎𝟔
𝟎 𝟑𝟓
𝑸𝒔𝒐𝒍 ≅ 𝟏𝟐 𝟐𝟎𝟐
𝒌𝑾𝒉 𝒓𝒐𝒌
𝑸𝒔𝒐𝒍
𝟕 𝟏𝟏𝟖
𝒌𝑾𝒉 𝒓𝒐𝒌
𝟎𝟔
𝟎 𝟒𝟓
𝑸𝒔𝒐𝒍 ≅ 𝟗 𝟒𝟗𝟏
𝒌𝑾𝒉 𝒓𝒐𝒌
Z výpočtů je patrné, že potřebná solární energie na ohřev vody u trubicových vakuových kolektorů je𝟏𝟐 menší o 2 711 𝑸 𝟐𝟎𝟐téměř 𝟑 𝒌𝑾𝒉 𝒂 kWh/rok. Tudíž pro nás jsou tyto solární kolektory mnohem výhodnější (mají totiž větší účinnost).
Stránka 13 z 25
4.6 Plocha kolektorů, kterou potřebujeme na to, abychom získali potřebné mnoţství solární energie Tu vypočteme pomocí tohoto vztahu: Pro ploché kolektory 𝑨𝒌𝒐𝒍𝒍=
Pro trubicové vakuové kolektory 𝐐𝐬𝐨𝐥 𝐄𝐤𝐨𝐥𝐥
𝑨𝒌𝒐𝒍𝒍=
𝐐𝐬𝐨𝐥 𝐄𝐤𝐨𝐥𝐥
Akoll = nutná plocha kolektorů v m2
Akoll = nutná plocha kolektorů v m2
Qsol = potřebná solární energie na ohřátí vody za rok v kWh/rok
Qsol = potřebná solární energie na ohřátí vody za rok v kWh/rok
Ekol = dopadající sluneční záření na plochu kolektoru v kWh/(m2 × rok)
Ekol = dopadající sluneční záření na plochu kolektoru v kWh/(m2 × rok)
𝑨𝒌𝒐𝒍=
𝒌𝑾𝒉 𝒓𝒐𝒌 𝒌𝑾𝒉 𝟏 𝟎𝟓𝟎 𝟐 𝒎 𝒓𝒐𝒌
𝟏𝟐 𝟐𝟎𝟐
𝑨𝒌𝒐𝒍= 𝟏𝟏 𝟔𝟐 𝐦𝟐
𝑨𝒌𝒐𝒍=
𝒌𝑾𝒉 𝒓𝒐𝒌 𝒌𝑾𝒉 𝟏 𝟎𝟓𝟎 𝟐 𝒎 𝒓𝒐𝒌
𝟗 𝟒𝟗𝟏
𝑨𝒌𝒐𝒍= 𝟗 𝟎𝟒 𝐦𝟐
4.7 Výběr konkrétního kolektoru (A proč jsem vybral tento typ kolektoru?) Plocha, kterou u vakuových trubicových kolektorů potřebujeme pro získání potřebné solární energie na ohřátí vody za rok, je menší než u běžných plochých kolektorů o 2,58 m2. Vakuové kolektorové trubice jsou nejen účinnější, ale i potřebná plocha pro získání potřebné solární energie je u nich menší. Proto jsem si vybral tento druh kolektoru pro můj projekt. Vakuové kolektorové trubice pro můj projekt jsem zvolil od výrobce – AMK-Collectra AG, model: OPC 15 (viz obr. 4.0). Technický popis tohoto kolektoru
Obr. 4.0 – OPC 15
Stránka 14 z 25
4.8 Objem expanzních nádob Objem musíme spočítat pro dvě expanzní nádoby, neboť v systému jsou dva nezávislé okruhy. Jeden je tvořen kolektory, výměníkem a spojovacím vedením, druhý zásobníkem teplé vody: 1) Pro celou solární termiku Výchozí tlak systému p0 ≥ pst + pd > 0,7 bar Pst = hydrostatický tlak = h × ρ × g + pat Pd = hodnota, kterou přičteme ke statickému tlaku je 0,3 bar Expanzní objem spočítáme takto: 𝑉𝑒
𝑉𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚
𝑒
Vsystem = Vodní objem soustavy vody v litrech (celkový objem: otopných ploch, zdrojů tepla a připojených okruhů.) 𝒆 – změna objemu vody v procentech Ve = expanzní objem 0 93
𝑉𝑒
0 186
(𝑉𝑒 + 𝑉𝑊𝑅 )
(𝑉𝑒 + 𝑉𝑊𝑅 )
𝑉𝑒𝑥𝑝
(0 186 + 3)
𝑽𝒆𝒙𝒑
𝟏𝟑 𝟗𝟔 l
Pe = nastavovaný tlak pojistných ventilů – 10 % Pd = hodnota, kterou přičteme ke statickému tlaku je 0,3 bar
𝑉𝑒
𝑉𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚
𝑒
100
Vsystem = Vodní objem soustavy vody v litrech (celkový objem: otopných ploch, zdrojů tepla a připojených okruhů.)
Ve = expanzní objem
𝑝𝑒 + 1 𝑝𝑒 − 𝑝0
Vexp = celkový objem expanzní nádoby: 𝑉𝑒𝑥𝑝
Pst = hydrostatický tlak = h × ρ × g + pat
𝒆 – změna objemu vody v procentech
20 100
Vwr = rezervní objem 0,5% × Vsyst > 3 l 𝑉𝑒𝑥𝑝
Výchozí tlak systému p0 ≥ pst + pd > 0,7 bar
Expanzní objem spočítáme takto:
100
𝑉𝑒
2) Pro zásobník vody
𝑝𝑒 + 1 𝑝𝑒 − 𝑝0 (4 − 0 4) + 1 (4 − 0 4) − 2 55
𝑉𝑒
0 93
𝑽𝒆
𝟔 𝟓𝟏 𝐥
700 100
Vwr = rezervní objem 0,5% × Vsyst > 3 l 700 100
𝑉𝑤𝑟
05
𝑽𝒘𝒓
𝟑 𝟓𝐥>3𝑙
𝑉𝑒𝑥𝑝
(𝑉𝑒 + 𝑉𝑊𝑅 )
𝑝𝑒 + 1 𝑝𝑒 − 𝑝0
Vexp = celkový objem expanzní nádoby 𝑉𝑒𝑥𝑝
(𝑉𝑒 + 𝑉𝑊𝑅 )
𝑉𝑒𝑥𝑝
(6 51 + 3 5)
𝑽𝒆𝒙𝒑
𝟐𝟏 𝐥
𝑝𝑒 + 1 𝑝𝑒 − 𝑝0 36+1 36−15
Stránka 15 z 25
4.9 Celková cena mého návrhu Solární kolektory – typu OPC 15 (5 kusů)........................................................................... 174 500 Kč Zásobník vody – Galmet 700/1 S/K (700 l) ............................................................................. 9 495 Kč Měděné trubice – celkem 30 m (18 × 1 mm) ........................................................................... 3 000 Kč Expanzní nádoba pro zásobník vody – AG 18 Solar (18 l) ......................................................1 175 Kč Expanzní nádoba pro celou solární termiku – AG 25 Solar (25 l) ...........................................1 500 Kč Měřič průtoku – SETTER AV 23 Inline 4–15 l/min .................................................................. 650 Kč Zpětný ventil – ESBE BV 3/4" .................................................................................................. 750 Kč Manometer – Meibes ................................................................................................................. 450 Kč Pumpa – TOP-S 25/7 – 180 – 6,4", 230 V ...............................................................................7 000 Kč Regulátor – STDC ...................................................................................................................3 350 Kč Cena celkem (cca) ............................................................................................................. 201 860 Kč
5 Vlastní obsah projektu – Návrh fotovoltaiky Pro tento projekt jsem vybral amorfní panely z těchto důvodů: Tloušťka vrstvy křemíku amorfních solárních panelů je pouze 1 % tloušťky krystalických destiček. Výrobní proces spotřebuje pouze 10 % energie v porovnání s výrobním procesem krystalických solárních panelů. V průběhu dne dochází ke znatelně menším změnám produkovaného elektrického výkonu vlivem difuzního záření než u krystalických variant panelů. Proto celková roční energetická výtěžnost může být o 10–15 % vyšší. Amorfní solární panely jsou méně citlivé k vyšším teplotám, což vede k vyšší produkci energie při teplotách nad 25 °C v porovnání s krystalickými panely. Amorfní solární panely nabízejí větší příležitost pro použití v BIPV (fotovoltaika integrovaná do budov). Amorfní solární panely mají velký potenciál dosáhnout úrovně ceny za Watt na úroveň, při které se sluneční energie stane hlavním zdrojem elektřiny ve světě. Amorfní solární panely potřebují pro výrobu stejného množství energie téměř dvakrát větší plochu než panely krystalické. Tato nemožnost koncentrace systému do menšího prostoru sice není výhodou, avšak je to fakt. Další parametry: Výkon slunečního záření dopadajícího na 1 m2 v oblasti Písek/Strakonice: 1 015 W/m2. Vybraný typ panelu má plochu o obsahu: 1,09 m2. Uváděná průměrná účinnost: 11 %. Denní průměrná doba svitu (mějme na paměti amorfní typ panelu – difúzní záření): 4,5 hodin. Uváděný výkon panelu: 107,1 W. Stránka 16 z 25
5.1 Potřebné výpočty Oblast: Písek/Strakonice
Dům: Novostavba
SD = aD * bD SD = 14,56 * 7,89 SD = 114,87 m2
Sm = am * bm Sm = 1,595 * 0,686 Sm = 1,09 m2
SD – plocha střechy aD – délka střechy bD – šířka střechy
Sm – plocha modulu am – délka modulu bm – šířka modulu
Pmp = N * Sp * Pmp = 1 015 * 1,09 * 0,11 Pmp = 121,7 Wp
Pmr = Pmp * Pmr = 121,7 * 0,75 Pmr = 91,3 W
Počet lidí: 6
Pmp – špičkový výkon modulu (Wp) N – Solární konstanta (W/m2) – účinnost modulu (%) Pmr – reálný výkon modulu (W) r – reálná účinnost modulu (%) P – celkový instalovaný výkon (W) P = Pmr * počet panelů P = 91,3 * 60 P = 5 478 W P (kWh/a) = P * počet slunných hodin * 365 P (kWh/a) = 5 478 * 4,25 * 365 P (kWh/a) = 8 497,7 kWh/rok
5.2 Moţnosti zapojení FVE Jsou dvě základní možnosti, jak zapojit FVE. Buď zvolíme systém, v němž budou zvolené fotovoltaické panely napájet spotřebiče bez jakéhokoliv připojení na rozvodnou sít 230 V / 50 Hz, nebo využijeme tzv. Zeleného bonusu.
1) Ostrovní systém Jeho základním znakem je absence připojení na rozvodnou síť. Používá se nejčastěji k napájení různých drobnějších spotřebičů, jimž stačí k chodu stejnosměrné napětí o hodnotě 12 nebo 24 V, neboť výstupní napětí FV panelů je stejnosměrné, tedy ho není třeba usměrňovat. Energie může být akumulována v bateriích (většinou olovnaté). Stránka 17 z 25
Obr. 5.0 – Ostrovní systém Připojení do rozvodné sítě V případě, že chceme využít FVE pro snížení nákladů za elektřinu, například v rodinném domě, zvolíme variantu pro systém připojený do rozvodné sítě. Pokud bude fotovoltaický systém vyrábět pomocí panelů více energie, než bude spotřeba domu, bude dodávána do rozvodné sítě přes elektroměr, na kterém pak odečteme počet kWh a za každou si necháme zaplatit od distributora podle aktuální ceny elektřiny vyrobenou ve FV elektrárnách. Tuto variantu jsem zvolil i já.
2)
Obr. 5.1 – Připojení FVE na rozvodnou síť
5.3 Síťové ochrany 5.3.1 Ochrana před přepětím v obvodech stejnosměrného proudu Pro můj projekt jsem vybral svodič přepětí pro solární (fotovoltaické) systémy OVR PV 40 600 P.
Stránka 18 z 25
Umístění svodiče: A)
Ochrana solárního panelu – připojení ke kostře by mělo být co nejkratší a přímé. Svodič by měl být v závislosti na okolí instalován v izolované skříni. B) Ochrana vstupu střídače na DC straně – připojení k zemnící svorce a k zemi střídače na DC straně by mělo být co nejkratší a přímé.
5.3.2 Ochrana před přepětím v obvodech střídavého proudu Saltek SLP-600 V × 3 (pro každou fázi jeden). Vyjímatelný modul varistoru, optická signalizace poruchy. Slouží k ochraně rozvodů a zařízení proti účinkům indukovaného přepětí při úderu blesku a proti spínacímu přepětí. Verze SLP-600 V určená pro ochranu zařízení větrných elektráren (FV elektráren) a invertorů. Dálková signalizace stavu.
5.3.3 Elektroměr Aby byl výnos trvale maximální, je důležité neustále kontrolovat a analyzovat každé zařízení. Díky tomu je možné včas rozpoznat změny jejich stavu. Profesionální kontrola zařízení má v tomto případě cenu zlata, v pravém slova smyslu. Měřicí přístroje ME3–17075 – 3P / 63 A (viz obr.)
5.4 Celková cena mého návrhu Střídač napětí Fronius IG Plus 150 (3fázový) 12 ks............................................................... 127 225 Kč Solární panel Avancis powerMax 120 W (60 ks)................................................................... 694 500 Kč Kabeláž (80 ks)........................................................................................................................ 20 000 Kč Měřicí přístroje ME3–17075 – 3P/63 A (2 ks).......................................................................... 8 750 Kč OVR PV Přepěťová ochrana 600 V / DC 3P 40 kA (1 ks)....................................................... . 2 550 Kč Saltek SLP-600 V Přepěťová ochrana 600 V /AC 15 kA (3 ks)................................................ 4 275 Kč Cena celkem (cca).............................................................................................................. ... 857 300 Kč
Stránka 19 z 25
6 Vlastní obsah projektu – Návrh solární termiky a fotovoltaiky pomocí hybridních kolektorů Tento poslední návrh jsem pojal jako jakýsi bonus k předchozím dvěma návrhům. Hybridní kolektory jsou vcelku nová a nezaběhlá technologie, ale i přes to bych je nerad vynechal. Základní popis principu: Solární termika využívá infračervených paprsků k získání tepla, fotovoltaika viditelného světla pro přímou výrobu elektřiny. Hybridní metoda spočívá ve využití obou metod ve společném kolektoru, kde se optimálně využívá jak viditelného spektra pro získávání elektrického proudu na principu přímé přeměny, tak IR paprsků pro ohřev vody. V jednom zařízení sdružuje oba systémy, což vedle stavebních úspor dává i výhodu pro omezení ztrát u fotovoltaiky při přehřívání samotných fotovoltaických panelů. Zdá se tak, že v solárním hybridním systému může vzniknout konečně efektivní, široce využitelný systém pro získávání energie, který by splňoval technické i ekologické požadavky a přitom nebyl při pohledu na konečné efekty ani nijak obzvláště nákladný pro dílčí investory.
Obr. 6.0 – Hybridní panel
Obr. 6.1 – Průřez Hybridním panelem
Návrh vytvořím pro hybridní kolektory VOLTHER M155/680
Stránka 20 z 25
1) Nejdříve musíme spočítat mnoţství sluneční energie, kterou nám Hybridní kolektory dodají za rok. a) Pro termickou část kolektoru Qsol = 1 500 slunných hodin za rok × Wth/m2 Qsol = 1 500 slunných hodin za rok × 475 (Viz tabulka o stránku výše! Teplota 60 °C) Qsol = 1 500 slunných hodin za rok × 475 Qsol = 713 kWhth/m2 b) Pro fotovoltaickou část kolektoru Qsol = 1 500 slunných hodin za rok × We/m2 Qsol = 1 500 slunných hodin za rok × 108 (Viz tabulka o stránku výše! Teplota 60 °C) Qsol = 1 500 slunných hodin za rok × 108 Qsol = 162 kWhth/m2
2) Musíme vypočítat počet kolektorů, které potřebujeme na to, abychom získali poţadované roční mnoţství energie na ohřev vody. Z předchozích výpočtů jsem vypočítal potřebné množství tepelné energie pro ohřátí 420 l vody, a to je 7 118 kWh za rok. Pokud toto množství energie vydělím množstvím sluneční energie (Qsol), kterou nám Hybridní kolektory dodají za rok, získám potřebný počet kolektorů. Tudíž: ≅
Celkový počet kolektorů je cca 10
3) Poslední věc, kterou potřebujeme vědět, je celková plocha kolektorů, kterou potřebujeme na to, abychom získali poţadované roční mnoţství energie na ohřev vody. Tudíž: Akoll = Počet kolektorů × plocha jednoho kolektoru (1,374 m2) /Viz technický popis!/ Akoll = 10 kolektorů × 1,374 m2 Akoll = 13,74 m2
Celková potřebná plocha je cca 13,74 m2
Z výsledků je patrné, že tyto kolektory dosahují opravdu dobrých výsledků v porovnání s ostatními druhy panelů. Myslím si, že to nebude dlouho trvat a dočkáme se toho, že tyto kolektory budou hojně využívány v energetickém průmyslu a zaujmou své právoplatné postavení na tomto poli.
Stránka 21 z 25
7 Závěr – Hodnocení získaných zkušeností, vlastní názory… Jsem rád, že jsem se mohl takovéto stáže zúčastnit a vypracovávat projekty na téma OZE*. A jaké zkušenosti jsem získal? Řekl bych, že během doby, kterou jsem věnoval OZE, jsem získal více než všeobecné znalosti o solární termice, fotovoltaice, biomase a tepelných čerpadlech. Absolvoval jsem mnoho teoretických a přípravných přednášek. Také jsem navštívil mnoho zajímavých míst, které úzce souvisejí právě s obnovitelnými zdroji. Navštívil jsem např.: veletrh VIENNA-TECH 2010, veletrh „úspory energií“ v rakouském Welsu, firmu Climatec v Milevsku, která se zabývá výrobou tepelných čerpadel; fotovoltaickou elektrárnu v Dobevi u Písku, vodní elektrárnu v Regenstaufu, centrum pro obnovitelné zdroje a biomasu ve Straubingu, aktivní energetický dům v Regensburgu,… Získal jsem také značnou praxi při navrhování a projektování dodávek energie pro rodinný dům z obnovitelných zdrojů. A mé názory na tuto problematiku? Myslím si, že využívání obnovitelných zdrojů je v budoucnosti naprosto nezbytné. Nelze drancovat přírodní bohatství naší planety donekonečna, nelze znečišťovat planetu zplodinami a jiným odpadem, který vzniká nejen při výrobě el. energie, nelze neustále zvyšovat obsah CO2 v naší atmostéře, atd. Navíc využívání těchto zdrojů a obchodování s nimi pomáhá rozšiřovat naší ekonomiku. Už jenom z toho pohledu, že vytváří další pracovní místa (někdo je přece musí vyrábět, přepravovat, montovat, servisovat,…) Mezi lidmi často kolují různé mýty o fotovoltaice. Může za to jen neinformovanost těchto lidí. Myslím si, že nejrozšířenější a nejvíce používanější je právě tento výrok: „Vždyť ta ptákovina za dobu své životnosti nevyrobí ani tolik energie, kolik se spotřebovalo na její výrobu a instalaci“. Toto slyším velice často, hojně je tento názor rozšířen i na internetu a v jiných médiích. Smutné na tom především je, že to říkají lidé, kteří o OZE nevědí vůbec nic, protože jinak by toto nikdy nemohly říci. Mnoho vědeckých studií se tímto již zabývalo, ale vždy byl výrok jasný: „Energii, kterou jsme spotřebovali na výrobu FVP, získáme opět nazpět“. Vzhledem k tomu, že FVP* má životnost 20–30 let (někdy i vyšší), tak těch „několik let“ je zanedbatelných. Zároveň máme jistotu, že nám panel vždy vrátí energii, kterou jsme spotřebovali při jeho výrobě a jiných procesech. Doba této návratnosti se liší u použité technologie a na umístění kolektoru (jestli je např. v Sydney, Brazílii,… – všude je hodnota dopadajícího záření jiná). Doba energetické návratnosti je jiná u Polykrystalického FVP, Monokrystalického FVP, Amorfního FVP, a také záleží na teplotních podmínkách, ve kterých je panel umístěn. Nicméně v České republice je doba návratnosti vydané energie na výrobu fotovoltaického panelu okolo 4–12 let. Také si myslím, že neinformovanost by se mohla zmírnit tím, že do školních ŠVP by se zařadila povinně výuka OZE. Tím pádem by na všech školách byli žáci zasvěceni do této problematiky. Proč se žáci nemohou učit o fotovoltaických elektrárnách, fotovoltaických panelech, solární termice, o obnovitelných zdrojích, když se učí například o tepelných elektrárnách a jaderných elektrárnách. Samozřejmě to už záleží na každé škole jaké OZE do svého ŠVP zařadí. Vţdyť obnovitelné zdroje jsou plnohodnotné energetické zdroje pro současnou a budoucí společnost a jejich význam na tomto poli významně roste a roste tím, jak se tyto technologie nadále vyvíjí, a tím se zvyšuje i účinnost těchto zařízení. * Použité zkratky: FVE – fotovoltaická/é elektrárna/y FVP – fotovoltaický panel/y OZE – obnovitelné zdroje energie Stránka 22 z 25
8 Přílohy Příloha I: Pohled na mé umístění solární termiky a FVP
Příloha II: Umístění jednotlivých prvků obnovitelných zdrojů
Stránka 23 z 25
9 Pouţité zdroje informací Obnovitelné zdroje. In Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, 15. 7. 2010, last modified on 15. 7. 2010 [cit. 2011-04-17]. Dostupné z WWW:
. Solar Server: Solarthermie. [online] Dostupné z: http://www.solarserver.de/wissen/basiswissen/solarthermie.html (cit. 17. 4. 2011) Energiesparen: Wie funktioniert Solarthermie?[online] Dostupné z: http://www.energiesparen-im-haushalt.de/energie/bauen-und-modernisieren/hausbauregenerative-energie/energiebewusst-bauen-wohnen/emission-alternative-heizung/heizen-mitder-sonne-solar/solarthermie-funktionsweise.html (cit. 17. 4. 2011) Heizungsfinder: Flachkollektor. [online] Dostupné z: http://www.heizungsfinder.de/solarthermie/kollektor/flachkollektor (cit. 17. 4. 2011) Solaranlagen: Sonnenkollektoren. [online] Dostupné z: http://solaranlagen.org/solarwaerme-solarthermie/solarkollektor (cit. 17. 4. 2011) Photovoltaik. In Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, 27. 7 2002, last modified on 14. 4. 2011 [cit. 2011-04-17]. Dostupné z WWW: . P-n-%C3%9Cbergang. In Wikipedia: the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida): Wikipedia Foundation, 6. 10. 2003, last modified on 1. 4. 2011 [cit. 2011-04-17]. Dostupné z WWW: . Solaranlagen-Portal: Photovoltaik. [online] Dostupné z: http://www.solaranlagen-portal.com/photovoltaik/vergleich (cit. 17. 4. 2011) JEVA: Der Hybrid-Kollektor. [online] Dostupné z: http://www.vasicek.at/solar-hybrid-kollektoren.html (cit. 17. 4. 2011) MM SPEKTRUM: Solární hybridní systém. [online] Dostupné z: http://www.mmspektrum.com/clanek/solarni-hybridni-system (cit. 17. 4. 2011)
Stránka 24 z 25
10 Pouţité obrázky Obr. – 2.0 – [online] Dostupné z: http://www.rady-kutilum.com/fotky/skutecne/mono1.JPG Obr. – 2.1 – [online] Dostupné z: http://www.cesolar.cz/upload/images/zbozi/258_OAK20091116-014.jpg Obr. – 2.2 – [online] Dostupné z: http://www.123store.cz/produkty-orig/616-1.jpg Obr. – 3.0 – [online] Dostupné z: http://www.solar-direkt.eu/images/funktionsweise.jpg Obr. – 3.1 – [online] Dostupné z: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/08/Sonne_Strahlungsintensitaet.svg Obr. – 3.2 – [online] Dostupné z: http://www.reiter-martin.at/solar/bilder/sonnenstrahlung.jpg Obr. – 3.3 – [online] Dostupné z: http://www.installationsprofi.at/cms/upload/bilder/Solar/Grafiken/Sonnenstrahlen.JPG Obr. – 4.0 – [online] Dostupné z: http://www.opc15.com/img/opc15.jpg Obr. – 6.0 – [online] Dostupné z: http://www.ekobydleni.eu/obrazky/solarni-energie/hybridni-solarni-kolektory.jpg
Stránka 25 z 25
