Tudományos Diákköri Dolgozat
Alacsony energiaigényű lakóépület megújuló energiaforrásokon alapuló villamosenergia-ellátásának és épületirányítási rendszerének tervezése
Készítette: Kovács Imre PTE-PMMK Villamosmérnöki szak III. évfolyam Konzulens: Elmer György Pécs, 2010.10.15. 1
Tartalomjegyzék Bevezetés..............................................................................................................................................2 Megújuló energiaforrások.....................................................................................................................3 Napenergia.......................................................................................................................................3 Szélenergia.......................................................................................................................................4 Villamos energia előállítása..................................................................................................................4 Napelem...........................................................................................................................................4 Szélgenerátor...................................................................................................................................7 Napelemes és szélgenerátoros berendezések telepítése........................................................................8 Napelemes berendezések telepítése.................................................................................................8 Szélgenerátoros berendezések telepítése.........................................................................................9 Villámvédelem......................................................................................................................................9 Napelem...........................................................................................................................................9 Szélgenerátor.................................................................................................................................10 Nap-és szélgenerátoros rendszerek megvalósítása.............................................................................10 Hálózatra visszatápláló rendszerek................................................................................................10 Szigetüzemű rendszerek.................................................................................................................11 Hibrid rendszerek...........................................................................................................................11 Fogyasztók..........................................................................................................................................11 Nyári időszak.................................................................................................................................11 Téli időszak....................................................................................................................................14 Napelemes és szélgenerátoros rendszer tervezése..............................................................................17 A rendszer működése..........................................................................................................................19 Elosztóhálózatra csatlakozás..............................................................................................................21 Csatlakozóvezeték méretezése.......................................................................................................22 Hálózatra való visszatáplálás..............................................................................................................23 Kültéri világítás..................................................................................................................................24 A meleg víz előállítására szolgáló készülék és a fűtés vezérlése.......................................................25 Klíma vezérlése..................................................................................................................................26 A családi ház vezetékhálózatának tervezése.......................................................................................28 Elosztóhálózat áramkörei...............................................................................................................29 Felhasznált irodalom..........................................................................................................................30
2
Bevezetés Napjainkban a világ villamos energia ellátása és az emberi élet fenntartásához szükséges környezet megőrzése kulcsfontosságú kérdéssé vált. A gazdasági élet egyik alapfeltétele a megfelelő mennyiségű és minőségű energiaellátás. Azonban ez rendkívül költségigényes, ezért nagy jelentősége van a megújuló energiaforrások széleskörű alkalmazhatóságának és kihasználásának. A megújuló energiaforrások olyan energiahordozók, amelyek folyamatosan újratermelődnek, ezáltal kimeríthetetlenek, vagyis egész évben rendelkezésre állnak. Természetesen azonban nem mindig ugyanakkora mennyiségben. Nyáron a napsugárzás intenzitása sokkal erősebb, mint télen, ezért akkor sokkal több napenergiát tudunk hasznosítani. A megújuló energiaforrások további előnyei közé sorolható, hogy használatuk nem okoz olyan káros hatásokat, mint a nem megújuló energiaforrások. Ilyen káros hatások például az üvegházhatás, a levegőszennyezés és a vízszennyezés. A fosszilis tüzelőanyagok (kőolaj, földgáz, szén) erőművekben történő elégetésével üvegházhatású anyagok képződnek (metán, széndioxid), ezáltal egy olyan réteg keletkezik a Föld légköre és a világűr között, amely a Napból érkező sugarakat átengedi, viszont a Földről a visszavert sugarakat nem, ezáltal melegíti a Földet. Ez a megújuló energiaforrásoknál nem okoz problémát, hiszen nincs káros anyag kibocsátásuk, ezáltal nem szennyezik sem a Földet, sem annak légkörét. A megújuló energiaforrások hasznosítása lehetőséget ad arra is, hogy saját magunk állítsunk elő villamos energiát a hálózati villamos energiaellátástól függetlenül. A megújuló erőforrások hosszú távú megoldást jelentenek az emberiség energiaszükségleteinek a kielégítésére. A megújuló energiaforrásokon alapuló rendszerek igen költségigényesek, de költségeinket csökkenthetjük, ha állami támogatást igénylünk, amire ma már Magyarországon is lehetőségünk van.
3
Megújuló energiaforrások - napenergia (hasznosítása elektromos, vagy hőenergia formájában, napelem, illetve napkollektor felhasználásával) - szélenergia (szélgenerátor alkalmazásával) - vízenergia - geotermikus energia - biomassza Napenergia A földfelszínt érő napsugárzás erőssége a világ különböző pontjain más és más. Függ a földrajzi szélességtől, mert a napsugárzás beesési szöge eltérő a különböző földrajzi szélességeken, illetve függ az évszaktól és attól, hogy mennyire borult, felhős az idő. Ebből is látható, hogy minél több megújuló energiaforrást kell kiépíteni egyidejűleg és ezek együttes alkalmazása a célszerű, mert így kevésbé leszünk kiszolgáltatva az időjárás viszontagságainak. A legnagyobb problémát az jelenti e rendszerek esetén, hogy a kínálat (a napsütés, a szél stb.) és az igény (fogyasztás) nem mindig esik egybe, vagyis nem mindig akkor süt a Nap, vagy fúj a szél, amikor nekünk villamos energiára van szükségünk, hogy működtetni tudjuk a háztartási készülékeinket, barkácsgépeinket, vagy a világítási fogyasztóinkat. A másik hátrányuk, hogy nehezen lehet előrejelezni, hogy mikor és hol állnak rendelkezésre ezek az energiaforrások, ezért az energiatárolásról is gondoskodni kell, hogy energiaigényünket akkor is fedezni tudjuk, amikor nincs lehetőségünk energiatermelésre megújuló energiaforrásainkkal. A napenergiát hasznosító berendezések mind a közvetlen, mind a szórt sugárzást képesek hasznosítani, amit a napelemes és napkollektoros berendezések elektromos, vagy hőenergiává alakítanak. Szélenergia A szél mindenhol jelen van és rendelkezésre áll, szinte korlátlan mennyiségben, de minden egyes területre más szélviszonyok jellemzőek, ezért a kinyerhető teljesítmény mennyisége is változó. A szél mozgása azonban a földfelszín közelében nem egyenletes, mert azt akadályozzák a hegyek, a dombok, a fák és a bokrok, illetve az épületek. A szélenergia hasznosítását a szélgenerátor végzi, amely a szél kinetikus energiáját alakítja villamos energiává. Közép-Európában átlagosan 1800-2400 napos óra és 7200-7800 szeles óra van, ezért lehetőség van a szél és napenergia együttes használatára.
4
Villamosenergia előállítása Napelem A napsugárzást elektromos áram előállítására is fel lehet használni. A napelem a Napból érkező közvetlen és szórt sugárzást is hasznosítja, amit közvetlenül villamos energiává alakít. A fényelektromos cellákat, vagyis a fényelemeket félvezető anyagból készítik, amelyben az eredetileg kötött elektronok fény hatására szabadon mozgó, vezető elektronokká válnak és mozgásuk következménye, hogy elektromos feszültség keletkezik. A napelemcellák kétrétegű szilícium (Si) lapkákból állnak, amelyet pozitív és negatív rétegnek nevezünk. Amikor a fény fotonjai a félvezető kristály (Si = szilícium) felületére érkeznek és elnyelődnek, a kristály vegyértékelektronjait gerjesztik. Az elektronok magasabb energiaszintre (a vezetési sávba) kerülnek, vagyis szabad töltéshordozók keletkeznek. A töltéshordozókat egy külső terhelésen átvezetve (ami lehet például egy izzólámpa), zárt áramkört létrehozva, a terhelésen áram fog folyni, mert a pozitív és a negatív elektróda között feszültség jön létre. A keletkezett feszültség nagysága függ a félvezető anyagától, ezenkívül a fény pillanatnyi erősségétől és intenzitásától függően változik, ha nő a fény intenzitása, például a déli órákban erősebb a napsugárzás, akkor nő a feszültség nagysága, szürkületkor pedig csökken a feszültség.
ábra 1: Energiatermelés napelemmel
ábra 2: Napelem felépítése
Fényelektromos cellák készítésére szilíciumot használnak, mert ez az anyag lényegesen olcsóbb, mint a többi félvezető. Egy napelemcella hatásfoka típustól függően 5-21.5% között változik. Egy cella kapocsfeszültsége szilíciumból készült cella esetén1V-nál kevesebb, ezért a névleges kimeneti kapocsfeszültség növelése céljából több napelemcellát kapcsolnak össze, így különböző kimeneti feszültségű és áramterhelhetőségű napelemtáblákat alakítanak ki. Az ilyen tokozott, egybeépített cellákat napelemmoduloknak nevezzük.
5
Napelemcella
Hatásfok
típus
[%]
Monokristály
15-21,5
Polikristály
13-15
Amorf
5-7
A napelemmodulokban az egyes cellákat sorosan, párhuzamosan kapcsolják, így tudják változtatni a feszültség, vagy az áramerősség nagyságát. Sorba kapcsolás estén a kapocsfeszültséget, párhuzamos kapcsolás esetén az áramerősséget tudják változtatni.
Napelem típusai: – monokristályos napelemtáblák: Monokristály (egykristály) cellákból áll, soros-párhuzamos kapcsolással összekötve. Cellái fekete színűek, külsőleg jól elkülöníthetőek. Hatásfokuk 15-21,5%-os. Keretezettek, élettartamuk 15-30 év. Ezek a legdrágább, ám minőségileg kiváló napelemek. Méretük néhány száz négyzetmillimétertől a néhány négyzetméteres tartományig bármilyen méretben
megtalálhatóak.
A
kereskedelemben
kapható
típusok
teljesítménye néhány wattól 250 W-ig terjed.
ábra 3: monokristályos napelem
– polikristályos napelemtáblák: Polikristály cellákból áll, melyek sorba-párhuzamosan vannak kapcsolva. Külsőleg kékeslila színezetűek. Teljesítményük 40-200 W, élettartamuk 10-20 év, hatásfoka 13-15%, így hatásfokuk kisebbek a monokristályos típusokéhoz képest.
ábra 4: polikristályos napelem
6
– amorf napelemtáblák: Könnyen gyártható, olcsó. Külsőleg fekete sávokat tartalmazó, keretezett üveglap. Kis gyártási költsége révén kedvező a költség/teljesítmény aránya. Ezek a típusok általában 5-120 W teljesítményhatárok között készülnek. Az amorf napelemek hatásfoka a legalacsonyabb, élettartamuk rövid (10-15 év). Nagyobb a telepítési helyszükségletük és a tömegük, viszont gyenge megvilágítási, felhős körülmények között is jó hatásfokkal képes dolgozni, ezenkívül nem olyan kényes a benapozottságra, ellentétbe a kristályos típusúakkal, amelyek egyáltalán nem kerülhetnek árnyékba, mert az a teljes rendszert blokkolhatja. ábra 5: amorf napelem
7
Szélgenerátor A szél kinetikai (mozgási) energiáját villamos energiájává alakítja. A szélkerék egy áramfejlesztő generátort hajt meg. Teljesítményük 60W-20kW. Kimeneti feszültségük: 12, 24, 36, 48 és 230V lehet. A szélgenerátorok indítási szélsebessége típustól függően 1,8-3,5 m/s. A leggyakrabban alkalmazott szélgenerátoros változat az akkumulátoros tárolás. Ez lehetővé teszi, hogy az áram a szélben szegényebb időszakban is rendelkezésünkre álljon. A töltésszabályozó gondoskodik arról, hogy az akkumulátort ne lehessen túltölteni, de túlzottan ki se sütni. A töltésszabályozó a szélkereket az üresjárat állapotától is védi és az akkumulátor töltött állapota esetén azt fékezi, vagy azok forgását le is állítja. Az üresjárási állapot azért veszélyes, mert a szélgenerátort akkumulátorral, vagy villamos fogyasztóval kell összekötni, hogy megfelelő járását egyáltalán biztosítani lehessen. Ha a szélkerékhez nem kapcsolunk fogyasztót, akkor a lapátkerék, illetve a rotor az üresjáratban nagyon felgyorsulna és ennek következtében tönkremenne. Szélgenerátor típusai: – vízszintes tengelyű szélgenerátorok: Ez a legáltalánosabban elterjedt kialakítás. A repülőgép légcsavarjához hasonló turbinalapátok és a generátor egy torony tetején helyezkednek el.
ábra 6: Vízszintes tengelyű szélgenerátor – függőleges tengelyű szélgenerátorok: A forgó tengely ebben az esetben függőlegesen áll. Ennek előnye, hogy a szélturbinát nem kell a szél irányába állítani.
ábra 7: Függőleges tengelyű szélgenerátor
8
Napelemes és szélgenerátoros berendezések telepítése Napelemes berendezések telepítése Célunk, hogy a napelemből a legtöbb energiát nyerjük ki. A termelt villamos energia mennyisége a napelemmodul fajtájától, típusától, annak a munkafelületére eső megvilágítás erősségétől és a napelemmodulok elhelyezésétől függ. Az optimális elhelyezés az lenne, ha a nap folyamán a fény a leghosszabb ideig merőlegesen érné a napelemmodult. Minél alacsonyabb a Nap járása, annál hosszabb utat tesz meg a Föld légkörében, ezáltal növekszik az abszorpció. A napelemtáblákat a déli irányba állítva célszerű felszerelni, ekkor érik el legnagyobb hatásfokukat. Az ideális dőlésszög 30°-45°. A vízszintes elhelyezés azért sem célszerű, mert nincs megoldva a napelem öntisztulása. Fontos, hogy az energiatermelés időpontjában semminek sem szabad, még részlegesen sem árnyékot vetnie a napelemmodul felületére. A monokristályos és polikristályos napelemmodulok esetén már egy közepes méretű falevél árnyéka is képes blokkolni a rendszert. Az amorf szilícium napelemmodulok esetében ez kevésbé jelent gondot, mivel ezeknél csak a leárnyékolt felület arányában csökken az energiatermelés. A kedvezőbb energiatermelés céljára készíthetők olyan állványzatok, illetve tartószerkezetek is, amelyek lehetővé teszik az adott évszaknak megfelelő dőlésszög optimális beállítását. Szélgenerátoros berendezések telepítése Nagyon fontos a szélerőmű felállítási helyének helyes megválasztása, mert a forgórészt lehetőleg a házak és fák zavaró hatásától mentesen kell a szélnek elérnie. A felállítás szempontjából a legjobb a teljesen szabad terep, ahol nincs a közelben épület, vagy fa. A felállítás feltételei a gyakorlatban sokszor ettől teljesen eltérőek. Lakott területen a szél főirányában jelentős eltérések vannak, mert az épületek a szelet eltéríthetik. Ügyelni kell ara, hogy a lapát megfúvása lehetőleg egyenes és egyenletes legyen. Sok, szabadban felállított szélerőműnek van némi hangja. A szél háttérzajától 310 dB-lel zajosabbak. A szélkerék háztetőre való elhelyezése nem szerencsés, mert amikor a szélkereket egy tetőre szereljük, a generátor zaja az árbocon át az egész épületre átterjed és ezáltal jelentősen felerősödik. Lakóépület esetén ez kellemetlenné is válhat és a finom rezgések hosszabb idő alatt károsíthatják a falakat.
9
Villámvédelem Napelem A napelemeket általában az építmények tetőszerkezeteire szerelik fel. A napenergia hasznosító rendszerek szerkezetei mindig tartalmaznak fém tartószerelvényeket és áramvezető szerkezeteket is, amelyeket gyakran ér közvetlen villámcsapás. Ezért a villámvédelmi szabványok előírásainak megfelelően a napenergia-hasznosító rendszert is mindig villámvédelemmel védeni kell, így villámvédelmi felfogók, levezetők és földelőrendszer (villámhárító) védett terében kell azokat elhelyezni. Ha az épületre nincs külső villámvédelem felszerelve és villámcsapás éri a napenergia fogadására szolgáló rendszert, akkor a villámáramot a fémszerkezetek bevezetik az épület belsejébe és nemcsak a napenergia-hasznosító berendezésben keletkezik villámkár, hanem az épület villamosenergia-ellátó és elektronikus irányító, felügyeleti és adatfeldolgozó rendszereiben is további másodlagos villámkárok keletkeznek, ezért a napenergia-hasznosító berendezések esetén fontos a belső villámvédelem kiépítése. A tetőszerkezeten 20 - 60 m sugarú gördülő gömbbel szerkesztett villámvédelmi felfogó-rendszer védett terében kell a napelemeket elhelyezni. A napelemet és a fém tartószerelvényeit villámvédelmi földelő-rendszerrel és az épület EPHcsomópontjával is össze kell kötni. A napelem-rendszer egyenáramú (+) és (-) kimenetére villámáram-levezetőképes (10/350μs) túlfeszültség levezetőket kell csatlakoztatni. Szélgenerátor A szélgenerátor felállításánál fontos a villámvédelmi előírások betartása. Az árboc lábánál a villámhárító földelővezeték bekötéséhez egy csavart kell elhelyezniés ezen keresztül kell összekötni a lakóépület földelő hálózatával és az EPH-csomóponttal. Ez a külső villámvédelmi megoldás csak közvetlen villámcsapások ellen véd (tűz-és rombolóhatás). A szélgenerátor egyenáramú (+) és (-) kimenetére villámáram-levezetőképes (10/350μs) túlfeszültség levezetőket kell csatlakoztatni.
10
Nap-és szélgenerátoros rendszerek megvalósítása Hálózatra visszatápláló rendszerek A hálózatra visszatápláló, napelemes és szélgenerátoros, energiamentes (akkumulátor nélküli) rendszert a közüzemi hálózattal kötjük össze. Az így felépített rendszer előnye az, hogy nem kell akkumulátor és töltésszabályozó, ezáltal jelentős költségmegtakarítás érhető el és csökkenteni tudjuk villanyszámlánkat. A közüzemi hálózatra visszatápláló inverter a 230 V-os váltakozó feszültséget szinkronizáló áramkörrel a hálózat jellemzőihez illeszti, így az inverter kimeneti feszültsége szinkron pozícióban lesz betáplálva a villamos hálózatba. Lehetőség van arra, hogy a felesleges villamos energiánkat az áramszolgáltatónak eladhassuk, ő pedig az általunk szolgáltatott energiát átveszi, fizetni pedig a kettő (termelt energia és a vételezett energia) különbözetét kell. Szigetüzemű rendszerek A szigetüzemű rendszerek esetén a megtermelt villamosenergiát a saját fogyasztóink ellátására használjuk fel, tehát a rendszer függetlenül üzemel a közcélú villamos hálózattól. A megtermelt energiát akkumulátorokban tároljuk, hogy akkor is rendelkezésre álljon, amikor nincs lehetőség a nap- illetve a szélenergia hasznosítására. Hibrid rendszerek Ha napelemet, vagy szélgenerátort használunk villamosenergia előállítására, legjobb ha együtt használjuk, ún. hibrid rendszerben, mivel így biztosítható a szünetmentes áramellátás. Ez a két rendszer, majdnem egymással ellentétesen működik, hiszen amíg a napelemmodulok elsősorban nyáron termelnek elektromos energiát, mert ilyenkor a napsugárzás intenzitása erősebb, addig az ősztől tavaszig tartó időszakban a szélgenerátor termeli a villamosenergia nagy részét, ezáltal a két rendszer együttes használata folyamatos energiaellátást biztosít.
11
Fogyasztók Nyári időszak
Helyiség: közlekedő Fogyasztó Kompakt
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
18
1
0,018
18
1
0,018
fénycső Kompakt fénycső Összesen
0,036
Helyiség: szoba 12 m2 Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Halogénizzó
105
2
0,21
Tv
80
3
0,24
Számítógép
125
2
0,25
Asztali lámpa
20
1
0,02
Rádió
10
0,5
0,005
Összesen
0,725
Helyiség: fürdőszoba Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Halogénizzó
70
2
0,14
LED
9
1
0,009
Mosógép
900
5 óra/hét
0,64
Hajszárító
1800
0,16
0,288
Vasaló
1900
2 óra/hét
0,542
Porszívó
1800
2 óra/hét
0,514
Bojler
1800
1
1,8
Összesen
3,933
12
Helyiség: szoba 12 m2 Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh
Halogénizzó
105
2
0,21
Tv
80
3
0,24
Számítógép
125
2
0,25
Asztali lámpa
20
1
0,02
Összesen
0,72
Helyiség: konyha Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Halogénizzó
300
3
0,9
LED
9
1
0,009
LED
9
1
0,009
Hűtőszekrény
80
24
1,92
Fagyasztóláda
80
24
1,92
Mikrohullámsütő
800
0,16
0,128
Kenyérpirító
800
0,08
0,064
Mosogatógép
1000
0,5
0,5
Kenyérsütő
450
1,5
0,675
Kávéfőző
450
0,16
0,075
Összesen
6,2
Helyiség: kamra Fogyasztó Kompakt fénycső
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
15
0,5
0,015
Összesen
0,015
13
Helyiség: nappali + étkező Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Kompakt fénycső
52
0,5
0,026
Csillár
66
2
0,132
Tv
80
2
0,16
Klíma
2600
2
5,2
Összesen
5,518
Helyiség: szoba 20 m2 Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Kompakt fénycső
36
2
0,072
Állólámpa
80
1
0,08
Hifi
10
0,5
0,005
Digitális
10
24
0,24
Asztali lámpa
20
1
0,02
Hősugárzó
1800
-
-
ébresztőóra
Összesen
0,462
Helyiség: kültéri világítás Fogyasztó Kompakt fénycső
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
240
0,5
0,12
Összesen
0,12
14
Téli időszak
Helyiség: közlekedő Fogyasztó Kompakt
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
18
2
0,018
18
2
0,018
fénycső Kompakt fénycső Összesen
0,036 Helyiség: szoba 12 m2
Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Halogénizzó
105
4
0,42
Tv
80
5
0,4
Számítógép
125
4
0,5
Asztali lámpa
20
3
0,06
Rádió
10
0,5
0,005
Összesen
1,365 Helyiség: fürdőszoba
Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Halogénizzó
70
4
0,28
LED
9
2
0,018
Mosógép
900
5 óra/hét
0,64
Hajszárító
1800
0,5
0,9
Vasaló
1900
2 óra/hét
0,542
Porszívó
1800
2 óra/hét
0,514
Bojler
1800
2
3,6
Összesen
6,494
15
Helyiség: szoba 12 m2 Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh
Halogénizzó
105
4
0,42
Tv
80
3
0,24
Számítógép
125
4
0,5
Asztali lámpa
20
3
0,06
Összesen
1,22
Helyiség: konyha Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Halogénizzó
300
5
1,5
LED
9
2
0,018
LED
9
2
0,018
Hűtőszekrény
80
24
1,92
Fagyasztóláda
80
24
1,92
Mikrohullámsütő
800
0,5
0,4
Kenyérpirító
800
0,08
0,064
Mosogatógép
1000
0,5
0,5
Kenyérsütő
450
1,5
0,675
Kávéfőző
450
0,16
0,075
Összesen
7,09
Helyiség: kamra Fogyasztó Kompakt fénycső
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
15
1
0,015
Összesen
0,015
16
Helyiség: nappali + étkező Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Kompakt fénycső
52
1
0,052
Csillár
66
3
0,198
Tv
80
3
0,24
Klíma
2600
0,5
1,3
Összesen
1,349 Helyiség: szoba 20 m2
Fogyasztó
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
Kompakt fénycső
36
4
0,144
Állólámpa
80
2
0,16
Hifi
10
0,5
0,005
Digitális
10
24
0,24
Asztali lámpa
20
2
0,04
Hősugárzó
1800
1
1,8
ébresztőóra
Összesen
2,389
Helyiség: kültéri világítás Fogyasztó Kompakt fénycső
Teljesítmény
Üzemóra
Fogyasztás
[W]
[óra/nap]
[kWh]
240
1
0,24
Összesen
Összes
0,24
Nyári időszak
Téli időszak
17,729
19,878
fogyasztás [kWh/nap]
17
Napelemes és szélgenerátoros rendszer tervezése Fogyasztó: Feszültség: 230 V Fogyasztás: 20 kWh/nap = 20000 Wh/nap Mivel a fogyasztás értéke eltérhet az átlagfogyasztástól, ezért biztonsági tartalékként 1,5 szorzóval számolva: 1,5⋅20000 Wh=30000 Wh -ra történik a napelemes és szélgenerátoros rendszer méretezése.
Akkumulátor: Feltétel: 30000 Wh energiát kell tárolnia Feszültség: 48 V 30000 Wh /48V =625 Ah 625 Ah/120 Ah=5,2=6
6 db 120 Ah akkumulátor szükséges.
Napelem: Típus: monokristályos napelem 250 W Napi 8 óra napfénybefogás esetén 8 h⋅250 W =2000 Wh lehet átlagosan termelni. Mivel a 30000 Wh/nap-nak a felét kell, hogy előállítsa a napelem, ezért 15000 Wh/ nap÷2000 Wh=7,5=8 8 db 250W napelem szükséges.
18
Szélgenerátor: 5 órás szélbefogási idővel számolva és 15000 Wh-t kell, hogy előállítson, így a szélgenerátor teljesítményét 5 óra /nap⋅3000 W =15000 Wh /nap 3000 W-ra kell választani.
Töltésszabályzóval egybeépített hibrid inverter: A töltésszabályzóval egybeépített hibrid inverternek el kell tudnia viselni a rá kapcsolt legnagyobb fogyasztó terhelését, illetve a napelem és a szélgenerátor teljesítményét fedeznie kell. Teljesítménye: 2000W napelemhez csatlakozó inverter 3000W szélgenerátor csatlakozó inverter
19
A rendszer működése A rendszer tervezésekor az alapkoncepcióm az volt, hogy a napelem és a szélgenerátor által előállított villamos energiát arra használom fel, hogy visszatápláljam a közüzemi hálózatba és ezzel egyidejűleg a lakóépület fogyasztóinak energiaigényét a közüzemi hálózatból nyert energiából fedezem. A visszatáplálás kontaktor segítségével történik. Ha nincs üzemzavar a kontaktor bekapcsol, zárja az áramkört és megindulhat a visszatáplálás a hálózatba. Előfordulhat, hogy a 0,4 kV-os hálózaton üzemzavar lép fel, ezt az átkapcsoló érzékeli és a rendszert átkapcsolja, így a napelem és a szélgenerátor által feltöltött akkumulátorról el tudom látni a fogyasztóimat és a visszatáplálás is megszűnik, mivel a kontaktor nem kap feszültséget a bemenetén és bontja az áramkört. Amint az üzemzavar megszűnt és visszatér a hálózati feszültség, ezt érzékeli az átkapcsoló és a rendszert visszakapcsolja, újból megindul a visszatáplálás és a fogyasztók ellátása a hálózatról. A rendszerbe két különálló fogyasztásmérőt szereltem fel. Az egyik azt a fogyasztást méri, amelyet a közüzemi hálózatból vételezek, a másik azt amit megtermelek és visszatáplálok a hálózatba. A rendszer mechanikusan is működtethető. Ha a fogyasztó nem akar visszatáplálni a hálózatba és nem akar az áramszolgáltatótól villamosenergiát igényelni, vagyis nem akar vételezni a közüzemi hálózatból, hanem a megújuló energiaforrások által megtermelt energiával akarja fedezni a családi ház fogyasztását, akkor ezt egy kapcsoló segítségével bármikor megteheti. A kapcsoló megnyomásával a rendszer azt érzékeli, hogy üzemzavar lépett fel a közüzemi hálózatba (pedig a valóságban ez nem történt meg), ezért az átkapcsoló átkapcsolja a rendszert, a kontaktor megszakítja az áramkört, ezáltal a visszatáplálás megszűnik. Ez az állapot marad mindaddig, amíg meg nem történik a KI nyomógomb ismételt megnyomása. Ha ez megtörtént a rendszer azt érzékeli, hogy az üzemzavar helyreállt, ezért az átkacsoló visszaállítja az rendszer működését alaphelyzetbe, a kontaktor bekapcsolja az áramkört és megkezdődik a visszatáplálás is.
20
Eszközlista: – napelem: PM-S 250 monokristályos – szélgenerátor: e.3 3000W – akkumulátor: BAE 2 SPzV 120 – töltésszabályozóval egybeépített hibrid inverter: PC 2000 és PC 3000 – US-12 átkapcsoló – kontaktor: Ganz KK DIL 0-52 – kismegszakító: BBC-Stotz S210 63A – mérőszekrény: ME-K11-B-LM/LK – egyfázisú fogyasztásmérő: PowerLogic ME – lakáselosztó: XBS MSK 18 – kapcsoló: EVIG P40
21
Elosztóhálózatra csatlakozás A lakóépület részére légvezetékes csatlakozás van kiépítve egyfázisú betáplálással. Az érintésvédelmi mód a TN-C-S rendszer szerinti, vagyis a csatlakozóvezeték a fázisvezetőből és a PEN vezetőből áll. A szerelési módot tekintve önhordó vezetékek kerültek alkalmazásra. A légvezeték hossza 15 m, amely az épületfalra elhelyezett falitartóhoz csatlakozik, amelynek az MSZ 447 szabvány szerint a földtől mért legkisebb távolsága 3 m. A betápláló fővezeték az első túláramvédelmi dobozba csatlakozik, illetve a PEN vezető egy sínre csatlakozik, ahol szétválasztásra kerül egy nulla és egy védővezetőre. A betápláló fővezeték és a fogyasztásmérő zárlat- és túláramvédelmét egy kismegszakító látja el. Az ezzel sorosan kötött B osztályú villámáram levezető a belső villámvédelmi feladatokat látja el. A méretlen vezeték ezután a két egyfázisú fogyasztásmérőt tartalmazó merőszekrénybe csatlakozik, majd innen a mért vezeték a lakáselosztóba kerül bekötésre. Itt találhatók a lakóépület védelmét ellátó kismegszakítók, a hibaáramot figyelő Fi-relé és a C osztályú túlfeszültség levezető, amely megvédi az épületben található elektronikus berendezéseket a kapcsolási túlfeszültségektől. A lakóépületben kiépítésre került az EPH (egyenpotenciálra hozó) hálózat, amely a házban található nagyobb fémes felületeket egy EPH csomóponton keresztül azonos potenciálra hozza és ez összeköttetésben áll a ház villámvédelmi földelésével is. Eszközlista: – csatlakozóvezeték: Mkh 1 kV 10 mm^2 – betápláló fővezeték: Mkh 1 kV 10 mm^2 – mért fővezeték: Mkh 1 kV 10 mm^2 – védőcső: MÜ I 36 mm – mérőszekrény: ME-K11-B-LM/LK – egyfázisú fogyasztásmérő: PowerLogic ME – lakáselosztó: XBS MSK 18 – kismegszakító: ABB B 10A; ABB B 35A – kismegszakító: ABB B 63 A – B osztályú villámáram-levezető: DEHNblock/1 – C osztályú túlfeszültség-levezető: DEHNguard T – ÁVK: XBS 10A 0,03mA – EPH sín – tartóhorog
22
Csatlakozóvezeték méretezése – méretezés feszültségesésre Adatok: P = 6,6 kW U = 230 V l = 15 m
E =1% Feszültségesés mértéke e=U T −U F =I⋅R⋅cos f U T −U F e ⋅100= ⋅100 UT UT
E= e=
230⋅1 =2,3 V 100 Egyfázisú teljesítmény számítása
P=U⋅I⋅cos =U⋅I h , ebből a hatásos (wattos ) áram számítása I h=
6600 =28,69 A 230 Az egy vezetőéren eső feszültségesés mértéke
E ⋅U e 100 fn e' = = =1,15V 2 2 Vezeték keresztmetszet számítása e ' =I h⋅Rv =
I h⋅⋅l , ebből a vezeték keresztmetszet A
A=
⋅I h⋅l e'
A=
0,0178⋅15⋅28,69 =6,66 mm2=10 mm2 1,15
23
Hálózatra való visszatáplálás Háztartási méretű kiserőműnek minősül minden olyan rendszer, amely teljesítménye nem haladja meg az 50 kVA-t. A HMKE inverteren keresztül csatlakozik a közcélú hálózathoz. A közcélú hálózatba betáplált villamos energiát, illetve a hálózatból vételezett villamos energiát a csatlakozási ponton külön-külön kell megmérni, elszámolását pedig a villamosenergia-kereskedővel kötött szerződés szerinti elszámolási időszakokra számított szaldóképzéssel kell megvalósítani. Az elszámolás (szaldóképzés) ciklusideje a felek megállapodása szerint havi, negyed-éves, vagy éves. HMKE-nél az alábbi védelmekről kell minimálisan gondoskodni: − rövidzárlati védelem; − túlterhelési védelem; − feszültségnövekedési védelem − feszültségcsökkenési védelem − frekvencianövekedési védelem − frekvenciacsökkenési védelem − elosztóhálózati-szigetüzem elleni védelem; − földzárlati/testzárlati védelem; − érintésvédelem; − egyenáramú védelem.
24
Kültéri világítás A kültéri világítás tervezésekor arra törekedtem, hogy a lakóépületet minél jobban be lehessen világítani, de energiatakarékos is legyen. Ezért döntöttem a fényvetőre szerelt mozgásérzékelős rendszer mellett. A tervezés fő célja az volt, hogy a külső világítás egy meghatározott megvilágítás esetén kapcsoljon be, de csak abban az esetben, ha valaki elhalad a fényforrás előtt, illetve annak környezetében. Ennek megvalósítására több lehetőség is kínálkozott. Meg lehetne valósítani egy fényvetővel és egy alkonykapcsolóval. Ekkor a rendszer úgy működne, hogy a fényvető csak abban az esetben kapcsolna be, ha a mozgásérzékelő mozgást észlelne és a megvilágítás egy bizonyos érték alá csökkenve az alkonykapcsoló bekapcsolna. A hátránya az lenne hogy a rendszer csak addig maradna bekacsolva, amíg mozgás lenne és a késleltetési idő lejárta után kikapcsolná a világítást. Ennek kiküszöbölésére szükség van egy világításkapcsolóra, hiszen ha azt akarjuk, hogy hosszabb ideig legyen bekapcsolva a fényforrás, akkor megnyomjuk a kapcsolót és a világítás bekapcsol függetlenül attól, hogy van-e mozgás, illetve mekkora a környezet megvilágítási értéke, vagyis a kapcsoló segítségével felülírjuk a mozgásérzékelő és az alkonykacsoló parancsait. Ez a rendszer viszonylag sok részből áll és manapság már vannak olyan mozgásérzékelő, amelyek ezeket a funkciókat képesek elvégezni, tehát be lehet állítani, hogy mekkora fényerősség esetén és mennyi időintervallumra kapcsolja be a világítást, illetve egy világításkapcsoló segítségével tartósan be-, vagy kikapcsolhatjuk, ezért döntöttem ennek a használatánál. A tartós be/kikapcsolásnál célszerű a fényvetőt csillárkapcsolóval ellátni, így egyik állásban a mozgásérzékelő üzemmód, a másik állásban a tartós világítás kapcsolható. Ha mindkét kapcsoló ki állásban van, akkor a világítás tartósan kikapcsolt állapotban marad. Eszközlista: – mozgásérzékelő: ES-37 infravörös mozgásérzékelő – csillárkapcsoló: Alfa IP44 105 – vezeték: MB CU 1,5 mm2 – műanyag vezetékcsatorna 20X20 mm
25
A meleg víz előállítására szolgáló készülék és a fűtés vezérlése A fűtés és a használati meleg víz előállítása nagy energiafelhasználással jár, ezért célszerű ezeknek a rendszereknek lecsökkenteni a fogyasztását. Ezeket a folyamatokat egy irányító rendszerre kell bízni, hiszen sokkal megbízhatóbban működik, mintha az ember vezérelné, például egy embernek nem mindig jut eszébe bekapcsolni a bojlert, hogy egy adott időpontra a szükséges meleg víz a rendelkezésére álljon. Természetesen nem szükséges, hogy a meleg víz egész nap rendelkezésre álljon, illetve nem kell hogy a fűtés egész nap bekapcsolva maradjon. Egy kapcsolóóra segítségével beállítjuk, hogy mielőtt a lakók megérkeznének addigra a hőmérséklet elérje a kívánt beállított értéket, illetve meleg víz is rendelkezésre álljon. Ehhez szükség van egy kontaktorra a terhelés vezérlésére, ami a rendszer ki-be kapcsolását jelenti, illetve egy többcsatornás időzítő programórára, ami különböző leágazásokat tud külön-külön program szerint kezelni, így lehetőség van a be-ki kapcsolás intervallumainak beállítására, de ha más időszakban is akarjuk működtetni a rendszert, akkor ezt a nyomógombok segítségével tehetjük meg, így bármikor előállítható meleg víz és a fűtés is bármely időszakban bekapcsolható az időzítő óra megkerülésével. Ha vissza szeretnénk térni a normál időzítésre, akkor ismét meg kell nyomni a gombot és máris visszaáll a programóra rendszere. Az automatizálás segítségével rengeteg energiát takaríthatunk meg, hiszen a nem szükséges intervallumokban nem melegítjük a vizet és nem tartjuk mindig ugyanolyan magas hőmérsékleten a fűtést. A időzítő programóra könnyen módosítható és újraprogramozható bármikor. Eszközlista: – programozható időkapcsoló: Schneider Electric IHP – kontaktor: Ganz KK DIL 00-52 – kétpólusú kapcsoló: Alfa IP44 102 – kismegszakító: ABB 16A – vezeték: MT 2,5 mm^
26
Klíma vezérlése A vezérlés egy kétcsatornás digitális kapcsolóórával, egy segédrelével, egy külső érzékelős termosztáttal és egy motorvédő kapcsolóval valósítható meg. A következő feladatokat végzi el a rendszer: – napközben reggeltől estig gyakran kapcsolja be a klímát – hétvégén délelőttönként, amikor főznek a házban, még intenzívebb a klímaberendezés működése – éjszaka csak nyáron működjön, de rövid ideig, mert zavarhatja a lakókat – télen reggeltől estig működjenek a ventilátorok, de ritkább időközökben, este pedig egyáltalán ne működjenek A kapcsolóóra felprogramozása a kívánt feltételek szerint: 1. Egyes csatorna = Nyári időtartam: – bekapcsolás hétfőtől vasárnapig, reggel 7 óra és este 21 óra között, minden óra 00-kor és minden óra 30-kor 3 perces időtartamra; 21 óra 30 perc és reggel 6 óra 30 perc között minden óra 30-kor 2 perces időtartamra. – Bekapcsolás szombat és vasárnap, reggel 8 óra 15 és 19 óra 15 között, minden óra 15-kor és minden óra 45-kor 3 perces időtartamra; 20 óra és 5 óra között minden óra 00-kor 2 perces időtartamra. 2. Kettes csatorna = Téli időtartam: – bekapcsolás hétfőtől vasárnapig, reggel 9 óra és este 20 óra között, minden óra 00-kor egyszer 3 perc időtartamra – bekapcsolás szombat és vasárnap reggel 8 óra 30 és 15 óra 30 között, minden óra 30-kor, 3 perces időtartamra. A két csatorna záróérintkezőjét át kell kötni egy segédrelé 12-es és 14-es kapcsára. A segédrelé egy moduláris termosztát záró, vagyis 18-as érintkezőjén át adjuk a tápot. A moduláris termosztát 15-ös kapcsára és a kapcsolóórák kimeneteinek 15-ös és 25-ös kapcsára, illetve a teljes vezérléshez ugyanazon a fázist kapcsoljuk. Ezután be kell állítani a termosztátot, például 23 °C-ra. A segédrelé 11-es kapcsán keresztül kell adni a tápot a ventilátort kapcsoló kontaktor A2 kapcsára. Amikor a külső hőmérséklet 23°C alá csökken a termosztát behúz. A termosztát 18-as pontja működteti a segédrelét, amely ezért szintén behúz. Ebben az állapotban a kapcsolóóra 28-as kapcsa, vagyis a kettes csatorna működteti a motorvédő kapcsolót, amely alkalmas a klíma indítási áramának bekapcsolására, üzemi áramának vezetésére és túlmelegedés esetén egy hőkioldó segítségével az önműködő kikapcsolásra. Ez a téli üzemmód. Amikor a külső hőmérséklet meghaladja a 23°C-ot, a 27
termosztát és ezzel együtt a segédrelé elejt és a digitális kapcsolóóra 18-as kapcsa, vagyis az egyes csatorna fogja működtetni a motorvédő kapcsolót. Az egypólusú kapcsolók segítségével télen és nyáron is bármikor bekapcsolható a klíma. Ha a kapcsolót újból megnyomjuk, akkor visszaállítjuk a digitális kapcsolóóra által beállított be/kikapcsolási értékeket. Eszközlista: – digitális kapcsolóóra: SHT-3/2 – segédrelé: EVIG KR 8S – motorvédő kapcsoló: Ganz KK DT 0 – termosztát: TER-3 – egypólusú kapcsoló: Alfa-line 101 – kismegszakító: Abb B 16A – vezeték: MB CU 1,5 mm^2
28
A családi ház vezetékhálózatának tervezése A lakóépület vezetékhálózatának tervezésekor a falba süllyesztett szerelést választottam, kivéve a kültéri világítást, ahol falon kívüli vezetékelhelyezés mellett döntöttem. Az elosztóhálózat áramkörei 1,5 mm2 keresztmetszetű rézvezetékek. A nagyobb teljesítményű fogyasztók, így a villanybojler, a mosógép és a klíma külön áramkörre vannak kötve, amelynek vezetékei 1,5 mm2 keresztmetszetű rézvezeték. Egy áramkörre maximum 16 dugaszolóaljzat köthető és egy dugaszolóaljzatba legfeljebb 2 kW-os fogyasztó csatlakoztatható. Az áramköröket többféleképpen lehet kialakítani, lehetnek azonos, vagy vegyes áramkörök. Vegyes áramkörnek nevezzük azt az elosztóhálózatot, amelyben kapcsolók és védőérintkezős dugaszolóaljzatok vegyesen előfordulnak. Azonos az az áramkör, amelyben vagy csak világításkapcsolók, vagy csak dugaszolóaljzatok fordulnak elő. A családi ház hálózatát azonos áramkörökkel terveztem. Ez azért előnyős, mert a vegyes áramköröknél, ha hiba lép fel (például vezetékszakadás, vagy zárlat) a lakóhelyiségben nincs világítás és a dugaszolóaljzatok is használhatatlanok, míg azonos áramköröknél ez nem fordulhat elő, mert ha a világítási áramkörben üzemzavar keletkezik, akkor a dugaszolóaljzatba tudunk csatlakoztatni világítási készülékeket. Minden helyiségben kettős, vagy hármas dugaszolóaljzatokat terveztem, így elkerülhető a hosszabbítók használata és az esztétikailag előnytelen kábelkötegek látványa. Elosztóhálózat áramkörei – világítási áramkörök:
1. áramkör: szoba 12m^2 fürdőszoba szoba 12 m^2 konyha kamra 2. áramkör: közlekedő szoba 20 m^2 nappali + étkező 3.áramkör: kültéri világítás
– dugaszolóaljzat áramkörei:
1. áramkör: szoba 12 m^2 fürdőszoba 2. áramkör: szoba 12 m^2 konyha 3. áramkör: szoba 20 m^2 nappali + étkező 29
– nagyfogyasztók áramkörei: 1. áramkör: klíma 2. áramkör: villanybojler 3.áramkör: mosógép Eszközlista: – vezeték: MB CU 3X1,5 mm^2 – védőcső: MÜ III 11 mm – műanyag vezetékcsatorna 20X20 mm – dimmer: RL 300W 1M ES EM10ES – dimmat: LEGRAND 10 AX 0792 51 – mozgásérzékelő: ES-37 infravörös mozgásérzékelő – jelenlétérzékelő: THEBEN HTS compact passage – kismegszakító: ABB B 10A – ÁVK: XBS 10A 30mA – egypólusú kapcsoló: Alfa FK-N-101 Alfa-line 101 – váltókapcsoló: Alfa-line 106 – keresztkapcsoló: Alfa-line 107 – kompakt fénycső: APOLLO CLE27-11 APOLLO 3UM15-E27 APOLLO 3U18-E27 APOLLO 3U-26 – halogénizzó: APOLLO GU10-35 APOLLO GU10-50 – LED: ECOLED eSpot GU10 140 Lumen 3W melegfehér
30
Felhasznált irodalom Ferenczi Ödön: Áramtermelés nap-és szélenergiából Cser Kiadó 2.kiadás Budapest 2009 Uwe Hallenga: A szélenergia hasznosítása Cser Kiadó 2., bővített kiadás Budapest 2009 Nicola Kuhlmann: Napenergia-hasznosítás Cser Kiadó Budapest 2002 Kruppa Attila: Villámvédelem a gyakorlatban Obo Bettermann Dr. Tarnik István: Villamos energetika I. (Jegyzet) Pécs 1998 Dr. Szemerey Zoltán Kisfeszültségű kapcsolókészülékek Műszaki Könyvkiadó Budapest 1990 Chiara Stein: Intelligens vezérléstechnika Cser Kiadó Budapest 2009 Karl H. Schubert: Villanyszerelés Cser Kiadó Budapest 1997 Ingeborg Schier: Villanyszerelési munkák Cser Kiadó 2001 Elektro installateur épületvillamosság és villanyszerelés XVI. évfolyam 2008/11-12.
31