Obnovitelné zdroje energie Solární energie

Transkript

1 ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov Obnovitelné zdroje energie Solární energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Pracovní materiály pro výuku předmětu. M.Kabrhel 1 Druhy energií Solární energie -aktivní, pasivní solární systémy Větrná energie -větrné pohony, elektrárny Biomasa -lesní, odpad z dřevozpracujícího průmyslu, zemědělství, komunální odpad, kapalná paliva Geotermální energie -geotermální elektrárny, využití tepla suchých hornin, teplo prostředí (TČ) Vodní energie -elektrárny průtokové, akumulační, přílivové vtm.e15.cz, astro.cz, astronomie.cz 125OZE1 2 1

2 Slunce Nejbližší hvězda (150 mil km =1AU) Koule žhavých plynů Stáří 4,6 miliardy let Teplota na povrchu Slunce cca K =žlutá barva Teplota v jádru 1, K a hustota plazmy se zde pohybuje okolo kg.m -3. V tomto prostředí se vodík postupně a velmi pomalu mění na helium za uvolnění obrovského množství energie Slunce je zdrojem krátkovlnného záření Slunce jako zdroj elektromagnetického záření Energie se šíří vakuem rychlostí světla Zemský povrch záření buď odráží (krátkovlnné záření), nebo ho absorbuje a transformuje do vyšších vlnových délek (dlouhovlnné záření) a opět emituje. 2

3 Elektromagnetické záření Elektromagnetické vlny se skládají ze dvou částí elektrické a magnetické. Vektory obou složek svírají pravý úhel a jsou kolmé na směr pohybu. (Vlnová teorie Maxwell) Částicová teorie světlo se chová, jako by bylo tvořeno malými částicemi fotony (Einstein) Kvantová teorie Působení slunce na Zemi (magnetosféru) Slunce ovlivňuje ostatní tělesa Sluneční soustavy gravitačně zářením v širokém spektru vlnových délek magnetickým polem proudem nabitých částic 3

4 Solární záření Energetická bilance solárního záření ppm.nasa.gov 7 Poloha slunce na obloze Obzorníkové souřadnice Azimut (A): Úhel měřený po horizontu směrem od jihu k západu (jih 0, západ 90, sever 180, východ 270 ). Výška (h): Úhel měřený po výškové kružnici směrem od horizontu k zenitu (horizont 0, zenit 90, nadir - 90 )

5 Poloha slunce na obloze Poloha slunce na obloze 5

6 Solární konstanta Na vnějším okraji zemské atmosféry na ploše kolmé k záření je intenzita záření průměrně W/m 2, (solární konstanta I o ) Atmosférou projde jen část záření -v závislosti na vlnové délce záření. Spektrum solárního záření

7 Absorpce dopadajícího slunečního záření Dávka globálního solárního záření 7

8 Dávka globálního solárního ozáření 15 Solární záření Přímé solární ozáření G b (W/m 2 ) přímé záření na jednotku plochy bez rozptylu v atmosféře Intenzita záření velmi závislá na směru dopadu paprsků Difúzní solární ozáření G d (W/m 2 ) difúzní záření vzniká rozptylem o molekuly plynů ve vzduchu, částečky prachu, vodní páru při prostupu atmosférou Intenzita záření je stejná ve všech směrech Dávka solárního ozáření (kwh, kwh/m 2 ) 8

9 Celkové sluneční ozáření: Solární energie jasný slunečný den léto W/m 2 lehce zataženo W/m 2 silně zataženo W/m 2 Solární energie Roční úhrn globálního záření Průměrně 3800 MJ/m 2.rok Zdroj: Atlas podnebí Česka 9

10 Solární energie Celková doba slunečního svitu h/rok Zdroj: Atlas podnebí Česka Solární soustavy Soustavy pro využití solární energie Fototermické (fototermální) Fotovoltaické (fotoelektrické) Pasivní Aktivní Kapalinové Vzduchové 10

11 Fototermické solární soustavy 21 Pasivní využití solární energie Architektura domů Prosklené plochy orientované na jih Teplotní zónování Akumulační konstrukce Akumulační stěny Trombeho stěna sálání Konvekce Zimní zahrada

12 Pasivní využití solární energie Trombeho stěna masivní stěna natřenou tmavou barvou ze strany exteriéru Teplo se šíří do místnosti radiací ze stěny (s příslušným fázovým zpožděním) a konvekcí přes průduchy ve stěně. Pasivní využití solární energie Energetická fasáda Vzduchový kolektor Zima-snížení tep. ztrát, využití pro vytápění Léto-snížení tepelné zátěže odvětrávání Dvojitá fasáda Sklo před stínícími prvky Ochrana proti hluku, odvod tepelné zátěže,

13 Pasivní využití solární energie Energetická střecha Vzduchový kolektor v šikmé střeše Možné propojení s výměníkem tepla Transparentní tepelná izolace Izolační schopnost, propustnost slunečního záření, odolnost proti UV záření Sklo, plasty S orientovanými komůrkami, pěnové Přenos tepelné energie s časovým posunem (léto?) Transparentní tepelná izolace Přínos prostup solárního záření, redukovaná tloušťka, výplň vzácným plynem Podmínky použití orientace na jih+30, nestíněná konstrukce, nízké Ug=0,7(Kr), 0,8(Ar), 0,9(Air), masivní stěna min 1400kg/m3, zisky kwh/m2a Panely 1x1 2x2m s/kapilux/kapilux-twd.html 13

14 Solární komín Podpora přirozeného větrání objektu Ohřev odváděného vzduchu způsobuje větší průtok větracího vzduchu Funguje pouze při působení slunečního záření Bilance celoročního provozu Ing. Radim Galko Ph.D. práce Kapalinová Aktivní solární soustava (hydronický)- hydronic -využití vody pro vytápění případně chlazení Vzduchová využití vzduchu pro přenos tepla

15 Schéma solární soustavy Solární kolektory Solární jednotka Pojistný ventil Odvod kapaliny Zásobník Výměník tepla Regulátor Čidlo teploty, termostat Odvzdušnění Výměník tepla Základní dělení dle tvaru: Ploché (deskové) Trubkové (trubicové) Koncentrační Dělení dle média kapalinové vzduchové Dělení dle zasklení bez zasklení jednoduché vícevrstvé prizmatické Dělení podle umístění horizontální vertikální Kapalinové solární kolektory

16 Účinnost solárního kolektoru η = užitečný výkon / energie ozáření Závisí na teplotě absorbéru a teplotě okolí Kapalinové solární kolektory Plochý kolektor se selektivním povrchem (plochý selektivní kolektor) -deskový kolektor se spektrálně selektivním povlakem, kovový absorbér, celoroční provoz, 320 až 530 kwh/m 2 r - nejběžnější typ kolektoru - v podmínkách ČR vhodné zejména pro příprava TV (úspora až 80 %), možné vytápění (až 30 %)

17 Kapalinové solární kolektory 33 Kapalinové solární kolektory Hlavní technické vlastnosti Selektivní povrch Kontakt absorbéru s registrem Typ zasklení Výstupní teplota Průtok kolektorem Použití odrazných ploch 17

18 Orientace kolektoru Na diagramu jsou vyznačeny oblasti poloh kolektoru a vliv na jeho výkon 18