Přednáška č. 9 Využití sluneční energie pro výrobu tepla 1. Úvod Součinitel znečištění atmosféry Z: Z ln I ln I ln I ln I 0 n = [-] (1) 0 n, č Kde: I 0 sluneční konstanta 1 360 [W.m -2 ]; I n intenzita záření dopadající na plochu kolmou ke slunečním paprskům při daném znečištění ovzduší [W.m -2 ]; I n,č intenzita záření dopadající na plochu kolmou ke slunečním paprskům při dokonale čistém ovzduší [W.m -2 ]; 2. Intenzita slunečního záření Sledována je: Intenzita slunečního záření dopadající na plochu kolmou ke směru paprsků I n [W.m -2 ]; Intenzita slunečního záření dopadající na plochu vodorovnou s povrchem Země I h [W.m -2 ]; Intenzita přímého slunečního záření I P [W.m -2 ]; Intenzita difuzního záření I D [W.m -2 ]. 1
h výška slunce nad obzorem [ ]; a azimut slunce [ ]; a s azimut osluněné plochy [ ]; α sklon osluněné plochy od vodorovné roviny [ ]; γ - úhel dopadu slunečních paprsků [ ]. Obr. 1. Schéma pro výpočet intenzity slunečního záření na obecně položenou plochu 2
Úhel γ vypočteme ze vztahu: cos γ = sin h. cos α + cos h. sin α.cos(a-a s ) [-] (2) Přímé sluneční záření Intenzita přímého záření dopadajícího na plochu kolmou ke směru paprsků I Pn : I Pn Z = I. exp ε 0 [W.m -2 ] (3) Kde: ε součinitel, který závisí na výšce slunce nad obzorem a na nad mořské výšce daného místa [-]. Intenzita přímého slunečního záření I P dopadající na obecně položenou plochu: I = I P Pn.cosγ [W.m -2 ] (4) 3
Difuzní sluneční záření Intenzita difuzního záření: D ( 1+ cos ). I + 0,5. r. ( 1 cos )( I I ) I = 0,5. α. + α [W.m -2 ] (5) Dh Kde: r reflexní schopnost okolních ploch pro sluneční paprsky (tzv. albedo), r = 0,15 0,25 [-]; I Ph intenzita přímého slunečního záření na vodorovnou plochu [W.m -2 ]; I Dh intenzita difuzního na vodorovnou plochu [W.m -2 ]. Ph Dh Pro intenzity I Ph a I Dh platí rovnice: I Ph = I Pn.sin h [W.m -2 ] (6) I Dh = 0,33. (I 0 I Pn ).sin h [W.m -2 ] (7) Výsledný energetický účinek slunečního záření Celkové sluneční záření I [W.m -2 ]: I = I P + I D [W.m -2 ] (8) 4
Energie dopadající na osluněnou plochu Teoreticky možné množství energie dopadající za den na 1 m 2 osluněné plochy: Obr. 2. Znázornění energie Q S,den,teor [W.h.m -2 ] dopadající za den na 1 m 2 osluněné plochy 5
Střední intenzita slunečního záření během dne: I stř = τ 2 1 τ teor I. dτ = τ 1 Q S, den, teor τ teor [W.m -2 ] (9) Skutečné množství energie dopadající za den na 1m 2 osluněné plochy Poměrná doba slunečního svitu: τ τ = τ skut teor [-] (10) Skutečná energie dopadající na osluněnou plochu: τ. τ ( 1 ) QD den Q = Q +. [kw.h.m -2 ] (11) S, den S, den, teor, 6
Obr. 3. Znázornění energie Q S,den [W.h.m -2 ] dopadající za den se střídavou oblačností osluněné plochy Energie dopadající na osluněnou plochu za průměrný den v měsíci: ( 1 ) QD den Q S, měě = n. QS, den = n. τ. QS, den, teor + n. τ. [W.h.m, -2. měs -1 ] (12) Kde: n počet dnů v měsíci [-]. 7
Energie zachycená absorpční plochou Dopadající energie slunečního záření q s = I stř Obr. 4. Schéma plochého slunečního kolektoru 1 krycí skla; 2 absorpční plocha; 3 dutina s teplonosnou tekutinou; 4 tepelná izolace; 5 rám kolektoru. 8
Měrný tepelný tok zachycený absorberém q A : ( r). q = q + U.( t t ) + U.( t t ) 1 S A 1 A V 2 A V [W.m -2 ] (13) V rovnici (13) je: U 1 součinitel prostupu tepla vrstvou na přední straně absorbéru (na straně se skly) [W.m -2.K -1 ]; U 2 součinitel prostupu tepla vrstvou na zadní straně absorbéru (na straně s tepelnou izolací) [W.m -2.K -1 ]; t A střední teplota absorpční plochy (tekutiny proudící absorbérem) [ C ]; t V teplota okolního vzduchu [ C ] (může být různá na obou stránách kolektoru). Účinnost absorbéruη A : q q ( r) ( U + U )(. t t ) A 1 2 A V η A = = 1 [-] (14) S q S Poměrná reflexní schopnost krycích skel: - při dokonale čistých sklech r = 0,1 0,15; - při mírně znečištěných sklech r = 0,15 0,20. Součinitel prostupu tepla U = U1 + U2: - pro kolektory s jedním sklem U = 6 W. m -2.K -1 ; - pro kolektory se dvěma skly U = 4 W. m -2.K -1. 9
Energie zachycená absorbérem za průměrný den v měsíci Q A den (15) nebo za celý měsíc Q A měs (16): ( 1 ) [ τ. Q + Q ] Q = η. Q = η. τ. A, den A S, den A S, den, teor D, den ( 1 ) [ τ. Q + Q ] Q A, měě = η A. QS, měě = η A. n. S, den, teor τ. D, den [W.h.m -2.den -1 ] (15) [W.h.m -2.měs -1 ] (16) Pro výpočet energie zachycené absorbérem slunečního záření je nutné znát: - Účinnost absorbéruη A ; - Teoreticky možnou energii dopadající za den Q S,den,teor ; - Energii difúzního záření dopadající za den Q D,den ; - Poměrnou dobu slunečního svitu. τ 10
Obr. 5. Typy slunečních kolektorů pro ohřev vody A plochý; B válcový; C koncentrující; 1 transparentní kryt; 2 absorbér; 3 tepelná izolace; 4 proudící teplonosné médium; 5 reflektor; 6 Fresnelova čočka. 11
5. Sluneční systémy pro ohřev vody k sociálním a technologickým účelům Obr. 6. Schéma systému pro ohřev vody s elektrickou topnou vložkou v zásobníku 1 kolektory; 2 zásobník teplé vody; 3 elektrická topná vložka; 4 přívod studené vody; 5 výstup teplé vody. 12
Obr. 7. Schéma systému pro ohřev užitkové vody se zásobníkem tepla a zásobníkem teplé vody 1 kolektory; 2 zásobník tepla; 3 zásobník teplé vody; 4 elektrická topná vložka; 5 přívod studené vody; 6 výstup teplé vody. 13
Obr.8. Schéma systému pro ohřev vody s kotlem jako přídavným zdrojem tepla a s beztlakovým zásobníkem se dvěma výměníky 1 kolektory; 2 zásobník tepla; 3 zásobník teplé vody; 4 elektrická topná vložka; 5 přívod studené vody; 6 výstup teplé vody. 14
6. Systémy pro ohřev vody v bazénech Obr. 9. Schéma systému pro ohřev vody v bazénu s otevřeným okruhem 1 kolektory; 2 bazén; 3 oběhovéčerpadlo; 4 filtr; 5 přívod čerstvé vody. 15
Obr. 10. Schéma systému pro ohřev vody pro sociální účely a pro ohřívání vody v bazénu 1 kolektory; 2 zásobník tepla; 3 kotel s průtokovým ohřívákem vody; 4 přívod studené vody; 5 výstup teplé vody; 6 výměník tepla pro bazén; 7 bazén; 8 oběhovéčerpadlo v okruhu bazénu; 9 filtr; 10 přívod čerstvé vody s plovákovým dávkovačem. 16
7. Systémy pro vytápění budov Systém s dlouhodobou akumulací tepla Obr. 11. Systém s dlouhodobou akumulací tepla ve vodě a s tepelným čerpadlem 1 sluneční kolektory; 2 hlavní zásobník tepla pro dlouhodobou akumulaci; 3 pomocný zásobník tepla pro krátkodobou akumulaci; 4 tepelnéčerpadlo; 5 zásobník tepla v okruhu tepelného čerpadla; 6 otopná soustava. 17
Systém s energetickou střechou Obr. 12. Systém s energetickou střechou a tepelným čerpadlem 1 energetická střecha; 2 zásobník tepla; 3 tepelné čerpadlo v okruhu energetické střechy; 4 okruh spotřebičů. 18
Obr. 19. Tepelná bilance rodinného domu při využití energetické střechy a tepelného čerpadla 19