ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov Obnovitelné zdroje energie Budovy a energie doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Pracovní materiály pro výuku předmětu. 1 Vzduchová solární soustava teplonosná látka vzduch, technicky nejjednodušší solární systémy pro ohřev větracího vzduchu, vysoušení,možné i temperování pohon ventilátorem nebo komínovým efektem www.eco-energo.eu/ www.slunecnikolektor.cz/ 2 1
Vzduchové kolektory Konstrukčně jednoduché provedení Možná kombinace s dalšími solárními systémy (PV, TK) bez vzduchové mezery www.tzbinfo.cz se vzduchovou mezerou mírné klimatické pásmo v letním období příprava teplé vody v zimním období ohřev větracího vzduchu (t<30 C) 3 Návrh solárních systémů Návrh solárních systémů Typická řešení - odhad dle zkušeností z podobných aplikací - použití směrných hodnot - výpočet Atypická řešení - vhodné využít výpočtů, simulací Bilancování solárních systémů Výpočet provozních vlastností systému v konkrétních podmínkách. Nutnost využití výpočtů, simulací. 4 2
Bilancování solárního systému Bilanční výpočet Směrné ukazatele (referenční hodnoty pro měsíc) Potřeba TV na osobu Potřebné množství energie Q=m.c.dT Množství solární energie Charakteristický den v měsíci Solární krytí Plocha kolektorů (účinnost solárního systému 0,5-0,7) Podklady výrobců (Thermosolar, Regulus, Viessmann,..) Specializované publikace Simulace systému Počítačové programy 5 Určení potřeby tepla: Návrh solárních systémů Potřeba tepla na přípravu TV Potřeba tepla na vytápění Potřeba tepla na technologické účely (sušení paliva, ) Potřeba tepla na doplňkové systémy (předehřev bazénové vody,..) Určení potřebného výkonu Časové určení potřeby tepla 6 3
Potřeba teplé vody Potřeba tepla na přípravu teplé vody: V TV,den c t SV t TV z n průměrná potřeba teplé vody (m3/den) hustota vody (kg/m3) měrná tepelná kapacita vody (J/kg.K) teplota studené vody (15 C) teplota teplé vody (60 C) přirážka na tepelné ztráty (rozvody vody a způsob ohřevu) počet dnů sledovaného období (pokud Q p,tv má být kwh/měsíc potom n=počet dnů daného měsíce) 7 Potřeba teplé vody Návrhová potřeba TV (návrh systémů) Bytový dům 82 l/os.den Administrativa 25 l/os.den Skutečná spotřeba TV Bytové domy l/os.den Nízká 10-20 Střední 20-40 Vysoká 40-80 Hotely Pokoj s vanou 95-140 Pokoj se sprchou 50-95 Hostely 25-50 8 4
Potřeba tepla Potřeba tepla na vytápění: Qz výpočtová tepelná ztráta objektu (kw) tiv výpočtová vnitřní teplota (běžně 20 C) tip střední vnitřní teplota v daném měsíci (běžně 20 C) tev výpočtová venkovní teplota tep střední venkovní teplota v daném měsíci n počet dní v daném měsíci ε korekční součinitel, který zahrnuje snížení potřeby tepla (0,7 standard, 0,5 pasivní dům, 0,6 NED dům) v přirážka na tepelné ztráty (např. 5%) 9 Terminologie Solární pokrytí (podíl) udává kolik procent celoročně potřebné energie je možné pokrýt prostřednictvím solárního zařízení využitelné zisky solární soustavy potřeba tepla v dané aplikaci měrné roční využitelné zisky solární tepelné soustavy (kwh/m 2.rok)-slouží pro hodnocení úspory energie teoretické tepelné zisky (kwh/měsíc) 10 5
Určení parametrů solárního systému Odhad dle zkušenosti projektantů Přibližný výpočet, obdobné realizace Reálná soustava v ČR 400-450 kwh.m -2.rok -1 Teplá voda Použití Solární pokrytí (%) Zisk kwh.m -2.rok -1 Rodinný dům 60 300-400 Bytový dům 50 400-500 Vytápění a teplá voda Rodinný dům 20-40 250-300 Bytový dům 20 350-450 11 Plocha kolektoru Plocha absorbéru Plocha apertury Terminologie Otvor, kterým nesoustředěné solární záření vstupuje do kolektoru Specifikace plochy kolektoru 12 6
Počítačové programy Výpočetní software Podpora výrobce (bilanční) Specializované - simulace T*sol (Katedra TZB) Polysun (cz) F-Chart (měsíční bilance) Výzkumné a univerzální - simulace TRNSYS (Katedra TZB) Dynamická simulace s využitím hodinových údajů Detailní simulace prvků systému 13 Polysun light professional designer Dynamická simulace http://www.velasolaris.com Winterthur, Switzerland 119-779-1499 EUR 14 7
GetSolar Dynamická simulace T*sol http://www.valentin.de Berlin, Germany od 460 EUR 15 Detailní dynamická simulace TRNSYS 16 8
Zásobník 2500l Stagnační stavy kolektoru Zásobník 3500l Zásobník 1500l 17 Koncentrační solární soustavy 18 9
Koncentrační solární systémy Historie Legenda o Archimédovi a jeho zapálení římského loďstva u Syrakus. 287-212př.n.l. Obraz Giulio Parigi (1571-1635), Syrakusy, Itálie Florencie, Italie 19 Koncentrační solární systémy Koncentrování solárního záření pomocí čoček nebo zrcadel na malou plochu. Výroba tepla nebo elektrické energie Solární energie-tepelná energie-pára-turbína-generátor Koncentrátory - použití pokud energie dopadajícího záření větší než 1 700 kwh m-2 rok1 (zhruba pod 40 rovnoběžkou). Geometrický koncentrační faktor Cgeo=Aa/AA Aa - plocha apertury (vstupní plocha nebo plocha odrážející vstupní světlo) AA - plocha absorbéru http://en.wikipedia.org/wiki/concentrated_solar_power Oblasti vhodné pro solární tepelné elektrárny 20 10
Solárně termické systémy Parabolické žlaby (Parabolic trough) 2D traker nejrozvinutější technologie koncentrátorů v ohnisku zrcadla umístěna vakuová trubice s teplonosnou látkou médium ohříváno na 150-350 C C geo<80 osa S-J, otáčení za sluncem možná Osa V-Z, pevná poloha, sezónní změna tepelná účinnost 60-80% účinnost výroby elektrické energie 15% (odpovídá FV systémům) hybridní zdroje (kombinace solar-fosilní paliva) max. podíl fosilních paliv omezen např. 27% 21 Elektrárna Andasol 3 části (Španělsko) 900 million Zprovozněna v 2011 Parabolické žlaby 150MWe, 500tis.m2 zrcadel Plocha 200ha cca 4,3Kč/KWh Výroba 495GWh/rok Elektrárna odpaří 870.000 m³ vody za rok (1 stupeň) odpovídá 5 l/kwh 22 11
Technologie koncentrátorů Fresnelova zrcadla (Fresnel reflectors) 2D traker zrcadla v jejichž společném ohnisku je potrubí s teplonosnou látkou technologie je levnější než parabolická zrcadla zrcadla zabírají méně místa, jsou odolnější větru http://en.wikipedia.org/wiki/compact_linear_fresnel_reflector 23 Technologie koncentrátorů Solární věž (Solar power tower) 3D traker zrcadla v jejichž společném ohnisku je věž s výměníkem s teplonosnou látkou C geo<2000 teplota 500 1000 C využití jako zdroj páry nebo zdroj tepla např. pro tavení látek blog.longnow.org 24 12
Technologie koncentrátorů Stirlingův talíř, parabola (Dish stirling) 3D traker zrcadla odrážející záření do jednoho bodu C geo<4600 teplota 250-700 C tepelný motor pro výrobu elektrické energie www.xaharts.org www.stirlingengines.org.uk 25 Solární pec Francie, Odeillo, Pyreneje (1700 m.n.m) Vybudováno v roce 1969. Parabolické zrcadlo o ploše 2 000 m² 63 heliostatů na protější stráni vědecký výzkum materiálů (tavení kovů) 26 13
Poruchy zařízení Skleněná zrcadla odrazivost 94 % (klasická 70 %) Nutná údržba - čištění, ochrana proti větru Hlavní problém - silný vítr, nutné polohování pro ochranu Rok 1999 exploze a požár nádrže 3500m3 Chráněná pozice zrcadel 27 Ekologické vlastnosti zařízení Výroba elektřiny ze slunce Vliv na živočichy v okolí elektráren horký vzduch a srážka se zrcadly může způsobovat úhyn ptactva vliv na migrační koridory zvířat Vysoká intenzita záření odrazem od solární věže Spotřeba vody 28 14