Základní principy využívání sluneční energie pro výrobu tepla, možnosti využití v průmyslu Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí Fakulta strojní, ČVUT v Praze 1/83 Využití solárního tepla v průmyslu průmyslové teplo: 30 % pod 100 C 60 % pod 400 C 90 průmyslových solárních soustav v EU (2006), 200 na světě (2009), zcela zanedbatelné % všechny existující solární soustavy v průmyslu pracují s teplotami pod 100 C IEA SHC Task 33: potenciál EU25 je 100 až 125 GW t bariéry: ekonomika, nedostatek informací na straně investora a zkušeností na straně projektanta, nevyužité odpadní teplo 2/83 1
Využití solárního tepla v průmyslu potravinářský průmysl textilní průmysl papírnický průmysl chemický průmysl kožedělný plasty, pryže výroba betonu, cementu, aj. automobilový 3/83 Využití solárního tepla v průmyslu potravinářský průmysl (do 150 C) pasterizace (80 až 110 C) sterilizace (140 až 150 C) vaření (95 až 105 C) úprava zeleniny, masa (65 až 95 C) sušení (30 až 90 C) odpařování (40 až 130 C) čištění, mytí, tepelné zpracování (40 až 80 C) velmi vysoká potřeba tepla = vysoký potenciál pivovary mlékárny jatka 4/83 2
Využití solárního tepla v průmyslu textilní průmysl (do 100 C) praní (40 až 80 C) sušení, bělení (60 až 100 C) barvení (100 až 160 C) 25 až 50 % potřeby lze nahradit solárním teplem papírenský (do 150 C) předehřev (40 až 90 C) sušení (80 až 150 C) 30 % potřeby lze nahradit solárním teplem (do 100 C) 5/83 Solární kolektory pro průmyslové solární soustavy vhodné typy a použití účinnost zkoušení a certifikace 6/83 3
Solární kolektory Jaké kolektory jsou vhodné pro využití sluneční energie v technologických aplikacích? druh teploty nezasklené do 30 C ploché selektivní 50 až 80 C trubkové vakuové 80 až 120 C stacionární koncentrační 80 až 150 C koncentrační s naváděním 150 až 250 C volba závisí na aplikaci! 7/83 Ploché atmosférické kolektory ploché zasklení solární sklo, prizmatické sklo plochý absorbér selektivní, neselektivní celoplošný, dělený (lamely) měděný, hliníkový trubkový registr lyrový, dvojlyra, serpentina skříň rámová (větraná), lisovaná vana (těsná) 8/83 4
Ploché vakuové kolektory podtlak pro omezení tepelných ztrát (absolutní tlak 1 až 10 kpa) zatížení plochého krycího skla (opěrky) sálání zadní strany absorbéru je nutné stínit 9/83 Trubkové vakuové kolektory I. válcové zasklení (vakuová trubka) solární sklo zdroj: Viessmann plochý absorbér měděná lamela, selektivní povrch přenos tepla do kapaliny přímo protékaný: U-trubka koncentrická trubka tepelná trubice: suché napojení mokré napojení (absolutní tlak 1 mpa) 10/83 5
Trubkové vakuové kolektory II. válcové zasklení (vakuová trubka) solární sklo válcový absorbér (skleněná trubka) napařený selektivní povrch přenos tepla do kapaliny teplosměnná lamela: hliník, měď reflektor přímo protékaná U-trubka tepelná trubice plochý, válcový, parabolický (absolutní tlak 1 mpa) 11/83 Solární kolektory s dvojitým zasklením SchucoSol DG Okotech Gluatmugl HT Arcon HT-SA 12/83 6
Solární kolektor s násobným zasklením 1-jednoduché 2-dvojité 3-trojité zdroj: Fraunhofer ISE 13/83 Koncentrační CPC kolektory zdroj: Solarfocus 14/83 7
Koncentrační CPC kolektory vakuové LoCo EvaCo nízkokoncentrační vakuový plochý kolektor zdroj: ZAE Bayern 15/83 Koncentrační kolektory s reflektory 16/83 8
Koncentrace přímého slunečního záření 160 kwh/(m 2.měs) 120 80 40 přímé (50 %) difúzní (50 %) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 měsíc 17/83 Koncentrační kolektory s čočkou přechod mezi aktivními a pasivními prvky 18/83 9
Q& η = Q& k s Účinnost solárního kolektoru t η = η a 0 1 m t G e a 2 ( t t ) 2 m G e M& c ( tk 2 tk η = 1) G A k G t k2. M t k1 protokol o zkoušce podle ČSN EN 12975 19/83 Vztažná plocha kolektoru A k η = Q& k G A k hrubá plocha: A G plocha apertury: A a plocha absorbéru: A A 20/83 10
Typické konstanty křivky účinnosti Typ kolektoru η 0 - a 1 W/(m 2 K) a 2 W/(m 2 K 2 ) Plochý selektivní 0,78 4,2 0,015 Trubkový vakuový jednostěnný 0,75 1,5 0,008 Trubkový vakuový dvojstěnný (Sydney) 0,65 1,5 0,005 Schuco z dvojitým zasklením (plochý) 0,8 2,4 0,015 CPC Solarfocus (plochý CPC) 0,8 2,7 0,08 Okotech gluatmugl HT (plochý) 0,806 2,58 0,009 konstanty křivky účinnosti vztaženy k ploše apertury 21/83 Plocha solárního kolektoru A a = 0,9 A G A a = 0,75 A G A a = 0,6 A G A a = 0,8 A G 22/83 11
Účinnost solárního kolektoru A a A G 1,0 0,8 plochý trubkový s plochým absorbérem trubkový s válcovým absorbérem 0,6 η [-] 0,4 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/G [m 2.K/W] 23/83 Výkonnost solárního kolektoru k ploše apertury A a 700 600 t m = 40 C 500 kwh/m 2.rok 400 300 200 100 0 PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3 24/83 12
Výkonnost solárního kolektoru 700 600 t m = 40 C k hrubé ploše A G 500 kwh/m 2.rok 400 300 200 100 0 PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3 25/83 Výkonnost solárního kolektoru 700 600 k ploše apertury A a t m = 80 C k hrubé ploše A G 500 kwh/m 2.rok 400 300 200 100 0 PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3 26/83 13
Porovnání ceny solárních kolektorů 25000 Kč/m 2 bez DPH 22 000 Kč/m 2 18 200 Kč/m 2 20000 15000 ploché atmosférické kolektory trubkové vakuové s plochým absorbérem trubkové vakuové Sydney bez reflektoru trubkové vakuové Sydney s reflektorem 14 000 Kč/m 2 10000 7 000 Kč/m 2 5000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 27/83 Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) protokol o zkouškách v souladu s ČSN EN 12975 křivka výkonu a účinnosti vnitřní přetlak odolnost proti vysokým teplotám vystavení vnějším vlivům vnější tepelný ráz vnitřní tepelný ráz průnik deště (zasklené) mechanické zatížení odolnost proti nárazu žádné jiné certifikáty k prokázání vlastností nejsou potřeba! 28/83 14
Solar Keymark Certifikační značka kvality (vlastník CEN) průmyslově vyráběné solární kolektory, solární soustavy dobrovolná certifikace třetí stranou, komplexní shoda s danou EN nejde o CE značku! (shoda s evropskými směrnicemi nebo normami), u běžných kolektorů nelze získat zdokumentovaná inspekce výroby (ISO 9000) inspektor vybírá jakýkoli kolektor ze skladu / výroby kontinuální shoda (stálý dohled - revize výrobku v časových intervalech) cca 30 laboratoří zmocněných pro udělování značky informace: kolektor prošel VŠEMI zkouškami požadovanými EN 12975 neříká, zda kolektor JE nebo NENÍ účinný, pouze neměnnost účinnosti 29/83 Modrý anděl Ekologická známka obecně pro výrobky, v Německu nejznámější značka zavádí minimální zisk 525 kwh/m 2.rok stanovený simulací (!) v přesně definovaném modelu solární soustavy pro přípravu teplé vody zásobník: objem, tl. izolace, vodivost izolace potrubí: délka, průměr, tl. izolace, vodivost izolace spotřeba teplé vody: množství, denní profil,... klimatické údaje: lokalita Wurzburg požadavek: plocha kolektorů pro solární pokrytí 40 % 99,99 % soustav pracuje v odlišných podmínkách! 30/83 15
Simulační model solární soustavy 31/83 Navrhování solárních soustav pro průmyslové aplikace parametry soustavy potřeba tepla návrh plochy kolektorů návrh objemu zásobníku 32/83 16
Bilance solární soustavy 33/83 Parametry solární soustavy Roční solární zisk [kwh/rok] dodaný do solárního zásobníku Q k dodaný do odběru (spotřebiče) využitý zisk soustavy Q ss,u Roční úspora energie Q u [kwh/rok] závisí na skutečné provozní účinnosti nahrazovaného zdroje tepla η nz jak ji určit? je známa? spotřeba provozní el. energie pro pohon solární soustavy podklad pro výpočet úspory primární energie, úspory emisí 34/83 17
Parametry solární soustavy Měrný roční solární zisk q ss,u [kwh/(m 2.rok)] vztažený k ploše apertury kolektoru A a měrná roční úspora nahrazované energie ekonomické kritérium: úspora / m 2 x investice / m 2 Solární pokrytí, solární podíl f [%] f = 100 * využitý zisk / potřeba tepla (procentní krytí potřeby tepla) Spotřeba pomocné elektrické energie Q pom,el [kwh/rok] odhad: provoz cca 2000 h x příkon el. zařízení (čerpadla, pohony, reg.) běžně do 1 % ze zisků 35/83 Solární soustavy základní parametry měrné využité solární zisky q ss,u [kwh/m 2.rok] Q u solární podíl ss, u Q Q d ss, f = = 1 = [-] Q Q Q + Q p, c p, c s, u d 36/83 18
Bilance solárního ohřevu vody q ss,u = 400 kwh/m 2 f = 60 % 37/83 Bilance solárního ohřevu vody q ss,u = 600 kwh/m 2 f = 40 % 38/83 19
Bilance solárního ohřevu vody q ss,u = 300 kwh/m 2 f = 65 % s rostoucím solárním pokrytím klesají měrné zisky soustavy 39/83 Bilance solárního ohřevu vody 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Q TV, Q k [kwh] 65 % 60 % 40 % 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 měsíc 40/83 20
Bilance solárního ohřevu vody 41/83 Navrhování solárních soustav návrh solární soustavy podle požadavků investora / kritérií ekonomika (úspora nákladů / investice), ekologie (úspora emisí) nízké pokrytí x vysoké pokrytí předimenzovaná solární soustava: zbytečně vysoká investice nízké zisky, špatné ekonomické parametry problematický provoz 42/83 21
Analýza podmínek pro instalaci potřeba tepla pod 100 C? dostupnost nestíněných ploch pro instalaci kolektorů? vhodná orientace dostupné plochy? využitelnost solární soustavy v letním období? dotazník SO-PRO, vyřazovací kritéria ANO ANO ANO ANO je možné pokračovat... 43/83 Analýza podmínek pro instalaci diskuze s technikem audit energetického hospodářství technologické procesy v podniku podle teplotní úrovně toky tepla, hmotnostní toky, teploty vratných větví otevřené, uzavřené, přerušované, nepřerušované druh stávajících zdrojů tepla, spotřeby tepla (měření), účinnosti soustav ceny paliv a energie smysluplná integrace solárního tepla nízké teploty, vysoké využití v letních měsících 44/83 22
Analýza podmínek pro instalaci analýza teplotní úrovně analýza potřeby tepla v dané teplotní úrovni vazby mezi technologiemi 45/83 Úsporná opatření jako první! zpětné získávání energie z odpadního tepla změna technologie, instalace úsporných zařízení zvýšení účinnosti zdroje tepla změna zdroje tepla (kondezanční, modulované kotle) regulace omezení tepelných ztrát rozvodů úpravy provozní doby a využití 46/83 23
Návrh plochy kolektorů Návrh plochy solárních kolektorůa k pro zajištění určitého stupně pokrytíf pro typický návrhový den v návrhovém měsíci (okrajové podmínky) stanovení potřeby tepla v dané aplikaci Q p,c stanovení využitelných zisků ze solárních kolektorůq k,u z porovnání vyplývá potřebná plocha kolektorůa k pro zvolené pokrytí potřeby tepla (nejčastěji 100 % v návrhovém měsíci) 47/83 Potřeba tepla bilance potřeby teplaq p,c v daném období (den, měsíc, rok), která má být kryta solární soustavou (nebo její část f. Q pc ) vlastní potřeba tepla v dané aplikaci Q p tepelné ztráty soustavy (rozvody, zásobníky) v daném období Q z roční profily, letní odstávky pro návrh plochy kolektorů denní profily pro návrh akumulace, strategie nabíjení 48/83 24
Měření spotřeby tepla na přípravu TV 49/83 Teoretický zisk kolektorů tepelný zisk solárních kolektorůq k v daném období (den, měsíc) Q k, 9 = 0 η H A kwh/den k T,den k skutečná denní dávka slunečního ozáření plochy kolektoru H T,den např. tabulky podle sklonu, orientace, oblasti, doby v roce střední denní účinnost solárního kolektoru v dané aplikaci η k teoreticky využitelný tepelný zisk Q k,u solárních kolektorů v daném období (den, měsíc) Q k, u Qk Qz,ss = tepelné ztráty solární soustavy Q z,ss 50/83 25
Tepelné ztráty solární soustavy tepelné ztráty solární soustavy: tepelné ztráty potrubí + solárního zásobníku srážka ze zisků Q z,ss = Ui Li ok i ( tk,m t ) τ ss Q p= Q součinitel prostupu tepla i-tého potrubíu i délka i-tého potrubíl i střední denní teplota v kolektoru t k,m teplota okolít ok (v době provozu soustavy) doba provozu solární soustavy τ ss (podle skutečné doby svitu) z,ss k 51/83 Tepelné ztráty solární soustavy paušální srážka Q =,9 H A ( 1 p) Typ solární soustavy k, u 0 ηk T,den k Příprava teplé vody, do 10 m 2 0,20 Příprava teplé vody, od 10 do 50 m 2 Příprava teplé vody, od 50 do 200 m 2 0,10 Příprava teplé vody, nad 200 m 2 0,05 Příprava teplé vody a vytápění, do 10 m 2 0,03 Příprava teplé vody a vytápění, od 10 do 50 m 2 0,30 Příprava teplé vody a vytápění, od 50 do 200 m 2 0,20 0,10 Příprava teplé vody a vytápění, nad 200 m 2 0,06 zdroj: TNI 73 0302 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav Zjednodušený výpočtový postup p 52/83 26
Tepelné ztráty solární soustavy 30 m 2 30 m 2 30 m 2 30 m 2 30 m 2 Q k1 = 9 MWh Q z,ss = 1,4 MWh 1,4 p= = 15 % 9 Q k1 = 45 MWh 2,5 p= = 6 % 45 Q z,ss = 2,5 MWh 53/83 Účinnost solárního kolektoru účinnost solárního kolektoru η k (střední denní, resp. měsíční účinnost) tk,m t ηk =η0 a1 G T,m e,s a ( t t ) pro střední teplotu kapaliny t k,m v kolektoru během dne 2 k,m G T,m e,s 2 pro střední venkovní teplotu v době slunečního svitu t e,s např. tabulky podle oblasti pro střední sluneční ozářeníg T,m během dne např. tabulky pro sklon, orientaci, oblast 54/83 27
Účinnost solárního kolektoru průměrná denní teplota kapaliny v kolektoru t k,m Typ aplikace (průmysl) Předehřev teplé vody, předehřev doplňovací vody Ohřev vody pro mytí Vytápění Čištění, opracování potravin, sušení Solární chlazení (jednostupňové) t k,m [ C] 30 až 40 40 až 60 50 až 60 60 až 80 80 až 120 55/83 Návrh plochy solárních kolektorů Návrh plochy solárních kolektorůa k pro daný návrhový den v typickém návrhovém měsíci (červenec) klimatické a provozní okrajové podmínky pro zajištění plného nebo částečného (podíl f) pokrytí potřeby tepla podle typu aplikace, podle místní dispozice ( p) = f Q p c Q k, u = 0,9 η k HT,den Ak 1, nepředimenzovávat v letním období, ekonomické důvody (!) solární soustava slouží jako spořič paliva / nikoli hlavní zdroj 56/83 28
Bilancování tepelných zisků Bilancování solární soustavy pro danou plochu solárních kolektorůa k pro všechny měsíce roku (referenční dny, okrajové podmínky roku) stanovení potřeby tepla v dané aplikaci stanovení využitelných zisků ze solárních kolektorů z porovnání vyplývá využitelnost zisků z kolektorů pro krytí potřeby tepla, přebytky nelze započítat 57/83 Navrhování solárních soustav potřeba tepla zisk solární soustavy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 58/83 29
Navrhování solárních soustav potřeba tepla zisk solární soustavy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 59/83 Navrhování solárních soustav potřeba tepla zisk solární soustavy 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 60/83 30
Navrhování s nomogramy? vypracovány pouze pro konkrétní: solární kolektor (typ: křivka účinnosti, optická charakteristika) podmínky (sklon, orientace, klimatická oblast, aj.) aplikaci (izolace, rozvody,...) odběrové charakteristiky nedoporučuje se... proč? 61/83 Navrhování s nomogramy? měrný zisk [kwh/m 2.rok] 700 600 500 400 300 200 100 kvalitní plochý kolektor, sklon 45, jih potrubí 50 (I)+ 20 m (E) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 solární pokrytí [%] 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 plocha kolektorů [m 2 ] 62/83 31
Navrhování s nomogramy? měrný zisk [kwh/m 2.rok] 700 600 500 400 300 200 100 méně kvalitní plochý kolektor, sklon 45, jih potrubí 50 (I)+ 20 m (E) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 solární pokrytí [%] 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 plocha kolektorů [m 2 ] 63/83 Navrhování s nomogramy? měrný zisk [kwh/m 2.rok] 700 600 500 400 300 200 100 méně kvalitní plochý kolektor, sklon 30, JZ potrubí 100 (I)+ 50 m (E) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 solární pokrytí [%] 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 plocha kolektorů [m 2 ] 64/83 32
Navrhování s nomogramy? měrný zisk [kwh/m 2.rok] 700 600 500 400 300 200 100 trubkový vakuový kolektor, sklon 45, jih potrubí 50 (I)+ 20 m (E) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 solární pokrytí [%] 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 plocha kolektorů [m 2 ] 65/83 Navrhování s nomogramy? měrný zisk [kwh/m 2.rok] 700 600 500 400 300 200 100 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 solární pokrytí [%] 0 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 plocha kolektorů [m 2 ] 66/83 33
Simulační nástroje (návrh, bilance) simulace s hodinovým krokem a menším, dynamické modely prvků (zásobník, kolektor), hodinové klimatické údaje pro různé oblasti náročné na vstupní údaje, které často nejsou k dispozici (modifikátor úhlu dopadu, rozměry potrubí, tloušťky izolací, profily spotřeby, atd.) nutná zkušenost cena (x0.000 Kč) Polysun (Professional, Designer) T-Sol (Professional, Expert) TRNSYS (pro vývoj a výzkum) zcela nevhodný pro projektanta (!) 67/83 Polysun (SPF Rapperswil, CH) Polysun Light Intuitivní ovládání pomocí asistentů a šablon hydrauliky Polysun Professional Možnost definovat vlastní komponenty, více šablon Polysun Designer Flexibilita a modularita při konstrukci hydraulických systémů velasolaris.com www.opc15.com 68/83 34
T*SOL (Valentin Software, DE) T*SOL Pro (advanced) 80 předdefinovaných konfigurací pro přípravu teplé vody a vytápění, bazén, navrhování soustav T*SOL Expert (premium) expertní, vývoj a optimalizace soustav, monitoring, validace parametrů, komplexní soustavy (CZT, průmysl, atd) valentin.de ekowatt.cz 69/83 70/29 Optimální sklon? jihovýchod - jihozápad 15-60 východ jih západ 70/83 35
71/29 Orientace kolektoru? orientace kolektorů x orientace střechy zásadně orientovat jihovýchod jih jihozápad V Z JV JZ dopadlá energie -18 % -15 % -6 % -3 % plochý kolektor zisky -26 % -19 % -8 % -4 % trubkový kolektor zisky -21 % -15 % -4 % 0 % 71/83 Sklon kolektorů fotovoltaika 35 produkce el. energie produkce do veřejné sítě bez ohledu na místní odběr bez nutnosti akumulovat? fototermika 45 produkce tepla produkce pro místní spotřebu (odběr) nutnost akumulace omezený přenos solárního tepla sítěmi maximalizace zisku optimalizace zisku 72/83 36
Mechanické dílny Kojetín sluneční kolektor SP 80/085 jímací plocha kolektorů solární zásobník s vloženým výměníkem OVS 2x 4 m 3 investiční náklady v roce 1976 projektant a dodavatel v roce 1976 140 ks 120 m 2 8 m 3 ~ 450 tis. Kč OPS Kroměříž 73/83 Mechanické dílny Kojetín 74/83 37
ETA Hlinsko příprava teplé vody solární kolektory 20 m 2 zásobník teplé vody 1000 l 75/83 ETA Hlinsko 76/83 38
ETA Hlinsko V TV [l] 1000 800 V TV [l] 4000 3000 600 2000 400 1000 200 0 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0 PO ÚT ST ČT PÁ SO NE 77/83 ETA Hlinsko 6000 kwh tepelné zisky solární soustavy 5000 potřeba energie na přípravu TV 350 až 450 kwh/(m 2.rok) 4000 3000 2000 1000 0 I.06 IV.06 VII.06 X.06 I.07 IV.07 VII.07 X.07 I.08 IV.08 VII.08 X.08 I.09 IV.09 VII.09 X.09 měsíc 78/83 39
Feifer kovovýroba Holice ohřev teplé vody vytápění ohřev černicí lázně 9 x Suntime 2.5 (plocha 90 m 2 ) plochá střecha orientace jih realizace 2008 79/83 Fotobioreaktor Nové Hrady Foto-bioreaktor pro pěstování řas Ústav fyzikální biologie Jihočeské univerzity Nové Hrady Fresnellovy čočky 120 m 2 ploché kolektory 32 m 2 80/83 40
Fotobioreaktor Nové Hrady Fotobioreaktor v Nových Hradech 81/83 Děkuji za pozornost http://www.solarnispolecnost.cz http://www.solar-info.cz 82/83 41
Kontakty Československá společnost pro sluneční energii (ČSSE) Novotného lávka 5, 116 68 Praha 1 Česká republika info@solarnispolecnost.cz Tomáš Matuška Ústav techniky prostřed edí,, Fakulta strojní, ČVUT v Praze Technická 4, Praha 6 tomas.matuska matuska@fs.cvut.cz 83/83 42