Efektivita provozu solárních kolektorů. Energetické systémy budov I

Transkript

1 Efektivita provozu solárních kolektorů Energetické systémy budov I

2 Sluneční energie Doba slunečního svitu a zářivý výkon závisí na: zeměpisné poloze ročním obdobím povětrnostních podmínkách Základní pojmy: sluneční ozáření G[W/m 2 ] (intenzita sl. záření) -zářivý výkon dopadající na jednotku plochy (hustota zářivého toku) sluneční konstanta střední roční hodnota zářivého toku sluneční energie, která dopadá na jednotku plochy kolmé ke směru šíření záření na vnější povrch zemské atmosféry G SC = 1367 [W/m 2 ] dávka ozáření H[kWh/m 2, J/m 2 ] hustota zářivé energie, hustota zářivého toku dopadající za určitý časový úsek, např. hodinu, den, rok,.

3 Sluneční energie Průměrná roční bilance z celkového toku energie slunečního záření: odraz zpět do vesmíru 34%(odraz od mraků, částeček prachu a zemského povrchu) pohlceno atmosférou 19% pohlceno zemským povrchem 47% Dopad slunečního záření: na vnější povrch atmosféry nerozptýlená forma slunečního záření průchod atmosférou dochází k rozptylu na částicích prachu, krystalcích ledu či kapičkách vody Globální záření: difúzní sluneční záření (rozptýlené + odražené sluneční záření) přímé sluneční záření (závisí na úhlu dopadu paprsků)

4 Sluneční energie Celkové sluneční ozáření G[W/m 2 ]: G = G b + G d kde je: G b přímé sluneční ozáření [W/m 2 ] G d difúzní sluneční ozáření [W/m 2 ] sluneční ozáření G(výkon) jasná obloha 800 až 1000 W/m 2 lehce zataženo 400 až 700 W/m 2 silně zataženo 100 až 300 W/m 2 dávka ozáření H(energie) zima 3 kwh/m 2.den jaro, podzim 5kWh/m 2.den léto 8kWh/m 2.den

5 Sluneční energie [MJ/m 2 ] Obr.5: Roční dávky ozáření v ČR Zdroj:.ČHMÚ Roční dávka ozáření v ČR: pro sklon 30 až 45, jižní orientace: 1000 až 1200 kwh/m 2 pro sklon 90, jižní orientace: 750 až 900 kwh/m 2

6 Sluneční energie západ jih východ Obr.7: Vliv azimutu a sklonu plochy [1]

7 Terminologie Absorpční plocha aktivní plocha, kde dochází k přeměně slunečního záření na teplo Selektivita poměr pohltivosti voblasti slunečního záření a emisivity voblasti IČ záření Selektivní povrch absorbéru úprava povrchu absorbéru tak, aby voblasti slunečního záření měl absorbér co největší pohltivost a v oblasti IČ co nejmenší emisivitu Stagnace stav, kdy se při dopadu slunečního záření neodvádí z kolektoru teplo Stagnační teplota ustálená teplota kolektoru, který přijímá záření bez odvodu tepla při teplotě okolního vzduchu 30 C a slunečním ozáření 1000 W.m -1

8 Solární soustava a její prvky Legenda prvků SS: PV Č ZK EN R TSV VT pojistný ventil oběhové čerpadlo zpětná klapa expanzní nádoba regulátor třícestný směšovací ventil výměník tepla Obr.8: Schéma solární soustavy pro přípravu TV [1]

9 Princip funkce solárního kolektoru odraz na absorbéru tepelná ztráta zasklením odvod tepla teplonosnou látkou odraz na zasklení dopadající sluneční záření tepelné ztráty zadními a bočními stěnami Obr.9: Solární kolektor - princip [1]

10 Solární ploché vakuové kolektory: plochý vakuový kolektor využívá snížený tlak v prostoru skříně kolektoru (1-10 kpa), která neobsahuje izolaci. Krycí sklo nutno podepřít maticově rozloženými opěrnými elementy, aby bylo schopno odolat podtlaku Obr.11: Konstrukce vakuového plochého kolektoru z 80. let a současný výrobek [1]

11 Solární trubkové vakuové kolektory s jednostěnnou trubkou: Obr.12: Jednostěnný trubkový vakuový kolektor s U-registrem [1] Obr.13: Jednostěnný trubkový vakuový kolektor s tepelnou trubicí [1] velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru do kapaliny

12 Solární trubkové vakuové kolektory s dvoustěnnou trubkou: trubkový vakuový kolektor s dvoustěnnou trubkou (Sydney trubka) - absorbér není uložen ve vakuu, vnější povrch vnitřní trubky je opatřen selektivní absorpční vrstvou (nutné dokonalé spojení lamely s potrubím i vnitřním povrchem absorpční trubky) Obr.14: Vakuová Sydney trubka s přímo protékaným U-registrem (příčný a podélný řez) [1] Obr.15: Vakuová Sydney trubka s tepelnou trubicí (příčný a podélný řez) [1]

13 Solární trubkové kolektory s reflektorem - koncentrační: koncentrační kolektor využívá systému zrcadel nebo optické čočky k soustředění slunečního záření do ohniska rozlišujeme dle tvaru ohniska: s lineárním ohniskem s bodovým ohniskem Obr.16: Použití reflektorů pro zvýšení aktivní plochy trubkového kolektoru [1]

14 Vodní zásobníky tepla nejpoužívanější Typy zásobníků: Akumulační nádrže bez teplosměnné plochy Monovalentní s 1 teplosměnnou plochou Bivalentní se 2 teplosměnnými plochami Multivalentní s více teplosměnnými plochami Obr.: 10 Typy zásobníku tepla podle teplosměnné plochy [1]

15 Způsob nabíjení a vybíjení má vliv na teplotní vrstvení teplotní stratifikaci Způsoby nabíjení zásobníku: s nepřímým nabíjením a přímým vybíjením (nejběžnější řešení) s přímým nabíjením a nepřímým vybíjením s nepřímým nabíjením i vybíjením Obr.: 11 Zásobník s nepřímým nabíjením a přímým vybíjením

16 Vodní zásobníky s řízeným teplotním vrstvením stratifikační zásobníky Obr.: 15 Zjednodušený princip teplotní stratifikace u solární soustavy [1]

17 Teplonosná látka pro přenos tepla mezi kolektory a akumulačním zásobníkem se používá jako teplonosná látka kapalina nejvhodnější nemrznoucí směs musí splňovat tyto požadavky: nízká teplota tuhnutí, vysoká teplota varu vysoká tepelná kapacita, nízká viskozita nehořlavost neagresivita, netečnost koroze, těsnění dlouhodobá stálost vlastností ekologické aspekty cena

18 Umístění pojistného ventilu Obr.: 18 Schématické umístění pojistného ventilu v pojistném úseku [1]

19 Expanzní nádoba Expanzní nádoba eliminuje změny objemu teplonosné kapaliny vlivem tepelné objemové roztažnosti Pro uzavřené systémy SS používáme tlakové expanzní nádoby s membránou Obr.: 19 Tlaková expanzní nádoba tvar membrány v různých provozních stavech [1]

20 vzhledem k akumulační nádobě-při nuceném oběhu AN umístěná níže než solární kolektory, ZK zabraňuje cirkulaci TK AN - SK nabíjení AN během dne vychlazování AN během noci - samotížná cirkulace Obr.: 22 Funkce SS bez zpětné klapky[1]

21 Solární soustava s jedním spotřebičem základní vybavení dvě teplotní čidla, které měří teplotu v kolektoru a v nádrži čerpadlo běží, pokud je teplota v kolektoru dostatečně vysoká oproti teplotě v nádrži pozor na umístění čidel Obr.: 23 Solární soustava s jedním spotřebičem

22 Solární soustava s jedním spotřebičem + řízení druhého zdroje tři teplotní čidla + čidlo v horní části nádrže dva výstupy pro řízení čerpadel Obr.: 24 Solární soustava se záložním zdrojem

23 Solární soustava s dvěma spotřebiči tři teplotní čidla řízení čerpadla řízení třícestného přepouštěcího ventilu Obr.: 25 Solární soustava se dvěma spotřebiči

24 Q TV, Q k [kwh] 65 % 60 % 40 % měsíc Obr.16: Bilance solární přípravy teplé vody [1]