Transcript slunce_teplo

Obnovitelné zdroje energie
Fototermální systémy
Obecné informace
* V našich podmínkách je výhodné využití solární energie pro výrobu
tepla a ohřevu teplé užitkové vody
* Optimální je komplexní systém, který umožňuje celoroční využití,
například: zima topení, teplá voda
léto teplá voda, ohřev vody v bazénu
* Princip – přeměna viditelného záření na teplo, čímž by bylo možné
získat až 90% tepla z dopadajícího záření
* Podmínkou efektivního využití je komplexní řešení – tepelná izolace
budovy, optimální návrh pro velikosti zásobníku, optimální volba
rozsahu využití (TUV, topení, bazén, …)
Obecné informace
Dopadající výkon slunečního svitu v závislosti na počasí
Obecné informace
* Možnosti využití:
- Pasivní systémy vhodné zejména u nových staveb. Jedná se o
systém skleněných přístavků (verandy, zimní zahrady, …), který je
spojen s kvalitními tepelnými izolacemi. Při projektování se musí
brát ohled na vyšší nároky na teplo v zimním období a tomu
odpovídá sklon a natočení oken. Naopak v létě je nutné zabránit
nadměrnému ohřívání (speciální fólie).
- Aktivní systémy sluneční záření se přeměňuje na teplo v solárních
kolektorech, které jsou propojeny s akumulačními nádržemi.
Systém umožňuje všestranné využití.
- Určení plochy kolektoru
zhruba 2 m2 kolektoru může pokrýt až
70% celoroční potřeby teplé užitkové vody na jednu osobu v
domácnosti
Solární kolektor
Solární kolektor slouží k zachycení světelného záření a jeho přeměně na
teplo.
Absorbér je základní částí kolektoru. Materiál má velmi dobrou tepelnou
vodivost. Absorbuje sluneční záření a převádí ho na teplo. Na
spodní straně musí být zařízení na odvádění tepla.
V jednoduchých případech lze k ohřevu použít samotný
absorbér, systém je většinou jednookruhový. Jako teplonosné
médium ve voda. Využití je omezené (léto). Nejjednodušším
příkladem je černá stočená hadice umístěná na střeše, v hadici
proudí voda.
Stagnační teplota
- je ustálená teplota kolektoru přijímajícího sluneční záření bez
odvodu tepla (rovnovážný stav  příjem energie = tepelná ztráta) za
standardních podmínek (teplota vzduchu 300C, sluneční záření
1000W/m2.
- velikost stagnační teploty je dána typem kolektorů, zejména jejich
tepelnou izolací  kvalitní kolektory mají vysokou stagnační teplotu
- podle typu kolektoru se pohybuje v rozsahu 60 –3000C
Význam stagnační teploty
- při vysokých (letních) teplotách v kolektoru v období, kdy není
zajištěn odvod tepla, může dojít ke změně skupenství teplonosné
kapaliny  vzniká pára
- sytá pára postupně zaplňuje kolektor a celý systém  dochází ke
zvýšení tlaku a může dojít k poškození prvků soustavy
Stagnační
teplota
- problematiku řeší schopnost
vyprazdňovaní kolektorů, což je
dáno provedením kolektorů
Průběh změny tlaku při
stagnaci v průběhu dne
Teplonosné kapaliny
Požadavky
- nízký bod tuhnutí
- vysoký bod varu
- vysoká tepelná kapacita a tepelná vodivost
- malé ztráty třením (nízká viskozita)
- antikorozní vlastnosti
- nehořlavé, nevýbušné, netoxické
- nízká cena
Solární kapaliny
- voda – pouze sezónní využití, koroze, kotelní kámen
- etylenglykol – nemrznoucí směs s vodou, jedovatý
- propylenglykol – vysoká viskozita, malá tepelná kapacita, kotoze
Potrubí
- plastové – pouze bazénové aplikace
- měděné – vyšší cena, jinak optimální
- ocelové bezešvé – nízká cena, horší vlastnosti
- nerezová ocel, vlnovec – vyšší ztráty, rychlá montáž
Kompaktní potrubní systémy – ocel nebo měď, izolace, vývody pro
čidla
Solární kolektor
Světlost potrubí – je dána rychlostí proudění kapaliny
a) soustavy s nízkým průtokem (low-flow) – 10-20 litrů/hod.*m2,
vysoký rozdíl teplot na kolektorech (25-40)K
b) soustavy s vysokým průtokem (high-flow) 50-100 litrů/hod.*m2
nízký rozdíl teplot na kolektorech (5-10)K
Kolektor představuje komplexní řešení, včetně tepelných izolací a
antireflexního skla. Jako médium se nejčastěji používá
nemrznoucí směs, lze i voda nebo vzduch. Využití je celoroční.
Solární zásobník (tepelný výměník) – vytváří vazbu mezi primárním a
sekundárním okruhem. Dochází v něm k ohřevu teplé užitkové
vody. Zároveň slouží k akumulaci energie z primárního okruhu
(teplá voda). Kromě solárního systému je voda ohřívána
doplňkovými zdroji (elektřina, plyn,…).
Solární kolektor
Příklad – absorbér Neosolar
Materiál absorbéru:
vysoce kvalitní polypropylen s UV
stabilizací odolný soli a chlóru
Objem kapaliny v absorbéru: 11 l/m2
Přípustná velikost absorbéru: 2,2-2000 m2
Doporučený průtok kapaliny: 100-250 l/m2*h
Absorpční plocha:
2,2 m2 celkové plochy
Špičkový výkon WP:
910 W/m2 při intenzitě slunečního záření
1000 při nulovém teplotního rozdílu mezi
absorbérem a okolím
Stagnační teplota:
průměrně 55°C- 60°C
Solární kolektor – příklad využití
Rozdělení kolektorů
1. Podle materiálu absorbéru
* měděné
* hliníkové
2. Podle tvaru absorbéru a provedení
* vakuové trubkové kolektory – mají nejvyšší účinnost (zejména v
zimě, kdy jsou omezeny ztráty). Vakuum je mezi dvěma skleněnými
trubkami, na vnitřní trubce je absorpční vrstva. . Nevýhodou je
vysoká cena.
* ploché vakuové kolektory – jsou nejmodernější a nejprogresivnější.
Mají malé ztráty a nižší náklady než trubkové. Vakuum se udržuje
vývěvou, která je spínána automaticky.
* plochý zasklený kolektor se selektivní vrstvou – jsou
nejrozšířenější. Mají nízké pořizovací náklady. Selektivní vrstva
omezuje ztráty sáláním.
* plochý nekrytý kolektor – nejjednodušší aplikace – plastová rohož
bez zasklení, velké ztráty
Ukázky kolektorů a video: zde
Solární kolektor
Antireflexní sklo - zabraňuje odrazu světelného záření
Solární kolektor - zachycuje světelné záření a přeměňuje ho na tepelnou
energii
Systém trubek
- slouží k odvodu tepelné energie do výměníku
Rozdělení kolektorů
AA
AB
A
B
C
D
-
plocha, na které dochází k přeměně slunečního záření na teplo
plocha průmětu zasklení nebo reflektoru
plochý kolektor
trubkový kolektor s plochým absorbérem
trubkový kolektor s válcovým absorbérem
trubkový kolektor s válcovým absorbérem a reflektorem
Rozdělení kolektorů
A
B
C
D
-
plochý kolektor
trubkový kolektor s plochým absorbérem
trubkový kolektor s válcovým absorbérem
trubkový kolektor s válcovým absorbérem a reflektorem
Solární
kolektor
Určení plochy kolektoru
Účinnost kolektorů
tm - te -
teplotní spád mezi teplonosnou látkou a okolím při
standardních podmínkách dopadající energie je 800W/m2)
Rozdělení
kolektorů
Ploché kolektory
Rozdělení
kolektorů
Trubicové vakuové
solární kolektory
Umístění solárního kolektoru
Sestava solárního kolektoru
Solární zásobník
Slouží k akumulaci tepelné energie přiváděné z kolektorů
nepravidelně podle klimatických podmínek pro pozdější využití.
Rozdělení: - zásobníky teplé vody
- zásobníky tepla (otopné vody)
Zásobníky teplé vody
Akumulace tepla přímo do připravované teplé vody, podléhají
hygienickým požadavkům pro pitnou vodu. Speciální vnitřní
povrchová úprava se projeví na ceně zásobníku
Zásobníky tepla
Běžné ocelové zásobníky bez vnitřní úpravy. Lze je použít pro přípravu
teplé vody, tak i pro soustavy s přitápěním
Rozdělení: - tlakové (tlak běžného vodovodního okruhu (0,2–1) MPa)
- beztlaké (volná hladina)
Řízené teplotní vrstvení –
stratifikační zásobník
Stratifikace – teplotní rozvrstvení vody v zásobníku podle
teploty  řízené ukládání tepla do vrstev o stejné teplotě
Příklad stratifikace
a) optimální využití, na výstupu je
voda o požadované teplotě a daném
množství (např. 150 litrů)
b) neefektivní využití - voda v horní
části zásobníku nemá požadovanou
teplotu, je třeba dohřívat
Princip stratifikace
a) za pěkného počasí je vysoká teplota
primárního okruhu, teplo se dodává do vrchní
vrstvy
b) při horším počasí je teplo dodáváno do
střední části zásobníku
Řízené teplotní vrstvení –
stratifikační zásobník
Využití stratifikace – solární soustavy s nízkým průtokem teplonosné
kapaliny (velkoplošné soustavy s ohřevem kapaliny o (30 – 50) K).
Realizace a) využití principu rozdílu hustoty mezi přiváděnou vodou z
výměníku a vrstvami akumulačního zásobníku
b) ventily
Solární zásobník
2 okruhy – solární a kotlový
Solární zásobník s topnou
spirálou
Solární zásobník
2 okruhy – solární a kotlový
Potřeba x možnosti solárních panelů
Graf ukazuje problematiku optimálního využití solárních panelů.
Zejména v létě je patrný přebytek tepelné energie ze solárních panelů.
Jako ideální se jeví například vytápění vody v bazénu.
bazén
Základní schéma systému
Příklad realizace
Dvouokruhový systém s nemrznoucí směsí, se zásobníkem TUV a
s elektrickým dohřevem
Samotížné systémy
tepelný výměník
Kapalina v kolektoru se vlivem
dopadajících slunečních paprsků ohřívá a
roztahuje.
Samovolně stoupá v trubkovém rozvodu
vzhůru k zásobníku s užitkovou vodou.
Zde dochází přes výměník k předání
tepelné energie z teplonosného média
(nemrznoucí směsi) do vody a tím tedy k
jejímu ohřevu. Ochlazené teplonosné
médium zase klesá pět dolů do kolektoru.
Ke své funkčnosti nepotřebuje
elektronickou regulaci ani solární hnací
jednotku.
kolektor
Hnané systémy
kolektor
V kolektorové ploše je ohřívána nemrznoucí
směs vlivem dopadajících slunečních
paprsků.
V případě, že je elektronickou regulací
vyhodnocen teplotní rozdíl mezi
kolektorovou plochou a zásobníkem s TUV
(tzn. regulace je nastavena na určitou
teplotní diferenci), je uvedena do chodu
solární hnací jednotka.
Ta zajistí přemístění ohřáté teplonosné
směsi k zásobníku s užitkovou vodou, kde
se tepelná energie předává pomocí
tepelného výměníku, a ochlazená směs se
popohání zpět do kolektorové plochy.
tepelný výměník
Tepelné zisky
Maloplošná soustava - TUV
Maloplošné soustavy (400kW*m-2*rok-1) - jednoduché řešení, větší
tepelné ztráty
A - předehřívací solární soustava - solární zásobník je předřazen
konvenčnímu ohřevu
B - bivalentní solární zásobník - solární zásobník má dodatečný zdroj
tepla
Velkoplošná soustava - TUV
Velkoplošné soustavy (400kW*m-2*rok-1) – dražší řešení, menší tepelné
ztráty
Kombinovaný systém –
trivalentní systém
Tepelná energie
slunečních kolektorů
Tepelná energie z
elektrické energie
Tepelná energie z kotle
Příklad komplexního řešení v
pasivním domě
Realizace s přitápěním vody v bazénu
Solární soustava se 6 kolektory, zásobníkem na 500 litrů výměníkem
pro bazén a topení a všemi ostatními potřebnými díly včetně potrubí
Použití: ohřev TUV pro standardní RD, ohřev vody v bazénu a topení
Materiály
TZB info
webové stránky
katalogy výrobců solárních panelů
Prezentace ČVUT Praha - Stagnační chování soustav