125OZE1 Kabrhel - České vysoké učení technické v Praze

Komentáře

Transkript

125OZE1 Kabrhel - České vysoké učení technické v Praze
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
Fakulta stavební
Obnovitelné zdroje energie
125OZE1
doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.
Praha 2014
Evropský sociální fond
Praha a EU: Investujeme do vaší budoucnosti
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
1
Obnovitelné zdroje energie
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
2
1
Počet obyvatel dle zemí
Počet obyvatel v mil. (3/2009)
http://en.wikipedia.org/wiki/File:World_population.svg
http://gnosis9.net/
V roce 0 žilo na světě 160 mil. obyvatel,
V roce 2014 7200 mil. obyvatel
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
3
Vývoj počtu obyvatel
• Vývoj počtu obyvatel ve světě a v regionech
http://en.wikipedia.org/wiki/World_population
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
4
2
Využití zdrojů energie ve světě
• Scénáře vývoje světové energetiky
– technická řešení x politická rozhodnutí
1600
1200
EJ
1000
800
geotermál
mořská energie
solár
nová biomasa
vítr
voda
dřevo
jádro
plyn
nafta
uhlí
obnovitelné
1400
Ostatní OZE
Biomasa
Jaderná
Uhlí
Plyn
Ropa
600
400
200
0
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050 2060
Scénář vývoje světové energetiky - Royal Dutch Shell 1996, 2008
5
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
Situace v Evropě
• 40% veškeré energie v Evropě spotřebovávají budovy
– 65% spotřeby budov tvoří domácnosti
ČR - spotřeba energie
Domácnosti 26%
Služby 9%
Celkem přibližně 35%
Zdroj: REMODECE: Měření spotřeby energie v evropských domácnostech jako cesta ke snížení spotřeby
energie a emisí, SEVEn, 2008
60% budov na Evropském trhu je starší více než 25 let
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
6
3
Složení atmosféry
Plyn
Podíl
v jednotkovém
objemu
Dusík
78,084 %
Kyslík
20,946 %
Argon
0,934 %
CO2
0,035 %
Neon
0,00182 %
Helium
0,000524 %
Metan
0,00017 %
Krypton
0,00014 %
Vodík
0,000055 %
1%
21%
78%
vodní kapičky, ledové krystalky a různé
znečišťující příměsi původu přírodního
(prachové částečky, pylová zrna) i
antropogenního (produkty člověka)
0,04%
0,04%
0,03%
0,03%
0,02%
0,02%
0,01%
0,01%
0,00%
CO2
Neon
Helium
Metan
Krypton
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
Vodík
7
Atmosféra země
www. astro.cz
www.uni-mainz.de/FB/Physik/IPA/
www. astro.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
8
4
Globální oteplování
•
•
•
Výraz globální oteplování, resp. změna klimatu, je v současnosti používán
především pro poslední oteplování, které započalo na začátku 20. století a
projevuje se jednoznačným a pokračujícím růstem průměrné teploty
klimatického systému Země a které je, dle názoru většiny vědců, silně
ovlivněno aktivitami člověka.
Vědecký panel IPCC vydává v pravidelných šestiletých cyklech tzv.
"hodnotící zprávy", které provádějí souhrny relevantní vědecké literatury v
oboru.
Hodnotící zpráva (2013) - 840 autorů z 38 zemí - uvádí, že vědci jsou si na
95—100 % jisti, že většina současného globálního oteplování je způsobena
zvýšenými koncentracemi skleníkových plynů a že k navyšování
koncentrací dochází v důsledku lidských aktivit a že primární příčinou
nárůstu teplot jsou emise CO2 v důsledku lidské činnosti především
spalováním fosilních paliv a změnami využití krajiny jako je odlesňování.
http://cs.wikipedia.org/wiki/Glob%C3%A1ln%C3%AD_oteplov%C3%A1n%C3%AD
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
9
Koloběh uhlíku (gigatuny)
http://earthobservatory.nasa.gov/Library/CarbonCycle/carbon_cycle4.html
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
10
5
Koncentrace CO2
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921818112001658
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
11
Producenti CO2 2008
• Producenti CO2 2008
Emise odvozené ze spalování fosilních paliv (není započtena zemědělská výroba)
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Countries_by_carbon_dioxide_emissions_world_map_deobfuscated.png
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
12
6
Emise CO2
2007
• Emise CO2 – absolutní
hodnota emisí
• Měrné emise CO2 – emise
vztaženy k počtu obyvatel
2009
• Zřejmý rozdíl mezi
rozvinutými zeměmi a
zeměmi rozvíjejícími se s
velkým počtem obyvatel
http://www.tzb-info.cz/6123-emise-co2-v-souvislostech
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
13
Teorie globálního oteplování
Příčina a následek
– podle měření a pozorování, výkyvy CO2 jsou důsledkem
kolísání teplot, ne naopak
– Postup procesu: 1. Oteplení hladiny oceánů 2. Oteplení povrchu
kontinentů 3. Oteplení spodní troposféry 4. Růst hladin
atmosférického CO2 na jižní polokouli (z oceánů) 5. Růst hladin
atmosférického CO2 na severní polokouli (s příspěvkem lidského
průmyslu)
Jiné vlivy
– klimatický cyklus země
– kosmické záření
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
14
7
Teorie globálního oteplování
• Ekonomická náročnost opatření proti globálnímu
oteplování
• Omezování ekonomické svobody
– Autoři populárních publikací
(např. Bjørn Lomborg - http://www.lomborg.com/)
Climagate
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
15
Fakta
• Dochází k růstu globální teploty
• Teplota oceánů a koncentrace CO2 v atmosféře má
souvislost
• Spalování fosilních paliv má vliv na koncentraci CO2
NASA Goddard Institute for Space Studies (http://data.giss.nasa.gov/gistemp/graphs/)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
16
8
Snižování emisí CO2
Větší účinnost využívání energie
Obchodovatelná emisní povolení
Obnovitelné zdroje energie
Nové technologie využití fosilních paliv (dosud zaměřovány
na snížení množství polutantů jiných než CO2)
• Významný přesun z uhlí na plyn (spalování plynu produkuje
pouze polovinu množství CO2na jednotku energie, než
spalování uhlí)
• Separace a zachycování CO2při spalování fosilních paliv a
jeho injektování do hlubokomořských sedimentů nebo do
podzemních prostor (zásobníků).
• Jaderná energie
•
•
•
•
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
17
Úsporné domy
Nízkoenergetické domy - domy se spotřebou energie
na vytápění ≤ 50 kWh/(m2.rok)
Pasivní domy – domy se spotřebou energie na
vytápění ≤ 15 kWh/(m2.rok)
Nulové domy – domy jejichž celoroční spotřeba energie
na vytápění je ≤ 5 kWh/(m2.rok)
Domy s téměř nulovou spotřebou energie
Aktivní domy – domy s přebytkem výroby energie
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
Earch.cz
18
9
Legislativa a energie
Energetická politika EU – začleněno do dalších odvětví (obchod,
průmysl EU), regulace vlivem politiky životního prostředí,
vnitřního trhu a obchodní politiky. Zvlášť řešena energie
jaderná.
Cíle: Snižování závislosti na dovozu energie, efektivní využívání
vlastních
zdrojů,
bezpečnost,
konkurenceschopnost,
udržitelnost
Snížení závislosti na dovozu energieàpodpora obnovitelných
zdrojů energie
Snížení produkce skleníkových plynů oproti 90. létůmàEmisní
povolenky
(Cena povolenky (EUR) v 2012 – 186, 2013 – 113,
2014 – 5) – zvýhodněny jsou tak nyní fosilní zdroje
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
19
Legislativní proces
• Směrnice o energetické náročnosti budov (EPBDI)
2002/91/EC
– Tvorba norem a předpisů podporujících snižování
energetické náročnosti budov
– ČR zákon 406/2006 Sb. o hospodaření energií
– Požadavky na energetickou náročnost budov
– Systém certifikace budov
– Kontrola kotlů a klimatizačních zařízení
• Aktualizace v 8.6.2010 (EPDBII) 20-20-20
– Snížení emisí C02 o 20% do roku 2020
– Snížení energetické náročnosti budov o 20%
– Pokrytí 20% spotřeby energie z obnovitelných zdrojů
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
20
10
Situace v ČR
Národní cíle pro
využití OZE dle
směrnice EU
(2009/28/ES)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
21
Obnovitelné zdroje
•
•
•
•
•
Obnovitelným zdrojem pro výrobu tepelné energie:
a) sluneční energie,
b) geotermální energie,
c) biomasa v zařízeních do 20 MWt,
d) bioplyn,
e) palivové články.
www.pres.org.pk
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
22
11
Obnovitelné zdroje energie
•
•
•
•
•
•
•
Obnovitelné zdroje energie pro výrobu elektřiny:
a) vodní energie v zařízeních do 10 MWe,
b) sluneční energie,
c) větrná energie,
d) biomasa v zařízeních do 5 MWe,
e) bioplyn,
f) palivové články,
www.earthtimes.org
g) geotermální energie.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
23
Zákon 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší
• Leden 2014 není možné prodávat kotle z první a druhé emisní
třídy podle normy ČSN EN 303-5 a tyto kotle je možné provozovat
jen 10 let - do roku 2022. Poté je nutné zakoupit kotel nový
splňující 3. emisní třídu.
• Leden 2017 – povinnost předložit na základě požadavku obecního
úřadu s rozšířenou působností revizi domácího kotle na tuhá
paliva
• leden 2018 – ukončení prodeje kotlů na tuhá paliva 3. emisní
třídy
• září 2022 – od této doby už nebude možné provozovat kotle
nižších emisních tříd tj. 1. a 2. třída dle ČSN EN 303-5. Domácnosti
budou muset prokázat, že jejich kotel splňuje podmínky
minimálně 3. emisní třídy.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
24
12
Diagram energetických toků 2010
http://www.czso.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
25
Prognóza vývoje - OZE v ČR
• Celkový energetický potenciál OZE v ČR odhadnut na 25 %
současné spotřeby
• Do roku 2020 se předpokládá využití zhruba 50 % teoretického
potenciálu OZE
• Dominantním zdrojem bude biomasa
http://energetika.tzb-info.cz/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
26
13
OZE v ČR
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
27
OZE v ČR
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
28
14
OZE v ČR
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
29
Druhy energií
ž Sluneční energie -aktivní, pasivní solární systémy
ž Větrná energie -větrné pohony, elektrárny
ž Biomasa -lesní, odpad z dřevozpracujícího průmyslu,
zemědělství, komunální odpad, kapalná paliva
ž Geotermální energie -geotermální elektrárny, využití
tepla suchých hornin, teplo prostředí (TČ)
ž Vodní energie -elektrárny průtokové, akumulační,
přílivové
vtm.e15.cz, astro.cz, astronomie.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
30
15
Solární energie
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
31
Slunce
•
•
•
•
•
•
Nejbližší hvězda
(150 mil km =1AU)
Koule žhavých plynů
Stáří 4,6 miliardy let
Teplota na povrchu Slunce cca
5 800 K =žlutá barva
Teplota v jádru 1,5 . 107 K a
hustota plazmy se zde pohybuje
okolo 130 000 kg.m-3. V tomto
prostředí se vodík postupně a
velmi pomalu mění na helium za
uvolnění obrovského množství
energie
Slunce je zdrojem krátkovlnného
záření
http://astro.wz.cz/astro/soustava/slunce.html
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
32
16
Slunce jako zdroj elektromagnetického záření
• Energie se šíří vakuem rychlostí světla
• Zemský povrch záření buď odráží (krátkovlnné záření)
, nebo ho absorbuje a transformuje do vyšších
vlnových délek (dlouhovlnné záření) a opět emituje.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
33
Elektromagnetické záření
• Elektromagnetické vlny se skládají ze dvou částí
elektrické a magnetické. Vektory obou složek svírají
pravý úhel a jsou kolmé na směr pohybu. (Vlnová
teorie – Maxwell)
www.aldebaran.cz
• Částicová teorie – světlo se chová, jako by bylo
tvořeno malými částicemi – fotony (Einstein)
Kvantová teorie
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
34
17
Elektromagnetické spektrum
energetika.tzb-info.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
35
Solární záření
• Energetická bilance solárního záření
ppm.nasa.gov
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
36
18
Poloha slunce na obloze
Obzorníkové souřadnice
• Azimut (A): Úhel měřený po horizontu směrem od jihu k západu
(jih 0°, západ 90°, sever 180°, východ 270°).
• Výška (h): Úhel měřený po výškové kružnici směrem od horizontu k zenitu
(horizont 0°, zenit 90°, nadir - 90°).
http://www.aldebaran.cz/astrofyzika/orientace/theory.html#coord
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
37
Poloha slunce na obloze
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
38
19
Poloha slunce na obloze
http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=35853
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
39
Solární konstanta
• Na vnějším okraji zemské atmosféry na ploše kolmé k záření je
intenzita záření průměrně
1 367 W/m2, (solární konstanta Io)
• Atmosférou projde jen část záření -v závislosti na vlnové délce
záření.
http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2010/solar_variability.html
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
40
20
Spektrum solárního záření
• Spektrum záření na hranici atmosféry
• Spektrum absolutně černého tělesa
• Spektrum v úrovni hladiny moře
http://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
41
Spektrum solárního záření
http://www.cfa.harvard.edu/research/ssp/stellar-atmospheres
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
42
21
Prostup sluneční energie sklem
http://sazovsky.com/2011/04/03/spektrum-slunecniho-zareni-vs-stavebni-sklo/#jp-carousel-1448
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
43
Propustnost atmosféry
www.aldebaran.cz
•
•
•
•
Atmosféra je propustná jen v
určitých vlnových délkách
Optické okno
Rádiové okno
IR okno
www.rfcafe.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
44
22
Dávka globálního solárního záření
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
45
Dávka globálního solárního ozáření
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
46
23
Solární záření
• Přímé solární ozáření Gb (W/m2)
–přímé záření na jednotku plochy bez rozptylu v atmosféře
–Intenzita záření velmi závislá na směru dopadu paprsků
• Difúzní solární ozáření Gd (W/m2)
–difúzní záření vzniká rozptylem o molekuly plynů ve vzduchu, částečky
prachu, vodní páru při prostupu atmosférou
–Intenzita záření je stejná ve všech směrech
• Dávka solárního ozáření (kWh, kWh/m2)
slunce-projekt.blog.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
47
Solární energie
• Celkové sluneční ozáření:
–jasný slunečný den léto 800 – 1 000 W/m2
–lehce zataženo 400 - 700W/m2
–silně zataženo 100 - 300 W/m2
http://www.vpo.cz/solarni-systemy--367.html
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
48
24
Solární energie
• Roční úhrn globálního záření
Průměrně
3800 MJ/m2.rok
Zdroj: Atlas podnebí Česka
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
49
Solární energie
• Celková doba slunečního svitu 1400-1700 h/rok
Zdroj: Atlas podnebí Česka
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
50
25
Solární soustavy
Soustavy pro využití
solární energie
Výroba tepla pro
vytápění, technologii,
přípravu teplé vody
nebo i chlazení
Fototermické
(fototermální)
Pasivní
Pasivní systémy
Pasivní architektura
Fotovoltaické
(fotoelektrické)
Přímá výroba
elektrické
energie, která
je univerzálně
využitelná
Aktivní
Kapalinové
Solární soustavy
Oběh média přirozený
nebo nucený
Vzduchové
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
51
Fototermické solární soustavy
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
52
26
Pasivní využití solární energie
• Architektura domů
– Prosklené plochy orientované na jih
– Teplotní zónování
– Akumulační konstrukce
• Akumulační stěny
– Trombeho stěna
• sálání
• Konvekce
• Zimní zahrada
http://stavebnikomunita.cz/
www.stavebnivyplne.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
53
Pasivní využití solární energie
• Trombeho stěna
– masivní stěna natřenou tmavou barvou ze strany exteriéru
– Teplo se šíří do místnosti radiací ze stěny (s příslušným
fázovým zpožděním) a konvekcí přes průduchy ve stěně.
www.nazeleno.cz
http://cs.wikipedia.org/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
54
27
Trombeho stěna v ČR
http://www.envic.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
55
Pasivní využití solární energie
• Energetická fasáda
– Vzduchový kolektor
– Zima-snížení tep. ztrát, využití pro
vytápění
– Léto-snížení tepelné zátěže
odvětrávání
http://www.tzb-info.cz/
• Dvojitá fasáda
– Sklo před stínícími prvky
– Ochrana proti hluku, odvod
tepelné zátěže, ..
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
56
28
Pasivní využití solární energie
• Energetická střecha
– Vzduchový kolektor v šikmé střeše
– Možné propojení s výměníkem
tepla
• Transparentní tepelná izolace
– Izolační schopnost, propustnost
slunečního záření, odolnost proti
UV záření
– Sklo, plasty
– S orientovanými komůrkami,
pěnové
– Přenos tepelné energie s časovým
posunem (léto?)
http://www.archiweb.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
57
Transparentní tepelná izolace
•
•
•
Přínos – prostup solárního záření, redukovaná
tloušťka, výplň vzácným plynem
Podmínky použití – orientace na jih+30°, nestíněná
konstrukce, nízké Ug=0,7(Kr), 0,8(Ar), 0,9(Air),
masivní stěna min 1400kg/m3, zisky 100-150
kWh/m2a
Panely 1x1 – 2x2m
http://www.okalux.de/en/solutions/brand
s/kapilux/kapilux-twd.html
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
58
29
Solární komín
• Podpora přirozeného větrání objektu
• Ohřev odváděného vzduchu způsobuje větší průtok větracího
vzduchu
• Funguje pouze při působení slunečního záření
• Bilance celoročního provozu
Ing. Radim Galko – Ph.D. práce
www.asb-portal.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
59
Aktivní solární soustava
• Kapalinová
– (hydronický)-“hydronic“-využití
vody pro vytápění případně
chlazení
www.viessmann.cz
• Vzduchová
– využití vzduchu pro přenos tepla
www.nazeleno.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
60
30
Schéma solární soustavy
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Solární kolektory
Solární jednotka
Pojistný ventil
Odvod kapaliny
Zásobník
Výměník tepla
Regulátor
Čidlo teploty, termostat
Odvzdušnění
Výměník tepla
www.viessmann.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
61
Solární soustava
www.buderus.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
62
31
Kapalinové solární kolektory
•
•
•
•
Základní dělení dle tvaru:
– Ploché (deskové)
– Trubkové (trubicové)
– Koncentrační
Dělení dle média
– kapalinové
– vzduchové
Dělení dle zasklení
– bez zasklení
– jednoduché
– vícevrstvé
– prizmatické
Dělení podle umístění
– horizontální
– vertikální
www.regulus.cz
www.viessmann.cz
www.biom.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
63
Solární kolektor
• Energetická bilance
solárního kolektoru
• Tepelné ztráty –
konvekční, vedením,
sáláním
• Výše ztrát ovlivněna
vnějšími vlastnostmi
kolektoru, vnějšími
podmínkami,
způsobem provozu
www.waifnova.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
64
32
Účinnost solárního kolektoru
η = užitečný výkon / energie ozáření
Závisí na teplotě absorbéru a teplotě okolí
http://oze.tzb-info.cz/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
65
Kapalinové solární kolektory
Plochý kolektor s plastovým absorbérem
- zejména pro dohřev vody v bazénu
- sezónní použití
www.solarenvi.cz
www.eldarf.sk
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
66
33
Kapalinové solární kolektory
Plochý kolektor se selektivním povrchem (plochý
selektivní kolektor)
-deskový kolektor se spektrálně selektivním povlakem, kovový absorbér,
celoroční provoz, 320 až 530 kWh/m2r
- nejběžnější typ kolektoru
- v podmínkách ČR vhodné zejména pro příprava TV (úspora až 80 %),
možné vytápění (až 30 %).
www.thermosolar.sk
www.regulus.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
67
Kapalinové solární kolektory
www.ceskestavby.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
68
34
Kapalinové solární kolektory
• Hlavní technické vlastnosti
–
–
–
–
–
–
Selektivní povrch
Kontakt absorbéru s registrem
Typ zasklení
Výstupní teplota
Průtok kolektorem
Použití odrazných ploch
www.solarni-systemy.eu
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
69
Kontakt absorbéru s registrem
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
70
35
Řešení registru kolektoru
• Meandrový příčný, podélný, dvojitý
• Lyrový, dvojlyrový
• Horizontální i vertikální
umístění
• Lyrový absorbér umožňuje
paralelní propojení
kolektorů do velkých sérií
www.regulus.cz
• Horizontální i
vertikální umístění
• Dvojlyrový
absorbér
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
• Vertikální umístění
• Lyrový absorbér
umožňuje paralelní
propojení kolektorů
do velkých sérií
71
Umístění kolektoru
• Orientace a sklon
www.viessmann.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
72
36
Kapalinové solární kolektory
Trubkový vakuový kolektor
- plochý nebo válcový selektivní absorbér ve vakuované
skleněné trubce, tlak <1kPa, vysokoteplotní aplikace,
380 až 760 kWh/m2r
www.junkers.cz
www.levneteplo.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
73
Kapalinové solární kolektory
• Konstrukce:
– vakuová izolace
skleněných trubic
– větší využití difúzní
radiace
– vysoká účinnost, vyšší
teploty až 200°C
– vyšší energetický zisk v
přechodném období
– lehká konstrukce
www.solareconomic.cz
www.rvel.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
74
37
Kapalinové solární kolektory
Tepelná trubice (heat pipe)
http://www.aaasolar.cz
http://www.aaasolar.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
75
Trubkový vakuový kolektor
• Vyšší investiční náklady
• Vhodný zejména pro využití v zimním období
tzn. vhodný pro vytápění, technologii
– Optimální sklon 65-70° (zimní období, nedochází k
zakrytí sněhem)
• Výkon lze zvýšit použitím zrcadel
1) Sluneční záření
2) CPC-zrcadla
3) Vakuová trubice
4) Vysokoselektivní povrch
5) Vakuum
6) Cu trubka
7) Teplonosný plech
http://www.pasivnidomy.cz/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
76
38
Solární kapalinové kolektory
ž Plochý kolektor s plastovým absorbérem nezakrytý plastová rohož, bez zasklení, pro ohřev bazénové vody
ž Plochý kolektor -deskový kolektor, kovový absorbér, sezónní ohřev
vody, 250 až 370 kWh/m2r
ž Plochý selektivní kolektor -deskový kolektor se spektrálně
selektivním povlakem, kovový absorbér, celoroční provoz, 320 až 530
kWh/m2r
ž Plochý vakuový kolektor -deskový kolektor, tlak v kolektoru 110kPa, celoroční provoz, vysokoteplotní aplikace
ž Trubkový vakuový kolektor -plochý nebo válcový selektivní
absorbér ve vakuované skleněné trubce, tlak <1kPa, vysokoteplotní
aplikace, 380 až 760 kWh/m2r
ž Koncentrující kolektor -kolektor s optickými prvky pro
soustředění slunečního záření (zrcadla, čočky)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
77
Zapojení kolektorů
• Počet kolektorů a
způsob zapojení
udává výrobce
• Běžně dle typu 4-8ks
kolektoru v jedné
sérii
• Výhodné zapojení
Tiechelmann
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
78
39
Stagnační stav kolektoru
• Není odběr energie
• Porucha dodávky elektrické energie
• Stagnační teploty různých typů kolektorů
http://ipa-solarenergy.net/en/izbor-solarnog-sistema/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
79
Přehřívání kolektoru
http://www.tzb-info.cz/3462-problematika-stagnace-u-solarnich-tepelnych-soustav-i
1.
2.
3.
4.
5.
Nárůst objemu kapaliny
Vytlačování tekutiny z kolektoru parou-vypařování lze potlačit zvýšením
tlaku v soustavě, zvýšením koncentrace teplonosné látky,
Vyprazdňování vody z kolektoru-var zbytkové vody (130-150°C)
Přehřátá (suchá) pára v kolektoru-klesá objem páry (200°C)-trvá do
poklesu solární radiace
Plnění kapalinou při poklesu teploty pod bod varu, kondenzace
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
80
40
Umístění kolektorů
• Nosná konstrukce kolektorů
– hliníková eloxovaná, nevyžaduje údržbu
– umístění většího kolektorového pole, umístění ve výšce nad 20m nutný samostatný projekt
• Nad střešní krytinu
– Šikmá střecha (optimum 45°, jih ±30°)
• rámová konstrukce nad střešní krytinou
• Integrace do střešního pláště
www.svobodaaspol.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
81
Umístění kolektorů
• Nad střešní krytinu
– Plochá střecha-nosná konstrukce samostatná
• Připevnění k vystupujícím prvkům nad střešní izolaci (min.
0,5m, konstrukce různé zátěžové skupiny
• Přitížení zátěží
– Samostatný nosný rám mimo objekt
• Pevný
• Otočný-mechanický, motorický
http://www.twi.cz/solar/fotogalerie-ploche-strechy.php
http://www.ceskestavby.cz/clanky/znate-nejlepsi-instalace-solarnich-systemu-19308.html
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
82
41
Kapalinová solární soustava
• Nepřímý
• Přímý
• Přirozený
• Nucený uzavřený
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
83
Samotížná solární soustava
• Pracuje na principu přirozeného oběhu vody
v soustavě
• Soustava otevřená nebo uzavřená
Výhody
- jednoduchost
- možná nezávislost na
elektrické energii
www.solarnienergie.cz
NEvýhody
- nemožnost regulace teplot
- při celoročního užívání
nutné opatření proti
zamrznutí (TV)
- menší variabilita
- hmotnost?
www.solarnienergie.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
84
42
Samotížná solární soustava
• Prvky systému
– Solární kolektory
– Solární zásobník.
• Elektrická topná vložka a termostat.
– Spojovací a instalatérský materiál.
– Nosná konstrukce (plochá, sedlová střecha, terén)
Použití:
• Rekreační objekty
• Sezónní provoz
• Objekty bez nebo s
problematickou dodávkou el.
energie
www.solarnienergie.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
85
Solární soustava popis
•
Potrubí-materiály Cu, ocel (často jen nepozinkovaná)
– Odolnost teplotám kolem 180°C
– Tepelné izolace na bázi minerálních, sklených vláken, kaučuku
– Vnější provedení odolné vůči UV záření, nenavlhavé (5mm mezera mezi
skříní kolektoru a izolací potrubí)
– Cu potrubí-pájení na tvrdo-vývod z kolektorů, jinak pájení na měkko
•
Expanzní nádoba
–
–
–
–
•
•
Použití uzavřených expanzních nádob
Vyšší pracovní přetlaky omezují zavzdušnění
Velikost dle zvětšení objemu látky v kolektorech - běžně 6litrů/kolektor
Max. pracovní přetlak 600kPa
Teploměr, tlakoměr, filtr, průtokoměr
Teplonosná kapalina (životnost 5-8 let)
– Na bázi propylen-glykolu (etylenglykol nevyhovuje v ČR)
– Ekologicky šetrná (ne fosfáty, dusičnany), inhibitory koroze
– Nelze přímo ohřívat TV
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
86
43
Solární soustava
Druhy solárních systémů:
High flow system (systém s vysokým průtokem)- průtok 30-70
l/h.m2 kolektoru, ohřev média o 8-12°C, vhodné pro menší solární
soustavy, pozvolné ohřívání zásobníku
Low flow system (systém s nízkým průtokem)- průtok 8-15 l/h.m2
kolektoru, ohřev média až o 50°C, vhodné v kombinaci se
stratifikovaným zásobníkem, nutné vychlazení zpátečky, úspory na
čerpací práci a účinnosti až 20%
Matchet flow system ( kombinovaný systém)- průtok 10-40 l/h.m2
kolektoru, kombinace předchozích systémů
Drain back – systém kdy médium z kolektorů vyteče do zásobní
nádrže, pokud nedochází k jeho ohřívání, lze použít čistou vodu
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
87
Solární soustava
•
•
•
•
•
Pouze systémová řešení
Soustava bez expanzní nádoby a odvzdušňování
Kompaktní tvar a integrace komponent
Rychlá montáž
Nižší účinnost (cca o 5%)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
www.protherm.cz
88
44
• Zásobník tepla
Solární soustava
– životnost souvisí s kvalitou vnitřního povrchu zásobníku, výměníku
(nejlépe nerez, keramika, teflon,..)
– vhodné využít teplotní rozvrstvení (stratifikaci) v zásobníku-může
zvýšit účinnost systému o 5-15%
– předehřev vody solárními kolektory (zvýšení teploty z 10 na cca 2550°C)
– zajistit pravidelnou termickou desinfekci
www.ratiotherm.co.uk
http://www.ghtherm.cz/
www.dzd.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
89
Solární zásobníky
• Systém s průtokovým
ohřevem TV
– větší objemy 500-1500l
– akumulace energie z více
zdrojů
– nižší zásoba TV
– menší průtok TV
www.atrea.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
90
45
Výměník tepla
• Nejčastější příčinou nízké účinnosti solárních soustav
bývá výměník tepla.
• Solární výměník by měl být schopen přenášet
maximální výkon kolektorového pole při teplotním
rozdílu mezi ohřívací a ohřívanou kapalinou v rozmezí
5 až 8 K.
• Přenos tepla ve výměníku se skládá z přestupu tepla
z ohřívané kapaliny do materiálu teplosměnné plochy
výměníku, vedení tepla materiálem plochy a
přestupu tepla z materiálu teplosměnné plochy do
ohřívané kapaliny.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
91
Příklad zásobníku tepla s
integrovanou čerpadlovou
skupinou
Kabrhel
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
92
46
Příklad zásobníku tepla s
detailem výměníku
Kabrhel
Kabrhel
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
93
Solární jednotka, modul, čerpadlová skupina
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Solární čerpadlo
Zpětná klapka
Napouštěcí ventil
Pojistný ventil
Regulační ventil
Průtokoměr
Tlakoměr
Teploměr
Uzavírací ventil
Nutná odolnost proti působení teplonosné
kapaliny (propylenglykol)
(kvalita těsnění)
Tlaková ztráta 8ks kolektorů cca 3kPa
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
94
47
Čerpadlová skupina
• Dvoutrubková
• Jednotrubková
• Integrovaný regulátor
• Oběhové čerpadlo
• Teploměry topné a vratné větve
• Tlakoměr
• Pojistný ventil
• Napouštěcí a vypouštěcí ventily
• Uzavírací ventily
• Separátor vzduchu
• Zpětný ventil Solar
• Regulátor průtoku s průtokoměrem
• Výstup pro připojení expanzní
nádoby
• Montážní sada na stěnu
• Tepelná izolace
• Připojení
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
95
Schéma solární soustavy
Přímý ohřev vody v zásobníku
www.quantum.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
96
48
Schéma solární soustavy
Zapojení s využitím deskového
výměníku
www.quantum.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
97
Schéma solární soustavy
Zapojení pro přípravu TV a vytápění
www.quantum.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
98
49
Schéma solární soustavy
• Solární kolektorová pole s
různou orientací ke světovým
stranám
• Použití 2 solárních jednotek
www.buderus.cz
www.buderus.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
99
Umístění kolektorů - příklady
• Na fasádě domu
http://www.novinky.cz/bydleni/jak-na-to/275512-efektivni-vyuziti-slunecnienergie-na-vytapeni-i-ohrev-vody-v-domacnosti.html
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
100
50
Umístění kolektorů - příklady
http://www.regulus.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
101
Umístění kolektorů - příklady
• Na terénu
http://www.pasivnidomy.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
102
51
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/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
103
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)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
104
52
Vzduchová solární soustava
Příklad vlastností kolektoru:
• povrch ze skla ESG 4 mm
• rám kolektoru z hliníku
• žebrový absorbér z hliníku
• tepelná izolace z minerální vlny 50 mm
• vysoce kvalitní vzduchový filtr integrovaný do kolektoru
• integrovaný ventilátor (výtlačný,
umístěný v oblasti vstupu vzduchu)
http://www.eco-energo.eu/
http://www.grammer-solar.com/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
105
Vlastnosti vzduchového kolektoru
http://www.eco-energo.eu/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
106
53
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.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
107
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
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
108
54
Návrh solárních systémů
Určení potřeby tepla:
• 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
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
109
Potřeba teplé vody
• Potřeba tepla na přípravu teplé vody:
VTV,den
ρ
c
tSV
tTV
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 Qp,TV má být kWh/měsíc
potom n=počet dnů daného měsíce)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
110
55
Potřeba teplé vody
• Návrhová potřeba TV (návrh systémů)
– Bytový dům 82 l/os.den
– Administrativa 25 l/os.den
• Skutečná spotřeba TV
Bytové domy
Nízká
Střední
Vysoká
Hotely
Pokoj s vanou
Pokoj se sprchou
Hostely
l/os.den
10-20
20-40
40-80
l/os.den
95-140
50-95
25-50
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
111
Potřeba tepla
• Potřeba tepla na vytápění:
Qz
tiv
tip
tev
tep
n
ε
v
výpočtová tepelná ztráta objektu (kW)
výpočtová vnitřní teplota (běžně 20 °C)
střední vnitřní teplota v daném měsíci (běžně 20 °C)
výpočtová venkovní teplota
střední venkovní teplota v daném měsíci
počet dní v daném měsíci
korekční součinitel, který zahrnuje snížení potřeby
tepla (0,7 standard, 0,5 pasivní dům, 0,6 NED dům)
přirážka na tepelné ztráty (např. 5%)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
112
56
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/m2.rok)-slouží pro hodnocení úspory energie
teoretické tepelné zisky (kWh/měsíc)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
113
Určení parametrů solárního systému
• Odhad dle zkušenosti projektantů
– Přibližný výpočet, obdobné realizace
– Reálná soustava v ČR 400-450 kWh.m-2.rok-1
Použití
Teplá voda
Rodinný dům
Bytový dům
Vytápění a teplá voda
Rodinný dům
Bytový dům
Solární
pokrytí
(%)
Zisk
kWh.m-2.rok-1
60
50
300-400
400-500
20-40
20
250-300
350-450
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
114
57
Zisky solární soustavy
• Využitelné zisky solární soustavy
nk
HT,den
Ak
p
střední denní (měsíční) účinnost solárního kolektoru
skutečná denní dávka slunečního ozáření v kWh/(m2⋅den)
plocha apertury solárních kolektorů, v m2
hodnota srážky z tepelných zisků solárních kolektorů vlivem
tepelných ztrát solární soustavy (rozvody, solární zásobník)
lineární součinitel
tepelné ztráty a1
(W/(m2⋅K)
střední denní teplota
teplonosné kapaliny
(40-50°C)
střední venkovní teplota v
době slunečního svitu (223°C)
Údaje z protokolu o
zkoušce tepelného
výkonu podle ČSN EN
12975-2.
střední denní
účinnost solárního
kolektoru
optická účinnost
střední denní sluneční ozáření (W/m2)
kvadratický součinitel tepelné
ztráty kolektoru a2 (W/(m2⋅K2))
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
115
Terminologie
• Plocha kolektoru
• Plocha absorbéru
• Plocha apertury
– Otvor, kterým nesoustředěné
solární záření vstupuje do
kolektoru
– Specifikace plochy kolektoru
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
116
58
Návrh solárního systému
• Odhad dle směrných hodnot
– Příprava TV RD 3-4 osoby 3m2 kolektorů, zásobník 300L
– Příprava TV 0,8 až 1,5m2 kolektoru na osobu
– 1 m2 plochy kolektoru odpovídá 50l teplé vody o teplotě
45°C
– Objemy zásobníku se pohybují v rozmezí 30 – 70 l.m-2
absorpční plochy kolektoru
– Solárnímu pokrytí na úrovni 50% odpovídá přibližně
potřeba 1,3m2 absorpční plochy kolektoru a velikost
zásobníku lze předpokládat na úrovni 60 l.m-2 absorpční
plochy kolektoru.
– plocha kolektorů vytápění = 0,25 x obytná plocha
• Využití diagramů
– Zpravidla firemní materiály, zájmová literatura
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
117
Akumulace tepla
• Pokud akumulujeme teplo ve vodě, je v našich zeměpisných
podmínkách nejvhodnější volit velikost akumulační nádoby s
objemem cca 60 litrů na 1 m2 plochých kolektorů.
• Za současných ekonomických podmínek platí, že bude-li
objem akumulace menší než 40 l/m2, bude to mít negativní
vliv na účinnost soustavy. Při větším akumulačním objemu než
70 l/m2 se účinnost soustavy podstatně nezvýší.
• Při více nádobách je nutné je postupně po kusech nahřívat,
aby teplo bylo využitelné.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
118
59
Výpočetní software
• Počítačové programy
– 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
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
119
Solární soustavy
• TNI 730302:2009 Energetické hodnocení solárních
tepelných soustav - Zjednodušený výpočtový postup
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
120
60
Dynamická simulace
• Polysun
– light
– professional
– designer
http://www.velasolaris.com
Winterthur, Switzerland
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
121
Dynamická simulace
• GetSolar
• T*sol
http://www.valentin.de
Berlin, Germany
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
122
61
Detailní dynamická simulace
• TRNSYS
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
123
Příklad Systém přípravy teplé vody (RD)
•
•
•
•
3ks solárních kolektorů (TS 300N), 45°, jih
400l zásobník TV
Praha (50,1°)
4 osoby á 50l /den
• GETSOLAR
2218 kWh/rok
SF 55%
Účinnost 38%
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
124
62
T*sol
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
125
Příklad Systém přípravy teplé vody (BD)
•
•
•
•
30ks solárních kolektorů (TS 300N), 45°, jih
2500l zásobník TV
Praha (50,1°)
45 osob á 50l /den
• GETSOLAR
23986 kWh/rok
SF 56%
Účinnost 41%
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
126
63
Stagnační stavy kolektoru
Zásobník 2500l
Zásobník 3500l
Zásobník 1500l
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
127
Ekonomika solárních systémů
• Obytné budovy
– Především pro přípravu teplé vody
– Cena solárního systému „na klíč“ (bez akumulačního zásobníku)
• 20-30 m2
cena 600-800€/m2
2
• 40-60 m
cena 400-500 €/m2
• Cena může být ovlivněna dalšími specifickými náklady-integrace do pláště,
délky rozvodů, podpůrný systém- 15-35 €/m2
• Čím větší solární systém tím nižší náklady na zařízení
potřebné pro provoz kolektorů
• Cena solárního systému
–
–
–
–
65% solární systém
15% instalace
10% projekt
5% další náklady (PR,..)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
128
64
Bilance solárních systémů
• Nejvyšší účinnost mají velké solární systémy
• Návratnost solárních systémů (bez dotace)
– RD
cca 15 let
– BD
cca 11 let
– Vliv však mají i rozdílné podmínky provozu, výše spotřeby
tepla atd.
• Hodnocení provozu solárních systémů
– doporučeno využití počítačové simulace
• V některých evropský zemích zákonná povinnost
využití OZE (např. v Německu od r. 2009 solární
systémy min. 15% potřeby energie)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
129
Koncentrační solární soustavy
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
130
65
Koncentrační solární systémy
Historie:
Augustin Mouchot (1825 - 1912) vytvořil první parní
stroj poháněný solární energií.
Alessandro Battaglia in Genoa, Italy, 1886 patent
solárního kolektoru.
1878
http://en.wikipedia.org/wiki/Auguste_Mouchout
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
131
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/m2∙rok
(zhruba pod 40 rovnoběžkou)
Geometrický koncentrační faktor
Cgeo=Aa/AA
Aa - plocha apertury (vstupní plocha nebo
plocha odrážející vstupní světlo)
AA - plocha absorbéru
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
132
66
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%
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
133
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
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
134
67
• Parabolické koncentrátory (Andasol)
www.kedarvideo.wordpress.com
www.ekobydleni.eu
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
135
www.estelasolar.eu
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
136
68
Solární elektrárna Andasol
•
•
Teplonosná látka syntetický olej (až 400°C)
Akumulace tepla pro noční provoz
•
Zásobník tepla se sestává ze dvou nádrží (průměr 36 m, výška 14 m)
naplněných směsí roztaveného dusičnanu sodného (60%) a dusičnanu
draselného (40%). Celkové množství tepelného média činí 28 500 tun.
Ve dne je akumulační médium přečerpáváno ze „studené“ nádrže
(290°C) do „horké“ nádrže, přičemž prochází tepelným výměníkem, kde
se ohřívá teplonosným médiem solárního okruhu na požadovanou
„akumulační teplotu“ (390°C).
Turbína s generátorem
Parogenerátor
Akumulační systém
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
137
• Parní turbína pro solární tepelnou elektrárnu
https://www.cee.siemens.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
138
69
• Zapojení parabolických žlabů
www.evwind.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
139
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
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
140
70
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
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
141
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
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
142
71
Stirlingův talíř
http://globalnvcorp.com/divisions/energy/solar
143
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
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)
www.infoglobe.cz
www.infoglobe.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
144
72
Solární tepelná elektrárna
• Ivanpah Solar Electric Generating System (SEG) 2014
• 13km2, 350 tisíc zrcadel, věž 140 metrů, cena 44,3
miliardy Kč
• 377MWe elektřiny
• 3 věže
• Kondenzátory chlazeny vzduchem – o 90% menší
spotřeba vody ve srovnání s klasickým chlazením
• 90 zaměstnanců
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
145
Pohled na solární elektrárnu
http://ivanpahsolar.com/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
146
73
Solar Energy Generating Systems (SEGS)
• systém 9 solárních elektráren na světě
• California, Mojave desert
• Plocha 6,5km2 ,výkon 354 MW
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
147
Abu Dhabi 100MW elektrárna
• Výkon 100MWe
• 258 tis. Zrcadel na 768 natáčecích
žlabech
• Plocha 2,5km2
• Doba výstavby 3 roky
• Cena projektu $600million
https://www.google.com/maps
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
148
74
Abu Dhabi 100MW elektrárna (2013)
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2295717/Who-needs-oil-Worlds-largest-concentrated-solar-power-plant-258-000-mirrors-opens-Abu-Dhabi.html
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
149
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
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
150
75
•
•
•
•
Nevada Solar One
maximální výkon 74MW
zprovozněno 3/2007
cena $240 millionů
cena energie 9-13centů/kWh
nevadasolarone.net/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
151
Solární komín
• Využití větrných
turbín pro výrobu
elektrické energie
• Velký zábor území –
možné využití pro
pěstování plodin
• Vysoká výška
komínu (až 1km)
• Ekologie
www.solarpanelsindustry.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
152
76
Fotovoltaické solární systémy
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
153
Příklad FV systému na fasádě
www.yoursunyourenergy.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
154
77
Fotovoltaické systémy (FV)
• Přímé využití solární energie
• Rozšířené využití v zařízeních s malým odběrem
elektrické energie (kalkulačky) nebo na odlehlých
místech (osvětlení, doprava)
• Větší uplatněníàcena fotovoltaických panelů
àdotace à instalace pilotních, demonstračních
zařízení àpokles ceny a ukončení dotací àinstalace
s ohledem na návratnost
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
155
• Fotoelektrický jev
– Fotoelektrický jev v roce 1887 poprvé popsal Heinrich Hertz.
– Vzájemným působením slunečního záření a hmoty dochází k
pohlcování fotonů a uvolňování elektronů, v polovodiči pak vznikají
volné elektrické náboje, elektron-díra, které jsou už jako elektrická
energie odváděny ze solárního článku přes regulátor dobíjení do
akumulátoru nebo ke spotřebiči.
www.solartec.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
156
78
Fotovoltaické systémy
Princip:
www.viessmann.cz
Křemíkový krystalický článek
Dopadem světelného záření se
vlivem předávání energie z
fotonů na atomy krystalické
mřížky uvolňují elektrony, které
díky přechodu PN nemohou
přecházet do vrstvy typu P a
hromadí se ve vrstvě typu N.
Stejně tak se v oblasti typu P
hromadí
díry.
Tato
nerovnoměrnost rozdělení nosičů
náboje
vytváří
elektrický
potenciál (cca 0.6 V). Připojí-li se
na elektrody článku elektrický
obvod se spotřebičem, začnou
elektrony procházet vodičem z N
vrstvy, kde je jich přebytek, do
vrstvy P.
PN přechod umožňuje snadnější
přechod volných elektronů z
vrstvy P do vrstvy N.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
157
Fotovoltaické systémy
• Fotovoltaický článek - pevný, ale
křehký
• Fotovoltaický panel - složen ze
článků, nosné a ochranné
konstrukce
www.solarhaus.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
158
79
Fotovoltaické systémy
• Monokrystalické články
– dlouhá životnost
– vysoké výrobní náklady
www.solarchoice.net.au
– hl. monokrystalické články z křemíku Si (arzenid galia GaAs kosmický program)
– účinnost laboratorní až 24 %, reálná 14-16 %
– využití především přímého solárního záření, difuzní záření
jen omezeně (problémy se stíněním)
– použití koncentrátorů (až 30%)
www.solarchoice.net.au
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
159
Fotovoltaické systémy
• Polykrystalické články
–
–
–
–
–
–
použití Si
nižší výrobní náklady, nižší účinnost
laboratorně 18 %, v praxi 11-15 %.
pokles parametrů během životnosti
větší schopnost zachytit difuzní záření
opticky rozlišitelné dle struktury (ledové květy)
www.solarfeeds.com
www.thegreenhome.co.uk
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
160
80
Fotovoltaické systémy
• Vícevrstvé články
–
–
–
–
–
účinnosti až 40 % (laboratorní)
perspektivní trend
vysoká degradace
možnost integrace do střešního pláště, folie, šindele
CdTd, CIGS, a-Si,..
www.nrel.gov
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
161
Fotovoltaické systémy
• Organické články
–
–
–
–
–
–
–
tekuté články (Graetzelovi, barvocitlivé, polymerové)
schopnost pracovat i s menším množstvím světla
levné materiály, možnost nátěru,tisku
výhodnější ekologie výroby
předpokládána nižší cena
barevnost, průhlednost
účinnost do 10%
New Mexico State University, University of California - Los Angeles
www.sigmaaldrich.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
162
81
Konstrukce panelů
•
•
•
•
Solární články jsou zataveny ve speciální průhledné fólii EVA, zakryté
pod vysoce průhledným a tvrzeným sklem
Panel je vytvořen montážním rámem z hliníku
Životnost kvalitně vyrobeného panelu dosahuje 25 let a více.
EVA=ethylen vinyl acetát - folie pro průmyslové vrstvené sklo s
dobrou průhledností a vynikající odolností
www.hqline.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
• Umístění panelů
163
FV panely
– Jih+15°, sklon 30-40%
– Schopny využívat i difúzní záření
– Fasádní systémy-využití svislých ploch, jinak energeticky neaktivních
– Nutné chlazení vzduchem proti přehřívání (nad 80°C klesá účinnost)
• Vlastnosti panelů
–
–
–
–
typ konstrukce panelu, provedení
teplotní koeficienty
napěťové parametry
bypass diody, konektory
–
–
–
–
–
–
certifikace pro EU, IEC 61646
záruka výrobce, pokles výkonu v čase
reference výrobce, světové zkušenosti
časová dostupnost panelů
cena
forma plnění záručních podmínek
1 kWp = cca 1 000 kWh/rok = cca 8–10 m2 plochy
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
164
82
Fotovoltaika
• Volt-Ampérová charakteristika
článku
Isc-proud nakrátko
Uoc- napětí naprázdno
V-A charakteristika panelu
•
• Základní parametr
– špičkový výkon ve wattech, uváděný
s označením Wp, ( watt-peak)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
165
AM
•
•
•
•
•
AM0 – spektrum solárního záření na hranici atmosféry
AM1 = 1 atmosféra
AM1,5 – spektrum vhodné pro testování solárních systémů.
Představuje roční průměr pro střední zeměpisnou šířku
(zenitový úhel 48,2°)
AM2-3 používáno pro solární systém ve vyšších zeměpisných
šířkách
AM38 – spektrum při zenitovém úhlu 90°, horizontála.
http://en.wikipedia.org/wiki/AM1.5
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
166
83
Výroba fotovoltaika ve světě
http://www.pse.de/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
167
Instalace fotovoltaika ve světě
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
168
84
Vývoj různých typů fotovoltaických článků
http://www.nrel.gov/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
169
Globálně instalovaná fotovoltaická technologie
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
170
85
• Materiálové řešení fotovoltaických článků
www.epia.org
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
171
Výroba energie z fotovoltaiky
http://www.pse.de/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
172
86
Materiálové vlastnosti fotovoltaiky
•
•
Nejběžnějším materiálem pro FV je krystalický křemík (c-Si) – 80%
Dalším často používaným řešením jsou tenkovrstvé technologie
•
Hlavním materiálem pro výrobu FV je křemík a stříbro
– Cílem je snížit množství stříbra a jeho náhrada za jiné levnější materiály (např. Cu)
•
Tenkovrstvé technologie (TFPV)
– Technologie založena na použití materiálů o tloušťkách několika nanometrů až desítek
mikrometrů
•
•
•
CdTe - Cadmium telluride (8% na trhu)
CIGS - Copper indium gallium (di)selenide
a-Si - Amorphous silicon
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
173
Vícepřechodové články
•
•
•
•
•
Dosahují nejvyšší účinnosti (laboratorně 43,5%)
Nejpokrokovější technologie solárních článků
Potenciál odhadován na 50%
Výrobní cena 100x nižší než křemíkových
Vhodné pro koncentrační systémy (celková účinnost laboratorně 36% křemíkové 18%)
Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
174
87
Systémy koncentrátorů
• CPV Concentrated photovoltaic
– Využívá se optických prvků - zrcadel nebo čoček
– Koncentrace funguje pouze pro přímé sluneční záření – musí tomu
odpovídat lokalita
– Přímá výroba elektřiny ze solárního záření
– Vyžadováno je aktivní natáčení vzhledem k poloze slunce
– Koncentrátory mohou zvýšit produkci energie o přibližně 30 %
– Malá (2-100 x) - není nutné aktivní chlazení, ekonomické řešení,
použití běžných nebo upravených silikonových článků, většinou nutné
natáčení
– Střední (100-300x) - nutné dvouosé natáčení, chlazení
– Velká koncentrace (>1000 x) – talířové reflektory, Fresnelovy čočky,
nutné výkonné pasivní chlazení
– Problém mohou představovat nízké úhly dopadajícího záření
• CST Concentrated solar power
– Tepelné systémy – konkurence fotovoltaiky
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
175
Fotovoltaické systémy
• Zvyšování účinnosti článků
– Koncentrátory, čočky, zrcadla (korýtková, plošná)-nutná
větší teplotní odolnost článku, nutné polohovací zařízení
– Oboustranné moduly-využití průsvitnosti článků
– Natáčecí systémy
www.solarfeeds.com
www.greenrhinoenergy.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
176
88
Systémy
• CPVT (Concentrated photovoltaics and thermal)
• CHAPS (combined heat and power solar)
– Technologie kogenerace využívající koncentrační fotovoltaiku pro
výrobu tepla a elektřiny
• Příklad
–
–
–
–
Využití talířových koncentrátorů pro výrobu tepla a elektřiny
16 jednotek Z20 (Izrael)
Výkon tepelný 140 kWp, elektrický 70 kWp na ploše 352m2
Konstrukce
•
•
•
•
•
•
•
11m2 zrcadel na 2 osém natáčecím zařízení
Použití vícepřechodových článků
Předpokládaná životnost 20 let
70-90m2 na jednu jednotku
4,5kWp elektřina /při 1000W/m2
11kWp teplo (max. 100°C, 12m/min
1,5 tuny
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
http://www.zenithsolar.com/
177
http://www.zenithsolar.com/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
178
89
Natáčecí zařízení-sledovače slunce
kdmegatech.en.ec21.com
www.civicsolar.com
• Použitý typ na základě velikosti FV systému a požadavků na
vlastnosti natáčení
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
179
• Příklad natáčecího zařízení
Foto Kabrhel
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
180
90
Fotovoltaické systémy
• Autonomní ostrovní
systém („grid-off“)
• 12/24V nebo 230V
• Spotřebiče s nízkou
spotřebou
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
181
Fotovoltaické systémy
• Spotřebiče s nízkou spotřebou
• Problém s přebytky-cena
akumulátorů
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
182
91
Solar impuls (1, 2)
•
•
•
•
•
Letadlo využívající solární fotovoltaické panely jako zdroj energie
Využití nových materiálů a technologií (zvýšení kapacity baterií,
nanomateriály,..)
Solar impuls 1 (2010)
Letadlo využívá solární energii k pohonu, stoupání (8500m) a dobíjení
baterií, v noci pak pozvolna klesá až na 1500m (plachtí 4-5 hodin) a poté
využívá baterie pro pohon
Rychlost 45km/h – energeticky optimální
www.solarimpuls.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
183
Helios (2001)
•
•
•
•
Dálkově řízené letadlo (atmosférický satelit)
vyrobené pro NASA
Rozpětí křídel 75 metrů
Dosažení rekordní výšky 30.000 metrů
Zničeno při havárii vlivem turbulence v roce 2003
www.nasa.gov
www.theengineer.co.uk
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
184
92
Solární loď Turanor PlanetSolar (2010)
•
•
•
•
Plavba kolem světa
38 tis. fotovoltaických článků (500m2) výkon 93kWe+ baterie (13tun)
Průměrná rychlost 14km/h
Cena 310 mil. Kč
http://www.planetsolar.org/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
185
Solární automobily
www.sunwindsolar.com
www.ford.com
www.inhabitat.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
186
93
Fotovoltaické systémy
Zapojení do sítě ( „grid-on“)
vyžadují měnič (střídač) pro
přeměnu
stejnosměrného
proudu na střídavý
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
187
Fotovoltaické systémy
0.06
4
0.04
2
0.02
0
0.00
η [-]
6
12.3. 18:00
0.08
12.3. 17:00
8
12.3. 16:00
0.10
12.3. 15:00
10
12.3. 14:00
0.12
12.3. 13:00
0.14
12
12.3. 12:00
14
12.3. 11:00
0.16
12.3. 10:00
16
12.3. 9:00
0.18
12.3. 8:00
0.20
18
12.3. 7:00
20
12.3. 6:00
El. výkon [kW]
• Nestálost výkonu FV panelů-příklad
čas [hod]
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
188
94
Skutečný výkon FVE na RD (5,88kWp)
Plocha 43m2
Roční výroba 5400kWh
Ing. Jakub Ulč
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
189
Skutečný denní výkon FVE
Ing. Jakub Ulč
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
190
95
Postup výstavby FV systému
• Posouzení vhodnosti instalace FV panelů dle dispoziční plochy
(sklon, orientace,..)
• Stanovení systému využívání vyrobené energie
• Žádost provozovateli distribuční soustavy o připojení (ČEZ,
EON, PRE - schválení s uvedením podmínek
• Stavební úřad-umístění FV panelů na střeše-územní souhlas
• Realizace-malé FV systémy(do 10kWp) cca 2-7dnů
• Licence výrobce elektrické energie-ERÚ. Fyzická osoba
provozující systém do 20kWp nemusí mít odborné vzdělání.
• Smlouva o připojení s provozovatelem distribuční sítě
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
191
Legislativa
•
•
•
•
•
•
•
•
Zákon 180/2005Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů
energie. Zrušeno k 1.1.2013
Vyhláška 475/2005Sb. ve znění 364/2007Sb., kterou se provádějí
některá ustanovení zákona o podpoře využívání obnovitelných zdrojů.
Životnost FV elektrárny je 20let. Zrušeno k 1.1.2013
Vyhláška 150/2007Sb. Vyhláška o způsobu regulace cen v energetických
odvětvích a postupech pro regulaci cen Roční zvyšování cen v průběhu
životnosti zařízeni. Zrušeno k 25.2.2009
Vyhláška č. 51/2006 Sb. o podmínkách připojení k elektrizační soustavě.
Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu
Např. č. 7/2007 – V roce 2008 je výkupní cena elektřiny dodané do sítě:
13,46 Kč/kWh, zelené bonusy: 12,65 Kč/kWh.
2013 – podpora pouze pro systémy s výkonem do 30kWp, garantovaný
výkup po dobu 20 let
2014 – jsou zrušeny veškeré podpory pro fotovoltaické systémy
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
192
96
Cenové rozhodnutí ERU 4/2013
http://www.tzb-info.cz/vyse-vykupnich-cen-a-zelenych-bonusu
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
193
Výkupní cena elektrické energie z FV systémů
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
194
97
• Zdroje energie Německo
www.pse.de
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
195
Skladba ceny elektřiny pro domácnosti
www.nazeleno.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
196
98
FV elektrárny
•
•
•
•
Údržba pozemku
Údržba FV systému
Řešení likvidace po končení životnosti
Nutné zabezpečení proti krádeži
– Označení panelů
– Obvod pozemku střežen buď infračervenými čidly, nebo detekčním
kabelem nataženým v plotu
http://fotovoltaicke-elektrarny.revamont.cz/
http://www.solartechnika.sk/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
197
Příklad natáčecího FV systému
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
198
99
Fotovoltaika integrovaná do budov
Building Integrated Photovoltaics (BIPV)
• architektonická variabilita
• vztah k životnímu prostředí
• ekonomický přínos
www.dynamicsolartech.com
http://www.greentechmedia.com/
http://www.solar-fabrik.de/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
199
Příklad možné integrace FV do pláště budovy
www.plusplasticelectronics.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
200
100
Návratnost FV systémů
www.pse.de
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
201
Ekonomika fotovoltaiky
• Ceny FV v Německu
– 1990 14.000 E/kWp
– 2014 1.500 E/kWp
– Odhady hovoří o poklesu o 20% v dalších 30 letech
www.pse.de
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
202
101
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
203
Návrh FV systémů
• PV-GIS
– http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
204
102
FV příprava TV
•
•
•
•
•
Sestava pro elektrický dohřev TV v zásobníku
Výkon 1470Wp (6ks á 245Wp)
Zásobník větší než 100l
Příkon spirály 2-3kW (230V)
Cena 2014: 76tis. Kč vč. DPH
www.solartec.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
205
SolárníFV
systémy
Porovnání
a FT soustav
Účinnost systému
(odhad)
Maximální měrný výkon
Fotovoltaický systém
Fototermická
soustava
15%
60%
125 W/m2
800 W/m2
Zatažená obloha (5% výkon)
Optimální orientace /
Celoroční sklon
Jih
Sklon 30-35°
Další vlastnosti
Zakrytí panelů
Pokles účinnosti
Nízké náklady na údržbu
Dlouhá životnost
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
Jih
Sklon 45°
Sklon v závislosti na
době využití tepelné
energie.
Zimní sklon 60-90°
Menší plocha
Vyšší náklady na
údržbu a provoz
Malý pokles
účinnosti
206
103
Moderní čištění FV panelů v elektrárnách
•
•
•
Využití automatických robotů
Bez potřeby vody (např. v pouštních oblastech)
Použití mikrovláken
http://www.ecoppia.com/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
207
Tepelná čerpadla
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
208
104
Tepelné čerpadlo
• Tepelné čerpadlo je stroj, který čerpá teplo z jednoho místa na jiné
vynaložením vnější práce. Obvykle je to z chladnějšího místa na teplejší.
• Použití:
– Chladící stroje
– Zdroje tepla
• Tepelný stroj, umožňující využití nízkopotenciálního tepla okolí
pro energetické systémy budov.
• 2. termodynamický zákon
– Určuje směr, kterým probíhají přirozené procesy
– Žádný tepelný stroj pracující mezi dvěma teplotami nemůže mít vyšší
účinnost než Carnotův stroj pracující mezi stejnými teplotami.
– Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet
z tělesa chladnějšího na těleso teplejší.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
209
Tepelné čerpadlo
• Typy tepelných čerpadel
– Absorpční tepelná čerpadla
• pracují bez kompresoru, méně nehlučná, nutný zdroj tepla
(spalování paliva, solární energie)
• Sorpční oběh
– Kompresorová tepelná čerpadla
• Parní oběh – nejběžnější systém
• pohon zajišťuje kompresor
– Elektrická – elektrický motor – oddělený - kompaktní
– Plynová –plynový motor - turbína
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
210
105
Kompresorové tepelné čerpadlo
Základní části tepelného
čerpadla
• výparník – kompresor –
kondenzátor – expanzní
ventil
• teploty a tlaky
primárního okruhu
• Vlastnosti:
• Kompresor
• Výparník
• Kondenzátor
• Expanzní ventil
(elektronický,
termostatický)
http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel
211
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
Tepelné čerpadlo
•
•
•
Pracovní diagramy tepelného
čerpadla
P-V diagram (tlak-objem)
T-S diagram (teplota-entropie)
http://www.calorex.com/
http://www.mpoweruk.com/heat_engines.htm
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
212
106
Kompresorové tepelné čerpadlo
• TČ s pístovými kompresory - levnější, hlučnější, nižší
topný faktor. Životnost 15 let.
• TČ se spirálovými kompresory Scroll - dražší, nejlepší
topný faktor, nejpoužívanější typ. Životnost
kompresoru Scroll min. 20 let.
• TČ se šroubovými kompresory
www.viessmann.cz
www.eccb.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
213
Absorpční tepelné čerpadlo
•
•
•
V absorpčním oběhu koluje
chladivo a absorpční látka
Páry chladiva odcházející z
výparníku jsou absorbovány v
absorbéru do kapalné
absorpční látky za současného
uvolnění absorpčního tepla.
Vzniklá kapalná směs je
čerpadlem dopravena do části
oběhu s vyšším pracovním
tlakem. Po zvýšení teploty
směsi jsou páry chladiva v
desorbéru vypuzeny z
absorpční kapaliny.
http://energetika.tzb-info.cz/kogenerace/6519-systemy-spolecne-vyrobyelektricke-energie-tepla-a-chladu
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
214
107
Chladiva
• Chladiva
– Čisté kapaliny
• jedno nebo vícesložkové
• např. R22 (chlorodifluormethan), R21, R123, R124
• Pozor na možné problémy s doplňování/změnou nevhodného chladiva
v TČ (např. dříve R22 (freon)-1.1.2010 zákaz používání pro údržbu a
servis, 1.1.2015 zákaz používání zařízení)
– Směsi 2-4 chladiv
• Nestejnoměrné vypařování a kondenzace
• Např. R407
www.pentabell.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
215
Chladiva
• HFC - (fluorované uhlovodíky)
nazývané také jako F-plyny byly
vyvinuty jako náhrada za chladiva
poškozující ozonovou vrstvu.
• CFC - (tvrdé freony) - R12, R502,
• HCFC –
(hydrochlorofluorouhlovodíky)-tzv.
měkké freony
– 1.1.2010 zákaz používání pro
údržbu a servis
– 1.1.2015 zákaz používání
zařízení)
http://www.jdk.cz/cs/produkty/chladivo
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
216
108
Carnotův cyklus
• Teoretický nereálný cyklus
• Nezohledňuje řadu důležitých vlastností
– pracovní látku, teplosměnné plochy, tepelné ztráty…
• Skutečný topný faktor je nižší řádově
o 50-60%
Reálný provoz tepelného čerpadla
Podchlazení chladiva
- Výhodné pro správnou funkci
expanzního ventilu
- Zvyšuje se topný faktor
http://vytapeni.tzb-info.cz/tepelna-cerpadla/9147-ac-heating-faktory-ovlivnujici-ucinnost-tepelnych-cerpadel
217
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
Předávání tepla
• Tepelné výměníky
– Kapalinový výměník
• Deskový výměník - složený z tenkých kovových destiček
• Trubkový žebrovaný výměník
– zásobníky
– Vzduchový výměník
• Trubkový výměník
http://www.alfalaval.com/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
218
109
Topný faktor
Tepelné čerpadlo
• Vyjadřuje poměr dodaného tepla k množství spotřebované energie (2-5).
Q množství tepla, které TČ vyrobí (kWh)
E množství energie spotřebované na provoz TČ (kWh)
www.ekowatt.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
219
Trocha teorie..
• COP - Coefficient of Performance
– Charakteristika kompresoru, vznikl pro odlišení vlastností tepelných
čerpadel
– Udávají výrobci za laboratorních-určených podmínek
• EER-Energy Efficiency Ratio
• Topný faktor vztažen k primárnímu okruhu – charakteristika
chladícího stroje
– Pro TČ voda-voda, země-voda i provoz čerpadel
=
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
220
110
Trocha teorie..
• COSP - Coefficient of System Performance
• SEER-System Energy Efficiency Ratio
– Charakteristika celého vytápěcího/chladícího systému
§ SPF – Seasonal Parformance Factor
• Provozní topný faktor (reálný, vhodný pro výpočet ekonomiky
provozu)
– Dle podmínek na primární i sekundární straně TČ. Čím vyšší je teplota
prostředí, ze kterého je teplo odebíráno a čím nižší je teplota soustavy, do
které je teplo odevzdáváno, tím vyšší má TČ topný faktor.
• Díky vyššímu topnému faktoru u TČ země-voda než vzduch-voda
má toto řešení cca o 20% nižší spotřebu elektrické energie.
SPF pro RD (Německo):
Země – voda SPF=3,9
Vzduch – voda SPF=2,8
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
221
Pracovní teploty
• Max. teplota získaná z TČ 55°C
• Pro vyšší teploty nutné zvolit jiné řešení
– Více okruhový systém (např.2 kompresory)
– Vstřikování páry do kompresoru (EVI)
http://www.alfaco.cz/novinky/117/evi.html
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
222
111
Tepelné čerpadlo
Základní požadavky kladené na zdroj energie pro TČ:
• dostupnost
• kapacita
• vyšší teplota
Zdroj tepla
Teploty
Vzduch
+25 až -18°C
Země
2-10°C
Spodní voda (studny)
8-12°C
Povrchová voda (vodoteč)
+18 až 0°C
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
223
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
•
•
•
•
Nižší cena
Provozně horší COP
Nutnost řešení hlučnosti ventilátoru na výparníku
Provedení
– Samostatná venkovní a vnitřní jednotka
– Kompaktní provedení vnitřní
– Kompaktní provedení venkovní
• Zdroj tepla
– Okolní vzduch – Levnější varianta, výměník vně nebo uvnitř
objektu, nutné velké množství vzduchu – vyšší hlučnostnároky na umístění, funkce do cca -12°C, nebezpečí
namrzání výměníku.
– Odpadní vzduch – Výhodný zdroj tepla pokud je v
dostatečném množství.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
224
112
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
Samostatná venkovní jednotka
• Venkovní jednotka s ventilátorem je
propojena s vnitřní částí izolovaným
potrubím, délka bývá do 10 m.
• Jednotka umístění
– střecha
– venkovní stěna
– země
http://www.kodek.cz/kategorie/vzduch-voda.aspx
• Umístění venkovní jednotky musí být
zvoleno tak, aby hluk kompresoru a
ventilátoru byl co nejmenší.
• Nejvhodnější umístění u objektu jižní strana
• Průtok vzduchu dle výkonu (např. 2000m3/h
pro 6kW, 5000 pro 12kW)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
225
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
Kompaktní provedení vnitřní
• Celé tepelné čerpadlo je umístěno ve vnitřním prostoru. Sání i
výfuk vzduchu musejí být v dostatečné vzdálenosti od sebe, aby
nedocházelo k míchání vzduchu. Umístění v technickém prostoru
uvnitř budovy je výhodné i s ohledem na hluk v exteriéru,
umístěni však musí odpovídat dispozici budovy a umístění
pobytových místností.
www.topeni-chlazeni.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
226
113
Tepelné čerpadlo vzduch-voda
Kompaktní provedení venkovní
• Řešení, kdy je celé tepelné čerpadlo je umístěno ve venkovním
prostoru. Výhodou je, že toto zařízení nezabírá žádný vnitřní
prostor a lze tu využít i hořlavá chladiva např. propan.
www.nibe.cz
www.energiehome.eu
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
227
Tepelné čerpadlo země-voda
• Zdroj tepla
– soustava vrtů (hlubinný, povrchový, koaxiální)
– plošný zemní výměník
– energetické piloty
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
228
114
Tepelné čerpadlo země-voda
• Vrty
– Nutná schopnost uvrtat danou hloubku vrtu
– V CZ cca 20 profi firem
– Vývrt zeminy cca 1m3
– Vrty běžně do hloubky 100m(zvládnutelné 130-150m)
duplexy
– rozteč vrtů cca 10m, volíme zpravidla stejnou hloubku
vrtů např. 2x70m
– Cena vrtu cca 1000Kč/m
– Zkouška vrtu – tlaková, průtoková
www.envirex.cz
www.dekonta.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
229
Zemské teplo
• Solární energie má rozhodující vliv na teplotu zeminy
do hloubky cca 15 m
• Pod touto hloubkou se již neprojevuje vliv ročních
období – určující je dodávka tepla ze země
• Teplota v hloubce 20 m je cca 10°C
– každých 30m stoupá o cca 1°C (geotermický gradient
3K/100m)
– Tepelná vodivost země průměrně 2W/m.K
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
230
115
Hlubinné vrty
• Nesmí být poškozeny hydrogeologické vrstvy
• Nutné zajistit vodivé spojení vrtu a okolí
– Jílocementy (vodivost 0,6-0,8)
– Termosměsi (vodivost 2,1-2,5)
• Vždy platí, že materiál použitý pro primární systém potrubí TČ by
měl být vzhledem k ekonomické náročnosti vrtů co nejlepší, aby
vrty bylo možné využívat co nejdéle.
• Záruka na vrt 10let
• Životnost vrtů dle materiálů 50 let
• Legislativa:
– Územní řízení – projekt na vrt
– Hydrogeologický posudek
• Nad 30kW udělat průzkumný vrt
– (TRT thermal response test)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
231
Hlubinné vrty
• výstroj vrtu
• tvarové uspořádání výměníku
– Jednoduché
– Duplexní (o cca 12% lepší)
• řešení spodní části výměníku
• kvalitní plasty (PE)-RC materiál
• zhlaví vrtu
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
232
116
Povrchové vrty-Energetické koše
• Vrty hloubky 5m vzdáleny 3-4 m, odstup od budovy 2m
• Délka sondy 3m (délka 40m, průměr 40cm)
• Vhodné pro malé pozemky kde není možné provést hloubkové
vrty. Paralelní zapojení nebo až 3 sondy sériově.
• Výkon 400-700 W/m (1,4kW chladícího výkonu pro 2400h)
• Pomalejší reakce na solární energii
www.rehau.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
233
Plošné výměníky
• orientační chladící výkon 20W.m-2 plochy kolektoru při běžné
hloubce uložení zemního výměníku 1,5m, výskyt spodní vody
až 40W.m-2, velmi suchá zem 8W.m-2 nutné udělat sondu
• smyčky potrubí ukládané v rozteči 0,5-2m, délka 150-200m
(při větší dimenzi 40 až 350m)
• Dimenze potrubí 25,32(Ger,Aus.), 32,40(Cz)
• Odstup 0,5m (dům, strom), hloubka min. 1m
• pokud více než 5 smyček-vhodné použít rozdělovač a sběrač
cz.complexenergy.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
234
117
Výkonové charakteristiky plošného výměníku
Standardní plošný zemní kolektor –
výkony pro odběr tepla
(W/m2)
Suchá písčitá půda
8-15
Vlhká písčitá půda
15-20
Suchá jílovitá půda
20-25
Vlhká jílovitá půda
25-30
Půda s protékající spodní vodou
30-35
• Dimenzování velikosti výměníku provádět podle doby
provozu ne podle maximálního výkonu TČ.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
235
Výkopové provedení plošného výměníku
•
•
•
•
•
•
Plošný výměník hloubka 1,2-1,5m
Velký zábor plochy, omezení z pohledu zeleně
Nutné spádování pro odvzdušňování v šachtě
Materiály odolné vůči poškození – kvalitní PE
Písek na obsyp do vlhka - suchý písek izoluje
Frakce kameniva vhodné pro zásyp nelze jednoduše určit na
stavbě – nutné speciální potrubí
www.regulus.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
236
118
Plošný výměník - poruchy
•
•
•
•
•
•
•
•
Správné dimenzování
Spádování
Použité potrubí
Dodržení bezpečných vzdáleností (rozteč potrubí u
klasického položení je minimálně 0,6-1m v závislosti na
průměru použitého potrubí, optimálně 1m )
Vzdálenost min. 0,7-1m od vodovodního
potrubí/kanalizace
Izolace potrubí při křížení
Nemožnost následné výstavby na místě uložení
plošného kolektoru
Prostup do objektu
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
237
Tepelné čerpadlo
• Primární okruh musí mít pro vyrovnávání objemových
změn vybaven vyrovnávací nádobou a pojistným ventilem.
• Kontrola skutečného provedení vrtu pomocí označených
potrubí
• TČ vzduch-voda hrozí vznik kondenzátu/námrazy. Umístění
TČ ve větrané a temperované místnosti.
• Hluk z provozu TČ-pozor zvláště u lehkých staveb
• Přerušované vytápění a TČ-výhodný většinou jen u NED
domů (3-5kW), pozor na setrvačnost podlahových systémů
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
238
119
Koaxiální sondy
•
•
•
•
•
•
•
GRD vrty
Lze provést až 12x50m vrtu
Práce z jednoho místa
Kombinace plošného a hlubinného
výměníku
Min 2 m od základů
Lze vrtat i pod budovou
Menší zásah do pozemku
http://www.taq.cz/
239
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
Tepelné čerpadlo voda-voda
• Povrchová voda - Voda v toku nebo rybníku, výměník ve vodě,
na břehu. Pozor na teploty v zimním období. Teplota 0-18°C.
• Podzemní voda - Voda se odebírá ze sací studny (10-15m) a po
ochlazení se vypouští do vsakovací studny (20 m) nebo vodoteče
(platba stočného). Zdroj podzemní vody musí být dostatečně
vydatný (přibližně 15 - 25 l/min pro TČ s výkonem 10 kW) –
zkoušeno i déle než 20 dnů. Teplota 8-10°C. Ochlazení vody 4°C.
• Hlubinná voda, geotermální voda – teploty >40°C (Teplice)
• Odpadní voda – čistírny odpadních vod – teplota 20-30°C
• Je vodní dílo.
www.solarenvi.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
240
120
Dimenzování velikosti tepelného čerpadla
• výkon TČ 70-90% celkového požadovaného výkonu zdroje tepla
– pozor na žádané parametry interiéru -20°C?)
– pozor na náklady TČ+primární okruh
• Výkon TČ 100% ekonomika, vestavba elektrokotle
www.city-data.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
241
Dimenzování TČ
• Bod bivalence představuje bod, kdy je nutné připojit
k tepelnému čerpadlu, s ohledem na potřebu tepla,
další zdroj (běžně 0 až -7°C)
• Monovalentní zdroj
• Vícevalentní zdroj
– Bivalentní
– Alternativně bivalentní
TČ zcela vypne pod určitou
teplotou
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
242
121
Tepelné čerpadlo
• navrhnout TČ tak, aby pracovalo co možná nejvíce a po co
nejdelší dobu
• omezit krátkodobé zapínání a vypínání, překlenout např.
tarifní přerušení dodávky elektrické energie-elektronika tč
max. 3-4 starty za hodinu, min. doba provozu 20min,
• řízení výkonu kompresoru (frekvenční měnič, rozsah)
• objem otopného systému zvýšit pomocí akumulačního
zásobníku tepla
• vhodná kombinace s nízkoteplotním systémem vytápění
(soustava nejlépe <40°C např. 45/30°C PDL, 50/40°C OT)
• nejčastěji jako bivalentní zdroj tepla-doplnění např.
elektrokotlem
• nutná kapacita elektrické přípojky, využití speciálního tarifu
• max. teplota 55°C (při úpravě primárního okruhu až 65°C)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
243
Schéma zapojení tepelného čerpadla
Akumulační zásobník topné vody
http://www.tzb-info.cz/2820-tepelna-cerpadla-teorie-a-schemata-i
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
244
122
Schéma zapojení tepelného čerpadla
Akumulační zásobník topné vody
http://www.buderus.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
245
Schéma zapojení tepelného čerpadla
Akumulační zásobník topné vody a
zásobníková příprava teplé vody
http://www.buderus.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
246
123
Kombinace zdrojů energie
Solární kolektory a tepelné čerpadlo
http://www.buderus.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
247
Příklad použití TČ
• Příprava teplé vody pro panelový dům (48 bytů)
• Vzduch-voda 18kW s parním vstřikem (60°C až při 15°C) a elektrokotel 24kW a akumulační nádoba
www.topin.cz
Ing. Robert Krainer
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
248
124
Příklad použití TČ
•
•
•
•
•
Kompaktní vnitřní provedení
5 podobných panelových domů (1-9.2013)
Návratnost instalace
Cena zařízení 650-950tis.Kč, cena tepla 300-350Kč/GJ
Návratnost dle situace 3-7let
www.topin.cz
Ing. Robert Krainer
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
249
Chlazení pomocí TČ
Reversní provoz - obrácení provozu TČ, tedy odebírání tepla
v interiéru a jeho odevzdávání v primární části. Technicky je
nutné provést instalaci speciálních armatur, které toto
obrácení běhu umožní.
Přímé chlazení - kompresor TČ není v provozu a teplo z interiéru
je odváděno do země nebo vody. Chlazení interiéru přímo
chladem ze země nebo vody. Tento způsob chlazení je
energeticky úsporný a má využití u budov s nízkou spotřebou
energie.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
250
125
Energetické piloty
• Objem betonu a zeminy pod slouží jako akumulátor chladu
nebo tepla.
• Využití stavebních pilot.
• Piloty o průměru 0,12-1,2m a hloubce 3-30 m.
• Možné použití systému přímého chlazení (bez TČ).
• Min. teplota-2°C (nebezpečí promrzání zeminy)
www.ge-tra.cz
251
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
Příklad realizace 12lofts (Praha Bubeneč)
•
•
•
•
•
Využití energie pro chlazení – aktivace betonového jádra
78 pilot (620-900mm)
Rozteče pilot 5-13m
60kW chladu, volné chlazení+kompresor
PE potrubí 25x2,3 ve šroubovici se stoupáním 0,5m
http://www.gerotop.cz/cs/
http://www.12lofts.cz/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
252
126
Vzduchový zemí výměník
• Využití zemního tepla pro
předehřev nebo předchlazení
vzduchu
• Nutná dostatečná délka
výměníku
• Nutné řešit hygienu provozu a
údržbu systému
• Ekonomická bilance – přínos
vs. Investiční náklady
• Doba provozu
www.fraenkische.com
www.zigersnead.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
253
Geotermální energie
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
254
127
Geotermální energie
Zdroj tepla:
• vznik planety + rozpad radioaktivních látek
Využití:
• zásobování teplem
• výroba elektřiny (ohřev >150°C)
• zásobníky tepla, chladu
www.carbonneutral.com
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
255
Geotermální energie
• energie z hydrotermálních zdrojů vysoké teploty (>130 °C)
pro výrobu elektrické energie
• energie tepla hornin („suché zemské teplo“) vysoké
teploty (>130 °C) pro výrobu elektrické energie
• energie z hydrotermálních zdrojů vyšší teploty (<130 °C)
pro výrobu tepla
• geotermální energie pro nízkoteplotní systémy (tepelná
čerpadla)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
256
128
Zjednodušený geotermální model
www.unugtp.is
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
257
Geotermální energie
• Hlavní sledované fyzikální veličiny
– tepelný tok
• Průměrný tepelný tok (množství tepla, které projde jednotkovou
plochou na zemském povrchu) na Zemi je 60 +/- 10 mWm-2.
– tepelná vodivost hornin
– hydrogeologické parametry lokality
http://www.mzp.cz/cz/geotermalni_energie
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
258
129
Geotermální elektrárna
• Principem je využití energie páry pro výrobu
elektrické energie v generátoru.
http://visual.merriam-webster.com/energy/geothermal-fossilenergy/production-electricity-from-geothermal-energy.php
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
www.energybandgap.com
259
Biomasa
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
260
130
Biomasa
Biomasa je hmota organického původu (rostlinného i živočišného).
Rostlinná biomasa (fytomasa) složena z vody, oxidu uhličitého ze
vzduchu, malého procenta různých prvků z půdy a za existence
fotosyntézy a slunečního záření o volné vlnové délce 0,38 až 0,79
mikronů:
6 CO2 + 6 H2O + energie + stopové prvky = C6H12O6 + 6 O2
Vytváří se cukry, škrob, lignin, bílkoviny, tuky, latexy, vláknina-celulóza a
další látky.
Fotosyntéza - pomocí zeleného barviva (chlorofylu) je
zachycována do org. sloučenin sluneční energie.
Hlavní přínosy biomasy:
• redukce skleníkových plynů
• snížení závislosti na dovozu energie
• regionální rozvoj
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
261
Biomasa
• Způsoby získávání energie
– Termo-chemicky (spalování)-problematika vlhkosti- např.
dřevo za 1,5 roku w=20%, výhřevnost závisí na množství
hořlaviny (organická část, směs hořlavých uhlovodíků).
Spalování přímé nebo spalování vyrobených kapalných
nebo plynných produktů (olej,..)
C6H12O6 + 6 O2 = 6 CO2 + 6 H2O + energie + popel
– Bio-chemicky (fermentace, alkoholové kvašení, anaerobní
vyhnívání, metanové kvašení (bioplyn))
– Mechanicko-chemická přeměna (lisování olejů, štípání,
drcení, lisování , peletování, výroba bionafty)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
262
131
Biomasa
• Pěstovaná k energetickým účelům
– Lignocelolůzové
• Dřeviny (vrba, olše), obiloviny
• Travní porosty (sloní tráva)
• Ostatní porosty (šťovík,..)
– Olejnaté (řepka, slunečnice)
– Škrobo-cukernaté (brambory, kukuřice)
www.biomtrade.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
263
Biomasa
• Odpadní produkty
– Rostlinné odpady - zemědělská prvovýroba (řepková
sláma, sekaná tráva, sláma..)
– Lesní odpady (dendromasa) - nevyužitá stromová hmota
po lesní výrobě (větve, pařezy)
– Organické odpady z průmyslové výroby (dřevařská výroba,
cukrovary, mlékárny,..)
– Odpady ze živočišné výroby (hnůj, kejda,..)
– Komunální organické odpady (kal, komunální tuhý odpad)
nizkoenergetickydomek.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
264
132
Biomasa
Rychle rostoucí rostliny
Dřeviny (RRD)-výmladkové platáže
využitelnost po 8 letech, životnost 15-20 let
nejedná se o zemědělskou půdu, (cca 1h/1RD)
topoly, vrby (ověřované jilm, olše)
Byliny (energetické byliny)
Jednoleté, víceleté, vytrvalé, nižší energetický zisk
např. šťovík, sklizeň od 2 roku každý rok, životnost 10
let, cena energie cca 100 Kč/GJ
Rostliny obsahující škrob a cukr
výroba etanolu (brambory, kukuřice)
Olejnaté rostliny
výroba oleje, využití vedlejších produktů (řepka,
slunečnice)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
265
Biomasa
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
266
133
Biomasa
Palivo upravené do lépe využitelné podoby:
(výroba paliva-cena energie-dostupnost)
štěpka -použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová
kamna, kotelny na automatické spalování biomasy
dřevo-použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle, krbová
kamna
dřevní brikety-použití: kotle na kusové dřevo, interiérové kotle,
krbová kamna
piliny- kotle na kusové dřevo, kotelny na automatické spalování
biomasy
pelety-slisované piliny a hobliny v podobě malých válečků.
Umožňují automatizovat dopravu paliva do kotle. Výhřevnost do
18MJ/kg
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
267
Biomasa
• Pelety
použití: automatické kotle na obilí a pelety, kotelny na
automatické spalování biomasy
Pelety z řepky
Pelety ze šťovíku
Dřevní pelety s kůrou
Dřevní pelety bez kůry
• Obilniny
Použití: automatické kotle na obilí a pelety
pšenice, oves, hořčice
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
268
134
• přímé spalování
Spalování biomasy
– ekonomické u produktů ze dřeva (polena, štěpka, brikety,
pelety) a slámy
– nutný nízký obsah vlhkosti
– u slámy vysoký obsah létavých částeček
• zplyňování
– přeměna pevných paliv v plynná paliva
– teploty 500 až 1200 °C, způsob konverze ligninu (tvoří cca 25–30 %
biomasy), kdy je objem hmoty redukován až o 90 %. Jako vstupní
surovinu na výrobu syntetického plynu lze použít různé druhy obilovin,
trávu, rychle rostoucí dřeviny (topoly, vrby). Nejlepší účinnosti zařízení
se dosáhne, pokud je konstruováno speciálně pro daný druh paliva.
• pyrolýza
– zužitkování tuhých odpadů
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
269
Peletové kotle
• Výhodné použití akumulačního zásobníku
–
–
–
–
Doporučená velikost 20l/1kW výkonu
Umožněno spalování s vysokou účinností
Lepší provozní vlastnosti vzhledem k odtahu spalin
Nutné posoudit zda komín nemusí být řešený jako mokrý
(nebezpečí kondenzace spalin v komíně)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
270
135
Bioplyn
• Dříve bioplynové stanice spojeny především s ČOV
• Kompostování zemědělského a komunálního odpadu
• Oddělení frakcí-fermentor (ohřev na cca 40°C) bakterie
rozkládají odpad-výroba bioplynu a hnojiva, odpad je nutné
hygienizovat.
• Hnojivo je ekologicky nezávadné, kvalitní.
• Bioplyn dosahuje 70% výhřevnosti zemního plynu cca 21MJ/m3
www.ekolist.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
271
Schéma bioplynové stanice
www.power-energo.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
272
136
Skládkový plyn
• Směs plynů vznikajících při mikrobiologickém rozkladu
organických složek odpadu.
• Skládky tuhých komunálních odpadů (TKO)
– Nepříjemný zápach v okolí, možná exploze skládkového plynu
– Skládkový plyn musí být odváděn a využíván
– ČR cca 312kg TKO/os.rok cca 35% organického původu
www.envicrack.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
273
Kogenerace
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
274
137
Kogenerace
• Kombinovaná výroba elektrické energie a tepla (KVET, CHP)
• Jedná se zpravidla o přeměnu primární energie na energii
elektrickou tak, aby bylo možné využít odpadní teplo.
• Podmínkou využití kogenerace je celoroční zajištění odběru
tepla v blízkosti zdroje (např. příprava TV, technologie,
vytápění).
Umístění zdrojů:
teplárny v blízkosti měst
elektrárny v blízkosti zdroje paliva
Trigenerace - výroba tepla, chladu a el. energie
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
275
Kogenerace
Technologie zdrojů KVET:
• Parní protitlaková turbína
• Parní odběrová turbína
• Plynová turbína s rekuperací tepla
• Paroplynové zařízení s dodávkou tepla
• Spalovací pístový motor
• Další technologie – mikroturbína, Stirlingův motor, palivový článek, parní
stroj, organický Rankinův cyklus a kombinace uvedených technologií a zařízení
www.allforpower.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
276
138
Kogenerace
Spalovací pístové motory
• Motor spalující levné palivo s přeměnou mechanické práce
na elektrickou energii v generátoru a s využitím vznikajícího
tepla.
• Nejběžněji využito v malých a středních kog. jednotkáchnemocnice, sportovní haly, bazény, obchodní a
administrativní centra, ČOV, bioplynové stanice, okrskové
kotelny.
• Provedení od malých 2 válcových kompaktních motorů až po
oddělené 18 válcové umístěné z důvodu hluku v
samostatných prostorách.
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
277
Kogenerace
Spalovací pístové motory
• Odvod tepla běžně 2 stupňový-předehřev olej/voda a dohřev
výfukové plyny/voda
• Vyráběné teplo má omezenou teplotu (100°C).
• Vhodné ve spojení s akumulátorem tepla-není nutné maření
tepla při potřebě elektřiny.
• Snížení výkonu nemá výrazný vliv na snížení účinnosti.
www.biom.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
278
139
Mikrokogenerace
• Kogenerace
– současná výroba tepla a elektřiny při vysoké
účinnosti
• Mikrokogenerace
– výroba elektřiny a tepla pro oblast malých výkonů
(rodinné domy,..) při nízkých emisích
• Technologie
– Stirlingův motor
– Motor s vnitřním spalováním
– Palivový článek
279
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
279
Mikrokogenerace
Sestava motoru s vnitřním spalováním a zdroje tepla
•
•
•
•
Celková účinnost až 92 %
Elektrický výkon 1 kWe při tepelném výkonu 2,5 kW
Celkový tepelný výkon až 25,8kW
servisní interval motoru 6tis.h (cca 1,5 roku)
Výhoda – modulární řešení
Nevýhoda – v některých případech vyšší hmotnost
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
280
140
Mikrokogenerace
Palivový článek
• Využití paliva a okysličovadla pro
výrobu elektřiny a tepla
• Umístění článku uvnitř i vně objektu
• Účinnost až 85 % (elektrická 60%)
• Nutná odolnost vysokým teplotám
www.infoenergie.cz
www.enviros.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
281
Energie větru
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
282
141
Energie větru
• Slunce nerovnoměrně zahřívá zemi-vznikají vzdušné
proudy
• Snadné využití pro výrobu elektrické energie
• Rozvoj větrné energetiky v souvislosti se státními
garancemi výkupních cen
• Možnost likvidace po skončení životnosti
www.general-energy.eu
www.csve.cz/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
283
Schéma výroby elektrické energie
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
284
142
Konstrukční provedení větrné turbíny
• Vodorovná osa otáčení
• nejběžnější typ
• vztlakový princip
– využívá princip vztlaku-podobně jako letecké křídlo
» podél rotorových listů vznikají aerodynamické síly; listy
proto musejí mít speciálně tvarový profil velmi podobný
profilu křídel letadla
» energie větru je převedena na rotační energii
mechanickou. Ta je poté prostřednictvím generátoru
zdrojem elektrické energie.
– natáčení rotoru kolmo na směr větru
www.ekobydleni.eu
www.csv.cz
285
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
Konstrukční provedení větrné turbíny
• Svislá osa otáčení
• vztlakový princip-možnost vyšší rychlosti otáček, nižší
hlučnost (možnost výstavby ve větší blízkosti), nižší
životnost-vyšší namáhání, nižší výkony
• odporový princip
www.nazeleno.cz
www.pvsolar.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
www.impel.cz
286
143
•
Větrná turbína
Vícelopatkový rotor
– desítky listů rotoru (např. americké kolo)
– malá náběhová rychlost (cca od 0,2m/s)
– účinnost 20-30 %
•
Vrtule
–
–
–
–
•
1-4 listy rotoru
náběhová rychlost 3-6m/s
nejpoužívanější typ pro výrobu elektrické energie
účinnost 30-40 %
Savoniův rotor
– 2 listy rotoru
– účinnost do 20 %
– náběhová rychlost od 2 m/s
•
Darrierův rotor
www.ueen.feec.vutbr.cz
– 2-3 listy rotoru
– účinnost do 40 %
– náběhová rychlost 5-8 m/s (nutnost roztočení)
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
287
Výkon větrné turbíny
• Maximální účinnost větrného stroje 59 %
• odvedená práce je rovna rozdílu kinetické energie na
vstupu a výstupu z rotoru)
• Teoreticky dosažitelný výkon Pt
Betzův koeficient
kB=0,59
• Reálný výkon P
D průměr rotoru (m)
v rychlost větru (m/s)
ρ měrná hmotnost vzduchu (m3/s)
Cp součinitel výkonnosti (ideálně 0,59)-závisí na rychlosti větru
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
288
144
Příklad větrné turbíny 3.0M122
http://www.senvion.com/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
289
Konstrukce větrné turbíny
www.ekobydleni.eu/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
290
145
Energie větru
• Ukazatele využitelnosti:
– Rychlost větru (m/s) v dané výšce -běžně 10m
(logaritmický profil rychlosti v závislosti na
drsnosti povrchu)
– Četnost rychlosti větru (distribuční
charakteristika)
– Vhodné lokality je možné stanovit pomocí analýzy
dat dostupných z meteorologických stanic
– Dostupnost lokality
– Nadmořská výška (námraza,..)
– Majetkoprávní vztahy
– Zátěž ŽP
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
• Využití energie
291
Energie větru
– Grid-off systém - systém nezávislý na elektrické síti
• malé výkony
• synchronní generátor
• stejnosměrné napětí 12V nebo 24V
• zpravidla malé elektrárny výkon
0,1-5 kW+baterie+elektronika
• možné propojení se systémem fotovoltaických panelů
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
292
146
• Využití energie
Energie větru
– Grid-on systém -propojení s elektrickou sítí
• Zpravidla komerční výroba elektrické energie
• Trend výstavba velkých elektráren (omezené území, nižší náklady
na výkon)
• Velké výkony
• Asynchronní generátor 660V, střídavé napětí
• Nelze použít pro autonomní systémy
• Rotor 50-100m, stožár >100m
• Výkon 100-2000kW (moře, pobřeží 5MW)
• Většinou konstantní otáčky a 3-listé provedení-s rostoucí silou
větru se zvyšuje zátěž
• Výstavba většího počtu elektráren - větrné farmy
• ČR systém výkupní ceny elektřiny nebo zelené bonusy
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
293
Energie větru
• Problematika větrných elektráren
– Hlučnost-lze řešit umístěním do vhodné vzdálenosti od
obydlí, nutná hluková studie
– Rušení zvěře a ptactva -údajně není významné, umístění
mimo tahy ptáků
– Rušení signálu TV, rádio, telefony -technicky řešitelné
posílením signálu
– Stroboskopický efekt (vhání pohyblivých stínů) -umístění
– Narušení rázu krajiny
• Otázka vhodného výběru lokality
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
294
147
Energie vody
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
295
Vodní energie
• Vodní elektrárny - založeny na přeměně potenciální
energie vodního toku
• Využitelná energie závisí na průtoku a spádu
• Výroba elektrické energie
• Základní části (vodní dílo)
– vodní stavba - přehrada, jez
– vodní stroj - turbína
– generátor elektrické energie
• Stabilní výkon zdroje
• Nutnost údržby toku
http://mve.energetika.cz/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
296
148
Vodní elektrárny
• Přehradní vodní elektrárny
Vltavská kaskáda - Orlík (364MW), Slapy (144MW) a Lipno (120MW)
• Přečerpávací vodní elektrárny
Dlouhé stráně (650 MW) a Dalešice (480 MW)
• Přílivové vodní elektrárny
Využití energie přílivu a odlivu
www.chatamerin.cz
www.cez.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
297
Přečerpávací elektrárny
• Dlouhé stráně (650 MW) *1996
– reakční doba 55-400 s do plného výkonu
www.buddymag.cz
www.casopisstavebnictvi.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
298
149
Vodní elektrárny
• Přílivové vodní elektrárny
– Využití energie přílivu a odlivu
– Často v déltách řek
– Snaha o budoucí využití i dále v moři
evvo.spaco.cz
vtm.e15.cz
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
299
Použití turbín
Peltonova turbína
www.bracek.com
www.cez.cz
http://mve.energetika.cz/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
300
150
Rovnotlaké turbíny
Peltonova turbína
Turgo turbína
Bánkiho
turbína
http://mve.energetika.cz/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
301
Přetlakové turbíny
Přetlaková turbína-osa turbíny horizontální i vertikální
Francisova turbína
Kaplanova turbína
http://mve.energetika.cz/
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
302
151
Konec
125OZE1 - Kabrhel - Pracovní materiály
303
152

Podobné dokumenty

prOgrAmy sE ZEměděLskOu tEmAtikOu

prOgrAmy sE ZEměděLskOu tEmAtikOu Směnné kurzy zahraničních měn jsou na úrovni měsíce září 2010. Orientační ceny vycházejí z  minimálního počtu 20 platících účastníků. Všechny programy lze uskutečnit i pro menší počet osob.

Více

ENERGETYKA SOLARNA ensol Sp. z o.o. Fakta a mýty o solárních

ENERGETYKA SOLARNA ensol Sp. z o.o. Fakta a mýty o solárních - Při navrhování plochých kolektorů s absorbérem ve formě dělené harfy nebo meandru je snahou zvýšit průtočné odpory a uvést médium do stavu turbulentního proudění , které maximalizuje odběr tepla ...

Více

3 Dopady přípravy a provozu HÚ na obyvatelstvo

3 Dopady přípravy a provozu HÚ na obyvatelstvo ƒ Operation of confirmation subsurface laboratory; ƒ Operation of above surface part of DGR: o transport of spent fuel and rad. waste into DGR, o packaging of spent fuel and rad. waste for storage...

Více

Číslo: 2/2014

Číslo: 2/2014 Lublaňská 18, 120 00 Praha 2, tel.: 222 518 352, e-mail: [email protected], www.zelenykruh.cz, toto číslo vyšlo 28. února 2014.

Více

12. PET - Happy Materials

12. PET - Happy Materials hořlavých materiálů bez rizika jejich vzplanutí. Dnes se používá v mobilních telefonech a dalších zařízeních, kde je třeba zobrazovat video při minimalizaci tloušťky přístroje a maximalizaci jeho o...

Více

Podnikatelský záměr - Fotovoltaická elektrárna

Podnikatelský záměr - Fotovoltaická elektrárna zranitelné a investičně proklatě drahé. Ropa začíná být vzácná a její cena roste, plyn je už nyní strategickou výsadou a hrozbou silných, uhlí je těžkopádné, objemné a až nepříjemně plné zpl...

Více