Wykład 3 Energia słoneczna systemy wodne

Transkrypt

1 WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA Odnawialne źródła energii dla budynków Wykład 3 Energia słoneczna systemy wodne

2 Energia Słońca docierająca do Ziemi Słońce jest kulą gorącej materii o średnicy około 1,4 miliona kilometrów i masie 1,991*10 30 kg. Całkowita moc promieniowania wysyłanego przez słońce w przestrzeń kosmiczną szacowana jest na 3,826*10 26 W. Średnia odległość od Ziemi wynosi niemal 150 mln kilometrów. Promieniowanie emitowane z powierzchni słońca rozchodzi się w przestrzeni kosmicznej we wszystkich kierunkach. Zatem gęstość promieniowania docierającego do zewnętrznych warstw atmosfery ziemskiej (G SC ) może być określona na podstawie zależności: page 2

3 Stała słoneczna 2 4πR σt = 4π 4 S ( ) 2 L r GSC G SC = σt 4 S R 2 ( L r) 2 = 5, G SC = 1367W / m 2 4 ( 5 ) 2 6, ( 8 1, ) 2 page 3

4 Ciepło użyteczne kolektora page 4

5 Potencjał energetyki słonecznej w Polsce Rys. 1. Rejonizacja średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kwh/m2/rok. Liczby wskazują całkowite zasoby energii promieniowania słonecznego w ciągu roku dla wskazanych rejonów kraju. page 5

6 Potencjał energetyki słonecznej w Polsce Średnioroczne sumy nasłonecznienia, godz./rok dla reprezentatywnych rejonów Polski. ilość godzin słonecznych: 1467(Zakopane)- 1624(Kołobrzeg), średnie napromieniowanie roczne: około 3,5 GJ/m 2 /rok (Sahara 8,5 GJ/m 2 /rok), w okresie letnim w godzinach okołopołudniowych średnie promieniowanie całkowite wynosi około 560 W/m 2 (w dni szczególnie słoneczne do 900 W/m 2 ). Średnie dzienne wartości w okresie letnim kształtują się w granicach 300W/m 2 page 6

7 Sposoby wykorzystania kolektory cieczowe, Zdjęcie: NRCan kolektory powietrzne, bierne instalacje grzewcze, ogniwa fotowoltaiczne. page 7

8 Podstawowe zalety i wady Zalety czystość energii, powszechny dostęp, minimalne koszty eksploatacyjne Wady mała gęstość mocy (średnio około 100W/m 2 ), dobowa zmienność mocy, sezonowa zmienność mocy, długoterminowe magazynowanie energii cieplnej. page 8

9 Kolektory cieczowe Lp Typ kolektora Temperatura pracy Zastosowania 1 Płaskie odkryte Do 60 o C Sezonowe podgrzewanie wody (baseny, działki rekreacyjne, ) 2 Płaskie zakryte Do 80 o C Przygotowanie ciepłej wody, baseny, 3 Próżniowe Pow. 80 o C Przygotowanie ciepłej wody, baseny, ogrzewanie 4 Skupiające (CPC) Do 250 o C Jak wyżej + procesy przemysłowe page 9

10 Kolektory słoneczne odkryte Niska cena Niska temperatura Trwały Lekki Sezonowe podgrzewanie wody basenowej Kanały przepływowe powodują równomierny przepływ przez kolektor Kolektor solarny nieoszklony Wlot kanału Szczeliny dozujące przepływ 2 rura zbiorcza Niskie ciśnienie Strumień wody basenowej Rysunek: NRCan Mała wydajność przy chłodnej i wietrznej pogodzie page 10

11 Kolektory płaskie page 11

12 Kolektory słoneczne płaskie Umiarkowana cena Szyba solarna Wyższa temperatura pracy Obudowa Może pracować przy ciśnieniu sieciowym wody zasilającej Absorber Wężownica Cięższy i mniej odporny na uszkodzenia Rysunek: NRCan Izolacja Rura zbiorcza page 12

13 Bilans ciepła w kolektorze płaskim Ciepło tracone przez szklaną szybę Odbicie od absorbera Odbicie od szklanej szyby Występowanie słonecznego promieniowania Ciepło tracone przez tył i bok ścianki kolektora page 13

14 Zastosowanie szkła antyrefleksyjnego AR Zastosowanie szkła antyreflesyjnego pozwala na zwiększenie przepuszczalności promieniowania przez zestaw szklarski z 91 do 96% bez pogorszenia własności izolacyjnych. Zabieg ten umożliwia osiągnięcie temperatury do 150 o C w kolektorze płaskim page 14

15 Zastosowanie szkła antyrefleksyjnego AR Porównanie charakterystyk kolektorów ze szkłem AR do charakterystyki standardowego kolektora płaskiego wg EN page 15

16 Kolektor próżniowy page 16

17 Konstrukcje kolektorów próżniowych Bezpośrednie ogrzewanie czynnika Z rurką ciepła page 17

18 Kolektory słoneczne próżniowe Wyższe koszty Brak strat konwekcyjnych Wysoka temperatura Zimniejsze strefy klimatyczne Mała odporność na uszkodzenia Instalacja może być bardziej skomplikowana Opady śniegu stanowią mniejszy problemem Produkcja i rozwój kolektorów próżniowych w Chinach Zdjęcie: Nautilus page 18

19 Charakterystyka kolektora page 19

20 Kolektor skupiający page 20

21 Kolektor skupiający Obecny na rynku Cena ok /m2 page 21

22 Kolektor skupiający Obecny na rynku Cena ok /m2 page 22

23 MaReCo Obecny na rynku skandynawskim Cena ok /m2 page 23

24 CHAPS Sprawność elektryczna 10% przy 80 o C i 8% przy 150 o C Gotowy do wprowadzenia na rynek. page 24

25 Kolektory skupiające page 25

26 Pole kolektorów skupiających page 26

27 Wieża słoneczna page 27

28 Elementy systemów SPW Panel PV Kolektory słoneczne Schemat systemu solarnego podgrzewania wody Termosyfon Obieg wody podgrzewanej Ciepła woda dla budynku Obieg glikolowy Pompa glikolu Rozdzielacz Wymiennik ciepła Wstępny Zasobnik wody podgrzewanej przez system solarny Woda podgrzewa ana solarnie Zasobnik c.w.u. Zawór spustowy Zimna woda zasilająca Rysunek: NRCan page 28

29 Schematy instalacji cwu z kolektorami cieczowymi Układ z wymuszonym obiegiem czynnika roboczego z zasobnikiem ciepła wyposażonym w dodatkową grzałkę elektryczną: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) zasobnik ciepła z podgrzewaczem solarnym, (5) grzałka elektryczna. page 29

30 Schematy instalacji cwu z kolektorami cieczowymi System przygotowania ciepłej wody użytkowej wykorzystujący kocioł gazowy: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) zasobnik ciepłej wody z podgrzewaczem i wężownicą kotła, (5) grzałka elektryczna, (6) kocioł, (7) regulator kotła, (8) instalacja grzewcza budynku. page 30

31 Schematy instalacji cwu z kolektorami cieczowymi Układ przygotowania ciepłej wody użytkowej wykorzystujący solarny wymiennik ciepła: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) wymiennik ciepła, (5) zasobnik ciepłej wody z wężownicą dodatkowego źródła ciepła, (6) kocioł, (7) regulator kotła, (8) instalacja grzewcza budynku. page 31

32 Schematy instalacji cwu z kolektorami cieczowymi Układ przygotowania ciepłej wody użytkowej wykorzystujący solarny wymiennik ciepła: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) solarny zasobnik ciepła, (5) zasobnik ciepłej wody z wężownicą dodatkowego źródła ciepła, (6) kocioł, (7) regulator kotła, dr inż. Andrzej (8) instalacja Wiszniewski grzewcza budynku. page 32

33 Schematy instalacji basenowych z kolektorami cieczowymi System podgrzewania wody basenowej: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator solarny, (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) wymiennik ciepła, (5) basen kąpielowy. page 33

34 System przygotowania wody basenowej oraz użytkowej wykorzystujący kocioł: (1) kolektor słoneczny, (2) regulator (3) układ pompy cyrkulacyjnej, (4) zasobnik ciepłej wody, (5) kocioł, (6) regulator kotła, (7) instalacja grzewcza budynku, (8, 9) basenowy wymiennik ciepła, (10) basen kąpielowy. page 34 Schematy instalacji basenowych z kolektorami cieczowymi

35 Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych zakrytych L.p. Liczba osób Zapotrzebowanie dobowe Powierzchnia kolektora Koszt - - dm 3 /dobę m 2 PLN , , , , , , , , page 35

36 Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych próżniowych L.p. Liczba osób Zapotrzebowanie dobowe Powierzchnia kolektora Koszt - - dm 3 /dobę m 2 PLN , , , , , , , , page 36

37 Opłacalność stosowania instalacji zasilanych cieczowymi kolektorami słonecznymi Dla wyznaczenia efektu ekonomicznego zastosowania instalacji solarnej należy wyznaczyć następujące wielkości: Uzysk słoneczny ilość ciepła użytecznego pozyskanego w ciągu całego roku z instalacji solarnej na jednostkę powierzchni absorbera; Ilość i koszt zaoszczędzonego paliwa konwencjonalnego; Ilość oraz koszt unikniętej emisji CO2. page 37

38 Uzysk słoneczny lokalizacja, orientacja oraz sposób zabudowy absorberów typ (sprawność) kolektora parametry (temperatura nominalna) instalacji odbiorczej udział ciepła pozyskanego z instalacji solarnej w pokryciu jej całkowitych potrzeb page 38

39 GetSolar Sonnenkollektor-Anlagensimulation Axel Horn Kolektor płaski a próżniowy - symulacja Lokalizacja: Warszawa szer. geogr.:52,2 Kolektor: 6,00 m Pochyłość: 35,0 Azymut: 0,0 Typ instalacji: Zasobnik solarny ciepłej wody użytkowej Charakterystyka: c0 = 0,779 c1 = 2,641 W/(m K) c2 = 0,022 W/(m K ) Pochyłość: 35,0 Azymut: 0,0 Zasobnik: 300 litr Temperatura: max. 60 C / min. 55 C Zapotrzeb. ciepła: 9,42 kwh/dzień = 180 Litrów/dzień z 10 C na 55 C Energia konw.: Energia elektryczna page 39

40 GetSolar Sonnenkollektor-Anlagensimulation Axel Horn Kolektor płaski a prózniowy - symulacja Paradigma SUNlight 250 Tinox Paradigma CPC 30 Star azzurro Miesiąc Zysk solarny [kwh] Oszczędność [kwh] CO 2 - mniej o [kg] Styczeń: 30,6 31,0 34,1 Luty: 84,1 84,9 93,4 Marzec: 152,2 153,8 169,2 Kwiecień: 194,4 196,3 216,0 Maj: 226,0 228,3 251,1 Czerwiec: 223,8 226,0 248,6 Lipiec: 228,5 230,9 253,9 Sierpień: 234,0 236,4 260,0 Wrzesień: 167,1 168,8 185,7 Październik: 120,1 121,3 133,5 Listopad: 57,1 57,6 63,4 Grudzień: 28,9 29,2 32,1 Suma: 1746,9 1764,5 1941,0 Miesiąc Zysk solarny [kwh] Oszczędność [kwh] CO 2 - mniej o [kg] Styczeń: 55,6 56,2 61,8 Luty: 123,6 124,8 137,3 Marzec: 202,0 204,0 224,5 Kwiecień: 233,5 235,8 259,4 Maj: 260,7 263,3 289,7 Czerwiec: 252,5 255,0 280,5 Lipiec: 259,4 262,0 288,3 Sierpień: 258,0 260,6 286,7 Wrzesień: 201,0 203,1 223,4 Październik: 156,9 158,5 174,3 Listopad: 80,5 81,3 89,5 Grudzień: 49,1 49,6 54,5 Suma: 2132,9 2154,4 2369,8 Przeciętny roczny zysk kolektora: 291 kwh/m2 Przeciętny roczny zysk kolektora: 355 kwh/m2 page 40

41 GetSolar Sonnenkollektor-Anlagensimulation Axel Horn Kolektor płaski a prózniowy symulacja cd. Paradigma SUNlight 250 Tinox Paradigma CPC 30 Star azzurro page 41

42 GetSolar Sonnenkollektor-Anlagensimulation Axel Horn Kolektor płaski a próżniowy symulacja cd. Paradigma SUNlight 250 Tinox Paradigma CPC 30 Star azzurro moc promieniowania, moc systemu solarnego, temperatura cw, temperatura dół zasobnika page 42

45 Kolektory płaskie Wydział Inżynierii Środowiska Standardowa instalacja cwu, południowozachodnie Niemcy Uzysk słoneczny - lokalizacja Uzysk słoneczny [ kwh/m2/rok] Standardowa instalacja cwu, Warszawa ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Stopień pokrycia potrzeb [-] page 45

46 Lokalizacja: Warszawa Wydział Inżynierii Środowiska Uzysk słoneczny parametry instalacji odbiorczej słoneczny [kwh/m 2 /rok] Usysk Ciepła woda - standardowy kolektor płaski Ciepła woda - dobry kolektor próżniowy Basen - standardowy kolektor płaski Basen - wysokiej klasy kolektor próżniowy 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% Stopień pokrycia potrzeb [-] page 46

47 Oszczędności eksploatacyjne Oszcędnoś ści eksploatacyjne [zł/m 2 /rok] Uzysk słoneczny [kwh/m2/rok] Jednostkowy koszt energii konwencjonalnej [zł/gj] page 47

48 Energia konwencjonalna Wydział Inżynierii Środowiska 900 Olej opałowy Energia elektryczna 800 Kotłownia węglowa Ciepłownia - węgiel EC - węgiel Emisja uniknięta Uniknięta emisja CO2 (kg/m2/rok] Kotłownia gazowa Uzysk słoneczny [kwh/m2/rok] page 48

49 250 Wydział Inżynierii Środowiska Jednostkowy koszt emisji CO2 [ /Mg] Koszt emisji unikniętej Wartoś ść unikniętej emisji [zł/m2/rok] Uniknięta emisja CO2 [kg/m 2 /rok] page 49

50 Przykład Lp Wyszczególnienie Źródło Kolektory Kolektory Jednostka danych próżniowe płaskie 1 Energia konwencjonalna założenie gaz energia gaz energia ziemny el. ziemny el. 2 Stopień pokrycia potrzeb założenie 32% 32% 32% 32% 3 Koszt inwestycyjny założenie zł/m Koszt energii konwencjonalnej założenie zł/gj Jednostkowy koszt emisji założenie EURO/Mg Uzysk słoneczny Rys.2 kwh/m2/rok Oszczędności eksploatacyjne Rys.3 zł/m2/rok SPBT bez emisji w.3 / w.7 lata Uniknięta emisja Rys.4 Mg/m2/rok Wartość unikniętej emisji Rys.5 zł/m2/rok Oszczędności eksploatacyjne w.7 + w.10 z emisją zł/m2/rok SPBT z uwzględnieniem emisji w.3 /w.11 lata page 50

51 Podsumowanie Instalacje solarne dla przygotowania ciepłej wody użytkowej w naszych warunkach klimatycznych charakteryzują się niską efektywnością ekonomiczną. To, że powierzchnia instalowanych cieczowych kolektorów słonecznych systematycznie rośnie należy przypisać wysokiej świadomości społecznej inwestorów lub raczej, co jest bardziej prawdopodobne, ich snobizmowi i próżności. page 51

52 Statystyki Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2008 page 52

53 Statystyki POLSKA POLSKA miejsce, miejsce, 118,5 118,5 MW MW th th th Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2008 page 53

54 page 54

55 Rynek Kolektorów UE page 55

56 Rynek Kolektorów UE page 56

57 Rynek Kolektorów POLSKA page 57

60 Solarne podgrzewanie wody Ocena projektu page 60

61 Uwarunkowania projektu solarnego podgrzewania wody Czynniki wpływające na powodzenie projektu: Duże zapotrzebowanie na ciepłą wodę obniżające udział kosztów stałych Wysokie koszty energii (np. gdy inne tańsze nośniki energii są niedostępne) Niepewność dostaw energii konwencjonalnej Duża korzyść środowiskowa dla właściciela/operatora budynku Zapotrzebowanie na ciepłą wodę w godzinach dziennych wymaga mniejszej akumulacji ciepła (mniej zasobników) Tańsze systemy sezonowe mogą być finansowo korzystniejsze niż bardziej kosztowne systemy całoroczne Wymogi konserwacyjne podobne jak w każdej instalacji hydraulicznej, jednak operator musi dopilnować okresowej konserwacji i napraw page 61

62 Przykłady: Australia, Botswana i Szwecja Domowe systemy ciepłej wody System solarny jako uzupełnienie dla innych nośników energii, wymaga świadomego właściciela Długi okres zwrotu przy niskich cenach energii System dostarcza od 20 do 80% ciepłej wody Poza siecią lub tam gdzie istnieje niepewność dostaw energii Domy, Malmö, Szwecja System z termosyfonem, Australia Zdjęcie: The Australian Greenhouse Office Dom dla personelu medycznego w obszarze wiejskim, Botswana Zdjęcie: Marie Andrén, Solar Energy Association of Sweden Zdjęcie: Vadim Belotserkovsky page 62

63 Przykłady: USA i Kanada Systemy basenowe Tanie kolektory odkryte Baseny sezonowe w zimniejszych strefach klimatycznych Wydłużenie sezonu kąpielowego w klimacie ciepłym Dla całorocznych basenów w chłodniejszych strefach klimatycznych do użytku latem Mogą osiągnąć 1 do 5 letni okres zwrotu nakładów Kolektory zakryte dla całorocznego podgrzewania wody System filtracji służy jako pompa System basenowy, USA Pływalnia miejska, Ontario, Kanada Zdjęcie: Aquatherm Industries/ NREL Pix Zdjęcie: NRCan page 63

64 Przykłady: Grecja i Kanada Komercyjne i przemysłowe systemy ciepłej wody Hotele/motele, apartamentowce i budynki biurowe Placówki zdrowotne i szpitale Myjnie samochodowe, pralnie, restauracje Obiekty sportowe, szkoły, łaźnie Hodowla ryb, British Columbia, Kanada Hodowle ryb, inny mały przemysł Hotel, Agio Nikolaos, Kreta Zdjęcie: NRCan Zdjęcie: Regional Energy Agency of Crete/ISES page 64

65 RETScreen Moduł solarnego podgrzewania wody Analiza produkcji energii w dowolnym miejscu na świecie, koszty w okresie żywotności i redukcja emisji gazów cieplarnianych Kolektory odkryte i zamknięte Baseny kryte i otwarte Systemy przygotowania ciepłej wody (z i bez zasobników) Tylko 12 danych niezbędnych dla RETScreen w porównaniu z zestawem danych potrzebnych w godzinowych modelach symulacyjnych Obecnie model nie ma zastosowania dla: Układów o zmiennym dobowym zapotrzebowaniu c.w.u. Samodzielnych układów przygotowania c.w.u. Systemów bezzasobnikowych, pokrywających znaczną część zapotrzebowania na ciepło Układów śledzących słońce, układów scentralizowanych i kolektorów zintegrowanych page 65

66 RETScreen SPW Obliczenia energetyczne Wyznaczenie parametrów otoczenia, w tym natężenia promieniowania słonecznego na płaszczyznę kolektora Obliczenie możliwej do zaabsorbowania ilości energii Przygotowanie c.w.u. z zasobnikami Przygotowanie c.w.u. bez zasobników Pływalnie Empiryczna metoda f-chart Metoda użyteczności Wyznaczenie zapotrzebowanie energii dla basenu Sprawdź e-podręcznik Ocena Projektów w zakresie Czystej Energii: RETScreen Projektowanie i Przykłady Obliczenie dostarczanej energii Obliczenie odnawialnej dostarczanej oraz potrzeb na energii odnawialnej ciepło oraz pomocnicze potrzeb na ciepło pomocnicze Rozdział: Solarne podgrzewanie wody Inne obliczenia: sugerowana powierzchnia kolektorów, dobór pompy obiegowej itp. page 66

67 Przykład weryfikacji modelu RETScreen SPW zonej RETScreen porównano z: Prognozowana w RETScreen roczna ilość dostarcz energii słonecznej (kwh) WATSUN - domowy system przygotowania c.w.u. w Toronto, Kanada: RETScreen a dane pomiarowe z 10 domowych systemów przygotowania c.w.u. w Guelph, Kanada Zmierzona roczna ilość dostarczonej energii słonecznej (kwh) Promieniowanie padające (GJ) Zapotrzebowanie (GJ) Energia dostarczona (GJ) Czas pracy pompy (h) RETScreen 24,34 19,64 8, WATSUN 24,79 19,73 8, ENERPOOL 48 m 2 letni basen w Montrealu, Kanada Zapotrzebowania na energię - rozbieżność wyników do 2% Różn. -1,8% -0,5% 0,1% 4,1% Dane pomiarowe z basenu letniego o pow m 2 w Möhringen, Niemcy Rozbieżność obliczeń zapotrzebowania na energię do 3% i produkcji energii słonecznej do 14% page 67

68 Podsumowanie Retscreen Kolektory słoneczne odkryte, płaskie i próżniowe dostarczają ciepłą wodę dla różnych celów w każdej strefie klimatycznej Znaczące zapotrzebowanie na ciepłą wodę, wysokie koszty energii oraz silne zaangażowanie po stronie właściciela/ operatora budynku to istotne czynniki wpływające na powodzenie projektu RETScreen oblicza: Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową oraz wodę basenową Wydajność systemów solarnych na basenach i do przygotowania c.w.u. z akumulacją (zasobniki) lub bez akumulacji ciepła RETScreen przeprowadza analizę roczną w oparciu o obliczenia miesięczne co pozwala uzyskać dokładność obliczeń porównywalną z godzinowymi modelami symulacyjnymi RETScreen pozwala znacznie obniżyć koszty opracowania wstępnego studium wykonalności page 68