EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA I CIEPLNA A OPTYMALNY WYBÓR ROZWIĄZAŃ TECHNOLOGICZNYCH

Transkrypt

1 EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA I CIEPLNA A OPTYMALNY WYBÓR ROZWIĄZAŃ TECHNOLOGICZNYCH

2 EFEKTYWNOŚĆ INSTALACJI SOLARNYCH

3

4

5

6

7

8 Dane techniczne kolektora

9 Ustawienie kolektora w przestrzeni

10 Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii Kąt nachylenia α Kąt nachylenia a jest kątem między poziomem a powierzchnią kolektora słonecznego. Przy montażu na dachu spadzistym kąt nachylenia narzucony jest przez nachylenie połaci dachu. Największą ilość energii absorber może wchłonąć wtedy, gdy płaszczyzna kolektora jest prostopadła do kierunku promieniowania słonecznego. Azymut Azymut określa odchylenie płaszczyzny kolektora od kierunku południowego; przy płaszczyźnie kolektora zorientowanej na południe azymut = 0. Ponieważ napromieniowanie jest najintensywniejsze w porze południowej, kolektor winien być zorientowany możliwie na południe. Dobre wyniki uzyskuje się jednak także przy odchyłkach azymutu do 45 na wschód lub zachód. Konieczność większych odchyleń można skompensować niewielkim zwiększeniem powierzchni kolektorów.

11 Kąt padania promieni słonecznych w zależności od pory roku

12 a) Kąt padania promieni słonecznych w zależności od szerokości geograficznej b) Kąt padania promieni słonecznych uwzględniający szerokość geograficzną w zależności od pory roku

13 Zysk ciepła dla różnych kątów ustawienia kolektora w zależności od pory roku

14 Uzysk energii zmienia się w zależności od miejsca i sposobu montażu kolektorów słonecznych. Dach pochyły po stronie południowej zapewnia największy uzysk energii. Dach po stronie wschodniej lub zachodniej zapewnia już tylko 80% tego uzysku. W zależności od zakresu stosowania instalacji solarnej zaleca się następujące optymalne kąty nachylenia: Instalacja solarna do podgrzewu wody użytkowej od 30 do 45 - Taki mały kąt nachylenia uwzględnia wysokie położenie słońca w lecie. Instalacja solarna wspomagająca ogrzewanie pomieszczeń od 45 do 60 - Przy uwzględnieniu niskiego położenia słońca w okresach przejściowych i w zimie. Poprzez świadomy wybór dużego kąta nachylenia w lecie uzyskuje się skrócenie okresów stagnacji. Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii

15 Sprawność kolektorów Współczynnik sprawności kolektora określa, jaka część promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię czynną absorbera lub inną powierzchnię odniesienia zamieniana jest na użytkową moc cieplną. Współczynnik sprawności zależy od stanu roboczego kolektora. Część promieniowania słonecznego docierającego do kolektorów jest tracona na skutek odbić i absorpcji. Sprawność optyczna η 0 uwzględnia te straty.

16 Kolektory próżniowe rurowe czy może kolektory płaskie? - porównanie kolektorów słonecznych Buderus Rodzaj budowy Sprawność optyczna % 85,1 Współczynnik strat ciepła k1 W/m 2 K 4,036 k2 W/m 2 K 2 0,0108 Rodzaj budowy Sprawność optyczna % 66,5 Współczynnik strat ciepła k1 W/m 2 K 0,749 k2 W/m 2 K 2 0,005

17 Sprawność kolektorów słonecznych [%] Straty optyczne Moc grzewcza Straty cieplne ΔT= T abs - T o T abs T o Straty liniowe k1 W/m 2 K Straty nieliniowe k2 W/m 2 K 2

18

19 EFEKTYWNOŚĆ INSTALACJI FOTOWOLTAICZNYCH

20 Bilans wykorzystania energii promieniowania słonecznego:

21 Natężenie promieniowania słonecznego w Polsce

22 Wpływ pory roku

23 Konwersja energii słonecznej

24 Sprawność przetwarzania energii słonecznej

25 Sprawność konwersji promieniowania słonecznego na energię

26 Sprawność modułu Sprawność modułu fotowoltaicznego nie przekłada się na produkcję energii gdyż panele fotowoltaiczne kupuje się na Waty ich mocy a nie powierzchnię. Z tego względu dla inwestora od strony produkcji energii nie ma znaczenia, z jakiej powierzchni pochodzi wat mocy. Sprawność nabiera znaczenia, gdy mamy ograniczoną powierzchnię do zamontowania instalacji PV. Niższa sprawność to większa powierzchnia potrzebna do uzyskania tej samej mocy. Powierzchnia zajmowana przez instalację 1 kw w różnych technologiach (sprawnościach)

27 Powierzchnia zajmowana przez instalację 1 kw w różnych technologiach (sprawnościach)

28

29 Źródło:

30

31

32

33

34 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

35 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

36 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

37 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

38 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowoprądową ogniwa Silne zacienienie: Znacznie obniża napięcie na modułu Nieznacznie wpływa na przepływający prąd Słabe zacienienie: Nieznacznie wpływa na napięcie modułu Proporcjonalnie do stopnia i intensywności zacienienia ogniw obniża przepływający prąd

39

40 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa Obecnie dostępne panele fotowoltaiczne posiadają zazwyczaj 3 diody bocznikujące połączone równolegle z łańcuchem ogniw. Konsekwencją takiej budowy jest niezależna praca każdego z 3 fragmentów panelu, która nabiera znaczenia w przypadku pojawienie się zacienień. Większa liczba diod jest korzystniejsza pod kątem maksymalizacji uzysku energii z panelu fotowoltaicznego. W przypadku jego punktowego zacienienia wyłączeniu ulega tylko jeden łańcuch a nie cały panel.

41 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa Oprócz liczby diod często znaczenia nabiera sposób montażu samego panelu zwłaszcza, gdy nie możemy wyeliminować pojawiających się okresowo zacienień.

42 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

43 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

44 Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa W przypadku instalacji modułów na dachu, w którym będą występować zacienienia ważne, aby zastosowany inwerter posiadał mechanizm szukania globalnego punktu mocy maksymalnej w innym wypadku straty wynikające z zacienienia będą proporcjonalne do strat najbardziej zacienianego modułu. W przypadku licznych zacienień na dachu warto rozważyć konfigurację instalacji w oparciu o mikroinwertery które w znaczącym stopniu ograniczają skutki zacienienia. Strefy zacieniania na dachu skierowanym na południe

45 Wpływ temperatury ogniwa na jego charakterystykę

46 Wpływ natężenia promieniowania słonecznego na charakterystykę ogniwa

47 Czułość spektralna modułów - AM

48

49 Utrata sprawności w czasie eksploatacji modułu Baterie słoneczne w czasie pracy ulegają stopniowej powolnej degradacji, która przekłada się na coroczną utratę mocy. Standardowy 200W panel fotowoltaiczny po 10 latach będzie posiadał maksymalnie 180W. Standardowo krzemowe baterie słoneczne tracą od 0,6-1,1% mocy rocznie. Im ta wartość jest niższa tym dany panel fotowoltaiczny będzie w ciągu swojego "życia" generował więcej energii!

50 Tolerancja mocy nominalnej Każdy panel fotowoltaiczny nawet w ramach jednego modelu i nawet w ramach jednej serii będzie miał nieznacznie różną moc. Z tego powodu producent zawsze podaje moc z pewną tolerancją. Dodatnia tolerancja oznacza, że dany panel fotowoltaiczny nigdy nie będzie miał mocy niższej niż nominalna może mieć jednak nieco wyższą. Wybór panelu fotowoltaicznego z dodatnią tolerancją jest dla nas bardziej korzystny!

51 Wpływ temperatury na pracę modułu Baterie słoneczne tracą moc wraz ze wzrostem temperatury. Ich moc nominalna jest wyznaczana w temperaturze 25 stopni C i natężeniu promieniowania słonecznego 1000W/m2. W normalnych warunkach pracy, w słoneczny letni dzień temperatura panelu fotowoltaicznego jest wyższa od warunków laboratoryjnych, przez co moc baterii słonecznej jest niższa od nominalnej nawet, gdy natężenie promieniowania słonecznego jest odpowiednio wysokie. Spadek mocy wraz ze wzrostem temperatury panelu fotowoltaicznego określa "Temperaturowy współczynnik mocy" ang. Temperature Coefficient of Power. Im niższy jest ten Wskaźnik tym wydajność panelu fotowoltaicznego będzie większa!

52 Normalna temperatura pracy ogniwa Skrót NOCT oznacza normalną temperaturę pracy ogniwa fotowoltaicznego ang. normal operating cell temperature. Te normalne warunki zostały określone, jako temperatura otoczenie 20 stopni C prędkość wiatru 1m/s natężenie promieniowania słonecznego 800W/m2. Są to warunki, w jakich panel fotowoltaiczny bardzo często będzie pracował i dla tych warunków producenci wyznaczają temperaturę jego pracy. Im jest ona niższa tym lepiej dla wydajności modułu!

53 Wpływ spektrum promieniowania słonecznego Sprawność konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną zależy od spektrum promieniowania słonecznego. W słoneczne dni, gdy natężenie promieniowania słonecznego jest wysokie, spektrum to będzie inne niż w dni pochmurne, gdy dominuje promieniowanie rozproszone a natężenie jest bardzo niskie. Nominalna sprawność wyznaczana jest przy 1000W/m2, spektrum am 1.5 i wynosi 1 = 100%. W praktyce baterie słoneczne w polskim klimacie najwięcej będą pracować w przedziale natężenie promieniowania słonecznego W/m2 w zimie będzie to przedział W/m2 Z tego względu w Polskim klimacie ważne jest czy dany panel fotowoltaiczny dobrze zagospodarowuje niskoenergetyczne promieniowanie słoneczne. Baterie krzemowe w zakresie natężenia promieniowania słonecznego W/m2 mogą osiągać sprawności wyższe od nominalnej z kolei w zakresie niskich wartości promieniowania słonecznego zdecydowana większość baterii słonecznych osiąga efektywność niższą od nominalnej.

54 Wpływ spektrum promieniowania słonecznego Informacja o utracie sprawności przy niskich wartościach natężenia promieniowania słonecznego - Standardem jest podawanie wskaźnika sprawności dla 200W/m2. Im utrata efektywności przy niskim natężeniu promieniowania jest niższa tym lepiej dla wydajności baterii słonecznej!

55 Badanie moduły w komorze klimatycznej

56 Badanie moduły w komorze klimatycznej

57 EFEKTYWNOŚĆ INSTALACJI AŁYCH ELEKTROWNI WIATROWYCH

58 Ograniczenia efektywności pracy siłowni wiatrowej Zmiana prędkości wiatru w ciągu roku

59 MEW - WARUNKI WIETRZNOŚCI średnia roczna prędkość wiatru w Polsce waha się między 2,8m/s a 3,5 m/s. Prędkości powyżej 4 m/s występują na 2/3 powierzchni kraju, a powyżej 5 m/s występują już tylko w 1/3 powierzchni. Rejony wyróżniające się pod względem średniej prędkości wiatrów w Polsce to: Pobrzeże Słowińskie i Kaszubskie, Suwalszczyzna Prawie cała nizinna część Polski Beskid Śląski i Żywiecki Bieszczady i Pogórze Dynowskie W w/w rejonach średnie prędkości wiatru przekraczają 4 m/s. Jedynie wybrzeże przekracza średnio-rocznie 6 m/s.

60 Pomiar prędkości wiatru

61 Zasoby energii wiatru w Polsce, średnia roczna prędkość wiatru na wysokości 50 m nad poziomem gruntu (źródło: Anemos)

62 Szacowanie produktywności dla MEW Nieprzydatność technik stosowanych zwykle dla dużych turbin (zbyt wysokie koszty) Brak atlasów wiatrowych o odpowiedniej dokładności dla wysokości poniżej 50 m Duży wpływ bezpośredniego otoczenia na funkcjonowanie turbiny działają w warstwie przyziemnej, w środowisku silnie turbulentnym (decydujące znaczenie mikrolokalizacji) Próba klasyfikacji warunków wiatrowych w Polsce wyodrębnienie 5 klas lokalizacji małych turbin wiatrowych

63 Klasa 0: Miasto (gęsta zabudowa jednorodzinna) lub teren zalesiony lub bezpośrednie sąsiedztwo obszarów o dużej szorstkości od strony zachodniej

64 Klasa 1: Zabudowa wiejska i siedliskowa, grupy drzew większość obszarów Polski centralnej

65 Klasa 2: Teren otwarty, lekko wyniesiony ponad otaczający obszar, brak przeszkód terenowych o wysokości porównywalnej z elektrownią w odległości do 15 wysokości elektrowni

66 Klasa 3: Teren otwarty, lekko wyniesiony ponad otaczający obszar, brak przeszkód terenowych o wysokości porównywalnej z elektrownią w odległości do 15 wysokości elektrowni; tereny Polski północno-wschodniej (Suwalszczyzna), wybrzeże Bałtyku, Polska południowa (obszary wzgórz i przedgórzy)

67 Klasa 4: Najlepsze obszary w klasie 3 (poniżej 2 km do brzegu morskiego lub szczyty wzgórz, bez żadnych przeszkód terenowych)

68 Chwilowe prędkości wiatru, wysokość 15m Lokalizacja klasy 2, lato

69 Chwilowe prędkości wiatru, wysokość 15m Lokalizacja klasy 2, zima

70 Chwilowe prędkości wiatru, wysokość 15m - Lokalizacja klasy 4, lato

71 Chwilowe prędkości wiatru, wysokość 15m Lokalizacja klasy 4, zima

72 Produktywność małych elektrowni wiatrowych w warunkach polskich, MWh

73 Prawidłowa lokalizacja małej turbiny wiatrowej jest w warunkach polskich dużym wyzwaniem, jednak decyduje o opłacalności Oferta producentów obejmuje duży zakres turbin, przeznaczonych na różne warunki wiatrowe Produktywność w wybranej lokalizacji powinna być podstawowym kryterium wyboru dostawcy urządzenia Dla efektywnego stosowania MEW w Polsce największe znaczenie ma rozwój technologii turbin przeznaczonych do pracy w warunkach niskiej wietrzności (w Polsce dominuje zakres prędkości 3-5 m/s) O ostatecznej atrakcyjności inwestycji w MEW będą decydować także ceny energii dla odbiorców końcowych

74 EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA POMP CIEPŁA

75 instalacja grzewcza Obieg chłodniczy pompy ciepła wraz instalacją dolnego źródła ciepła i instalacją grzewczą budynku sprężarka skraplacz zawór dławiący parownik instalacja chłodnicza pompy ciepła instalacja dolnego źródła ciepła

76 TEMP. DOLNEGO ŹRÓDŁA TEMP. GÓRNEGO ŹRÓDŁA 55 o C 50 o C 45 o C 40 o C INSTALACJA GÓRNEGO ŹRÓDŁA 35 o C 30 o C 25 o C 20 o C INSTALACJA DOLNEGO ŹRÓDŁA 15 o C 10 o C 5 o C 0 o C -5 o C -10 o C

77 TEMP. DOLNEGO ŹRÓDŁA TEMP. GÓRNEGO ŹRÓDŁA 55 o C Pompa ciepła Logatherm WPS 9 Wydajność cieplna Q k 0/35 = 9,1 kw Moc elektryczna napędowa P 0/35 = 2,0 kw 50 o C 45 o C 40 o C 35 o C 30 o C 25 o C 20 o C COP 0/35 Qk P 15 o C 10 o C 5 o C COP 0/35 = 4,55 0 o C -5 o C -10 o C

78 TEMP. DOLNEGO ŹRÓDŁA TEMP. GÓRNEGO ŹRÓDŁA 55 o C Pompa ciepła Logatherm WPS 9 Wydajność cieplna Q k 0/50 = 8,4 kw Moc elektryczna napędowa P 0/50 = 2,6 kw 50 o C 45 o C 40 o C 35 o C 30 o C 25 o C 20 o C COP 0/50 Qk P 15 o C 10 o C 5 o C COP 0/50 = 3,23 0 o C -5 o C -10 o C

79 Jak wyznaczyć rzeczywistą moc grzewczą pompy ciepła QK? Jakie parametry należy zmierzyć? 1

80 Jak wyznaczyć rzeczywistą moc grzewczą pompy ciepła QK? Q = m*cw*(t2-t1) t1 t2. m

81 Jak wyznaczyć rzeczywistą moc grzewczą pompy ciepła QK? Q = m*cw*(t2-t1) dla WPS 9 = 0,31 l/s cw = 4,19 kj/kgk t2 = 35,0 ºC = 308,15 K t1 = 27,9 ºC = 301,05 K t1 t2. m Q = 9,15 kw

82 Jak wyznaczyć rzeczywisty współczynnik wydajności COP? COP = Qk/P P

83 Jakie przynoszą efekty ekonomiczne pompy ciepła? Najniższe koszty eksploatacji Jedne źródło energii pierwotnej Bezproblemowe podłączenie z istniejącą instalacją Rezygnacja z przyłącza gazu Rezygnacja z budowy kominów dymowych i wentylacyjnych Rezygnacja magazynu oleju, gazu, węgla etc. Urządzenia kompaktowe, o niewielkich wymiarach Ogrzewanie oraz chłodzenie w jednym urządzeniu Współpraca z wentylacją i rekuperacją Wysoki komfort c.w.u. Tania i bezobsługowa eksploatacja

84 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ