Wykład 2 Energia słoneczna systemy wodne

Transkrypt

1 WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA Odnawialne źródła energii dla budynków Wykład 2 Energia słoneczna systemy wodne

2 Technicznie dostępny potencjał energii odnawialnych Słońce 2000 EJ/rok 4 razy Wiatr 350 EJ/rok 0,7 razy Bioenergia Geotermia Hydro 150 EJ/rok 100 EJ/rok 60 EJ/rok 0,3 razy 0,2 razy 0,12 razy Globalne zużycie energii 500 EJ/rok page 2

3 Zmiana struktury produkcji energii ze źródeł odnawialnych w Unii Europejskiej page 3

4 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 4

5 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 5

6 Ciepło użyteczne kolektora page 6

7 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 7

8 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 8

9 Sposoby wykorzystania kolektory cieczowe, Zdjęcie: NRCan kolektory powietrzne, bierne instalacje grzewcze, ogniwa fotowoltaiczne. page 9

10 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 10

11 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 11

12 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 12

13 Kolektory płaskie page 13

14 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 14

15 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 15

16 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 16

17 Zastosowanie szkła antyrefleksyjnego AR Porównanie charakterystyk kolektorów ze szkłem AR do charakterystyki standardowego kolektora płaskiego wg EN page 17

18 Kolektor próżniowy page 18

19 Konstrukcje kolektorów próżniowych Bezpośrednie ogrzewanie czynnika Z rurką ciepła page 19

20 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 20

21 Charakterystyka kolektora page 21

22 Kolektor skupiający page 22

23 Kolektor skupiający Obecny na rynku Cena ok /m2 page 23

24 Kolektor skupiający Obecny na rynku Cena ok /m2 page 24

25 MaReCo Obecny na rynku skandynawskim Cena ok /m2 page 25

26 CHAPS Sprawność elektryczna 10% przy 80 o C i 8% przy 150 o C Gotowy do wprowadzenia na rynek. page 26

27 Kolektory skupiające page 27

28 Pole kolektorów skupiających page 28

29 Wieża słoneczna page 29

30 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 ie rn la o s a n a w e rz g d o p a d o W Zasobnik c.w.u. Zawór spustowy Zimna woda zasilająca Rysunek: NRCan page 30

31 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 31

32 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 32

33 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 33

34 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 34

35 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 35

36 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 36 Schematy instalacji basenowych z kolektorami cieczowymi

37 Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych zakrytych L.p. Liczba osób Zapotrzebowanie dobowe Powierzchnia kolektora Koszt - - dm 3 /dobę m 2 PLN , , , , , , , , page 37

38 Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych próżniowych L.p. Liczba osób Zapotrzebowanie dobowe Powierzchnia kolektora Koszt - - dm 3 /dobę m 2 PLN , , , , , , , , page 38

39 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 39

40 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 40

41 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 41

42 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 42

43 GetSolar Sonnenkollektor-Anlagensimulation Axel Horn Kolektor płaski a prózniowy symulacja cd. Paradigma SUNlight 250 Tinox Paradigma CPC 30 Star azzurro page 43

44 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 44

45 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 45

46 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 46

47 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 47

48 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 48

49 Oszczędności eksploatacyjne Oszcędnoś ści eksploatacyjne [zł/m 2 /rok] Uzysk słoneczny [kwh/m2/rok] Jednostkowy koszt energii konwencjonalnej [zł/gj] page 49

50 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 50

51 250 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 51

52 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 52

53 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 53

54 Statystyki Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2017 page 54

55 Statystyki Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2017 page 55

56 Statystyki POLSKA 28 miejsce, 118,5 MW th th Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2017 page 56

57 Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2017 page 57

58 Rynek Kolektorów UE page 58

59 Rynek Kolektorów UE page 59

60 Rynek Kolektorów POLSKA page 60

61 Rynek Kolektorów POLSKA page 61

62 Rynek Kolektorów POLSKA page 62