Wykład 2 Energia słoneczna systemy wodne

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

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

Zmiana struktury produkcji energii ze źródeł odnawialnych w Unii Europejskiej 2005-13 page 5

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 6

Stała słoneczna 2 4 R T 4 4 S 2 L r GSC G SC T 4 S R 2 L r 2 5,67 10 8 5777 G SC 1367W / m 2 4 5 2 6,965 10 8 1,496 10 6371 2 page 7

Ciepło użyteczne kolektora page 8

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 9

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 3,6 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 10

Sposoby wykorzystania kolektory cieczowe, Zdjęcie: NRCan kolektory powietrzne, bierne instalacje grzewcze, ogniwa fotowoltaiczne. page 11

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 12

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 13

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 14

Kolektory płaskie page 15

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 16

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 17

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 18

Zastosowanie szkła antyrefleksyjnego AR Porównanie charakterystyk kolektorów ze szkłem AR do charakterystyki standardowego kolektora płaskiego wg EN 12975 page 19

Kolektor próżniowy page 20

Konstrukcje kolektorów próżniowych Bezpośrednie ogrzewanie czynnika Z rurką ciepła page 21

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 22

Charakterystyka kolektora page 23

Kolektor skupiający page 24

Kolektor skupiający Obecny na rynku Cena ok.150 200 /m2 page 25

Kolektor skupiający Obecny na rynku Cena ok.150 200 /m2 page 26

MaReCo Obecny na rynku skandynawskim Cena ok.150 200 /m2 page 27

CHAPS Sprawność elektryczna 10% przy 80 o C i 8% przy 150 o C Gotowy do wprowadzenia na rynek. page 28

Kolektory skupiające page 29

Pole kolektorów skupiających page 30

Wieża słoneczna page 31

Woda podgrzewana solarnie 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 Wstępny Zasobnik wody podgrzewanej przez system solarny Zasobnik c.w.u. Wymiennik ciepła Zawór spustowy Zimna woda zasilająca Rysunek: NRCan page 32

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 33

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 34

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 35

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 36

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 37

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. Schematy instalacji basenowych z kolektorami cieczowymi

Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych zakrytych L.p. Liczba osób Zapotrzebowanie dobowe Powierzchnia kolektora Koszt - - dm 3 /dobę m 2 PLN 1 1-2 90 1,8 8265 2 2-3 170 3,6 10854 3 4-5 250 5,5 14071 4 5-7 340 7,4 17460 5 6-8 430 9,2 20749 6 8-11 550 11,8 25575 7 10-14 630 13,2 28196 8 14-18 800 15,8 33094 page 39

Przykładowe koszty instalacji kolektorów cieczowych próżniowych L.p. Liczba osób Zapotrzebowanie dobowe Powierzchnia kolektora Koszt - - dm 3 /dobę m 2 PLN 1 1-2 90 1,8 9220 2 2-3 170 3,6 12765 3 4-5 250 5,5 16990 4 5-7 340 7,4 21388 5 6-8 430 9,2 25632 6 8-11 550 11,8 31837 7 10-14 630 13,2 35202 8 14-18 800 15,8 41479 page 40

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 41

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 42

GetSolar 7.2 - Sonnenkollektor-Anlagensimulation - 2004 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 43

GetSolar 7.2 - Sonnenkollektor-Anlagensimulation - 2004 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 44

GetSolar 7.2 - Sonnenkollektor-Anlagensimulation - 2004 Axel Horn Kolektor płaski a prózniowy symulacja cd. Paradigma SUNlight 250 Tinox Paradigma CPC 30 Star azzurro page 45

GetSolar 7.2 - Sonnenkollektor-Anlagensimulation - 2004 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

Uzysk słoneczny [ kwh/m2/rok] Uzysk słoneczny - lokalizacja 900 800 700 600 500 400 300 Kolektory płaskie Standardowa instalacja cwu, południowozachodnie Niemcy Standardowa instalacja cwu, Warszawa 200 100 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Stopień pokrycia potrzeb [-] page 49

Usysk słoneczny [kwh/m 2 /rok] Lokalizacja: Warszawa 800 700 600 575 Uzysk słoneczny parametry instalacji odbiorczej 500 400 300 380 200 100 0 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 50

Oszcędności eksploatacyjne [zł/m 2 /rok] 400 350 Uzysk słoneczny [kwh/m2/rok] 100 200 300 300 400 Oszczędności eksploatacyjne 250 200 150 218 192 500 600 700 800 100 105 50 68 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Jednostkowy koszt energii konwencjonalnej [zł/gj] page 51

Uniknięta emisja CO2 (kg/m2/rok] 900 800 700 Energia konwencjonalna Olej opałowy Energia elektryczna Kotłownia węglowa Ciepłownia - węgiel EC - węgiel Kotłownia gazowa 600 655 Emisja uniknięta 500 400 430 300 200 150 100 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Uzysk słoneczny [kwh/m2/rok] page 52

Wartość unikniętej emisji [zł/m2/rok] 250 200 Jednostkowy koszt emisji CO2 [ /Mg] 5 15 30 45 60 Koszt emisji unikniętej 150 100 80 50 53 0 19 12 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Uniknięta emisja CO2 [kg/m 2 /rok] page 53

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/m2 3500 3500 2000 2000 4 Koszt energii konwencjonalnej założenie zł/gj 50 105 50 105 5 Jednostkowy koszt emisji założenie EURO/Mg 30 30 30 30 6 Uzysk słoneczny Rys.2 kwh/m2/rok 575 575 380 380 7 Oszczędności eksploatacyjne Rys.3 zł/m2/rok 105 218 68 142 8 SPBT bez emisji w.3 / w.7 lata 33 16 29 14 9 Uniknięta emisja Rys.4 Mg/m2/rok 150 655 100 430 10 Wartość unikniętej emisji Rys.5 zł/m2/rok 19 80 12 53 11 Oszczędności eksploatacyjne z emisją w.7 + w.10 zł/m2/rok 124 298 80 195 12 SPBT z uwzględnieniem emisji w.3 /w.11 lata 28 12 25 10 page 54

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 55

Statystyki Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2017 page 56

Statystyki Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2017 page 57

Statystyki POLSKA 28 miejsce, 118,5 MW th Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2017 page 58

Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2017 page 59

Rynek Kolektorów UE page 60

Rynek Kolektorów UE page 61

Rynek Kolektorów POLSKA page 62