Wykład 3 Energia słoneczna systemy wodne

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

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

Stała słoneczna 2 4πR σt = 4π 4 S ( ) 2 L r GSC G SC = σt 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 3

Ciepło użyteczne kolektora page 4

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

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

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

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

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

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

Kolektory płaskie page 11

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

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

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

Zastosowanie szkła antyrefleksyjnego AR Porównanie charakterystyk kolektorów ze szkłem AR do charakterystyki standardowego kolektora płaskiego wg EN 12975 page 15

Kolektor próżniowy page 16

Konstrukcje kolektorów próżniowych Bezpośrednie ogrzewanie czynnika Z rurką ciepła page 17

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

Charakterystyka kolektora page 19

Kolektor skupiający page 20

Kolektor skupiający Obecny na rynku Cena ok.150 200 /m2 page 21

Kolektor skupiający Obecny na rynku Cena ok.150 200 /m2 page 22

MaReCo Obecny na rynku skandynawskim Cena ok.150 200 /m2 page 23

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

Kolektory skupiające page 25

Pole kolektorów skupiających page 26

Wieża słoneczna page 27

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

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

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

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

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

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

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

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 35

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 36

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

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

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 39

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 40

GetSolar 7.2 - Sonnenkollektor-Anlagensimulation - 2004 Axel Horn Kolektor płaski a prózniowy symulacja cd. Paradigma SUNlight 250 Tinox Paradigma CPC 30 Star azzurro page 41

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 42

Kolektory płaskie Wydział Inżynierii Środowiska 900 800 700 Standardowa instalacja cwu, południowozachodnie Niemcy Uzysk słoneczny - lokalizacja Uzysk słoneczny [ kwh/m2/rok] 600 500 400 300 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 45

Lokalizacja: Warszawa Wydział Inżynierii Środowiska 800 700 600 575 Uzysk słoneczny parametry instalacji odbiorczej słoneczny [kwh/m 2 /rok] Usysk 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 46

Oszczędności eksploatacyjne Oszcędnoś ści eksploatacyjne [zł/m 2 /rok] 400 350 300 250 200 150 100 50 218 192 105 68 Uzysk słoneczny [kwh/m2/rok] 100 200 300 400 500 600 700 800 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Jednostkowy koszt energii konwencjonalnej [zł/gj] page 47

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] 700 600 500 400 300 200 Kotłownia gazowa 655 430 150 100 100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Uzysk słoneczny [kwh/m2/rok] page 48

250 Wydział Inżynierii Środowiska Jednostkowy koszt emisji CO2 [ /Mg] 5 200 15 30 Koszt emisji unikniętej Wartoś ść unikniętej emisji [zł/m2/rok] 150 100 50 80 53 45 60 19 0 12 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Uniknięta emisja CO2 [kg/m 2 /rok] page 49

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 w.7 + w.10 z emisją zł/m2/rok 124 298 80 195 12 SPBT z uwzględnieniem emisji w.3 /w.11 lata 28 12 25 10 page 50

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

Statystyki Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2008 page 52

Statystyki POLSKA POLSKA 28 28 miejsce, miejsce, 118,5 118,5 MW MW th th th Źródło:IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2008 page 53

Rynek Kolektorów UE page 55

Rynek Kolektorów UE page 56

Rynek Kolektorów POLSKA page 57

Solarne podgrzewanie wody Ocena projektu page 60

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

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

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

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

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 8 760 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

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

Przykład weryfikacji modelu RETScreen SPW zonej RETScreen porównano z: Prognozowana w RETScreen roczna ilość dostarcz energii słonecznej (kwh) 3000 2500 2000 1500 1000 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 500 500 1 000 1 500 2 000 2 500 3 000 Zmierzona roczna ilość dostarczonej energii słonecznej (kwh) Promieniowanie padające (GJ) Zapotrzebowanie (GJ) Energia dostarczona (GJ) Czas pracy pompy (h) RETScreen 24,34 19,64 8,02 1 874 WATSUN 24,79 19,73 8,01 1 800 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. 1 200 m 2 w Möhringen, Niemcy Rozbieżność obliczeń zapotrzebowania na energię do 3% i produkcji energii słonecznej do 14% page 67

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