A gimnáziumi tanuszoda napkollektoros rendszerének energetikai vizsgálata

Átírás

1 Hlavay József Országos Környezettudományi Diákkonferencia Középiskolások a tudományért A gimnáziumi tanuszoda napkollektoros rendszerének energetikai vizsgálata Elkezdődött valami, Nem kell megállítani. Hidrogén mozog benned, Fényesebb jövőt sejtet. /Napfúzió (részlet): Ismeretlen szerző/ 1

2 Tanuszodánk működtetése jelentős hőenergia és villamos energia felhasználásával történik. A hőenergiát a padlástérben elhelyezett földgáztüzelésű kazánok állítják elő, míg az elektromos energiát a hagyományos elektromos rendszertől kapjuk. A villamos energia a gépészeti rendszerek működtetésére és világításra fordítódik. A hőenergia a tanmedence vizének és légkörének temperálására fordítódik, de jelentős szükséglet van a kiszolgáló egységek működtetésénél is. A rendszer hőenergia szükségleteit napos időben napkollektorok segítségével pótoljuk. A napkollektorok tetőtéri elhelyezésétől a tanmedencéig elágazások és hőcserélők közbeiktatásával szállítjuk a befogott hőenergiát. Ebben a rendszerben jelentős veszteségforrások vannak. A hőcserélők, szelepek, keringető szivattyúk vízkövesedése nagymértékben csökkenti a rendszer hatásfokát. A fentieken kívüli különösen a téli időszakban megjelenik a gravitációs ellenáramlás, azaz az éjszakai rendellenes viselkedés. Ez a folyamat jelentős hőenergiát von el a tanuszoda légteréből és kisugározza a padlástérbe. A fenti folyamatokat mennyiségi mérésekkel és áramlási számításokkal tudjuk jellemezni. A szakaszonkénti hőmérséklet eloszlások elemzésével megtaláljuk a jelentősebb hő veszteség helyeit. Kutatási projektünk lehetővé teszi tanuszodánk energetikai mérlegének elkészítését. A napkollektorok hatékonyságát mennyiségi mérésekkel igazolhatjuk. Célunk, hogy méréseink által rámutassunk a rendszer kiküszöbölésre, javításra váró esetleges hibáira és használható megoldásokat dolgozzunk ki azokra, melyeket a későbbiekben az iskola vezetésének ajánlhatunk a hatékonyabb működés elérésének érdekében. Tanulói prezentációnk elkészítése során, bizonyos mérésekhez az egész iskola tanulóinak közreműködését is kértük, akik ennek érdeklődve tettek eleget. Így nem csak a szerző diákok, hanem ők is betekintést nyerhettek a megújuló energiaforrás vizsgálatára irányuló projektünkbe, részesévé válhattak annak. Prezentációnk bemutatásával hozzájárulunk a környezettudatos nevelés megismertetéséhez és elterjesztéséhez. 2

3 3. Tartalomjegyzék 1. Cím Rezümé Tartalomjegyzék Bevezetés A napenergia nyújtotta lehetőségek Felhasználásának módjai A naptorony A síkkolektor működése Tárgyalás Az iskola kollektorai A tanuszoda energiaellátása A napkollektorok energiatermelése A szállítás során fellépő hő veszteség Az energia szétoszlása a kiszolgáló egységek és a medencetér között A működés során fellépő rendellenességek A gravitációs ellenáramlás Megtakarítások a napenergia által Hogyan tökéletesíthetjük a rendszert? Energiaeloszlás a hidegebb hónapokban Mérési eszközeink Befejezés Köszönetnyilvánítás Felhasznált irodalom

4 4.Bevezetés 4.1. A napenergia nyújtotta lehetőségek Napunk gravitációs módon létrehozott fúziós reakció során (a gáz esetünkben hidrogén saját súlya alatt nyomódik össze), döntő részben az úgynevezett pp-lánc reakcióin keresztül termeli az energiát. A folyamat során 4 protonból egy 4 He 1. ábra atommag jön létre, miközben jelentős energia felszabadulása mellett két pozitron és két neutrínó is keletkezik. A folyamat több lépésben zajlik le. Három főbb reakciólánc játszódhat le a fúzió során. Az első két lépés után a 3 He + 3 He, illetve a 3 He + 4 He reakciók versengése szabja meg, hogy a folyamat az első, vagy pedig a második és harmadik pplánc irányába folytatódik-e tovább (1. ábra). A Nap teljesítménye 3,86*10 17 GW, amely a paksi atomerőmű teljesítményénél (2 GW) 17 nagyságrenddel nagyobb. Földünkre körülbelül MW/m2 energia érkezik. Az energia sűrűsége a föld atmoszférájának szélén átlagosan 1367 W/m2. Ez azt jelenti, hogy évenként megközelítőleg 219 milliárd GWh sugárzási energia éri el a földfelszínt, ami 2500-szorosa napjaink teljes energia szükségletének. Hozzávetőleg három óra napsugárzás képes fedezni földünk éves energia szükségletét. A légkörben jelen lévő vízpára és jég kristályok elnyelésének eredményeképp a földfelszínt ténylegesen elérő sugárzási energia 50 W/m2 -től (erősen felhős idő) 1200 W/m2-ig (optimális felhőzet) változik. Ennek ellenére ezt az energiaforrást jelenleg alig használjuk ki, pedig kétségtelenül számos kedvező tényező szól alkalmazása mellett: mindenki számára könnyen elérhető, tiszta, környezetkímélő energiaforrás, még sok millió évig rendelkezésre fog állni kíméli a nyersanyagkészletet, 4

5 kedvezően hat a helyi gazdaságra, nem kell szállítani, hozzájutásához nem kell költséges közműhálózat, átalakítási, felhasználási költségei minimálisak Felhasználásának módjai A naptorony A napenergiát többféle technikai megoldás útján hasznosíthatjuk. Az egyik talán legérdekesebb és leglátványosabb módszer a naptorony alkalmazása. A szoláris központi gyűjtő vagy más néven szolár-torony 2. ábra (2. ábra) körül van véve két tengely mentén mozgatható tükrökkel (heliostat), melyek a napsugárzást a torony tetején elhelyezett gyűjtőre reflektálják. A torony tetején lévő gyűjtőben különböző halmazállapotú anyagok lehetnek. Ez az egyik legrégebbi, mondhatni legősibb és legegyszerűbb módja a hőenergia összegyűjtésének, ellenben az olvasztott-só tovább megtartja a hőenergiát, így használata jobb eredményt ad felhősebb napon, illetve éjszaka. Az elnyelt napenergiával gőzt fejlesztenek, melyet gőz-turbinákra engedve elektromos energiát termelnek (2. ábra). Az első ilyen erőmű Barstowban, a Mojave-sivatagban épült ban. Mai változata akár 500 megawattos csúcsteljesítményre is képes, mely amerikai háztartásnak tud elektromos áramot biztosítani A síkkollektor működése Ennél a típusnál az abszorberre koncentráltan napsugárzás jut, így ezek nemcsak a direkt, hanem a diffúz sugárzást is hasznosítani tudják. Alapvetően melegvíz előállítására használják a kis és nagyfogyasztók egyaránt. (3.ábra) 3. ábra 5

6 5. Tárgyalás 5.1. Az iskola kollektorai Iskolánk síkkollektorok (4. ábra) felszerelésével próbálta csökkenteni az újonnan épített sportszárny medenceterének és kiszolgálóegységeinek a fűtési költségét. Szám szerint 54 darab kollektor szolgáltatja napos időben a fűtéshez szükséges hőenergia egy jelentős részét. Az év melegebb felében együttesen akár 29Gj energiát képesek termelni havonta. Az egységek a szivattyúk (5. ábra) segítségével keringetett fűtőfolyadékot (víz) melegítik fel. Majd ez a folyadék csöveken keresztül, hosszú utat megtéve a 4. ábra tetőtérből a medencetérbe és kiszolgálóegységeihez jut. Ott leadva a szállított energia egy részét növeli a hőmérsékletet. Majd a kissé lehűlt folyadék visszaáramlik a tetőtérbe, ahol a kollektorok újra hőt közölnek vele. 5. ábra 5.2. A tanuszoda energiaellátása Tanuszodánk jelenleg három különböző energiaforrás látja el a működéshez szükséges energiával: villamos áram, földgáz, napenergia. Az első kettő energiaforrás drága, hasznosítási folyamatuk környezetszennyező, és végesek. Ellenben a napenergia a szükséges felszerelés megléte után szinte ingyen termeli az energiát. Erőforrása kiapadhatatlan. Jelenleg körülbelül 8%-át a napenergia, 18%-át a villamos energia, 74%-át a földgáz szolgáltatja a szükséges energiának (6. ábra). Célunk ebben az arányban a napenergia növelése. 6

7 Valós energiaeloszlás 8% 18% Villamosenergia Gáz égési energiája Napenergia 74% 5.3. A napkollektorok energiatermelése A kollektorok az év melegebb hónapjaiban érik el maximális teljesítményüket, mikor nagyobb a napsütötte órák száma. Méréseink során kiderült, hogy július és augusztus hónapokban az átlagos energiatermelésüket is meghaladva megközelítőleg 33Gj energiát termeltek. Ahogy a grafikon (7. ábra) is mutatja, az őszi időszak kezdetével ez a termelés 40%-al csökkent. Szeptember hónapban az előállított energia csupán 19Gj, hiszen ekkor a napsütéses órák száma is jelentősen csökkent. Ez természetes jelenség, tehát ha növelni kívánjuk a rendszer hatásfokát, más irányban kell elindulnunk ,16 30,81 32,89 32,95 7. ábra ,16 10,26 13,56 19,2 Energiatermelés Hőveszteség 5 0 5,01 május június július augusztus szeptember 4, A szállítás során fellépő hő veszteség Grafikonunk (7. ábra) feltűnteti az egyes hónapokban azt a hőmennyiséget is, amely a szállítás során elveszik. Ezt veszteséget a medence kiszolgálóegységeinek hőtartályaihoz telepített, forgatott vízmennyiséget és leadott hőmennyiséget mérő műszerekből kinyert adatok segítségével számolhattuk ki. Ez a hő veszteség havi szinten átlagosan 30%-al csökkenti a sportszárnyba jutó hőenergiát. Ott a fennmaradó energia nagyobb része a medenceteret, kisebb hányada a kiszolgálóegységeket fűti. (8. ábra) 7

8 A termelt energia átlagos eloszlása (GJ) 8. ábra 8,66 7,71 Kiszolgáló egységek Medencetér Veszteség 13, Az energia szétoszlása a kiszolgáló egységek és a medencetér között Méréseink segítségével nyomon követhettük a hasznosított energia szétoszlását a két fűtött tér között havi szinten is. A kinyert adatokból (9. ábra) jól látszik, hogy a lejutó, hasznosítható energia nagyobb részét a medencetér fűtéséhez használjuk fel. Nyári hónapokban ez az arány megközelítőleg 2:1, azonban a legtermékenyebb hónapban, augusztusban a kiszolgálóegységek hőfelvétele arányaiban megnőtt. Szeptemberben, a hideg, és kevésbé napsütéses időszak kezdetével kevesebb napenergia jut a kiszolgálóegységekre. 9. ábra 5.6. A működés során fellépő rendellenességek A hőveszteségnek több lehetséges és együtt megjelenő kiváltó oka van. Kutatásunk során ezeket az okokat kívántuk feltárni, elemezni, és azokra megoldásokat javasolni. Az első, legkézenfekvőbb, és talán a legtöbb energiát elvonó rendellenesség a 8

9 rossz szigetelés, esetleg annak teljes 10. ábra hiánya. Ez egyaránt értendő a fűtőfolyadékot szállító csövek szigeteltségére, valamint az egyes tantermek, helyiségek szigeteltségére is. Az előbbire szemmel látható bizonyítékokat találtunk (10. ábra), az utóbbi megállapításához táblázatokat helyeztünk el az iskola termeibe. Ezekbe a tanulók egy meghatározott időn keresztül naponta többször, előre kijelölt időpontokban beírták a termük hőmérsékletét. Az adatokat végül összegyűjtve megállapítottuk, hogy az 1. emelet saroktermeinek szigeteltsége rosszabb, mint a többi teremé. Ezeknek a termeknek a közelében fut a vizet szállító cső. Valamint itt található a sportcsarnok is, amely szintén nagy hőenergia elvonására képes. Ezt a hatást fokozza az egyes termek radiátorainak rossz beállítása. További rendellenesség a keringető rendszer csöveinek, szelepeinek vízkövesedése. Az általunk megfigyelt, talán legérdekesebb hatáscsökkentő jelenség a gravitációs ellenáramlás A gravitációs ellenáramlás Hőmérséklet ( C) Normális működés (májusban) Megvilágítás (Klx) 11. ábra Külső hőmérséklet Lemenő ág Feljövő ág Megvilágítás 2:03 4:03 6:03 8:03 10:03 12:03 14:03 16:03 18:03 20:03 Idő A gravitációs ellenáramlás leírásához először meg kell figyelnünk a keringető rendszer normál működését (11. ábra). Kielégítő megvilágítás mellett napközben a 9

10 fűtőfolyadék lemenő ága melegebb, a visszatérő ág, miután hőt közölt a medencetérrel, hidegebb. Azonban éjszaka, valamint, rossz megvilágosítás mellett (felhősödés) a napkollektoros rendszert nem szolgáltat energiát. A keringető szivattyúk ilyenkor lekapcsolnak és a csövekben megindul a gravitációs áramlás. Ekkor a hőcserélő rendszer lemenő ága a hideg padlástérből alacsonyabb hőmérsékletű folyadékot szállít, míg a visszatérő ág a medencetérben felmelegedve felhozza annak hőenergiáját és fent leadja a külső környezetnek. (12. ábra) ábra Éjszakai visszaáramlás Lemenő ág hőmérséklete Feljövő ág hőmérséklete 30 Hőmérséklet ( C) :00 11:40 13:20 15:00 16:40 18:20 20:00 21:40 23:20 1:00 2:40 4:20 6:00 7:40 9:20 Idő (óó:pp) 5.8. Megtakarítások a napenergia által Az uszoda meglehetősen nagy mértékben veszi igénybe a fűtést, melyet ugyan nagy részben az emeleti kazánban elégetett földgáz biztosít, de mint azt már láthattuk a napenergia is fontos forrást jelent ebben a tekintetben. A kollektorok által termelt hőenergia lemérésével, és a földgáz fűtőértékének ismeretében valamint a gáz árának Megspórolt pénz Megspórolt pénz 13. ábra Ft Ft Ft Ft Ft Ft Ft Ft Ft Ft Ft 0 Ft május június július augusztus szeptember 10

11 tudatában pontosan kielemezhetjük, hogy mekkora összegeket takarít meg a napkollektorok működése. (13. ábra) Az ábra alapján is jól látható, hogy a rendszer komoly megtakarításokat termel az iskola számára. Ez az összeg átlagosan havi Ft-ot jelent, de mint láttuk komoly problémák vannak jelen, melyek a rendszer hatásfokát nagy mértékben csökkentik, így az átlagosan csak 70%-át juttatja el a termelt energiának a felhasználó egységekhez. Ez azt is jelenti egyúttal, hogy komoly pénzektől esik el a fenntartó. (14. ábra) Veszteségek értéke Ft Veszteségek értéke Ft 14. ábra Ft Ft Ft Ft Ft Ft Ft Ft Ft 0 Ft május június július augusztus szeptember 5.9. Hogyan tökéletesíthetjük a rendszert? A rendszer hatásfokának növelésére, a gondot okozó folyamatokat megértve javaslatokat tehetünk: Elsősorban javítani kell a csővezetékek, érintett tantermek hőszigetelését. Folyamatosan kell ellenőrizni, ha szükséges karbantartásokat kell végezni a szelepeken, vezetékeken, hogy a túlzott vízkövesedés ne befolyásolja a működést. A gravitációs áramlás elkerülése érdekében az áramlás gátló szelepeket folyamatosan tisztítani kell. Ezeket a javaslatokat jeleztük az iskola vezetésének. Ezek hasznosságának szemléltetésére elkészítettük a medenceszárny energia felhasználásának ideális eloszlását a különböző energiaforrások között. Ideális eseten itt azt az állapotot értjük, 11

12 mikor a szállítás során fellépő hő veszteséget nem vesszük figyelembe. Ezt természetesen sosem valósíthatjuk meg, viszont a változtatásokat megtéve közelebb kerülhetünk hozzá. (15. ábra) Ugyanakkor azáltal, hogy megpróbáljuk a hatásfokot növelni, a költségeket is tovább tudjuk csökkenteni. (16.ábra) 15. ábra Ideális energiaeloszlás Lehetőségek 16. ábra Spórolt pénz Veszteségek Ft Ft Ft Ft Ft 12% 18% Ft Ft Ft Villamosenergia Gáz égési energiája Napenergia Ft Ft Ft 70% Ft 0 Ft május július szeptember Energiaeloszlás a hidegebb hónapokban Projektünk első eredményeként az iskola vezetése felfigyelt a padlástéri hőszigetelés 17. ábra hiányosságaira és megkezdte szakszerű pótlását.(17. ábra) Várakozásaink szerint ezek az intézkedések csökkentik a rossz szigetelésből adódó veszteségeket. Ennek bizonyítására méréseket végeztünk az utóbbi (hidegebb) hónapokban. Mint azt a diagramokból is látjuk, a veszteségek mértékének aránya csökkent. A leghidegebb hónapokban (december, január) a napsütéses órák számának és a külső hőmérséklet csökkenése miatt az amúgy is csekély termelt energia nagyobb mértékben adódik le a környezetnek. ( ábra) 3,29 Energiaeloszlás 2,29 1,29 Tanuszoda kiszolgálóegysége Veszteség Medencetér GJ Termelt hőenergia és veszteség a hidegebb hónapokban 18. ábra 19. ábra 15,72 2,62 7,13 0,38 2,3 1,45 2,3 0,71 október november december január 12 Termelt hőenergia Veszteség

13 5.11. Mérési eszközeink Méréseinkhez nagyrész a Fourier Systems MultiLogPro (20. ábra) nevű eszközét használtuk, amely egy többfunkciós adatrögzítő, mérőműszer. Egyidejűleg több különböző mérést folytathattunk, a megfelelő érzékelőket csatlakoztatva. Munkánk során egyszerre több hőmérsékletmérő és egy fényerősségmérő szenzort kellett használnunk. A mért adatokat számítógépre másolva a műszer saját software-e segítségével értékeltük. Ezen kívül áramlásmérőket és szállított energiát mérő műszereket használtunk a keringési rendszer megfigyelésére ( ábra). Ilyen szállított energiát mérő műszerből kettő van beszerelve, egy a padlástéren, egy pedig az uszoda kiszolgáló egységeinél. Így a medencetérre jutó energiát ezen adatokból saját számításaink segítségével ábrázoltuk. Pályázati úton már megnyertük a szükséges harmadik mérőórát, mellyel a későbbiekben alátámaszthatjuk, pontosíthatjuk számításainkat. 20. ábra 21. ábra 22. ábra 13

14 6. Befejezés Dolgozatunk készítése során megismerhettük a természet nyújtotta, kínálkozó lehetőségek egyikét az alternatív energiaforrások hasznosítására. Megértettük, és energetikai szempontból vizsgáltuk iskolánk napkollektoros rendszerét. Munkánkkal hozzá szeretnénk járulni a rendszer tökéletesítéséhez, így reméljük, hogy a javasolt változtatások, kiegészítések a közeljövőben megtörténhetnek. Továbbá folytatni szeretnénk a napkollektorok tanulmányozását és újabb megoldásokat találni hatásfokuk növelésére. 7. Köszönetnyilvánítás Köszönjük a közreműködést mindazoknak, akik tapasztalataikkal, ötleteikkel vagy a témában való jártasságukkal segítették a kutatásunkat, ezáltal hozzájárultak munkánk sikerességéhez. 14

15 8. Felhasznált irodalom Sikó Dezső (2006): A téli napenergia hasznosítása a családi háztartásokban /Szakdolgozat/ Dr. Halász Tibor, Dr. Jurisits József, Dr Szűcs József (2005): Fizika Közép- és emeltszintű érettségire készülőknek, Mozaik Kiadó, 2005, 107.o.-114.o. Armin Themessl Werner Weiss (2007: Napkollektoros berendezések, Cser Könyvkiadó, 2007 Lee Ann Henning (1999): A világegyetem, Park Könyvkiadó, 1999, 48.o.-49.o. Martin Rees (2001): Kozmikus otthonunk, Akkord Kiadó, 2003, 48.o.-55.o. D= bfe b3d97af62cfee