Napenergia-hasznosítás. Kaszás Csilla

Átírás

1 Napenergia-hasznosítás Kaszás Csilla

2 Tartalom 1. Napenergia jellemzői 2. Villamosenergia-termelés napenergiából termikus naperőművek napelemek 3. Hőigények kielégítése napenergiával Passzív napenergia-hasznosítás Aktív napenergia-hasznosítás Hűtés napenergiával

3 1. Napenergia jellemzői Napenergia forrása Felszínre érkező teljesítmény Magyarország adottságai

4 A Naptól a Föld légköréig Nap magjában: fúzió ( C) Nap felszínének hőmérséklete 6000 C Hőterjedés sugárzásos úton

5 Hősugárzás Plank, Stefan-Boltzmann, Wien E(T)= σ T 4 Napállandó: 1360W/m2 Föld légkörére érkező teljesítménysűrűség

6 Egységnyi felületre érkező teljesítmény Évszak, napszak -> Nap állása Felület dőlésszöge, tájolása Befolyásoló tényezők: Tereptárgyak árnyékolása Időjárási viszonyok Szálló por koncentrációja

7 Napsugárzás elméleti rendelkezésre állása

8 Adott felületre érkező sugárzás elméleti értéke Θ: a napsugarak és a felület normálisa által bezárt szög β: felület dőlésszöge γ: felület tájolása a déli irányhoz képest δ: adott naphoz tartozó maximális napállás Φ: szélességi fok

9 Mi az optimális tájolás? Mikor akarjuk használni?

10 Direkt + szórt sugárzás = globálsugárzás Napállandó: 1360 W/m 2

11 Napsugárzás intenzitása a hullámhossz függvényében

12 Globálsugárzás éves összege

13 Napsugárzás jellemzőinek havi alakulása

14 Részletes mérési adatsorok

15 Közvetett napenergia-hasznosítás

16 2. Villamosenergia-termelés Termikus naperőművek Napsugárzást koncentráló típusok Naptó Napkémény Napelemek Működési elve, felépítése Jelleggörbe Hasznosítás köre

17 Torony-típusú naperőmű

18 Torony típusú naperőmű Teljesítmény: Területigény: 0,5-10 MW 4e-80e nm Torony magassága: m Kalifornia

19 Parabola-vályús rendszer

20 Parabola-vályús rendszer Teljesítmény: 0,5-80 MW Felület: 5e-450e nm

21 ORC (Organic Rankine Cycle) munkaközeg : szervesanyag, pl. izobután gőzfejlesztő Gőzturbina Kondenzátor Szivattyú

22 Naperőmű kapcsolási vázlata

23 Parabolatányéros koncentrátor

24 Parabola-tányér Teljesítmény: 7-60 kw Felület: nm

25 Stirling motor

26 Szolár kémény Spanyolország Teljesítmény: 50 kw Magasság: 200m, sugár: 122m

27 Naptó

28 Naptó (Texas) Teljesítmény: 15kW-5MW (70kW) Felület: 1,6-250e nm (3350 nm)

29 Fotovillamos cellák felépítése

30 Fotovillamos energiaátalakítók Félvezető anyagból készül, gyakorlatilag egy dióda Fénysugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává alakítja A fénysugárzás gerjeszti a töltéseket: a becsapódó foton energiájának hatására egy elektron kilép a vegyérték-sávból A gerjesztett, szabad töltések kimozdulnak a helyükről, és az elektromos tér által meghatározott irányba mozognak

31 Rétegek: Si-alapú félvezetők p típusú: bór-szennyezéssel, A bórnak 3 vegyérték-elektronja van, Si (4 vegyérték elektron) atom helyére kerülve egy elektron helye üres marad, azaz ott lyuk jön létre, pozitív-típusú (elektron-hiány). n típusú: Foszforral szennyezett 5 vegyérték-elektronja van, tehát szilíciumhoz képest 1 elektron feleslege van, negatív-típus (elektron-többlet).

32 Napelemek típusai Amorf Hatásfok: 5-7% Viszonylag olcsó Polikristályos 13-15% Monokristályos 14-17% drága

33 Hatásfok (%) Hatásfok monokristályos Si amorf Si nano TiO 2 CuInSe 2 /CuInGaSe CdTe

34 Cella jelleggörbéje

35 Napelemek felépítése

36 Cellák kapcsolása áramerősség Két cella párhuzamosan kapcsolva Egyetlen cella jelleggörbéje Két cella sorosan kapcsolva feszültség

37 Környezeti hatások Hőmérséklet Besugárzás

38 Árnyékolás Egyetlen cella leárnyékolásának hatása a modulra! (sérült cella azonos következményhez vezet)

39 Fotovillamos rendszer

40 Hazai rendszerek Újbudai Önkormányzat

41 Napelem a mindennapi életben

42 Érdemes-e használni? Előnyei Nincs üzemanyagköltség Üzemeltetése biztonságos Üzemeltetéskor nincs károsanyag-kibocsátás Széles körben alkalmazható Energiafüggőséget csökkenti Hátrányai Költséges Gyártása energiaigényes Gyártáskor, leszereléskor veszélyes anyagok Hatásfoka romlik (kb 1%/év)

43 3. Hőigények kielégítése napenergiával Passzív napenergia-hasznosítás Aktív napenergia-hasznosítás

44 Passzív napenergia-hasznosítás Szerkezeti elemekkel napenergia elnyelése, tárolása, hasznosítása (télen) nyáron napsugárzás kizárása, hűtés? Természetes világítás villamos energia megtakarítás Eszközei: Tájolás, alaprajz Üvegezés, sugárzáselnyelő felületek, hőtároló anyagok Hőszigetelés, árnyékolás Minél kisebb felület a térfogathoz képest

45 Üvegházhatás

46 Tájolás É Keleti, nyugati falon minimális üvegfelület!

47 Árnyékvetők, lamellák, Ponyvák, Változó tulajdonságú üvegezés Árnyékolás Nyári napállás Téli napállás

48 Direkt rendszerű passzív napenergiahasznosítás Téli napon Téli éjszaka

49 Trombe fal

50 Elkülönített naptér

51 Ventilláció biztosítása napkéménnyel

52 Természetes megvilágítás Napfény-csövek

53

54 Aktív napenergia hasznosítás külön mechanikus és elektromos berendezések szükségesek hozzá Rendszer felépítése: Elnyelő-szerkezet (kollektor), Tároló, Működtető szerkezetek és hálózat. Rendszer feladata: épületfűtés Használati melegvíz előállítása Medencefűtés Technológiai hőigények kielégítése

55 Napkollektor (!) Feladata: napsugárzás elnyelése, hőátadás a közvetítőközegnek. Felépítése: Hőszigetelés, tokozás fényáteresztő borító abszorber bevezetés hőhordozó közeg csővezetéke kivezetés

56 Napkollektor veszteségei

57 Abszorber (!) az érkező sugárzás lehető legnagyobb részét elnyelje Lehetséges megoldások: Abszorberre érkező sugárzás növelése Lefedés tükröződésének csökkentése Lefedés elnyelésének csökkentése (vas-mentes üveg) Abszorber tükröződésének csökkentése Abszorber elnyelésének növelése (króm-oxid) Abszorber hőveszteségének csökkentése Emisszió csökkentése Konvekciós veszteség csökkentése (vákuum)

58 Abszorber Reflexiós tényező változtatása (Többrétegű) szelektív bevonat Mikrostruktúra kialakítása

59 Napkollektor lefedése (!) mechanikai védelem, az abszorber és a külső tér közötti hőszigetelés, a napsugárzás áteresztése a lehető legkisebb veszteséggel, az abszorber hosszúhullámú sugárzása által létrejövő hőveszteség csökkentése Okozott veszteség: Reflexió (beesési szög, anyag törésmutatója) Elnyelés (anyag, vastagság)

60 Hőhordozó közeg Víz: Egyszerű hozzájutni Jó hővezető Ártalmatlan csak C-ig alkalmazható (1 bar nyomáson) Fagyálló Levegő

61 Napkollektorok kapcsolása osztó-gyűjtős csőkígyós vegyes

62 Vákumcsöves napkollektor Szimpla vagy dupla üvegfal Abszorber alakja változatos lehet

63 Vákuumcsöves kollektor hőátadás Közvetítőközeg: víz/fagyálló folyadék Fázisváltó közvetítőközeg kondenzáció forrás U-csöves koaxiális Hőcső (Heat-pipe)

64 Sugárzás-koncentrátor

65 Napkollektorok hatásfoka η: a kollektor hatásfoka η o : a kollektor optikai hatásfoka a 1 : az elsőfokú hőveszteségi együttható a 2 : a másodfokú hőveszteségi együttható ΔT: hőmérsékletkülönbség ΔT=(t koll t lev ) t koll : kollektor közepes hőmérséklete t koll =(t ki + t be )/2 t ki : a kollektorból kilépő közeg hőmérséklete t be : a kollektorba belépő közeg hőmérséklete t lev : a környezeti levegő hőmérséklete G: a kollektor felületére érkező globális napsugárzás

66 Napkollektor jelleggörbéje

67 Napkollektorok típusai Lefedés nélküli (sík) Lefedéses síkkollektor vákuumcsöves sima (vákuumos)

68 Kollektor-jelleggörbék Bitai András

69 Termoszifon - passzív

70 Egykörös és kétkörös rendszer

71 Kétkörös napkollektor-rendszer kiegészítő fűtéssel

72 Működtető szerkezetek Keringető rendszerek, hőcsere rendszere, szabályozás, biztonsági berendezések.

73 60 lakásos társasház napkollektor tető, hmv előállítás Zalaegerszeg, Dél hercegnője Matyéka

74 Szezonalitás problémája (havi hőigény - egységnyi felületre érkező napenergia)

75 Szezonális tároló lehetősége A ház térfogatának megfelelő melegvíz-tartály Fél méter vastag szigetelés Megtérülési ideje nagy

76 Napenergia mezőgazdasági hasznosítása Hajtató-házak üzemeltetése (fóliasátrak) Terményszárítás Technológiai melegvíz

77 Terményszárítás Cél: tartósítás Napenergia hasznosítás indokai: Nincs tüzelőanyag-költség Tiszta Időszakok (igény és kínálat) egybeesnek Szárítási hőmérséklet igény megfelel az elérhetőnek

78 Tálcás kéményes töltetes szárító Imre László

79 Napenergia hasznosítása hűtésre (választható tárgyas kollégáknak részletek csak az érdekesség kedvéért) Napelemmel hajtott kompresszoros hűtő Abszorpciós hűtés napenergiával

80 Kompresszoros hűtő-körfolyamat magas hőmérsékletű közeg m1 2 hőleadás Q m m2 C 1 hajtás F GK P H E 3 4 hőfelvétel Q a a2 a1 alacsony hőmérsékletű közeg

81 Kompresszoros hűtőgép A kompresszoros hűtőgép (hőszivattyú) munkaközege valamilyen hűtőközeg: R717 (ammónia), klórmentes R134/a (tetrafluor-etán, CH 2 FCF 3 ), R290 (propán). A korábban széles körben használt freon (R12) károsítja az ózonréteget, ezért ma már nem használható. A hűtőgép (hőszivattyú) berendezései: elpárologtató (E), kondenzátor (C), villamos hajtású kompresszor (GK) és fojtószelep (F). Az egykomponensű, kétfázisú munkaközeges hűtő-körfolyamatnál a hőfelvétel izotermikus, a hőleadás közel izotermikus. A hűtött közeg (általában levegő) T a2 hőmérsékletről T a1 hőmérsékletre lehűl, s hőjével elpárologtatja a kisebb nyomású (p 3 p 4 ) munkaközeget (3-4).

82 levegő Abszorpciós hűtőgép kihajtó Hűtőközeg (vízgőz) Hűtővíz hűtőtorony p f kondenzátor Fűtővíz Hűtővíz C 27 C Hűtőközeg (vízgőz) fojtószelep Hűtővíz 27 C abszorber V p a elgőzölögtető C 6 C Fogyasztók légtere H2o + LiBr-oldat

83 Abszorpciós hűtőgép Az abszorpciós hűtőgépnél a villamos hajtású kompresszort termokémiai kompresszor helyettesíti, aminek elemei: abszorber (oldó), kihajtó (deszorber) az oldatot keringtető szivattyú (SZ). A hűtőgép további elemei (kondenzátor, elgőzölögtető és fojtószelep) változatlanok. Az abszorpciós hűtőgépet általában ott alkalmazzák, ahol nyáron a hatékony kapcsolt energiatermelés hőteljesítménye biztosítja a hűtő munkaközeg kompresszióját. Az abszorpciós hűtőgép hűtő munkaközege vízgőz, a termokémiai kompresszort lítium-bromid (korábban ammónia) vizes oldata működteti.

84 Működés Az elgőzölögtető köpenyterében a kisebb nyomású (p a ) vízgőz elpárolog, miközben csőterében a fogyasztók légterének levegőjét hűtő hűtővíz lehűl. A vízgőz hűtő-munkaközeg az abszorberbe kerül, ahol kondenzálódik, és a folyadékfázisú víz LiBr koncentrációja kisebb hőmérsékleten való nagyobb oldódása következtében jelentősen megnő. A kis hőmérsékletű, nagy koncentrációjú LiBr vizes oldat nyomását (p f + p) a szivattyú megnöveli, és a regeneratív hőcserélőn (kis hőmérsékletű, nagy LiBr koncentrációjú vizes oldat felmelegszik, ill. a nagy hőmérsékletű, kis LiBr koncentrációjú vizes oldat lehűl) keresztül a kihajtóba szállítja. A kihajtóban a hatékony kapcsolt energiatermelő berendezés által biztosított o C hőmérsékletű fűtővíz felmelegíti, elpárologtatja a vizes oldatot, és a nagyobb nyomású (p f ) vízgőz a hűtőgép kondenzátorába kerül, ahol kondenzálódik. A vízgőzben a nem illékony (δ<<1) LiBr koncentrációja minimális, ezért döntő része folyadékfázisban marad, és a regeneratív hőcserélőn keresztül visszakerül az abszorberbe. A hűtő-körfolyamatot a fojtószelep zárja, ahol a kondenzátor p f nyomása az elgőzölögtető p a nyomására csökken. Az abszorber és a kondenzátor hűtővizét hűtőtoronyban a levegő hűti le.

85 Köszönöm a figyelmet.