Napkollektoros rendszerek. Gyakorlati tervezési és s kivitelezési ismeretek

Átírás

1 Napkollektoros rendszerek Gyakorlati tervezési és s kivitelezési ismeretek

2 Megújuló energiaforrások Aktív hasznosítás: Fotovilamos áramtermelés (Napelem) Hőenergia előállítás (Napkollektor) Használati-melegvíz készítés Medence fűtés Épületfűtés Egyéb technológiai melegvíz Hűtés

3 A napsugárzás mennyiségi jellemzői Mekkora mennyiségű napsugárzás érkezik Magyarország területére egy év alatt? 1. Körülbelül annyi, ami fedezni tudná Budapest teljes évi energiaszükségletét. 2. Körülbelül annyi, ami fedezni tudná Magyarország teljes évi energiaszükségletét. 3. Több mint 380-szor annyi, mint Magyarország teljes évi energiaszükséglete. (Magyarország területe négyzetkilométer. Egy négyzetméter vízszintes felületre egy év alatt a gyengébb sugárzási adottságú részeken is kb kwh energia érkezik a Napból. A teljes területre tehát összesen kwh = PJ (1 kwh= J). Magyarország egy éves energiafelhasználása kb PJ. Tehát az érkező napsugárzás és az energia-felhasználás aránya: PJ / PJ = 380.)

4 A napsugárzás mennyiségi jellemzői A Nap (fotoszféra) hőmérséklete: 6000 K Sugárzási teljesítménye: 4 x kw Földfelszínre érkező sugárzás: 173 x kw A napsugárzás spektrális megoszlása 0,3-3 µm A Föld keringése a Nap körül

5 A napsugárzás mennyiségi jellemzői A Nappálya

6 A napsugárzás mennyiségi jellemzői A Nap helyzetének jellemzése: Napmagasság Azimut, kelet (-), nyugat (+)

7 A napsugárzás mennyiségi jellemzői Nappálya diagram

8 A napsugárzás mennyiségi jellemzői Nappálya diagram

9 A napsugárzás mennyiségi jellemzői Árnyékolás hatása

10 A napsugárzás mennyiségi jellemzői Magyarország napsugárzási adottságai Magyarország: ~ kwh/m 2.év

11 A napsugárzás mennyiségi jellemzői Vízszintes felületre érkező globális napsugárzás Magyarországon A legnagyobb különbség az országrészek között: 8% Az ország egész területe alkalmas a napenergia gazdaságos hasznosítására!

12 A napsugárzás mennyiségi jellemzői

13 A napsugárzás adottságai 2009 Napi adatok Napsugárzás mérése piranométerrel Budapest, Naplopó Kft. Mérés: 2004-től Adatok: Napi adatok 30 napos átlagolással Havi adatok Átlagos napsugárzás (7 év): 1350 kwh/m 2

14 A napsugárzás adottságai Téli hónap napsugárzása Nyári hónap napsugárzása Derült, borult és változékony nap napsugárzása

15 A napsugárzás adottságai Déli tájolású és 45 -os d őlésszögű felületre érkező globális napsugárzás derült idő esetén Téli és nyári napsugárzás összehasonlítása

16 A napsugárzás mennyiségi jellemzői 50 liter víz 10 C-ról 50 C-ra melegítésének hőszükséglete Déli tájolású, 45 -os dőlésű felületre érkező, és ebből napkollektorokkal hasznosítható napsugárzás havi megoszlása Magyarországon Érkező napsugárzás: Hasznosítható napsugárzás: ~ kwh/(m 2.év) ~ kwh/(m 2.év)

17 A napsugárzás mennyiségi jellemzői Délnyugat / 45 = 93% Délkelet / 30 = 94% Az érkező napsugárzás mennyisége az elnyelőfelület dőlésszöge és tájolása függvényében

18 A napsugárzás mennyiségi jellemzői

19 Napkollektoros rendszerek gazdaságossága Napkollektorok és napelemek összehasonlítása Napkollektoros rendszer: Napkollektor felület: 6 m 2 Maximális teljesítmény: 4,2 kw Bruttó ár kivitelezéssel: Ft Éves hőmennyiség termelés: ~3500 kwh Szolárhő ára: 34 Ft/kWh Megtérülési idő (villamos energia kiváltás): 7,5 év Megtérülési idő (vezetékes földgáz kiváltás): 18,8 év Napelemes rendszer: Napelem felület: 19,8 m 2 Maximális teljesítmény: 2,94 kwp Bruttó ár kivitelezéssel: Ft Éves villamos energia termelés: ~3500 kwh Szoláráram ára: 49 Ft/kWh Megtérülési idő: ~11,6 év

20 A napkollektoros rendszerek általános felépítése Napkollektoros rendszerek csoportosítása A leggyakoribb: Kétkörös, szivattyús, zárt rendszer

21 A napkollektoros rendszerek általános felépítése Kétkörös, szivattyús, zárt rendszer Napkollektorok Tároló Szabályozó Csővezeték rendszer Szoláris szerelési egység Tágulási tartály

22 A napkollektorok A napkollektor feladata: elnyelje a napsugárzást, az elnyelt napsugárzást hőenergiává alakítsa, a keletkezett hőenergiát átadja egy hőhordozó közegnek.

23 A napkollektorok Napkollektorok általános felépítése, főbb részei

24 A napkollektorok A jó napkollektorok titka: szelektív bevonat A szelektív bevonat a hullámhossz függvényében engedi át, vagy veri vissza az elektromágneses sugárzást. A Nap rövid hullámhosszú sugárzását átengedi, azaz elnyeli. Az abszorber lemez hosszú hullámhosszú sugárzását visszaveri, azaz nem engedi át. Nikkelpigmentes alumínium-oxid

25 A napkollektorok hatásfoka A kollektor által leadott hőteljesítmény A napkollektor hatásfoka = A kollektor felületére érkező napsugárzás Q & H = G A Q& V η = Q& H G G A : Az abszorber által elnyelt és hővé alakított napsugárzás Q V : A konvekció, hővezetés és hősugárzás útján létrejövő hőveszteségek. Q V = a 1 T +a 2 T 2 A hőveszteségek arányosak a környezeti levegő és az abszorber közepes hőmérsékletének különbségével. Alacsony hőmérsékletkülönbség esetén az arányosság döntően elsőfokú, magasabb értékeknél viszont mind meghatározóbb a másodfokú arányosság. G A = G τ α = G η 0 G: A kollektor felületére érkező napsugárzás τ: Az üveg fényáteresztő képessége α: Az abszorber elnyelőképessége η 0: Optikai hatásfok (a τ és az α tényezők szorzata) η = Q& G H = G A. Q G V = G η a 0 1 T G a 2 T 2 = η a 0 1 T G a 2 T G G 2 T = G X η =η 0 a1 X a2 G X 2 A hatásfok η 0, a 1 és a 2 megadásával definiálható.

26 A napkollektorok hatásfoka Napkollektorok hatásfokának ábrázolása η =η 0 a1 X a2 G X 2

27 A napkollektorok hatásfoka Napkollektorok energiamérlege Kollektorok energia átalakítási viszonyai átlagos napsugárzás esetén

28 A napkollektorok Napkollektorok Napkollektorok jellemző felületei Síkkollektor Vákuumcsöves kollektor Teljes, bruttó felület: Szabad, besugárzott üvegfelület: Abszorber felület: A kollektor szerkezet teljes befoglaló mérete Az üvegfelület nagysága, ahol a napsugárzás bejut az abszorber lemez felületére A kollektor elnyelőlemezének besugárzott felülete

29 A Napkollektorok napkollektorok A napkollektorok főbb típusai: Lefedés nélküli napkollektorok (szolárszőnyegek) Síkkollektorok Nem szelektív síkkollektorok Szelektív síkkollektorok Vákuumos síkkollektorok Vákuumcsöves kollektorok

30 A Napkollektorok napkollektorok Lefedés nélküli kollektorok Elsősorban medencék fűtésére Soladur S

31 A Napkollektorok napkollektorok Síkkollektorok Nem szelektív síkkollektorok Szelektív síkkollektorok Vákuumos síkkollektorok Szelektív síkkollektor Síkkollektorok általános felépítése Vákuumos síkkollektor

32 A Napkollektorok napkollektorok A síkkollektorok belső csövezése

33 A Napkollektorok napkollektorok Vákuumcsöves napkollektorok A vákuum előnye, hogy kiküszöböli a kollektor házon belül a konvektív hőátadást. Ennek elsősorban akkor van nagyobb jelentősége, ha a hőmérséklet különbség a kollektor és a környezeti levegő között nagy, tehát pl. télen, fűtésrásegítés esetén, vagy akkor, ha a kollektoroknak magas hőmérsékletű közeget kell fűteni. Vákuumcső típusok

34 A Napkollektorok napkollektorok Vákuumcsöves napkollektorok Vákuumcső kollektorok belső csövezése

35 A Napkollektorok napkollektorok Vákuumcsöves napkollektorok Hőcsöves napkollektor (Heat pipe) Forrás: Viessmann

36 A napkollektorok Vákuumcsöves napkollektorok CPC reflektor

37 A napkollektorok Napkollektor típusok összehasonlítása

38 A napkollektorok Napkollektor típusok összehasonlítása? Síkkollektor, vagy vákuumcsöves kollektor?

39 A napkollektorok Forrás: 2,2% 11,4% 4,1% 3,3% 0.7% 12,5%

40 A napkollektorok Vákuumcsöves napkollektorok Szelektív síkkollektorok Efficiency characteristic curves (referring to Absorber area) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 623 (Vaillant VTK 550) 624 (Oertli Sun 3000) 604 (Thermomax Solamax 30 - TDS 300) 603 (Thermomax Solamax 20 - TDS 300) 602 (Thermomax Mazdon 30 - TMA 600S) 601 (Thermomax Mazdon 20 - TMA 600S) 597 (Viessmann Vitosol 250) 589 (Schott ETC 16) 559 (Focus Technology FSCB-20-SS) 534 (Collectra OPC 15 T) 500 (Consolar TUBO 11 CPC) 456 (Hoval Solamax) 414 (Hoval Solkit Mazdon) 404 (Schw eizer Energie Swisspipe 2) 370 (Paradigma CPC 14 Star) Efficiency characteristic curves (referring to Absorber area) 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 613 (Rüesch Terza) 598 (Tecalor TSK 25 S) 595 (Velux CLI U ) 590 (Sun-Systems Synox 9000 si) 588 (Brötje FK 25 R) 585 (Vescal Oertli SKF 225) 584 (Friap Friap 230) 582 (SESOL 2.5 Quick Var 1) 580 (SESOL FK3.8) 579 (Vögelin Aldo 225) 576 (Energiebig ENZX 54) 573 (Stiebel Eltron SOL 25 Plus) 572 (Geo-Tec GSE 2000/TIN) 567 (Winkler VarioSol A) 566 (Winkler VarioSol A-antireflex) 0,0 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 x [m K / W] 0,10 0,12 0,0 0,00 0,02 0,04 0,06 x [m K / W] 0,08 0,10 0,12 Efficiency characteristic curves (referring to Absorber area) 1,0 0,8 0,6 0,4 344 (GreenOneTec VK29) 338 (Viessmann VitoSol 200 D20) 264 (Thermomax Memotron TMO 600) 250 (Microtherm SK-6) 239 (ThermoLUX LUX R) 238 (ThermoLUX LUX R) 221 (AMK SLL-120/50-H) 196 (Sunda SEIDO 5-16) 182 (Sunda SEIDO 1-16) 181 (Sunda SEIDO 2-6) 115 (Schw eizer Energie TTS 2700) 56 (Microtherm SK-6F) Efficiency characteristic curves (referring to Absorber area) 1,0 0,8 0,6 0,4 562 (Teufel u. Schw arz Eurosol) 561 (Sonnenkraft SK 500 N Sunselect) 560 (Ebner P2) 556 (Solarw erk 2.60) 547 (P. Weissb. DW 750 Select) 546 (P. Weissb. DW 580 Standart) 537 (Rosskopf OEKO 3000) 535 (Solarw erk 2.25) 533 (Niklaus Vela Star AR) 532 (Solarenergie Kranmodulk. IDK) 529 (ROTEX Solaris V26) 527 (Ernst Schw eizer AV 23) 521 (Sandler S 03) 0,2 0,2 0,0 0,00 0,02 0,04 0,06 x [m K / W] 0,08 0,10 0,12 0,0 0,00 0,02 0,04 0,06 x [m K / W] 0,08 0,10 0,12 Institut für Solartechnik SPF, Rapperswil, Svájc

41 A napkollektorok Napkollektorok minősítése Európában elfogadott minőség tanúsítás: Solar Keymark

42 A napkollektorok Solar Keymark Vizsgálatok EN szabvány alapján Megbízhatósági, tartóssági teszt Hatásfok, nyomásveszteség vizsgálat Konkrét vizsgálati jegyzőkönyv megnevezése Konkrét, kimért hatásfok Szabad üvegfelületre, Abszorber felületre

43 A napkollektoros rendszerek részei Napkollektorok Napkollektorok tartószerkezetei Szivattyús szerelési egységek Tágulási tartályok Melegvíz-, és puffertárolók Szabályozók Hőcserélők Motoros váltószelepek Légtelenítők Fagyálló folyadék Csővezeték Hőszigetelés

44 Napkollektorok tetőre szerelése Szerelőkeret napkollektorok ferdetetőre szereléséhez

45 Napkollektorok tetőre szerelése Acélcsöves szerelőkeret

46 Napkollektorok tetőre szerelése Cserépléc tetőkampós szerelőkeret

47 Napkollektorok tetőre szerelése Tőcsavaros szerelőkeret

48 Napkollektorok tetőre szerelése Tetőbe integrált beépítés A napkollektorok helyettesítik a tetőhéjalást.

49 Napkollektorok tetőre szerelése Szerelőkeret napkollektorok lapostetőre szereléséhez

50 Napkollektorok tetőre szerelése Normál lapostetős keret Megerősített lapostetős keret (20m-nél magasabb tetőre)

51 Napkollektorok tetőre szerelése Lapostetőre szerelés

52 Napkollektorok tetőre szerelése Lapostetőre szerelés b / a 1,75 2,50 Nappálya diagram

53 Napkollektorok tetőre szerelése Rögzítés: beton súlyokkal

54 Napkollektorok tetőre szerelése Rögzítés: beton súlyokkal (Budaörs)

55 Napkollektorok tetőre szerelése Rögzítés: a vízszigitelés átfúrásával (Ózd)

56 Szoláris szerelési egységek Napkollektor (primer) kör kialakítása

57 Tágulási tartály A tágulási tartály feladata: Biztosítani a hőhordozó közeg térfogatváltozását úgy, hogy a rendszer nyomása csak kis mértékben változzon. A hőtáguláson kívül a gőzképződést is figyelembe kell venni! Nyomásviszonyok: P tart min = p geo + 50 kpa P elő = 0,9 x p hideg

58 Tágulási tartály Méretezés: 1. Meghatározni a rendszer nyomásviszonyait 2. Kiszámolni a teljes rendszer térfogatát 3. Megállapítani a tágulási térfogatot 4. Kiszámolni a tágulási tartály méretét V V = V rendszer V rel A forrás lehetőségét is figyelembevéve: V = V rendszer V rel + V koll t p = 0,9 p max max p elő V A nyomás értékeket abszolút nyomásban kell behelyettesíteni! Kollektorfelület m Tágulási tartály 12 liter 18 liter 24 liter 50 liter 60 liter Közelítő méretek (6 liter/kollektor): Relatív térfogatváltozás Naplopo- Expans.exe

59 Melegvíz Melegvízés puffertárolók és puffertárolók

60 Melegvíz-tárolók Tárolók hőveszteségének csökkentése

61 Melegvíz-tárolók Cirkulációs vezeték helyes bekötése

62 Melegvíz-tárolók Cirkulációs vezeték helyes bekötése termosztatikus keverőszelep alkalmazása esetén

63 Melegvíz-tárolók Tárolók optimális méretének meghatározása Belső hőcserélők felülete: simacsöves hőcserélő: ~0,2 m 2 / kollektor m 2 bordáscsöves hőcserélő: ~0,3-0,4 m 2 / kollektor m 2

64 Puffertárolók

65 Puffertárolók Forrás: HAJDU Zrt.

66 Puffertárolók Külső hőcserélők alkalmazása Forrás: HAJDU Zrt.

67 Külső hőcserélők Külső hőcserélők alkalmazása

68 Külső hőcserélők Lemezes hőcserélők felépítése Hőmérséklet viszonyok a hőcserélőben

69 Külső hőcserélők 55 C 38 C 90 C 79 C W, η=67% 7040 W, η=44% Mekk Elek Hát Izsák

70 Külső hőcserélők

71 Külső hőcserélők Külső hőcserélő méretezése

72 Külső hőcserélők Hőcserélő kiválasztási táblázat High flow Low flow Medence fűtés

73 Külső hőcserélők Hőcserélő rögzítő és bekötő készlet

74 Szabályozók A legegyszerűbb rendszer szabályozása Te Tv

75 Szabályozók Medence fűtő napkollektoros rendszerek szabályozása

76 Szabályozók Két tárolós rendszerek szabályozása Közös szivattyú és váltószelep Két külön szivattyú

77 Szabályozók Összetett rendszerek szabályozása

78 Szabályozók Összetett rendszerek szabályozása

79 Szabályozók Hőérzékelők elhelyezése. Kollektor érzékelőt a kollektorokban erre a célra kialakított érzékelő hüvelybe kell helyezni. Az érzékelő vezeték kiépítését nem szabad a kivitelezéskor elfelejteni, az erősáramú vezetékektől elkülönítve kell vezetni. Tároló érzékelőt a kollektor hőcserélő középső magasságába célszerű elhelyezni.

80 Csővezeték rendszer Csővezeték anyaga: Nagyon magas hőmérséklet! >180C Félkemény és lágy vörösréz cső Hajlítható, rozsdamentes acélcső Kívül horganyzott szénacél cső Nano hőszigetelésű hajlítható rozsdamentes acélcső Csak vörösréz, acél, vagy rozsdamentes acél anyagú cső használható! Műanyag, vagy ötrétegű cső nem!

81 Csővezeték rendszer Csővezeték átvezetése a tetőhéjaláson: Szellőző cserép

82 Csővezeték rendszer Párhuzamos kapcsolás Soros kapcsolás

83 Csővezeték rendszer Tichelmann kapcsolás (azonos csővezeték hossz - azonos áramlási sebesség)

84 Csővezeték rendszer Úgyeljünk a hőtágulásokra!

85 Csővezeték rendszer Lehetőleg könnyen ürülős rendszereket készítsünk!

86 Csővezeték rendszer A hidraulikai méretezés célja: Biztosítani a napkollektor körben a kívánt térfogatáramot 1. A térfogatáram meghatározása: High Flow: ~30 l/m 2.h Low Flow: ~15 l/m 2.h Q = c m& T T = Q c m& Q [W ] c = 1,16 Wh /( kg K) m& T [ kg / h l / h] = T E T V [K] Hőmérséklet különbség 550W/m 2 napkollektor teljesítménynél: High Flow: ~30 l/m 2.h dt=550/(1,16 x 30)=15,8 K pl. 15 C-ról 30,8 C Low Flow: ~15 l/m 2.h dt=550/(1,16 x 15)=31,6 K pl. 15 C-ról 46,6 C

87 Csővezeték rendszer A hidraulikai méretezés célja: Biztosítani a napkollektor körben a kívánt térfogatáramot Feladat: kiszámítani a teljes rendszer ellenállását, kiválasztani a keringető szivattyút Rendszerellenállás összetevői: Kollektorok Csővezeték Légtelenítők Tárolók belső hőcserélői Külső hőcserélők Váltószelepek Szabályozószelepek Visszacsapószelepek Térfogatárammérők Be-, és kiömlések tartályba Szennyfogó szűrők

88 Csővezeték rendszer Hogyan méretezzük a csővezetéket? S a fajlagos nyomásveszteség javasolt értéke: Pa/m S : egyenes csővezeték fajlagos nyomásvesztesége

89 Csővezeték rendszer hőszigetelése?

90 Csővezeték hőszigetelésének méretezése

91 Csővezeték hőszigetelésének méretezése

92 Csővezeték hőszigetelésének méretezése

93 Csővezeték rendszer hőszigetelése A napkollektor köri csővezetéket teljes terjedelemben hőszigetelni kell! Magas hőmérséklet! A hagyományos szigetelés leolvad! Alkalmazható szigetelések: Hőálló szintetikus kaucsuk Kőzet, vagy üveggyapot

94 Csővezeték hőszigetelése Kültéri csővezeték hőszigetelését védeni kell a napsugárzástól és a madaraktól, rágcsáló állatoktól! UV álló festék Fémlemez, vagy alumínium bevonatos műanyag lemez burkolat! Fémszál erősítésű szövet burkolat

95 Csővezeték hőszigetelése Kültéri csővezeték hőszigetelését védeni kell a napsugárzástól és a madaraktól, rágcsáló állatoktól!

96 Csővezeték hőszigetelése Kültéri csővezeték hőszigetelését védeni kell a napsugárzástól és a madaraktól, rágcsáló állatoktól!

97 Csővezeték hőszigetelése Kültéri csővezeték hőszigetelését védeni kell a napsugárzástól és a madaraktól, rágcsáló állatoktól!

98 Motoros váltószelepek Honeywell VC típ. szelep First motoros szelepek Szelepek nyomásvesztesége: V& p = K V [ bar] V &, térfogatáram a szelepen : 2 [ m 3 / h]

99 Termosztatikus keverőszelepek

100 Légtelenítés Hatékony légtelenítés: Abszorpciós légtelenítők

101 Légtelenítés Hatékony légtelenítés: Abszorpciós légtelenítők Spirovent Flamcovent

102 Fagyálló hőátadó folyadék Csak nem mérgező, anyag használható! Propilénglikol Etilénglikol Víztől eltérő tulajdonságok! Alacsonyabb fajhő, Nagyobb sűrűség. Magasabb viszkozitás. Fagyáspont Sűrűség Fajlagos hőkapacitás Dinamikai viszkozitás

103 Fagyálló hőátadó folyadék Frigosolar ~180 C-ig Síkkollektoros rendszerekhez 5, 10 és 50 literes kiszerelés Koncentrátum! Innosolar Basic ~210 C-ig Síkkollektoros és vákuumcsöves rendszerekhez is. 5 és 20 literes kiszerelés Készre kevert! Innosolar HT ~265 C-ig Elsősorban vákuumcsöves rendszerekhez. 5 és 20 literes kiszerelés Készre kevert!

104 Fagyálló hőátadó folyadék Fagyálló folyadék és vízminőség ellenőrzése Fagyáspont: Refraktométer ph érték: Indikátorpapír Vízkeménység: pl. Aquarapid

105 Feltöltés fagyálló folyadékkal QuickFill FillJet