NAPENERGIA TERMIKUS ÉS FOTOVILLAMOS HASZNOSÍTÁSA INNOVÁCIÓK AZ EU-BAN

Átírás

1 NAPENERGIA TERMIKUS ÉS FOTOVILLAMOS HASZNOSÍTÁSA INNOVÁCIÓK AZ EU-BAN SZENT ISTVÁN EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR KÖRNYEZETIPARI RENDSZEREK INTÉZET Fizika és Folyamatirányítási Tanszék 2103 Gödöllő Páter K. u. 1. Tel: (06-28) Fax: (06-28) Farkas István, DSc egyetemi tanár, intézetigazgató 1/65

2 2/65 TARTALOM Bevezetés Napsugárzási viszonyok Fototermikus rendszerek Fotovillamos rendszerek Integrált energetikai/technológiai rendszerek Referenciák Szoláris potenciál

3 3/65 BEVEZETÉS Az energiatermeléshez kapcsolódó környezeti problémák Az energiaszektor szerepe az üvegházhatású gázok kibocsátásában Energiaintenzitás nemzetközi összehasonlításban A napenergia helye a megújuló energiaforrások között A megújuló energiák és az Európai Unió energiapolitikája

4 A napsugárzás spektrális eloszlása a hullámhossz függvényében O 3 abszorpció NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (1/13) Sugárzási intenzitás, kw/m 2 m 2,0 1,5 1,0 0,5 Látható fény Intenzitás a légkör határán Átlagos sugárzásszint a földfelszínen Szórt sugárzás A szóródás miatti veszteség H O abszorbció 2 CO abszorbció 2 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Hullámhossz, m 4/65

5 Intenzitáshányad 5/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (2/13) A napmagasság hatása a napsugárzás intenzitására 0,8 0,6 0,4 0, Napmagasság, fok

6 Napmagasság, fok NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (3/13) A napmagasság alakulása az idő függvényében 80 Hónapok J, J M, A Á, SZ M, O F, N J, D Idő, óra 6/65

7 7/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (4/13) A homályosság számszerűsítésre alkalmazott mérőszám tipikus értékei: tiszta idő, derült nap 2; hegyvidéki területek 2,8; falu 3,5; város 4; ipari területek 5. A visszaverődés mértékét kifejező számot albedonak nevezzük. Értéke néhány tipikus felszíni lefedés esetén a következő: friss hó 0,84; kavics, durva homok 0,15; erdő 0,05-0,18; földfelszín átlagos 0,42.

8 8/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (5/13) A földfelszínre jutó napsugárzás alakulása Napállandó: W/m 2 Visszaverődés: ~100 W/m 2 A légkör határa Elnyelés a légkörben: ~250 W/m 2 direkt szórt A földfelszínt elérő sugárzás max.: ~1.000 W/m 2

9 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (6/13) A teljes napsugárzás évi átlagos összege Magyarországon MJ/m 2 -ben 17 o 18 o 19 o o Miskolc 4500 Móvár Budapest Debrecen o Szeged 46 o Pécs o 21 o 22 o 9/65

10 10/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (7/13) Az évi átlagos napsütéses órák száma Magyarországon 17 o 18 o 19 o o Miskolc Móvár Budapest 2000 Debrecen 47 o 46 o Pécs Szeged o 21 o 22 o

11 11/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (8/13) Budapesten vízszintes felületre naponta és havonta érkező átlagos napsugárzás Hónap Átlagos besugárzás, kwh/m 2 nap Összes besugárzás, kwh/m 2 hó Január 0, Február 1, Március 2, Április 4, Május 5, Június 5, Július 5, Augusztus 4, Szeptember 3, Október 2, November 0, December 0, Évi összes: 1.164

12 12/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (9/13) Budapesten havonta lehetséges és tényleges napsütéses órák száma és aránya Hónap Lehetséges, óra/hó Tényleges, óra/hó % Január Február Március Április Május Június Július Augusztus Szeptember Október November December Évi összes:

13 13/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (10/13) Budapestre vonatkozó globálsugárzási adatok (derült napra), W/m 2 -ben Hónap Óraköz

14 14/65 Budapestre vonatkozó globálsugárzási adatok (borult napra), W/m 2 -ben Óraköz NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (11/13) Hónap

15 15/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (12/13) Az elnyelőfelület geometriai viszonyai I A felület normálisa m ß 90 o - DÉL Horizontsík a

16 16/65 NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK (13/13) Budapestre, déli tájolású elnyelő felület esetén néhány tipikus β-érték a következő: téli üzem (decembertől februárig) nyári üzem (júniustól augusztusig) egész éves üzem 76,2, 18,5, 43,5.

17 17/65 A NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS FŐ MÓDJAI termikus napenergia-hasznosítás (napkollektor) fotovillamos napenergia-hasznosítás (napelem) passzív napenergia-hasznosítás

18 18/65 A TERMIKUS NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS SÉMÁJA Melegvíz fogyasztók Napkollektor Tápvíz Szivattyú Tároló tartály

19 19/65 A FOTOVILLAMOS NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS SÉMÁJA Fotovillamos panel Kisfeszültségű fogyasztók Töltésszabályozó Inverter =12V/~230V Hálózati fogyasztók Tároló akkumulátor

20 20/65 FOTOTERMIKUS RENDSZEREK Az aktív termikus hasznosítás elemei Technológiai melegvíz készítése Egyéb alkalmazások

21 21/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (1/9) Mivel az érkező, viszonylag "híg" energia általában kevés a koncentrált felhasználásra, ezért valamennyi fototermikus berendezésre érvényes, hogy: a sugárzás felfogására viszonylag nagy hasznosító felület szükséges, a nagy felület elhelyezése főként a tájolás és az árnyékmentesség miatt figyelmet igényel, a beérkező sugárzást optikai eszközökkel megsokszorozhatjuk, napkövető rendszerek alkalmazása.

22 22/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (2/9) Fedetlen elnyelő medencevíz melegítésére Tetőre fektetett kivitel EPDM szőnyeg Melegvíz Hidegvíz

23 23/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (3/9) Dobozos kollektor metszete Fényáteresztő fedés Elnyelőlemez (abszorber) Hőszigetelés Csővezeték Burkolat

24 24/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (4/9) Osztó-gyűjtős sík-kollektor

25 25/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (5/9) A hatásfokot kétféle veszteség befolyásolja: optikai veszteség, amely a lefedés visszaverő és áteresztő képességétől és az elnyelőlemez abszorpciós képességétől függ, ez az optikai veszteség független a napkollektor és a környezet hőmérsékletétől; hőveszteség, amely a napkollektor és a környezet hőmérséklete közötti különbségtől függ. A hatásfokot általában relativ X=(t koll -t körny )/I glob változó függvényében ábrázoljuk.

26 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (6/9) Hatásfokdiagram 1 0,8 0,6 0,4 0, ,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 X, m 2 K/W 26/65

27 27/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (7/9) Hatásfokdiagram különböző sugárzási (I, W/m2) értékek mellett 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 I k =1.000 I k =600 I k =800 I I =400 k =200 k (T k -T a ), K

28 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (8/9) Különböző típusú napkollektorok jellemző hatásfokgörbéi 1. Lefedés nélküli sík-kollektor 2. Nem szelektív sík-kollektor 3. Szelektív sík-kollektor 4. Vákuumos sík-kollektor 5. Vákuumcsöves kollektor 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0, X, m 2 K/W 28/65

29 29/65 AZ AKTÍV TERMIKUS HASZNOSÍTÁS ELEMEI (9/9) Szoláris hőtárolók a. Fûtõköpenyes b. Csõkígyós Meleg víz Meleg víz Kiegészítõ fûtés Kollektorba Hidegvíz Cirkuláció Kollektorból Kiegészítõ fûtés Hideg víz Kazánból Kazánba Kollektorból Kollektorba Leeresztõ csonk

30 30/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (1/8) Szoláris kisberendezés előregyártott elemekből 1 Napkollektor Szivattyúegység 2 Automatika 3 4 Meleg víz Hõcserélõs tároló Hideg víz

31 31/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (2/8) A szoláris berendezés tervezése a következő fő lépésekből áll: melegvíz-szükséglet, energiaigény megállapítása, kollektorfelület meghatározása, tárolótérfogat meghatározása, hőcserélő mérete, csőátmérők meghatározása a szolár-körben, keringtető szivattyú teljesítményének meghatározása, kiválasztása, tágulási tartály térfogatának meghatározása, kiválasztása

32 32/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (3/8) Az átlagos napi melegvíz szükséglete literben: V = n V 1 ahol: n - a melegvizet felhasználó személyek száma, - a személyenkénti melegvíz fogyasztás [liter/nap], V 1 V 1 értékére napi literben mért fogyasztásra a következő értékek vehetők alapul: - magas igények: , - átlagos igények: 40-60, - alacsony igények esetén: A szükséges tárolókapacitás literben: V t = (1,3-1,7) V

33 33/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (4/8) Az igényelt melegvíz előállításához szükséges hőmennyiség [Wh/nap]-ban: Q = 1,1 c ρ V (t m t h ) ahol: c ρ t h t m - 1,16 Wh/kgK a víz fajhője, - 1 kg/l a víz sűrűsége, - 15 C a hálózati hidegvíz hőmérséklete, C a tárolt melegvíz tervezett hőmérséklete.

34 34/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (5/8) Átlagos összsugárzás vízszintes felületen Magyarországon Hónap I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Wh/m 2, nap 1,00 1,77 2,72 4,08 5,14 5,69 5,71 5,10 3,91 2,51 1,02 0,76 A felhőzet átlagos aránya Magyarországon Hónap I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Felhőzet, % A nyári félévben hasznosítható hőmennyiség átlagos értéke: Q nyár ~ 2,8 kwh/m 2 nap A téli félévben hasznosítható hőmennyiség átlagos értéke: Q tél ~ 1,1 kwh/m 2 nap

35 35/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (6/8) A napkollektoros rendszert úgy célszerű méretezni, hogy átlagos nyári napon a szükséges melegvíz mennyiséget 100 %-ban előállítsa. Ennek megfelelően a szükséges kollektorfelület [m 2 ]-ben: F k = 1,2 Q / (k Q nyár ) ahol: 1,2 - a külső veszteségeket és a meteorológiai ingadozásokat figyelembe vevő tényező, k - a tájolás és a dőlésszög hatását figyelembe vevő hatásossági tényező.

36 Hatásosság, % TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (7/8) A napkollektor hatásossága a tájolás és a dőlésszög függvényében /- 45 +/- 60 +/- 90 Tájolás Dél = 0 +/- 15 +/- 30 Vízsz Függ. 90 Dőlésszög, 36/65

37 37/65 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ KÉSZÍTÉSE (8/8) Kollektorok összekötése

38 38/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (1/6) Közvetlen hasznosítású gravitációs berendezés

39 39/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (2/6) Monoblokk vízmelegítő berendezés Elektromos Hőszigetelés pótfűtés Tartály Burkolat Hidegvíz Melegvíz Kollektor

40 40/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (3/6) Nyaralók temperálása napkollektorokkal KollektormezQ Temperáló Hálózat Fűtő szolártároló Meleg víz Hideg víz

41 41/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (4/6) Úszómedence fűtésének elvi vázlata Abszorber szőnyeg Automatika Medence Szűrő Kiegészítő fűtés

42 42/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (5/6) Levegős munkaközegű berendezés Nyári üzem Gyűjtő csatorna Ventillátor Befúvó csatorna Levegő belépés

43 43/65 EGYÉB ALKALMAZÁSOK (6/6) Levegős, kőágyas napkollektoros szárítóberendezés Kollektormezõ Levegõ-visszaszívás Levegõbefúvás a szárító helyiségbe Kõtároló Utófûtõ kazán Ventilátor

44 44/65 FOTOVILLAMOS RENDSZEREK a fotovillamos napenergia-hasznosítás alapjai napelem technológiák és jellemzőik fotovillamos modulok és generátorok fotovillamos energiaellátó rendszerek koncepciói

45 45/65 Integrált szoláris energetikai/technológiai rendszer W G M - Interface egység - Meteorológiai állomás - Vizes kollektor - Tároló tartály - Növényház - Átkapcsoló - Napelem mező - Akkumulátor - Levegős kollektor - Szárító - Transzparent szigetelés C I S B PV T I A D

46 46/34 46/65 REFERENCIÁK : Moduláris felépítésű szoláris szárító (Gödöllő, 1996)

47 47/34 47/65 REFERENCIÁK : Transzparens szigetelésű fal (Gödöllő, 1996)

48 48/34 48/65 REFERENCIÁK : Napkollektoros úszómedence (Gödöllő, 2000)

49 49/34 49/65 REFERENCIÁK : Családi ház napkollektorral (Gödöllő, 2000)

50 50/34 50/65 REFERENCIÁK : Napkollektoros növényházi fűtés kiegészítés (Gödöllő, 2001)

51 51/65 REFERENCIÁK : Koncentrátoros naperőmű (Almeria, Spanyolország, 2002)

52 A kollektormező csövezése 52/65

53 Mozgató mechanizmus 53/65

54 Tároló tartály 54/65

55 55/65 T ref Robosztus blokk m T ref ~ M -1. v T amb T in I Kollektor mező T amb T in I Modell hiba T out Modell (M) m T out Fototermikus naperőmű irányítási algoritmus

56 56/65 REFERENCIÁK: 10 kw-os hálózatra kapcsolt fotovillamos rendszer (Gödöllő, 2005)

57 A SZIE 10 kw-os PV ERŐMŰ MONITOROZÓ TÁBLA: 57/65

58 58/65 REFERENCIÁK: Hordozható fotovillamos berendezés (Gödöllő, 2006)

59 59/65 Szoláris termikus potenciál A napkollektorok segítségével történő aktív napenergia-hasznosításra alkalmas felület a következő évtizedben 32,25 millió m 2. Magyarország teljes aktív szoláris termikus potenciálja: 48,815 PJ/év. Szoláris termikus potenciál a mezőgazdaságban három fő területen (a növényházi fűtést, a szoláris szárítást és a technológiai melegvíz készítését) való napenergiahasznosítást tesz lehetővé, a mezőgazdasági termelés hőigényeit kielégítve. Ez a szoláris potenciál összesen: 15,91 PJ/év.

60 Fotovillamos potenciál A fotovillamos rendszerek szabad területeken telepítve erőművi alkalmazásokat szolgálnak, épületek tetőfelületére szerelve vagy épületek homlokzatába integrálva helyi energiaellátásra alkalmazhatók (autonóm, vagy hálózatra kapcsolt üzemmódban). Hazánkban a technikailag kedvezően beépíthető felület: 4051,48 km2 (beleértve a vasutak és autópályák mentén való létesítésre felhasználható területeket is). Figyelembe véve a felületek dőlésszög megoszlását, valamint a napelemek hatásfokát, a teljes fotovillamos energetikai potenciál: 1749 PJ/év. 60/65

61 61/65 Passzív szoláris termikus potenciál A passzív szolár termikus potenciál elsősorban a napenergia építészeti hőhasznosítására felhasználható energia. A szolár-bioklimatikus építészet technikai módszereivel (épületek tájolása, napterek, integrált homlokzati hőelnyelőtároló elemek alkalmazása, kedvező helyiségbeosztás, hőveszteség-csökkentés) hasznosított napenergiával hagyományos energiahordozók takaríthatók meg. Döntően a meglévő épületállomány rekonstrukciójára alapozva, hazánk teljes passzív szoláris termikus potenciálja: 37,8 PJ/év.

62 Környezeti hatások A jelenlegi helyzetet figyelembe véve a napenergiahasznosítás energetikai és környezeti hatásainak értékeléséhez mintegy 300 ezer m 2 napkollektorral és 400 kwp teljesítményű telepített napelemmel számolhatunk. Ezek a számok a napkollektoros rendszerek esetén 450 TJ/év hőenergia-hozamot, illetve 36 ezer tonna olajegyenértéknek megfelelő légszennyeződés-csökkenést jelent. A napelemes rendszerek esetén átlagos adatokkal számolva az előállított villamos energia nagysága 2,05 GJ/év, ami évente 468 t CO 2 -kibocsátás megtakarításával egyenértékű. 62/65

63 TETŐBE INTEGRÁLT NAPKOLLEKTOROS VÍZMELEGÍTŐ 63/65

64 NAPKOLLEKTOROS ÚSZÓMEDENCE 64/65

65 Köszönöm a megtisztelő figyelmet! 65/65