Napkollektoros rendszerek Gyakorlati tervezési és s kivitelezési ismeretek
Megújuló energiaforrások Aktív hasznosítás: Fotovilamos áramtermelés (Napelem) Hőenergia előállítás (Napkollektor) Használati-melegvíz készítés Medence fűtés Épületfűtés Egyéb technológiai melegvíz Hűtés
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 93.030 négyzetkilométer. Egy négyzetméter vízszintes felületre egy év alatt a gyengébb sugárzási adottságú részeken is kb. 1.250 kwh energia érkezik a Napból. A teljes területre tehát összesen 116.287.500.000.000 kwh = 418.635 PJ (1 kwh= 3.600.000 J). Magyarország egy éves energiafelhasználása kb. 1.100 PJ. Tehát az érkező napsugárzás és az energia-felhasználás aránya: 418.635 PJ / 1.100 PJ = 380.)
A napsugárzás mennyiségi jellemzői A Nap (fotoszféra) hőmérséklete: 6000 K Sugárzási teljesítménye: 4 x 10 23 kw Földfelszínre érkező sugárzás: 173 x 10 12 kw A napsugárzás spektrális megoszlása 0,3-3 µm A Föld keringése a Nap körül
A napsugárzás mennyiségi jellemzői A Nappálya
A napsugárzás mennyiségi jellemzői A Nap helyzetének jellemzése: Napmagasság Azimut, kelet (-), nyugat (+)
A napsugárzás mennyiségi jellemzői Nappálya diagram
A napsugárzás mennyiségi jellemzői Nappálya diagram
A napsugárzás mennyiségi jellemzői Árnyékolás hatása
A napsugárzás mennyiségi jellemzői Magyarország napsugárzási adottságai Magyarország: ~1300-1400 kwh/m 2.év
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!
A napsugárzás mennyiségi jellemzői
A napsugárzás adottságai 2009 Napi adatok Napsugárzás mérése piranométerrel Budapest, Naplopó Kft. Mérés: 2004-től Adatok: www.naplopo.hu Napi adatok 30 napos átlagolással Havi adatok Átlagos napsugárzás (7 év): 1350 kwh/m 2
A napsugárzás adottságai Téli hónap napsugárzása Nyári hónap napsugárzása Derült, borult és változékony nap napsugárzása
A napsugárzás adottságai Déli tájolású és 45 -os d őlésszögű felületre érkező globális napsugárzás derült idő esetén Téli és nyári napsugárzás összehasonlítása
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: ~1300-1400 kwh/(m 2.év) ~550-600 kwh/(m 2.év)
A napsugárzás mennyiségi jellemzői Délnyugat / 45 = 93% Délkelet / 30 = 94% Az érkező napsugárzás mennyisége az elnyelőfelület dőlésszöge és tájolása függvényében
A napsugárzás mennyiségi jellemzői
Napkollektoros rendszerek gazdaságossága Napkollektorok és napelemek összehasonlítása Napkollektoros rendszer: Napkollektor felület: 6 m 2 Maximális teljesítmény: 4,2 kw Bruttó ár kivitelezéssel: 1 200 000 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: 1 800 000 Ft Éves villamos energia termelés: ~3500 kwh Szoláráram ára: 49 Ft/kWh Megtérülési idő: ~11,6 év
A napkollektoros rendszerek általános felépítése Napkollektoros rendszerek csoportosítása A leggyakoribb: Kétkörös, szivattyús, zárt rendszer
A napkollektoros rendszerek általános felépítése Kétkörös, szivattyús, zárt rendszer Napkollektorok Tároló Szabályozó Csővezeték rendszer Szoláris szerelési egység Tágulási tartály
A napkollektorok A napkollektor feladata: elnyelje a napsugárzást, az elnyelt napsugárzást hőenergiává alakítsa, a keletkezett hőenergiát átadja egy hőhordozó közegnek.
A napkollektorok Napkollektorok általános felépítése, főbb részei
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
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.
A napkollektorok hatásfoka Napkollektorok hatásfokának ábrázolása η =η 0 a1 X a2 G X 2
A napkollektorok hatásfoka Napkollektorok energiamérlege Kollektorok energia átalakítási viszonyai átlagos napsugárzás esetén
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
A Napkollektorok napkollektorok A napkollektorok főbb típusai: Lefedés nélküli napkollektorok (szolárszőnyegek) Síkkollektorok Nem szelektív síkkollektorok Szelektív síkkollektorok Vákuumos síkkollektorok Vákuumcsöves kollektorok
A Napkollektorok napkollektorok Lefedés nélküli kollektorok Elsősorban medencék fűtésére Soladur S
A Napkollektorok napkollektorok Síkkollektorok Nem szelektív síkkollektorok Szelektív síkkollektorok Vákuumos síkkollektorok Szelektív síkkollektor Síkkollektorok általános felépítése Vákuumos síkkollektor
A Napkollektorok napkollektorok A síkkollektorok belső csövezése
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
A Napkollektorok napkollektorok Vákuumcsöves napkollektorok Vákuumcső kollektorok belső csövezése
A Napkollektorok napkollektorok Vákuumcsöves napkollektorok Hőcsöves napkollektor (Heat pipe) Forrás: Viessmann
A napkollektorok Vákuumcsöves napkollektorok CPC reflektor
A napkollektorok Napkollektor típusok összehasonlítása
A napkollektorok Napkollektor típusok összehasonlítása? Síkkollektor, vagy vákuumcsöves kollektor?
A napkollektorok Forrás: 2,2% 11,4% 4,1% 3,3% 0.7% 12,5% www.estif.org
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 U10 2000) 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 2000-6R) 238 (ThermoLUX LUX 2000-5R) 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, www.spf.ch Rapperswil, Svájc
A napkollektorok Napkollektorok minősítése Európában elfogadott minőség tanúsítás: Solar Keymark www.solarkeymark.org www.estif.org/solarkeymark
A napkollektorok Solar Keymark Vizsgálatok EN 12975 szabvány alapján Megbízhatósági, tartóssági teszt Hatásfok, nyomásveszteség vizsgálat Konkrét vizsgálati jegyzőkönyv megnevezése Konkrét, kimért hatásfok Szabad üvegfelületre, Abszorber felületre
A napkollektoros rendszerek részei Napkollektorok Napkollektorok tartószerkezetei Szivattyús szerelési egységek Tágulási tartályok Melegvíz-, és puffertárolók Szabályozók Hőcserélők Motoros váltószelepek Légtelenítők Fagyálló folyadék Csővezeték Hőszigetelés
Napkollektorok tetőre szerelése Szerelőkeret napkollektorok ferdetetőre szereléséhez
Napkollektorok tetőre szerelése Acélcsöves szerelőkeret
Napkollektorok tetőre szerelése Cserépléc tetőkampós szerelőkeret
Napkollektorok tetőre szerelése Tőcsavaros szerelőkeret
Napkollektorok tetőre szerelése Tetőbe integrált beépítés A napkollektorok helyettesítik a tetőhéjalást.
Napkollektorok tetőre szerelése Szerelőkeret napkollektorok lapostetőre szereléséhez
Napkollektorok tetőre szerelése Normál lapostetős keret Megerősített lapostetős keret (20m-nél magasabb tetőre)
Napkollektorok tetőre szerelése Lapostetőre szerelés
Napkollektorok tetőre szerelése Lapostetőre szerelés b / a 1,75 2,50 Nappálya diagram
Napkollektorok tetőre szerelése Rögzítés: beton súlyokkal
Napkollektorok tetőre szerelése Rögzítés: beton súlyokkal (Budaörs)
Napkollektorok tetőre szerelése Rögzítés: a vízszigitelés átfúrásával (Ózd)
Szoláris szerelési egységek Napkollektor (primer) kör kialakítása
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
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 2 2-4 4-8 8-20 20-30 30-40 Tágulási tartály 12 liter 18 liter 24 liter 50 liter 60 liter Közelítő méretek (6 liter/kollektor): Relatív térfogatváltozás Naplopo- Expans.exe
Melegvíz Melegvízés puffertárolók és puffertárolók
Melegvíz-tárolók Tárolók hőveszteségének csökkentése
Melegvíz-tárolók Cirkulációs vezeték helyes bekötése
Melegvíz-tárolók Cirkulációs vezeték helyes bekötése termosztatikus keverőszelep alkalmazása esetén
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
Puffertárolók
Puffertárolók Forrás: HAJDU Zrt.
Puffertárolók Külső hőcserélők alkalmazása Forrás: HAJDU Zrt.
Külső hőcserélők Külső hőcserélők alkalmazása
Külső hőcserélők Lemezes hőcserélők felépítése Hőmérséklet viszonyok a hőcserélőben
Külső hőcserélők 55 C 38 C 90 C 79 C 10720 W, η=67% 7040 W, η=44% Mekk Elek Hát Izsák
Külső hőcserélők
Külső hőcserélők Külső hőcserélő méretezése
Külső hőcserélők Hőcserélő kiválasztási táblázat High flow Low flow Medence fűtés
Külső hőcserélők Hőcserélő rögzítő és bekötő készlet
Szabályozók A legegyszerűbb rendszer szabályozása Te Tv
Szabályozók Medence fűtő napkollektoros rendszerek szabályozása
Szabályozók Két tárolós rendszerek szabályozása Közös szivattyú és váltószelep Két külön szivattyú
Szabályozók Összetett rendszerek szabályozása
Szabályozók Összetett rendszerek szabályozása
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.
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!
Csővezeték rendszer Csővezeték átvezetése a tetőhéjaláson: Szellőző cserép
Csővezeték rendszer Párhuzamos kapcsolás Soros kapcsolás
Csővezeték rendszer Tichelmann kapcsolás (azonos csővezeték hossz - azonos áramlási sebesség)
Csővezeték rendszer Úgyeljünk a hőtágulásokra!
Csővezeték rendszer Lehetőleg könnyen ürülős rendszereket készítsünk!
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
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
Csővezeték rendszer Hogyan méretezzük a csővezetéket? S a fajlagos nyomásveszteség javasolt értéke: 100 350 Pa/m S : egyenes csővezeték fajlagos nyomásvesztesége
Csővezeték rendszer hőszigetelése?
Csővezeték hőszigetelésének méretezése
Csővezeték hőszigetelésének méretezése
Csővezeték hőszigetelésének méretezése
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
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
Csővezeték hőszigetelése Kültéri csővezeték hőszigetelését védeni kell a napsugárzástól és a madaraktól, rágcsáló állatoktól!
Csővezeték hőszigetelése Kültéri csővezeték hőszigetelését védeni kell a napsugárzástól és a madaraktól, rágcsáló állatoktól!
Csővezeték hőszigetelése Kültéri csővezeték hőszigetelését védeni kell a napsugárzástól és a madaraktól, rágcsáló állatoktól!
Motoros váltószelepek Honeywell VC típ. szelep First motoros szelepek Szelepek nyomásvesztesége: V& p = K V [ bar] V &, térfogatáram a szelepen : 2 [ m 3 / h]
Termosztatikus keverőszelepek
Légtelenítés Hatékony légtelenítés: Abszorpciós légtelenítők
Légtelenítés Hatékony légtelenítés: Abszorpciós légtelenítők Spirovent Flamcovent
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
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!
Fagyálló hőátadó folyadék Fagyálló folyadék és vízminőség ellenőrzése Fagyáspont: Refraktométer ph érték: Indikátorpapír Vízkeménység: pl. Aquarapid
Feltöltés fagyálló folyadékkal QuickFill FillJet