Energetika II. házi dolgozat: Szolár rendszerek alkalmazási lehetőségei használati melegvíz előállításra, fűtésrásegítésre Kozma-Petke Kinga T9OJQ8 2012.04.22. 1
Napenergia felhasználás jelentősége Az emberiség energiaigényét jelenleg főként fosszilis energiahordozók felhasználásával elégítjük ki. Ezzel kapcsolatban azonban egyre több probléma merül fel. Elsősorban a korlátozott rendelkezésre állása, az egyre szűkülő készletek, és az ebből adódó áremelkedés, valamint politikai konfliktusok. Alkalmazásukkal kapcsolatos másik fő probléma a környezetvédelem. Az égés során légkörbe jutó káros anyagok (pl. CO 2, SO 2, vagy a tökéletlen égés során keletkező CO) természetre gyakorolt hatásait egyre jobban megismerjük, és csökkenteni próbáljuk. Ezen anyagok kibocsátásával kapcsolatos szabályzások egyre szigorúbbak, mind országra, mind létesítményekre vonatkozóan. Ezen problémák felismerése miatt az emberek fokozatosan térnek vissza a megújuló energiaforrások felhasználására. A 1970-es évek vége, 1780-as évek közepéig több ezer új rendszer lett bejegyezve, melyek az alternatív energiaforrások felhasználását segítik elő. [6] Manapság az egyik legjelentősebb alternatíva, a gazdaságilag és környezetvédelmi szempontból is előnyös napenergia felhasználás. Mivel egy ország energia szükségletének mintegy 50-55%-át az épületek energiaellátása (hőenergia és villamosenergia) jelenti (forrás: [3]), ezért dolgozatom témájaként, a háztartásokban megvalósuló napenergia felhasználás egyik lehetőségét választottam. A napenergia közvetlen felhasználását két fő csoportra oszthatjuk: passzív, illetve aktív felhasználásra. Passzív felhasználás: a napenergia előnyeit az épületek tájolása, illetve szerkezeti kialakítása során vesszük fegyelembe, külön erre alkalmazott berendezés nélkül. Aktív felhasználás: a napenergia hatékonyabb kihasználása érdekében, berendezéseket építünk be. Ez lényegében két féle lehet, a fotovoltaikus elven működő, villamos energiát előállító napelem, illetve a napenergiát hővé alakító napkollektor. Ez utóbbi esetben, a termelt hőenergiát használhatjuk medencefűtésre, használati melegvíz (HMV) előállítására, illetve kisebb hatásfokkal fűtésrásegítésre. Dolgozatomban részletesebben a napkollektorokkal foglalkozom. Napkollektorok A napkollektorok alkalmazásának fő előnye az egyszerűség. Már régen is köztudott volt, hogy a fekete tárgyak a napon gyorsabban felmelegednek. Ebből származott a napkollektor első, műszakilag kezdetleges megvalósítása. Ezek lényegében feketére festett víztartályok voltak, melyeket a szabadban, vagy ablaküveg mögött helyeztek el. Ezeknek a tartályoknak azonban az egész napra szükségük volt, hogy felmelegítsék a vizet, majd szigetelés hiányában, amint lement a Nap visszahűltek. Az igény növekedése miatt azonban már a XIX. században megindult a termék műszaki fejlesztése. A napkollektorok működésének alapja lényegében a hőterjedésnek egyik alapformája, a sugárzás. A napból érkező elektromágneses sugárzás energiája alakul hővé. A napkollektor feladata, hogy ezt az energiát minél hatékonyabban hasznosítsa. Ennek háttere, hogy minden test a ráeső sugárzás egy részét elnyeli, átengedi vagy visszaveri, a kialakításának és anyagának megfelelő arányban. Ez alapján a napkollektorok kialakítása során két fő szempont van. Az egyik, hogy a hőelnyelő lemezt úgy kell kialakítani, hogy a ráeső energia minél nagyobb hányadát nyelje el, és minél kisebb részarányát verje vissza, vagy engedje át. Az így keletkezett hőt a munkaközeg veszi fel és ezt tudjuk hasznosítani. A folyamat során azonban a hőelnyelő lemez hőmérséklete is megnő, így a környezet felé a kisugárzása is növekszik. A kialakítás során tehát a második szempont, hogy ezt a kisugárzást minél jobban lecsökkentsük. A napkollektorokat munkaközegük alapján két csoportba sorolhatjuk: levegő munkaközegű: ezeket csak fűtésre tudjuk használni. Előnye, hogy egyszerű szerkezetek, akár házilag is elkészíthetők, hátránya azonban, hogy az így előállított hő nem tárolható. 2
folyadék munkaközegű: a folyadék munkaközeg lehet víz, vagy valamilyen fagyálló közeg. Az első esetben maga a felmelegíteni kívánt víz kering a kollektor csöveiben, így ugyan a kialakítandó rendszer leegyszerűsödik, hisz nincs külön hőcserélőre szükség, elég egykörös rendszer kialakítása, de jelentős hátránya, hogy csak a fagymentes időszakokban alkalmazható. További nehézséget és hatásfok romlást okoz a vízkövesedés, lerakódás és a víz forrására is vigyázni kell. Fagyálló közeg esetén kétkörös rendszer kialakítása szükséges. Ekkor szükség van egy zárt primer körre, amiben a fagyálló folyadék kering, valamint egy hőcserélőre, ahol a kollektorban felmelegedett fagyálló folyadék felfűti a tárolóban lévő vizet. Melegvíz előállítás szempontjából, csak a folyadék munkaközegű kollektorok jöhetnek szóba, így innentől dolgozatomban csak erről írnék. Manapság 2 típusa terjedt el a folyadék munkaközegű kollektoroknak: vákuumcsöves napkollektorok illetve síkkollektorok. Síkkollektor: A síkkollektor felépítése az alábbi ábrán látható: 1. ábra [5]: Síkkollektor veszteségei Lényegében egy üvegfedésű, szigetelt doboz, melyben egy jó hőelnyelésű, hőelnyelő (abszorber) lemez található. Ennek aljához egy csővezeték van csatlakoztatva, melyben a munkaközeget keringetjük. A beérkező sugárzást az alacsony vastartalmú egyrétegű üvegfedés kis veszteségek mellett átengedi a hőelnyelő lemezre. Az hőelnyelő lemezt a minél kisebb visszaverés érdekében, több rétegű bevonattal látják el. Ez a bevonat általában három rétegű, szemcsenagyság szerint, különböző fémek poraiból készítik és vákuum alatt viszik fel a felületre. Az így termelt hőt a munkaközeg segítségével vezetjük el. A kollektor alján hőszigetelés található, hogy a hőnek minél nagyobb hányadát tudjuk hasznosítani. A síkkollektorok által maximálisan elérhető hatásfok ~80%, ám tiszta időben az átlagos hatásfok az ábrán látható veszteségek mellett ~60%. A síkkollektorok komoly oly hátránya, a dőlési szögre való érzékenység, az üveg visszaverése miatt. Vákuumcsöves napkollektor: Az előző ábrán látható, hogy a legnagyobb veszteséget a konvektív hőveszteség okozza (~13%). Ennek oka, hogy a kollektorházban lévő levegő mozgása visszahűti az abszorber lemez felületét. Ennek kiküszöbölése miatt jött létre a vákuumcsöves kollektor. A vákuumcsöves kollektor másik nagy előnye a síkkollektorokkal szemben, a hengeres alakja. Ebből adódóan a napsugárzás hosszabb ideig közvetlenül éri az abszorber lemezt, mivel a korai és késői órákban is ugyanakkora felületet ér a sugárzás. Ennek hátránya azonban a csövek nagy helyigénye hisz, hogy ezt a tulajdonságot jól ki tudjuk használni a 3
csövek között jelentős távolságot kell tartani. A vákuumcsöves kollektoroknak különféle megvalósítási formái léteznek. Szerkezeti kialakításuk alapján lehet: duplafalú: lényegében 2 alul zárt, koncentrikusan egymásba helyezett üvegcsőből áll, melyek a felső peremen össze vannak hegesztve. A két cső fala között hozzuk létre a vákuumot, ezzel tökéletes hőszigetelést biztosítva. Az abszorbeáló anyag a belső cső külső felületére van felfújva, ahonnan a belső cső falán át jut a hő a levegő közvetítésével a cső belsejében található hőcsőre vagy átfolyásos rendszerre. szimplafalú: ekkor a szimplafalú üvegcsőben hozzuk létre a vákuumot, belsejében található a henger vagy sík alakú abszorber lemez. hőtükrös: szintén szimpla falú, ám az üvegcső hátsó részén tükörbevonatot alakítanak ki, ami a rá eső sugárzást az abszorberrel bevont hőcsőre, U-csőre vagy koaxiális csőre vetíti. Működési elvük szerint két csoportra bonthatók: hőcsöves (heatpipe): ebben az esetben az abszorber lemez által megtermelt hőt, egy réz cső veszi át. Ebben a rézcsőben egy alacsony forráspontú folyadék található, mely az átadott hő hatására elpárolog. Az így keletkezett gőz a cső végén található kondenzátor fejbe jut, ahol lecsapódik, ezzel hőt adva át a kondenzátort körülvevő munkaközegnek. A csőben található folyadék a kondenzálódás után visszacsorog a cső aljába és a folyamat elölről kezdődik. átfolyós rendszerű: ebben az esetben a hűtőközeg közvetlenül az abszorbens felülettől veszi át a hőt. Létezik U csöves és koaxiális kivitelben is. Napkollektoros rendszerek: A napkollektoros rendszerek legfontosabb eleme a napkollektor, ám a megtermelt hő mennyisége közel sem csak annak minőségétől függ. Megkülönböztetünk belső és külső hőcserélős napkollektor rendszert, azonban dolgozatomban nem térnék ki a külső hőcserélős rendszerekre. A belső hőcserélős napkollektor rendszer fő elemei [4]: napkollektor(ok): ezt az előzőekben bővebben kifejtettem melegvíz tároló tartály: Feladata a napkollektorban megtermelt hő tárolása. A tartályban a kollektorból érkező cső spirál alakban halad végig. A benne áramló munkaközeg, a tartályon való végighaladás során hőjét átadja a tartályban lévő víznek. A tartály aljában az íly módon felmelegített víz a sűrűségkülönbség hatására a felső részbe emelkedik, ezzel biztosítja az egyenletes felmelegedést. Lényegében 3 féle tároló tartályt különböztethetünk meg: 1 hőcserélős: tartály aljában csak egy hőcserélő van, így nem kapcsolható rá más fűtési rendszer 2 hőcserélős: a tartály tetejében van még egy hőcserélő, melyre ráköthető egy utófűtő, ha a kollektorok által előállított hő nem lenne elég kombi tartály: ez tulajdonképpen két különálló tartályból áll, melyek hőátadásos kapcsolatban állnak egymással. Jelentősége akkor van, ha a HMV előállítást és a fűtésrásegítést egy tartályból szeretnénk megoldani. Ez is lehet egy ill. két hőcserélős. tágulási tartály: mint minden fűtési rendszerben itt is fegyelembe kell venni a víz tágulását. szolár vezérlés : a szolár vezérlés feladata a teljes rendszer szabályozása: a szelepek állítása, a hőmérsékletérzékelők által kijelzett adatok feldolgozása, a szivattyúk fordulatszámának változtatása keringető szivattyú: mind a primer mind a szekunder körben a folyadék megfelelő áramlása érdekében szükség van szivattyúk beépítésére 4
hőmérsékletérzékelők: a rendszer felügyelete érdekében több ponton is hőmérséklet érzékelők vannak beépítve, melyeket a szolár vezérlés felügyel keverő szelepek egyéb kisebb kiegészítők A napkollektoros rendszer hőtani leírása: Az előzőekben felvázolt rendszerben lejátszódó folyamatokat kicsit részletesebben, az alábbiakban foglaltam össze. Dolgozatom ezen részének alapjául az irodalomjegyzékben [1]-es számmal jelölt dokumentum szolgált, valamint felhasználtam eddigi tanulmányaimat. 2. ábra [1] kapcsolás részei: primer kör, tároló tartály, szekunder kör, HMV előállító rendszer, fűtési rendszer primer kör: a primer kör lényegében a napkollektorból, egy szivattyúból és az ezeket összekötő csövekből áll. A kollektor által megtermelt, és a munkaközegnek átadott hasznos hőáramot az alábbi képlettel számolhatjuk, az ábrán látható jelölésekkel: (forrás: [1]): ahol: - primer körben lévő munkaközeg tömegárama [kg/s] - izobár fajhő [kj/kgk] T fe ill. T fi -pedig a kollektorból kilépő, illetve az oda belépő munkaközeg hőmérséklete A szivattyút, ahogy az előzőekben is említettem a szolár vezérlő szabályozza, a kör különböző pontjain elhelyezett hőmérsékletérzékelők segítségével. A szivattyú be ill. kikapcsolásának pillanatát, a tartályban lévő T s illetve a kollektorból kilépő T fe hőmérsékletek alapján határozhatjuk meg. Ha a kollektorból kilépő munkaközeg hőmérséklete és a tartályban lévő hőmérséklet különbsége nagyobb, mint a beállított hőmérsékletkülönbség, (azaz ) akkor a szivattyú elindul, egyéb esetben nem éri meg keringetni a folyadékot. tároló tartály: a tároló tartály alján spirál alakú zárt csövekben kering a primer kör munkaközege. Ez a kollektorok segítségével felmelegített közeg adja le hőjét a tartályban lévő víznek, miközben ő lehűl. Erre a jelenségre alkalmazhatjuk a hőcserélőkre vonatkozó hőáram számítási képletet: (forrás:[2]) 5
ahol: - ( - hőkapacitásáram - A - hőátvivő felület [ - U - hőtviteli tényező - - pedig a logaritmikus közepes hőmérséklet-különbség, amit az alábbi képlet szerint definiálhatunk: Esetünkben a képletet egy-egy csőkanyarulatra érdemes felírni. Ez alapján a hőátvivő felületet egy csőkanyarra az alábbi képlettel számolhatjuk (forrás [1]): ahol: - L - a spirál hossza - d a spirál belső átmérője - d w - a csőfal vastagsága - n - csőkanyarulatok száma A tartályban lejátszódó hőközlést hőátvitelnek tekinthetjük. A hőátvitel lényegében 3 részből tevődik össze: 1. a melegebb közeg (a munkaközeg) a csőspirál falának hőátadással adja át a hőt 2. a csőspirál falában hővezetés történik 3. a csőspirál faláról a hidegebb közeg felé hőátadással terjed a hő Ezek alapján definiálhatunk egy ún. hőátviteli tényezőt, amit jelen esetben az alábbi képlettel írhatunk fel egy csőkanyarulatra (forrás [1]) Az első tag, a munkaközeg és a fal közötti hőátadásra vonatkozik. Az, a hőátadási tényező. A hőátadást kényszerített áramlású hőátadásnak tekintjük, így az α értékét a Prandtl, a Nusselt, illetve a Reynolds számok segítségével határozhatjuk meg. A második tag, a csőfalban történő hővezetéses terjedésre vonatkozik, melyet hengerrel közelítünk. A harmadik tag pedig, a csőfal és a víz közötti hőátadást jellemzi, amit természetes áramlású hőátadásnak tekinthetünk, a víz sűrűségkülönbségéből adódó mozgása miatt. Ennek következtében az α 2 hőátadási tényezőt a Nusselt, a Grasshoff, illetve a Prandtl számok segítségével határozhatjuk meg. A hőátviteli tényező meghatározásánál azonban nem vettük még figyelembe, hogy nem egy egyenes csőről van szó, hanem egy hengerről, így ezt korrigálni kell még (forrás [1]): Ezek alapján számolhatjuk a tartályban lévő víz hőmérsékletét, a napkollektorok által elért hőmérséklet növekedés ismeretében. Hasznosítás során azonban még a szekunder köri veszteségekkel is számolni kell. 6
szekunder kör: a szekunder kör kialakítása már az igényeinktől, és a lehetőségeinktől függ. Az ábrán látható szekunder körhöz HMV rendszer, és fűtésrásegítés is kapcsolva van. Ez azonban nagyon ritkán éri meg, ugyanis például speciális fűtési rendszert igényel a házban (pl. padló fűtést) ezért utólagos beépítése igen költséges lehet. Drágább, speciális tároló tartályt kell venni, valamint a nagyobb hőigény miatt a kollektorok megválasztása sem mindegy. Ha a rendszerbe csak HMV kör van beépítve, akkor is valószínűleg szükség van egy utófűtésre, hogy az extrém helyzetekben, valamint télen is biztosítva legyen az ellátás. Mindezekből kifolyólag dolgozatom során nem térnék ki a szekunder kör jellemzésére. Összefoglalás: Dolgozatom célja, a napenergia hasznosítás egyik lehetőségének bemutatása volt. A fent leírtak alapján nekem az tűnik ki, hogy igenis érdemes foglalkozni a napenergiával. A hasznosításának számos lehetősége létezik háztartási szinten, melyeket próbáltam felvázolni. A fontos az, hogy mindig a számunkra legmegfelelőbbet válasszuk ki. Az általam részletesebben bemutatott rendszer pedig kifejezetten egyszerű, és alkalmas az év 70%-ban [1] a HMV előállítására. A fűtési rendszer rákapcsolása azonban már meggondolandó, hisz sokkal nagyobb hőigény, nagy beruházás, valamint pont azokban a hónapokban van nagy igény rá mikor a rendszer teljesítménye a legkisebb. Azaz véleményem szerint érdemes ezeket a rendszereket alkalmazni, csak előtte alaposan végig kell gondolni a lehetőségeket. Irodalomjegyzék: [1]: Energy and buildings 38 (2006) 129-141 Viorel Badescu, Mihail Dan Staicovici: Renewable energy for passive house heating, mdel of te active solar system [2]: Bihari Péter: Hőközlés: Gyakorlati feladatok gyűjteménye és segédlet [3]: Véghely Tamás: Lakossági villamos energia előállítás megújuló energiákkal: A háztartási kiserőmű (www.energiaporta.hu) [4]: Nevelős Gábor, Dr. Szánthó Zoltán: Használati melegvíz készítése napenergiával Magyar Épületgépészet 2011/4, Épületgépészet Kiadó Kft. [5]: kép forrása: A napkollektoros hőtermelés lehetőségei Magyarországon (www.naplopo.hu) [6]: Applied Thermal Engineering 25 (2005) 1337 1348 Cuma Cetiner, Fethi Halici, Hamit Cacur, Imdat Taymaz: Generating hot water by solar energy and application of neural network Department of Mechanical Engineering, Sakarya University, Esentepe Campus, 54187 Adapazari, Turkey 7