Napenergia-hasznosítás Kaszás Csilla kaszas@energia.bme.hu
Tartalom 1. Napenergia jellemzői 2. Villamosenergia-termelés napenergiából termikus naperőművek napelemek 3. Hőigények kielégítése napenergiával Passzív napenergia-hasznosítás Aktív napenergia-hasznosítás Hűtés napenergiával
1. Napenergia jellemzői Napenergia forrása Felszínre érkező teljesítmény Magyarország adottságai
A Naptól a Föld légköréig Nap magjában: fúzió (15000000 C) Nap felszínének hőmérséklete 6000 C Hőterjedés sugárzásos úton
Hősugárzás Plank, Stefan-Boltzmann, Wien E(T)= σ T 4 Napállandó: 1360W/m2 Föld légkörére érkező teljesítménysűrűség
Egységnyi felületre érkező teljesítmény Évszak, napszak -> Nap állása Felület dőlésszöge, tájolása Befolyásoló tényezők: Tereptárgyak árnyékolása Időjárási viszonyok Szálló por koncentrációja
Napsugárzás elméleti rendelkezésre állása
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
Mi az optimális tájolás? Mikor akarjuk használni?
Direkt + szórt sugárzás = globálsugárzás Napállandó: 1360 W/m 2
Napsugárzás intenzitása a hullámhossz függvényében
Globálsugárzás éves összege www.met.hu
Napsugárzás jellemzőinek havi alakulása
Részletes mérési adatsorok www.naplopo.hu
Közvetett napenergia-hasznosítás
2. Villamosenergia-termelés Termikus naperőművek Napsugárzást koncentráló típusok Naptó Napkémény Napelemek Működési elve, felépítése Jelleggörbe Hasznosítás köre
Torony-típusú naperőmű
Torony típusú naperőmű Teljesítmény: Területigény: 0,5-10 MW 4e-80e nm Torony magassága: 40-100 m Kalifornia
Parabola-vályús rendszer
Parabola-vályús rendszer Teljesítmény: 0,5-80 MW Felület: 5e-450e nm
ORC (Organic Rankine Cycle) munkaközeg : szervesanyag, pl. izobután gőzfejlesztő Gőzturbina Kondenzátor Szivattyú
Naperőmű kapcsolási vázlata
Parabolatányéros koncentrátor
Parabola-tányér Teljesítmény: 7-60 kw Felület: 40-250 nm
Stirling motor
Szolár kémény Spanyolország Teljesítmény: 50 kw Magasság: 200m, sugár: 122m
Naptó
Naptó (Texas) Teljesítmény: 15kW-5MW (70kW) Felület: 1,6-250e nm (3350 nm)
Fotovillamos cellák felépítése
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
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).
Napelemek típusai Amorf Hatásfok: 5-7% Viszonylag olcsó Polikristályos 13-15% Monokristályos 14-17% drága
Hatásfok (%) Hatásfok 25 20 15 10 5 monokristályos Si amorf Si nano TiO 2 CuInSe 2 /CuInGaSe CdTe 1950 1960 1970 1980 1990 2000
Cella jelleggörbéje
Napelemek felépítése
Cellák kapcsolása áramerősség Két cella párhuzamosan kapcsolva Egyetlen cella jelleggörbéje Két cella sorosan kapcsolva feszültség
Környezeti hatások Hőmérséklet Besugárzás
Árnyékolás Egyetlen cella leárnyékolásának hatása a modulra! (sérült cella azonos következményhez vezet)
Fotovillamos rendszer
Hazai rendszerek Újbudai Önkormányzat www.energiacentrum.com
Napelem a mindennapi életben
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)
3. Hőigények kielégítése napenergiával Passzív napenergia-hasznosítás Aktív napenergia-hasznosítás
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
Üvegházhatás
Tájolás É Keleti, nyugati falon minimális üvegfelület!
Árnyékvetők, lamellák, Ponyvák, Változó tulajdonságú üvegezés Árnyékolás Nyári napállás Téli napállás
Direkt rendszerű passzív napenergiahasznosítás Téli napon Téli éjszaka
Trombe fal
Elkülönített naptér
Ventilláció biztosítása napkéménnyel
Természetes megvilágítás Napfény-csövek
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
Napkollektor (!) Feladata: napsugárzás elnyelése, hőátadás a közvetítőközegnek. Felépítése: Hőszigetelés, tokozás fényáteresztő borító abszorber bevezetés hőhordozó közeg csővezetéke kivezetés
Napkollektor veszteségei
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)
Abszorber Reflexiós tényező változtatása (Többrétegű) szelektív bevonat Mikrostruktúra kialakítása
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)
Hőhordozó közeg Víz: Egyszerű hozzájutni Jó hővezető Ártalmatlan csak 0-100 C-ig alkalmazható (1 bar nyomáson) Fagyálló Levegő
Napkollektorok kapcsolása osztó-gyűjtős csőkígyós vegyes
Vákumcsöves napkollektor Szimpla vagy dupla üvegfal Abszorber alakja változatos lehet
Vákuumcsöves kollektor hőátadás Közvetítőközeg: víz/fagyálló folyadék Fázisváltó közvetítőközeg kondenzáció forrás U-csöves koaxiális Hőcső (Heat-pipe)
Sugárzás-koncentrátor
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
Napkollektor jelleggörbéje
Napkollektorok típusai Lefedés nélküli (sík) Lefedéses síkkollektor vákuumcsöves sima (vákuumos)
Kollektor-jelleggörbék Bitai András
Termoszifon - passzív
Egykörös és kétkörös rendszer
Kétkörös napkollektor-rendszer kiegészítő fűtéssel
Működtető szerkezetek Keringető rendszerek, hőcsere rendszere, szabályozás, biztonsági berendezések.
60 lakásos társasház napkollektor tető, hmv előállítás Zalaegerszeg, Dél hercegnője Matyéka
Szezonalitás problémája (havi hőigény - egységnyi felületre érkező napenergia)
Szezonális tároló lehetősége A ház térfogatának megfelelő melegvíz-tartály Fél méter vastag szigetelés Megtérülési ideje nagy
Napenergia mezőgazdasági hasznosítása Hajtató-házak üzemeltetése (fóliasátrak) Terményszárítás Technológiai melegvíz
Terményszárítás Cél: tartósítás Napenergia hasznosítás indokai: Nincs tüzelőanyag-költség Tiszta Időszakok (igény és kínálat) egybeesnek Szárítási hőmérséklet igény megfelel az elérhetőnek
Tálcás kéményes töltetes szárító Imre László
Napenergia hasznosítása hűtésre (választható tárgyas kollégáknak részletek csak az érdekesség kedvéért) Napelemmel hajtott kompresszoros hűtő Abszorpciós hűtés napenergiával
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
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).
levegő Abszorpciós hűtőgép kihajtó Hűtőközeg (vízgőz) Hűtővíz hűtőtorony p f kondenzátor Fűtővíz Hűtővíz 85-90 C 27 C Hűtőközeg (vízgőz) fojtószelep Hűtővíz 27 C abszorber V p a elgőzölögtető 12-14 C 6 C Fogyasztók légtere H2o + LiBr-oldat
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.
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 85-110 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.
Köszönöm a figyelmet.