Fizika energijskih virov

Mitja Krnel

Vsebina

Izkoriščanje sončne energije

Orientacija sončnih zbiralnikov

Zgradba in delovanje zbiralnikov

Selektivni premazi

Vrste sončnih zbiralnikov

Ogrevanje vode

Ogrevanje stavb

Ostali primeri uporabe

Izkoriščanje sončne energije

Direktno

Električna energija (sončne celice)

Toplota (sončni zbiralniki - kolektorji)

Pasivne zgradbe

Posredno

S toploto pridobljeno z zbiralniki poganjamo turbine in dobimo električno energijo

Dnevna gostota energijskega toka na vrhu atmosfere: j= 1367 W/m2

Gostota energijskega toka, ki doseže tla: do 400 W/m2

V Sloveniji je letni sončni obsev za vodoravno površino od 3700-4800 MJ/m2.

V svetu znaša letni sončni obsev 2000-10000 MJ/m2.

Letni sončni obsev za Slovenijo Letni sončni obsev po svetu

Dobra lastnost sončnih zbiralnikov: ekološki način ogrevanja, lahko jih uporabljamo kot dopolnitev fosilnim gorivom.Slabost: v zimskem obdobju s sončnimi zbiralniki ne moremo pokriti celotnih potreb po toploti.

Orientacija zbiralnikov

cosjSP

• Prejeta sončna energija odvisna od vremena, orientacije zbiralnika, geografske širine

• Kot sončnih žarkov se spreminja čez leto in čez dan• Zbiralniki so fiksni - pomemben naklon in azimut• Za Slovenijo: najugodnejši celoletni naklon 35˚-45 ˚, azimut 179˚ • Razlika med S in J poloblo

2

1

2

1

)(cos))(,()(

t

t

t

t

dttSttjdttPQ

Zgradba in delovanje zbiralnikov Absorber, stekleni pokrov, izolacija, ohišje

Absorber absorbirano svetlobo pretvori v toploto in jo odda mediju

Izkoristek – razmerje med oddano toploto in prejeto energijo

Na izkoristek vplivajo optične izgube, termične izgube

Optične izgube zaradi odboja na stekleni površini (steklo prepusti do 95% sevanja), prepustnost odvisna od vpadnega kota

Termične izgube zaradi konvekcije, sevanja, odvisne od vrste zbiralnika

Zmanjšanje izgub: steklo z nizko vsebnostjo železa (optične izgube), vakuumska izolacija, selektivni premazi (termične izgube)

Ploščati zbiralniki zberejo letno do 400 kWh toplote na m2 sprejemne površine, vakuumski zbiralniki pa do 600 kWh/m2

Selektivni premazi

Pri zbiralnikih želimo zmanjšati izgubo energije s sevanjem

Absorber seva v infrardečem delu spektra – rabimo nizko emisivnost v infrardečem delu spektra

Kirchoffov zakon - absorptivnost pri določeni valovni dolžini je enaka emisivnosti

Sončev sevalni spekter in spekter sevanja črnega telesa (absorberja) se ne prekrivata – to izkoristimo

Absorber prevlečemo s premazi, ki imajo veliko absorptivnost v vidnem delu spektra in majhno emisivnost v infrardečem delu spektra

Absorptivnost premazov v vidnem delu spektra presega 90%, emisivnost v infrardečem delu spektra je pod 10%

Uporabljajo kovinske okside, najbolj znani TINOX (titanium-nitride-oxide)

FeCuMnOx, MoAl2O3

Absorptivnost: α = ja/j,

Emisivnost: ε = je/σT4,

Črno telo ima α = ε = 1, sivo telo ima 0 < α < 1, 0 < ε < 1

Emisivnost in absorptivnost sta odvisna od vpadnega kota in valovne dolžine

Odbojnost: R = 1 – ε

Planckov zakon:

Wienov zakon:

0

)(

dj

je

mT

K

2897max

1

2

5

2

Tk

hc

e

hcj

Spekter sevanja črnega telesa in sevanja Sonca pri tleh:

Premazi iz treh plasti: antirefleksni sloj, absorpcijski sloj, stabilizacijski sloj

Stabilizacijski sloj je temejna plast za dober oprijem

Absorpcijski sloj absorbira velik del vidne svetlobe. Narejen je iz atomov polprevodnika. Absorpcija fotonov je posledica dovoljenih energijskih prehodov v atomih.

Antirefleksni sloj na vrhu prepušča 98-99% vidne svetlobe, ne prepušča infrardečega sevanja

Premaze rabimo, ker kovine slabo absorbirajo vidno svetlobo

Tipična debelina premazov: 100 nm

Ploščati sončni zbiralniki

Danes najbolj razširjena izvedba zbiralnikov

Absorber v obliki ravne kovinske plošče

Cevi s prenosnim medijem so pritrjene na absorber

Temperatura medija: največ 70˚C

Vključeni so v zaprt tokokrog

Delovni tlak prenosnega medija: do 10 bar

Izgubljajo velik delež toplote s sevanjem: do 30%

So najcenejši

Življenjska doba: 10-15 let

Vakuumski cevni zbiralniki

Toplotni izolator med absorberjem in okolico je vakuum

Absorber se nahaja med stenama steklene cevi

Med dvojno steno steklene cevi je tlak 5 x 10-3 Pa – vakuum

Obstaja več vrst: zbiralniki z direktnim prenosom, zbiralniki z U cevjo, zbiralniki s toplotno cevjo (heat-pipe)

Prednosti pred ploščatimi zbiralniki:

Imajo višji izkoristek skozi vse leto (ni konvekcije)

Daljša življenjska doba: 20-30 let

Zamenjamo lahko posamezno cev

Pomanjkljivost: cena

Zbiralniki z direktnim prenosom toplote

Prenosni medij se nahaja v notranjosti vakuumske cevi

Vakuumska cev je priključena direktno na rezervoar

Absorber predstavlja selektivni premaz na notranji steni vakuumske cevi

Slabosti:

Vakuumska cev ne zdrži povišanega tlaka pri segrevanju medija

V primeru okvare ene cevi, ne deluje celoten sistem

Vakuumski cevni zbiralniki z U cevjo

Prenosna tekočina v kovinski U cevi v notranjosti steklene cevi

Absorber predstavlja selektivni premaz na notranji steni vakuumske cevi

Toplota se prenaša s steklene cevi na kovinsko U cev preko kovinskega plašča (aluminijast prenosnik)

Prednosti: lahko delujejo pri povišanem tlaku (do 10 bar)

Slabosti: v primeru poškodbe ene cevi, ne deluje celoten zbiralnik

obstaja nevarnost pregrevanja prenosnega medija

Zbiralniki s toplotno cevjo (heat pipe)

• V stekleni vakuumski cevi se nahaja kovinska toplotna cev• V toplotni cevi kroži tekočina, ki izpareva pri nizki temperaturi in tlaku• Varnostni ventil v kondenzorju preprečuje pregrevanje prenosnegamedija

Delovanje toplotne cevi

Delovna snov v cevi se upari, v kondenzorju odda toploto prenosnemu mediju, se kondenzira in vrača v spodnji del.

Vgradnja toplotne cevi

Ogrevanje sanitarne vode Z zbiralniki lahko pokrijemo 60-70% potreb po topli sanitarni vodi

Tokokrog je sestavljen iz sončnega zbiralnika, cirkulacijske črpalke, hranilnika toplote, ekspanzijske posode, diferencialnega termostata

Ogrevanje stavb

Tokokrog je enak kot pri ogrevanju sanitarne vode

Sončno ogrevanje stavb lahko uporabljamo samo v kombinaciji z ostalimi načini ogrevanja

Ogrevanje stavb zahteva večjo akumulacijo toplote kot ogrevanje sanitarne vode

Pri dobro izolirani stavbi lahko s sončnimi zbiralniki pokrijemo do 50% potreb po toplotni energiji

Napotki pri izbiri ogrevanja

Priprava tople sanitarne vode:

Ogrevanje nizkoenergijske hiše (toplotne izgube < 50 kWh/m2 leto),

podatki za enodružinsko hišo:

ogrevana površina 150 m2,površina sončnih zbiralnikov 30 m2,prostornina hranilnika toplote 3500 l,toplota pridobljena s sončno energijo 18 kWh/m2 leto

Število oseb Velikost zbiralnika(m2) Velikost hranilnika toplote (l)

3-4 5-6 300-400

4-6 6-7 400-500

6-8 7-8 500-750

Izkoristek Največ 80%

Odvisen od vrste zbiralnika, razlike med temperaturo absorberja in okolice, optičnih izgub

Toplotne izgube označimo s k-faktorjem, ki ima enoto W/m2K

Optični izkoristek (faktor pretvorbe) označuje delež absorbiranih sončnih žarkov

vrsta Faktor pretvorbe k - faktor Temperatura medija

ploščati 0.66 – 0.83 2.9 – 5.3 20 – 80 ˚C

vakuumski 0.62 – 0.84 0.7 – 2.0 50 – 120 ˚C

j

jj ea

Razširjenost zbiralnikov

Sončna energija prispeva 8,5 % k energiji pridobljeni iz obnovljivih virov.Cilj EU: 20% do leta 2020.

Ostali sončni zbiralniki

Sončni zbiralniki za proizvodnjo elektrike

Parabolični

Heliostati

Parabolični zbiralniki so oblikovani tako, da sončne žarke zberejo v gorišču parabole, kjer se nahaja cev s tekočino in absorber.Temperatura absorberja lahko doseže 1000 ˚C. Segreto tekočino vodijo do elektrarne, kjer iz vode ustvarijo paro, ki poganja turbine in generira električni tok.Svojo orientacijo lahko spreminjajo le okoli ene osi.

Parabolični sončni zbiralniki v puščavi Mojave (ZDA)

Heliostati so sončni zbiralniki, ki s pomočjo zrcal koncentrirajo sončno svetlobo v eni točki, kjer se nahaja absorber. Računalnik spreminja njihovo orientacijo glede na pot Sonca. Sončno svetlobo usmerijo na stolp, v katerem se nahaja absorber in delovna snov, ki pretvarja toploto v električno energijo. Problem takega načina uporabe toplote: shranjevanje energije.

Viri http://www.solarserver.de/wissen/sonnenkollektoren-e.html

http://www.jgsee.kmutt.ac.th/exell/Solar/FlatPlate.html

http://www.southface.org/solar/

Dr. F.Mahjouri: Vacuum Tube Liquid-vapor(Heat-Pipe) Collectors

A.Šurca,J.Živkovič: Spektralno selektivne površine za sončne zbiralnike, Kemijski institut, Ljubljana 2001

D.Kastelec, J.Rakovec: Sončna energija v Sloveniji, založba ZRC SAZU, Ljubljana 2007

J.Gordon: Solar Energy- the State of the Art, J & J publications, London 2001