Toplotni Kolektori

8/3/2019 Toplotni Kolektori

1/13

1

1. UvodLjude je stalno kopkalo da razjasne otkuda Suncu mo da

stalno alje toplotu i svetlost na Zemlju. Sa otkriem nuklearneenergije i to pitanje je razjanjeno. Na osnovu spektralnih analizasvetlosti, laboratorijskih istraivanja i matematike, utvren je procesfuzije na Suncu.Sunce u svakoj sekundi gubi 4.200.000 tona svoje mase i svese to pretvara u toplotnu energiju. Meutim, sraunato je da e zbogsvoje ogromne veliine moi da traje jo najmanje 15 milijardi


2/13

2

godina.Od te ogromne toplote, svetlosti i zraenja, koje alje uvasionu, neto malo doe i do nas. To "neto malo" odrava ivot naZemlji. Sunce nam donosi svetlost, zatim nas grije, nekad vie (ljeti),nekad manje (zimi). Sljedei zadatak koji ispunjava jeste to ulaesvoje depozite u biljke preko hlorofila u listu, koji ima arobnusposobnost da hvata suneve zrake i sa ugljen-dioksidom izatmosfere, vode i minerala iz zemljita gradi celulozu, skrob, eer,masti, belanevine i vitamine. Taj proces se zove fotosinteza, a kaoprodukat se javlja preko potreban kiseonik.Energija smetena u biljkama ostaje tu sve dok ne bude osloboenaprocesom sagorijevanja ili varenja, to je ustvari jedan te isti proces.ivotinje se hrane, tj. pljakaju biljke, a mi pljakamo i jedne i druge.Jedui hranu od koje ivimo, mi ustvari jedemo suneve zrake.

1.1. Uvodni pojmovi

Sunce je sredinja zvijezda naeg planetarnogsistema sunevog sistema. Osim Zemlje, Mjeseca i drugih planeta (sa svojimsatelitima), oko Sunca krue i asteroidi, komete, meteori i estice praine.Sunce rotira, ali ima takozvanu diferencijalnu rotaciju, tj. Rotira slojevito,odnosno, period rotacije nije isti na heliografskom ekvatoru ipolovima.Zbogekstremno visokih temperatura, materija je u obliku plazme. Posljedica toga jeda Sunce ne rotira kaovrsto telo. Brzina rotacija je vea na ekvatoru, nego u blizini polova, zbog

Suneva energija , sadane stanje i perspektiveega dolazi do iskrivljenja silnica magnetnog polja, erupcija gasa sa

suneve povrine i stvaranja sunevih pjega i prominencija. Ove pojavenazivamo sunevom aktivnou.Odavno se zna, da su polovi Zemlje mnogo hladniji od ekvatora.Razlog ovome je da se energija Sunevog zraenja mnogo slabijeabsorbuje, ako dolazi na povrinu pod malim ili tupim uglom, umjesto podpravim. Dok ekvator prima Suneve zrake pod otprilike pravim uglomtokom cijele godine, polovi primaju iste pod uglovima manjim od 15 . Ovuzakonitost treba imati u vidu pri korienju Suneve energije.Ako elimo da koristimo Sunevo zraenje kao izvor energije, trebada se upoznamo sa samom zvijezdom. Njen sastav je otprilike 75%

vodonika i 25% helijuma. Ovo je vano znati, jer se u unutranjosti Suncaodvijaju termonuklearne reakcije, putem kojih se vodonik transformie u


3/13

3

tee elemente. Suneva energija potie upravo od te reakcije, koja se zovenuklearne fuzija. Koliina vodonika nam govori da ne treba da se bojimoprestanka te reakcije u skorije vreme, to nam daje eone vremena da misami pokuamo da pronaemo nain za ostvarivanje fuzije. TemperaturaSunca je 5800 C na povrini i nekih pet miliona stepeni u centru. Prosjenaudaljenost Zemlje od Sunca iznosi nekih 150 miliona kilometara, koju

razdaljinu Suneva svjetlost pree za neto od osam minuta. Na ovomogromnom putu Sunevi zraci praktino ne gube nita od svoje energije,poto prolaze kroz vakum. Najvie energije se gubi pri ulasku u atmosferu,gde je koliina energije mjerena na gornjoj granici atmosfere etiri putavea od one na povrini. Zbog ovog razloga bi bilo praktino izgraditivelike solarne elektrane na putanji oko Zemlje, ali transport dobijeneenergije je jo nerijeen problem, pa se ta energija danas koristi samo zanapajanje satelita i Meunarodne Svemirske Stanice.

1.2 Suneva (solarna) energija

Solarna energija je naziv za vrstu energije koja se dobija iz suneve.Ova energija se moe koristiti za razne namjene.

Solarna energija je u poslednje vrijeme stekla veliku popularnost kaoobnovljivi izvor energije koji sa sobom ne donosi zagaenje povezano sfosilnim gorivima.Energija sunevog zraenja u Evropi je godinje oko 1000 kWh pokvadratnom metru horizontalne povrine. U toku jula meseca na naemprostoru srednje dnevno zraenje sunca iznosi 6,75 kWh/m2 dok je udecembrusvega 1,15 kWh/m2. Na nasim prostorima je veoma veliki brojsunanih sati u toku godine i godinji odnos ostvarene ozraenosti i ukupnemogue ozraenosti je oko 50%, to je


4/13

4

znatno iznad prosjeka u evropskim zemljama gdje se suneva energijaneuporedivo vie koristi nego kod nas. Ovo ukazuje da je na potencijal uprimjeni suneve energije veoma veliki i da treba da se trudimo da gaiskoristimo u fotonaponskoj konverziji zaproizvodnju elektrine energije, a naroito u toplotnoj konverziji zazagrijavanje sanitarne vode i prostora.

Svi znamo da cijene nekih energenata kao to su: elektrina energija,nafta, prirodni gas, ugalj drvo itd. neprestano rastu. Na osnovu toga semoemo zapitati da li na kuni budet moe podnijeti tolike trokove?Svaka ugradnja ovih energenata zahtijeva velike investicije i ulaganja, ali nitu nije kraj jer i nakon ugradnje, iz dana u dan, iz godine u godinu miplaamo koritenje ovih energenata. Naravno i kod solarnih sistema nasekaju ulaganja, ali su ona minimalna. Kako? Znai, sva ulaganja se nalazena poetku (pilikom ugradnje ovih sistema) i tu se sve zavrava. Koristimoih maksimalno 20, 30, 50 godina ili bolje reeno vjeito, bez rauna, bezplaanja, bez ekanja u redu.

Trokovi odravanja su zanemarljivi, a za neke sisteme ak i nepostoje. Za sisteme koje treba odravati to je u prosijeku oko 1% nagodinjem nivou, od ukupne vrijednosti sistema.Solarni sistemi se mogu koristiti na svakom mjestu zemljine kugle.Naravno da se najbolje iskoritavaju na mjestima sa najvie sunanih danameutim postoje sistemi koji su efikasni i u hladnim predjelima.Danas su sistemi efikasni i kada je oblano, tj kada i nema mnogosunca. Napravljeni su tako da im je dovoljno malo svjetlosti da bi biliefikasni. Naravno sa jainom sunca i svjetlost je vea pa je tada i sistem

efikasniji. to se ti

e kie i vjetra, oni ne smetaju solarnim sistemima . Uzimskom periodu naroito u hladnim predjelima gdje snijega ima u velikimkoliinama solarni sistemi rade veoma efikasno. Kako? Radi svoggeometrijskog poloaja tj. nagnutosti i materijala od kojeg su napravljenikolektori, snijeg se veoma malo i kratko zadrava na njima.


5/13

5

2. Osnovne primjene Suneve energije

Suneva energija je obnovljiv i neogranien izvor energije od kojeg,direktno ili indirektno, potie najvei deo drugih izvora energije na Zemlji.Suneva energija u uem smislu podrazumijeva koliinu energije koja jeprenesena Sunevim zraenjem. Suneva energija se u svom izvornom

obliku najee koristi za pretvaranje u toplotnu energiju za potrebepripremanja tople vode i grijanja (u evropskim zemljama uglavnom kaododatni energent) zatim u solarnim elektranama, dok se za pretvaranje uelektrinu energiju koriste fotonaponski moduli.Sunevo zraenje je kratkotalasno. Izraava se u W/m2, a zavisno odnjegovog upada na povrinu Zemlje moe biti: neposredno : zraenje Sunevih zraka difuzno zraenje neba: raspreno zraenje celog neba zbog

pojava u atmosferi odbijeno zraenje: zraenje koje se odbija od okoline i pada naposmatranu povrinu.

2.1 Solarni sistemi za grijanje i pripremu tople vode, zagrivanjeprostora

Solarni sistemi koji se koriste za pripremu i potronju tople vode kao


6/13

6

osnovni izvor energije koriste emitovanu Sunevu toplotu, odnosnoSunevu energiju. Solarni sistemi za grijanje u najveem broju sluajevase koriste kao dodatni izvori toplote, dok kao osnovni slue plinski ilielektrini kotlovi.Njihova upotreba u vidu primarnog energetskog izvora je rijetka iograniena na podruja s dovoljnom koliinom Sunevog zraenja tokom cijele

godine grijanja kratka. Iz tog razloga takvi solarni sistemi se najviekoristeza pripremu i potronju tople vode., u kojima su istovremeno i klimatski uslovipovoljniji pa je sezona.

GrijanjeDobijanje toplotne energije pomou energije Suncadanas predstavlja isprobanu tehnologiju, a oprema jedostupna na tritu. Preduslovi za takvu upotrebu energijeSunca na nasim prostorima odlini su, a osnovni razlozi zarelativno slabu primijenu su nepoznavanje tehnologije,prevladavajue miljenje da je potrebna investicija

nedostino visoka i slaba dostupnost informativnih iobrazovnih materijala.

Sunevi kolektori apsorbuju energiju Sunca i pomou njezagrivaju potronu toplu vodu ili vodu potrebnu zazagrijavanje prostora. Solarni sastavi tede energiju i time

doprinose ouvanju okoline. Takvi sastavi apsorbuju energiju Sunca,zagrijavaju vazduh ili vodu, koji prenose toplotu i predaju je vodi u prostor kojise zagrijava.

Zagrijavanje potrone vode


7/13

7

Jedan od najjeftinijih I najpogodnijih nainaupotrebe obnovljivih izvora energije u domainstvu jeupotreba energije Sunca za pripremu potrone toplevode. Da bi topla voda bila dostupna tokom itavegodine, uobiajeno je energiju Sunca koristiti ukombinaciji s nekim drugim izvorom energije koji se

koristi kad energija Sunca nije dovoljna da voda dosegneeljenu temperaturu. U prosjeku, ovakvi sastavi umanjuju potronju lo-uljaili drugih izvora energije za dvije treine, ime se umanjuju trokovi ineeljeni uticaji na okolinu.

Osnovni dijelovi solarnih sistema za pripremu i potronju tople vodesu:1.Kolektor,2.Bojler tople vode s izmjenjivaem toplote,3.Solarno postrojenje s pumpom i regulacijom,4.Razvod s odgovarajuim radnim(solarnim) medijumom.

Suneva toplota koristi se za izravno zagrijavanje potrone vode ili zazagrijavanje fluida u kolektoru koji tu toplotu predaje potronoj vodi.Zagrijana potrona voda nalazi se u ostavi, spremna za upotrebu. Ostava

je najee opremljena i tzv. konvencionalnim izvorom topline (plamenik,elektrini grija) koji prema potrebi dogrijava vodu. Ostava moe biti ipreureeni klasini bojler, ali je obino vei i odlino izolovan.Sunevi toplotni sastavi se dijele na aktivne, koji su ei, i pasivne.U aktivnim sastavima za zagrijavanje vode za cirkulaciju u kolektorimakoriste se elektrine pumpe, ventili i upravljaki sklop.U krajevima s toplom klimom, gdje temperature ne padaju ispodnule, najee se koriste sastavi u kojima se Suneva toplota predaje

jednako potronoj vodi. Dakle, potrona voda cirkulise u kolektorima, apreduslov za to je da voda nije pretvrda. Takvi se sastavi koriste i usluajevima kad se kua koristi sezonski - npr, vikendice koje se koristepreteno ljeti.

Da bi se solarni sastav mogao koristiti i u sluajevima kad zimi dolazido zamrzavanja, u tecnosti koja cirkulira u kolektorima dodaje se "antifriz".Ugrijana tecnost svoju toplotu predaje pitkoj vodi u promjeni toplote.Pasivni sastavi za zagrijavanje vode pomou energije Sunca zasnivajuse na prirodnoj cirkulaciji zagrijane vode. Kako njihov rad ne zavisi odelektrinih komponenata, takvi su sastavi pouzdaniji i jednostavniji zaodravanje, a ivotni vijek im je najee dui od vijeka aktivnih sastava.

Najei pasivni sastavi su termosifonski sastavi. Ostava tople vodesmetena je iznad kolektora, pa se zagrijana voda podie i prirodno struji,dok se hladna voda iz ostave istovremeno sputa i ulazi u kolektor.

Zagrijavanje prostora


8/13

8

Sastav za grijanjeprostora pomouenergijeSunca moe bitipasivan, aktivan, ilikombinacija

pasivnog i aktivnog.Pasivni sastaviobino su jeftiniji i

jednostavniji odaktivnih. Meutim, opasivnoj upotrebienergije Sunca valjavoditi rauna veprilikomizgradnje kue paako se solarnisastav uvodi u

postojeu zgradu aktivni sastav moe predstavljati jedinu mogunost.Najpoznatiji primjer pasivne upotrebe energije Sunca predstavljastaklenik. Na slian nain, pasivni sastav za grijanje kue koristi toplotupomou elemenata same kue - velikih prozora okrenutih ka jugu,podovima i zidovima koji ire toplotu tokom dana i otputaju je po noi.Aktivni sastav za zagrijavanje prostora sastoji se od kolektora koji irei prikupljaju sunevu toplotu, a sadre elektrine ventilatore ili pumpe kojislue za prenos toplote. Takvi sastavi imaju i sastav za skladitenje toploteda bi u stanu bilo dovoljno toplo i kada je oblano vrijeme ili tokom noi. Ovise sastavi dijele na dvije grupe, zavisno od toga da li za prenos toplotekoriste vazduh ili vodu.

Povrina kolektora potrebna za zagrijavanje tog postora zavisi odparametara, najvie od toplotne izolacije spoljnih zidova. Ipak, valja imatina umu da, nezavisno od toga da li se koristi za grijanje energija Suncaili neki drugi izvor energije, dobra izolacija omoguava najvee utedeenergije u domacinstvu i njeno postavljanje je u svakom sluaju isplativo.U sluaju da je izolacija odlina, okvirno se potrebna povrinakolektora odreuje kao 1/10 povrine grijanog prostora, ali svakako trebauvaiti i itav niz drugih okolnosti, a prije svega broj, povrinu i orijentacijuprozora a zatim kvalitetu prozorskih stakala.

2.2 Toplotna konverzija

Energija sunevog zraenja transformie se u toplotu na apsorberu


9/13

9

prijemnika sunevog zraenja. Takve prijemnike nazivamo toplotnimkolektorima. Efikasnost ove transformacije energije kree se na klasinimtipovima kolektora od 35 do 55 %.Toplotni kolektori se po tipu fluida koji cirkulie kroz njih dijele na kolektoresa tenim fluidom i na kolektore sa vazduhom. Po opsegu temperatura ukom rade kolektori mogu da se svrstaju u dvije grupe:

niskotemperaturni (ravni kolektori i kolektori sa vakuumskim cijevima) ikolektori sa koncentrisanjem sunevog zraenja koji mogu bitisrednjetemperaturni ivisokotemperaturni.Klasini ravni kolektori su najpovoljniji u pogledu cijena ali su uhladnijim periodima godine manje efikasni zbog toplotnih gubitaka. U timperiodima dolaze do izraaja vakuumski kolektori koji se sastoje odvakuumskih staklenih cijevi u kojima je smjetena apsorbciona povrina.Njihova cijena je vea i preporuuju se za primijenu u stambenim objektimau kojima se stalno boravi. Za objekte na moru ili one koji se koristepreteno ljeti preporuuju se jeftiniji klasini ravni kolektori.Vazduni kolektori se koriste za zagrijavanje prostora ili u suarama

ljekovitog i drugog bilja. Prilikom zagrijavanja prostora obino se zagrijanvazduh upumpava u podzemni akmulator toplote koji se nalazi ispodstambenog objekta i sastoji se od komada kamena. U veernjim i nonimsatima akumulirana energija se pomou vazduha uvodi u prostorije.Pomou ogledala se grade razni oblici fokusirajuih povrina kojekoncentriu energiju sunevog zraenja na prijemnik. Na taj nain sepostiu visoke temperature koje se u nekim sluajevima koriste za vrlospecijalizovane livnice metala. Najinteresantnije su primjene zagrijavanjavode ija se para koristi za proizvodnju elektrine energije pomou parnihturbina. Takoe na ovaj nain se grije voda za podmirivanje potreba unaseljima koja imaju distribuciju tople vode.

Oprema za zagrijavanje sanitarne vode sastoji se od solarnog bojlera,cirkulacione pumpe, elektronskog diferencijalnog termostata, kolektora icijevi, nepovratnog ventila, ekspanzione posude i nekoliko slavina. Solarnibojler u sebi sadri izmenjiva toplote u obliku spiralne cijevi ija je povrinavea nego u sluaju izmenjivaa za primjenu uz neki kotao na vrsto, tenoili gasovito gorivo. Obino se koriste bojleri koji imaju dva izmenjivaa ielektrogrija. Diferencijalni termostat mjeri temperaturu u bojleru i naizlazu iz kolektora. U periodu dok je temperatura u kolektoru vea zadesetak stepeni od temperature u bojleru ukljuuje se cirkulaciona pumpai tada je omoguen efikasan prenos energije od kolektora do vode ubojleru. Nepovratni ventil spreava da se nou voda hladi preko kolektora.

U objektima u kojima ne postoji elektrina energija primenjuje setermosifonski sistem gdje topla voda kao laka iz kolektora svojomprirodnom cirkulacijom odlazi u bojler gdje se hladi i vraa u kolektor.Ovakvi sistemi su jeftiniji i jednostavniji za montau.

Toplotni solarni kolektori (TSK)

To su ureaji koji sakupljaju sunevu energiju i pretvaraju je u


10/13

10

toplotnu. Postoje tri vrste TSK:

Ravni solarni kolektori

Ravnim TSK mogu se dobiti temperature fluida do 100 C,jednostavne su konstrukcije i veoma su esto uupotrebi. Elementi ovog kolektora su:1. Cijev obino bakarna kroz koji struji fluid (HF =ulaz hladnog fluida, TF = izlazzagrijanog fluida)- 2. Kuite (Drvo, metal, plastina masa)3. Termoizolacija (najee mineralna vuna ili PU pjena )4. Apsorber - bakarna crno obojena ploa vrsto vezana sa cijevi (1)5. Staklena ploa ( esto sa antireflektujuim slojem)

Selektivni solarni kolektori

Su posebno konstruisani kolektori koji se rade od hroma ili nikla saspecijalnim crnim premazima koji primaju samo svjetlosne zrake odreenetalasne duine a faktor refleksija mu je priblino = 0. Ovi kolektori mogupostii temperature fluida i do 500C. Najee se koriste kod Solarnihelektrana za dobijanje suhe vodene pare.

Koncentrirajui solarni kolektori

Rade se u dvije varijante. Princip je da se vea povrina sunevihzraka prihvati i usmjeri na male povrine prijemnika sa fluidom.


11/13

11

Prva varijanta ima parabolina ogledala u ijoj se ii nalazi staklena cijev

(prijemnik-apsorber) sa fluidomDruga varijanta ima centralni prijemnik (toranj) oko kojeg se nalazi poljepokretnih, automatski upravljanih, ravnih ogledala (heliostata) kojiusmjeravaju suneve zrake na prijemnik. Prijemnik kod obje varijante jeselektivni TSK.

3. Solarne elektrane

Suneva energija moe se iskoristiti i za proizvodnju elektrineenergije.

Tehnoloki sistem koji koristi energiju sunca i u nekoliko faza jepretvara u elektrinu energiju zove se solarna elektrana

U principu ovaj sistem ine: Koncentrirajui solarni kolektori sa selektivnimapsorberom Rezervoar (spremnik) energije Turbina sa kondenzatorom i isparivaem


12/13

12

Generator sa regulacijom napona Sistem za distribuciju elektrine energijeSuneve termoelektrane sastoje se od dva dijela - u jednom seenergija Sunevih zraka pretvara u toplotu, a u drugom se toplota pretvarau elektrinu energiju.

Ovakve termoelektrane mogu biti malih snaga (oddesetak kilovata) i sluiti za nabavku izolovanih ruralnih podrujaelektrinom energijom, pa do velikih elektrana spojenih na prenosnuelektrinu mreu, snage i do stotinjak megavata. Neke Sunevetermoelektrane upotrebljavaju zakrivljena ogledala koja usmjeravajuSunevo zraenje na cijev u aritu ogledala. Kroz cijev protie voda koja sepod uticajem fokusiranog zraenja zagrijava i pretvara u paru. Ta se parakoristi za pokretanje turbine i proizvodnju elektrine energije. Osnovniproblem kod solarnih elektrana je taj da one rade samo dok sja Sunce, dokza oblanih dana ili tokom noi ne mogu proizvoditi elektrinu energiju.Zbog toga se u nekim postrojenjima koristi tzv. hibridna tehnologija -tokom sunanih perioda u njima se koristi energija Sunca, a u ostalovrijeme para se proizvodi upotrebom fosilnih goriva, pa elektrana moebiti stalno u pogonu. Druga vrsta Suneve termoelektrane je elektrana sasredinjim tornjem. U ovom se sluaju oko velikog, sredinjeg tornja,postavlja polje ogledala koja reflektuju Sunevo zraenje i usmjeravaju gaprema tornju. Ugrijani fluid koristi se za proizvodnju pare koja pokreeturbinu i generator. Tokom dana prate poloaj Sunca, pa ih nazivamoheliostatima.

Osnovna podjela sunevih termoelektrana vri se prema nainu kakoprikupljaju energiju Sunevih zraka. Tako postrojenja mogu biti izvedenasa

1) sredinjim tornjem okruenog ogledalom koja emituju Sunevozraenje i usmeravaju ga ka tornju,2) zakrivljenim - koritastim - ogledalima unutar kojih se nalaze cevi svruim fluidom, ili3) parabolinim ogledalima koja Suneve zrake koncentriu i fokusirajuu spremnik topline.

1) 2) 32)

1 2 3


13/13

5. Zakljuak

Suneva energija jeste jedan ogroman izvor, kojim bi smo lako moglida pokrijemo sve svoje potrebe (prema nekim proraunima, energija kojudobija povrina Zemlje je 12000 puta vie, nego to ovjeanstvo

proizvede po jedinici vremena), ali fotovoltine ploe, kojima se pretvara uelektrinu struju, su mnogo skuplje, nego konkurenti sa trita. Kako sviizvori fosilne energije polako isezavaju, a cijena poluprovodnika opada,polako dolazimo do sve vee rasprostranjenosti solarnih tehnologijazajedno sa energijom vjetra, biogasom i drugim obnovljivim izvorimaenergije. Ovi izvori energije su nezaobilazni na naem putu u bolje sutra,

jer ne zagauju okolinu, i njihovo odravanje je lako i jeftino, jer u nedostatkupokretnih dijelova se dosta teko kvare.

DA LI ZNATE?Da bi sunce kada bi grijalo 24 sata dnevno dalo vise energije negosve hidroelektrane na svijetu zajedno.

Documents

Toplotni Kolektori