Mitja Krnel. Fizika energijskih virov

Transcript

1 Mitja Krnel Fizika energijskih virov

2 Vsebina Izkoriščanje sončne energije Orientacija sončnih zbiralnikov Zgradba in delovanje zbiralnikov Selektivni premazi Vrste sončnih zbiralnikov Ogrevanje vode Ogrevanje stavb Ostali primeri uporabe

3 Direktno Izkoriščanje sončne energije 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/m 2 Gostota energijskega toka, ki doseže tla: do 400 W/m 2 V Sloveniji je letni sončni obsev za vodoravno površino od MJ/m 2. V svetu znaša letni sončni obsev MJ/m 2.

4 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.

5 P js cos Orientacija zbiralnikov 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 Q t 2 t 1 P( t) dt t 2 t 1 j( t, ( t)) S cos ( t) dt

6 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 m 2 sprejemne površine, vakuumski zbiralniki pa do 600 kwh/m 2

7 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-nitrideoxide) FeCuMnO x, MoAl 2 O 3

8 Absorptivnost: α = j a /j, Emisivnost: ε = j e /σt 4, 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 j e 0 j ( ) d Planckov zakon: Wienov zakon: j 5 e 2 hc hc k T K max m T 2

9 Spekter sevanja črnega telesa in sevanja Sonca pri tleh:

10 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

11 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: let

12

13 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: let Zamenjamo lahko posamezno cev Pomanjkljivost: cena

14

15 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

16 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

17

18 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 prenosnega medija

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

20 Vgradnja toplotne cevi

21 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

22 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

23

24 Napotki pri izbiri ogrevanja Priprava tople sanitarne vode: Število oseb Velikost zbiralnika(m 2 ) Velikost hranilnika toplote (l) Ogrevanje nizkoenergijske hiše (toplotne izgube < 50 kwh/m 2 leto), podatki za enodružinsko hišo: ogrevana površina 150 m 2, površina sončnih zbiralnikov 30 m 2, prostornina hranilnika toplote 3500 l, toplota pridobljena s sončno energijo 18 kwh/m 2 leto

25 Največ 80% j a j Izkoristek j e Odvisen od vrste zbiralnika, razlike med temperaturo absorberja in okolice, optičnih izgub Toplotne izgube označimo s k-faktorjem, ki ima enoto W/m 2 K Optični izkoristek (faktor pretvorbe) označuje delež absorbiranih sončnih žarkov vrsta Faktor pretvorbe k - faktor Temperatura medija ploščati C vakuumski C

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

27 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.

28 Parabolični sončni zbiralniki v puščavi Mojave (ZDA)

29 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.

30 Viri 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