Solarni Kolektori

VELEUČILIŠTE U VARAŽDINU Stručni studij Proizvodno strojarstvo

Seminarski rad iz kolegija ALTERNATIVNI IZVORI ENERGIJE Tema seminarskog rada:

SOLARNI KOLEKTORI

Izradili: Maja Šušković Nenad Havelka Predmetni nastavnici: Dr. sc. A. Čikić i Mr. Sc. M. Cvetić

Varaždin, lipanj 2013.

Sadržaj

1. Sunčeva toplinska energija.......................................................................................3 2. Solarni kolektori........................................................................................................4 3. Niskotemperaturni kolektori......................................................................................5 4. Srednjetemperaturni kolektori...................................................................................9 5. Visokotemperaturni kolektori..................................................................................10 6. Izvedba sa paraboličnim kanalnim reflektorima......................................................11 7. Izvedba sa središnjim solarnim tornjem.................................................................12 8. Izvedba sa koncentrirajućim tanjurom....................................................................13 9. Fresnelova zrcala...................................................................................................14 10. Solarne uzgonske elektrane.................................................................................15

2

1.Sunčeva toplinska energija Najveći izvor obnovljive energije je Sunce čije zračenje dolazi na Zemlju i tamo se pretvara u druge oblike obnovljive energije poput energije vjetra, hidroenergije, biomase, energije valova i dr. Sunčevo zračenje predstavlja daleko najveći izvor energije na Zemlji, pri čemu je godišnje dozračena energija veća 15 000 puta od ukupnih svjetskih potreba.Na količinu dozračene sunčeve energije (insolaciju) pojedinog mjesta na Zemlji ponajviše utječu njegova zemljopisna širina i lokalne klimatske prilike. U Republici Hrvatskoj godišnja insolacija na horizontalnu plohu iznosi 1200- 1600 kWh/m2 ovisno radi li se o kontinentalnom ili primorskom dijelu. Od toga se 75% dozrači u toplijoj polovici godine (od početka travnja do kraja rujna), dok je u hladnijem dijelu godine, kada su potrebe za energijom najveće, insolacija osjetno niža.

Slika 1. Karta insolacije na podrucju RH

Pod pojmom iskorištavanja Sunčeve energije misli se samo na njezino neposredno iskorištavanje, u izvornom obliku, to jest ne kao, primjerice, energija vjetra ili fosilnih goriva. Sunčeva se energija pri tome može iskorištavati aktivno ili pasivno. Aktivna primjena Sunčeve energije podrazumijeva njezinu izravnu pretvorbu u toplinsku ili električnu energiju. Pri tome se toplinska energija od Sunčeve dobiva pomoću solarnih kolektora, a električna pomoću fotonaponskih ćelija. Pasivna primjena Sunčeve energije znači izravno iskorištavanje dozračene Sunčeve topline odgovarajućom izvedbom građevina (smještajem u prostoru, primjenom odgovarajućih materijala, prikladnim rasporedom prostorija i ostakljenih ploha itd). 3

2.Solarni kolektori Solarni kolektori su uređaji koji sakupljaju sunčevu energiju i pretvaraju je u toplinsku energiju. Podjela solarnih kolektora: Niskotemperaturni Srednjetemperaturni Visoko temperaturni

Niskotemperaturni kolektori se izvode kao ravne ploče, a namjenjeni su za grijanje vode i klimatizaciju. Srednjetemperaturni kolektori su najčešće izolirani kolektori s pokrovom, a koriste se za zagrijavnje vode za stambenu ili komercijalnu upotrebu. Viskotemperaturni kolektori koncentriraju sunčevo zračenje koristeći zrcala ili leće te se uglavnom koriste za proizvodnju električne energije.

Slika 2. Shema sistema s prisilnom cirkulacijom tople vode

4

3.Niskotemperaturni kolektori Niskotemperaturni kolektori se uglavnom ugrađuju za grijanje bazena i vode u domaćinstvima, a mogu se koristit i za grijanje, hlađenje te ventilaciju prostora. U takvim kolektorima najčešći mediji za prijenos topline su zrak ili voda. Na 1 m² solarnog kolektora možemo dobiti i do 700 J topline za grijanje vode ili zraka. Kut instalacije solarnih kolektora je najčešće fiksan i iznosi 37-43° u smjeru juga. Ako bi nagib kolektora mijenjali svaki mjesec dobili bi samo oko 6% više ukupne godišnje dozračene energije na kolektor, pa se nagib najčešće ne mijenja. Niskotemperaturni solarni kolektori se uglavnom izvode kao ravni (pločasti) kolektori i kao cijevni (vakuumski) kolektori. Ravni (pločasti) kolektori razvijeni od strane Hottela i Whilliera 1950-ih, najčešći su tip niskotemperaturnih solarnih kolektora koji se sastoje od sljedečih djelova:



Pokrivna ploča od stakla u jednom ili više slojeva Apsorber za apsorpciju toplinskog sunčevog zračenja na kojeg su spojene cijevi



Cijevni registar za protjecanje ogrijevnog medija (voda, antifriz ili zrak)



Izolacija zbog smanjenja toplinskih gubitaka



Kućište za sastavne dijelove kolektora i njihovu zaštitu od prašine i vlage



Apsorber se sastoji od tankog lima apsorbera (termički stabilan polimer, aluminij, čelik ili bakar, koji se premazuju crnim premazom), na koji su pričvrščene rešetkaste ili zavojite cijevi u kojima struji fluid, smještenim u izoliranom kućištu sa staklenim ili polikarbonatnim poklopcem. Apsorber se zagrijava i predaje toplinu ogrjevnom mediju koji struji kroz cijevi. Izmjena topline se može postići direktno ili preko izmjenjivača topline. Ravnim kolektorima mogu se postići temperature ogrjevnog medija do 100°C. Površina jednog kolektora može biti između 1,5 m² i 8m², a najčešće iznosi 2m².

5

Slika 3. Izgled solarnog pločastog kolektora

Efikasnost kolektora je definirana omjerom korisne topline, prikupljene kolektorom i intenziteta upadnog sunčevog zračenja na plohu kolektora. Na njihovu efikasnost najviše utječu svojstva premaza apsorbera te kvaliteta spoja cijevi za apsorbersku ploču (dobar prijelaz topline). Efikasnost kolektora pada sa smanjenjem insolacije i temperature zraka te povećanjem srednje temperature nosioca topline. Stoga je potrebno osigurati pravilan odabir protoka da temperatura u kolektoru ne bude previsoka, s obzirom na željenu temperaturu vode u spremniku. Također je potrebno odabrati efikasniji način spajanja kolektora ( serijski ili paralelno) i broj kolektora u spoju. Paralelnim spojem dobit ćemo približno jednaku temperaturu na ulazu i izlazu svakog kolektora, dok kod serijskog spoja izlazna temperatura iz jednog kolektora predstavlja ulaznu temperaturu u drugi kolektor. To je razlog niže ukupne efikasnosti serijski spojenih kolektora, jer imamo znatno višu prosječnu temperaturu nosioca topline od temperature vode u spremniku. Iz tih razloga češće se koristi paralelni spoj premda zahtjeva veće protoke, veće promjere cijevi i dulje vrijeme zagrijavanja vode u spremniku. Postoji nekoliko različitih izvedbi apsorbera kao cjevovoda: Harfni apsorber Ova vrsta konstruirana je za prijevoz tekućine od dna do vrha kolektora putem mreže paralelnih cijevi. Te paralelne cijevi postavljene su okomito i uže su od gornje i donje vodoravne cijevi radi razlike u tlakovima. Ako se u gornjoj i donjoj cijevi stvori velika razlika tlakova, tada protok kroz pojedinu okomitu cijev neće biti jednolik. Mogu biti spojeni u seriju jer su gornja i donja distribucijska cijev dosta velike. Serpentinski apsorber Ova se izvedba sastoji od jedne dugačke kontinuirane fleksibilne cijevi, tako da nema problema sa jednolikim protokom kao kod harfnih. Glavni problem je to što je protok ograničen i previše opterećenja stavlja na cirkulacijsku pumpu. Paralelno povezivanje smanjuje ovaj problem, npr. 2 paralelno spojena kolektora smanjuju ograničenje protoka na pola. Ovom se izvedbom povećavaju temperature, ali ne i ukupan prinos energiji u protočnim sustavima. Potpuno potopljeni apsorber To je apsorber koji se sastoji od 2 metalne ploče između kojih prolazi fluid. Budući da je površina izmjene topline veća, oni mogu biti učinkovitiji od klasičnih apsorbera. Kao alternativa metalnih kolektora koriste se polimerni pločasti kolektori koji čine kolektor otpornim na smrzavanje, što dopušta korištenje obične vode umjesto antifriza, a također su otporni i na visoke temperature (polimeri koji se tope na temperaturama višim od 250°C). Konvencionalni metalni kolektori su osjetljivi na pucanje pri niskim temperaturama, pa je upotreba polimera u području s nižim temperaturama od velike važnosti. Većina pločastih kolekotra ima vijek trajanja između 20 i 30 godina.

6

Cijevni (vakuumski) kolektori Većina vakuumskih cijevnih kolektora koriste „toplinsku cijev“ kao jezgru. Sastoje se od više evakuiranih staklenih cijevi od kojih svaka sadrži apsorbersku ploču. Toplina se s vrućeg kraja toplinske cijevi prenosi na fluid za zagrijavanje potrošne tople vode ili grijanje prostora pomoću izmjenjivača topline. Vakum koji okružuje cijev izvana uvelike smanjuje konvekciju i gubitak topline prema vanprovođenjem, što vakumske kolektore čini više učinkovitim od pločastih, pogotovo u hladnijim uvjetima. Ova se prednost u velikoj mjeri gubi u toplijim podnebljima. Visoke temperature koje se mogu pojaviti mogu zahtjevati posebnu izvedbu sustava kako bi se izbjeglo pregrijavanje.

Slika 4. Izgled cijevnog kolektora

Grijanje vode Tehnologija grijanja vode je vrlo efikasna u odnosu na druge tehnologije koje koriste sunčevu energiju. Iako učinak ovisi o lokaciji implementacije, kolektori izvedeni kao ravne ploče i kolektori s vakuumskim cijevima imaju korisnost preko 60% za normalnog načina rada, a koriste se za grijanje vode na nižim temperaturama (2570°C).

7

Grijanje, hlađenje i ventilacija Spremnici toplinske energije spremaju sunčevu energiju tijekom dana i oslobađaju je za vrijeme hladnijih perioda. Najčešći materijali koji se koriste kao spremnici toplinske energije su kamen, beton ili voda. Prilikom odabira veličine i položaja spremnika uzima se u obzir nekoliko faktora: klima, dnevna osunčanost i zasjenjivanje. Kada je pravilno ugrađen, spremnik toplinske energije može pasivno zadržavati ugodnu temperaturu, smanjujući pritom potrošnju energije. Solarni dimnjak je pasivni solarni sustav ventilacije sastavljen od šupljeg spremnika energije koji povezuje unutranji i vanjski dio građevine. Kako se dimnjak grije, zrak se unutar spremnika zagrijava i podiže uzrokujući tako pokretanje zraka kroz zgradu. Ovakav sustav ventilacije koristio se još u vrijeme antike, a uobičajan je na Srednjem istoku. Trombov zid je pasivni solarni sustav grijanja i ventilacije sastavljen od zračnog kanala umetnutog između prozora i spremnika topline okrenutog suncu. Za vrijeme ventilacijskog ciklusa, sunčeva energija se sprema u spremnik zagrijavajući pritom zračni kanal i uzrokujući cirkulaciju kroz otvor na vrhu i dnu zida. Dok za vrijeme ciklusa grijanja Trombov zid otpušta spremljenu toplinsku energiju. Solarni krovni bazen je jedinstven sustav za grijanje i hlađenje koje je razvio Harold Hay u 60-tima 20. stoljeća. Osnovni sustav načinjen je od krovnog spremnika vode s izolirajućim pokrovom. Sustav može kontrolirati izmjenu topline između vanjskog i unutrašnjeg dijela zgrade otkrivajući i pokrivajući spremnik danju i noću. Prilikom grijanja spremnik je otkriven tijekom dana omogućavajući suncu grijanje vode, dok je noću prekriven. Ako se sustav koristi za hlađenje, spremnik je prekriven danju, a noću otkriven omogućavajući hlađenje vode u spreminku. Aktivno solarno hlađenje može se postići preko apsorpcijsko rashladnog ciklusa, ciklusa sušenja i solarnog mehaničkog procesa. 1878. godine Auguste Mouchout izumio je solarno hlađenje koristeći solarni parni stroj pričvršćen na rashladni uređaj.

8

4.Srednjetemperaturni kolektori Ovaj tip kolektora najčešće se koristi pri prizvodnji vruće vode za stambenu i komercijalnu upotrebu, te neposredno za kuhanje, dezinfekciju i desalinizaciju. Kuhanje Sunčeva energija može se koristiti za kuhanje, sušenje i pasterizaciju. Kolektori koji se koriste za pripremu hrane smanjuju potražnju za gorivom, drvom i poboljšavaju kvalitetu zraka smanjujući količinu dima koja bi se inače oslobodila. Koncentrirajući solarni kolektori koriste reflektore za usmjeravanje sunčeva zračenja na posudu za kuhanje. Kao reflektori najčešće se koriste ravne ploče, diskovi i parabolični kanali. Ovakve izvedbe mogu postići temperaturu i do 350°C. Dezinfekcija i desalinizacija Solarna dezinfekcija vode je jednostavna metoda dezinfekcije vode korištenjem sunčeva zračenja i PET ambalaže. Ta se jeftina i efikasna metoda uglavnom koristi u domaćinstvima zemalja u razvoju. Solarna energija se može koristiti i za desalinizaciju vode destilacijom. Najbolji način desalinizacije je uljevanje tekućine u posudu, gdje voda pod utjecajem sunčeve energije isparava, prolazi kroz plastične cijevi te se naposljetku kondenzira.

Slika 5.Srednjetemperaturni kolektor, koncentrira sunčeve zrake na pomični prijamnik za proizvodnju pare za kuhanje.

9

5. Viskokotemperaturni kolektori Solarni kolektori izvedeni kao ravne ploče su najčešće korišteni nekoncentrirajući kolektori tamo gdje zadovoljavajuća temperatura medija ne prelazi 95°C. No tolika temperatura medija nije dovoljna za efikasnu proizvodnju električne energije. U solarnim termalnim elektranama sunčevo zračenje se lećama i zrcalima koncentrira radi postizanja veće temperature. Takva tehnika naziva se sunčeva (solarna) koncentrirana energija. Ovisno o temperaturi medija u solarnim se elektrana koriste odgovarajući pogonski strojevi. Parne turbine koriste se do 600°C temperature medija, dok se iznad te temperature koriste plinske turbine. Vrlo visoke temperature uvjetuju korištenje različitih materijala i tehnika. Primjerice, za temperature iznad 1100°C predlaže se korištenje tekuće fluoridne soli kao radnog medija te višestupanjski turbinski sustav, čime je moguće postizanje korisnosti i do 60%. Visoka radna temperatura omogućava znatne uštede vode, što posebno dolazi do izražaja u pustinjama gdje se izgradnja takvih elektrana i očekuje. Kako je spremanje toplinske energije jeftinije od spremanja električne energije, solarne termalne elektrane se najčešće izvode sa spremnicima topline. Time se, osim danju, omogućava proizvodnja električne energije i noću. Solarne elektrane mogu biti pouzdan izvor električne energije na lokacijama s dobrim sunčevim ozračenjem. Pouzdanost se nadalje može povećati ugradnjom pomoćnih sustava na fosilna goriva koja mogu koristiti veći dio podsustava solarne elektrane. Usprkos visokoj pouzdanosti, lokacijama na kojima se takve elektrane grade te besplatnom izvoru energije jedina prepreka implementaciji takvih elektrana je cijena leća, odnosno zrcala kojima je potrebno prekriti velike površine, kako bi se dobile značajnije količine energije.

Sistemska izvedba Kako sunce mijenja svoj položaj, potrebna je ugradnja sustava za praćenje promjenje položaja kako leće ili zrcala ne bi mijenjali fokuse. Tako postoje različite izvedbe kolektora s različitim sustavima praćenja i koncentriranja sunčeva zračenja.

10

6. Izvedba s paraboličnim kanalnim reflektorima Elektrane s paraboličnim kanalnim reflektorima sastavljene su od mnoštva paralelno postavljenih zrcala koji reflektiraju direktno sunčevo zračenje na kolektore koji se nalazi iznad njih. Zrcala su parabolična u jednom i ravna u drugom smjeru. Kako promjena položaja sunca paralelna s kolektorom ne skreće fokus s kolektora, potrebno je mijenjati položaj kolektora samo radi okomitih promjena položaja sunca. Ta činjenica omogućava ugradnju jednoosovinskog sustava praćenja. U ovoj izvedbi najčešći radni mediji su sintetičko ulje, kapljevina soli ili stlačena para. Kolektor se obično nalazi u vakuumskoj komori kako bi se smanjila konvekcija topline na zrak. Ova izvedba je 1985. godine u Kaliforniji prvi put puštena u pogon. Kako su drugi sustavi tek nedavno razvijeni ili pušteni u pogon može se reći da je ovo jedini dokazani sustav sunčeve koncentrirane energije.

Slika 6.,7. Parabolični kanalni reflektori.

11

7. Izvedba sa središnjim solarnim tornjem Elektrane sa središnjim solarnim tornjem koriste mnoštvo ravnih, pomčnih zrcala za fokusiranje sunčevih zraka na kolektor tornja. Prednost ovakve izvedbe je viša temperatura pri kolektoru, za razliku od parabolične kanalne izvedbe. Toplinska energija se na višim temperaturama može efikasnije pretvoriti u električnu energiju ili spremiti za kasniju upotrebu. Nedostatak ovakve izvedbe je činjenica da svako zrcalo mora imati vlastiti dvoosovinski sustav pomicanja, što otežava njegovo održavanje, dok kod parabolične kanalne izvedbe jednoosovinski sustav upravlja velikom skupinom zrcala.

Slika 8. 11MW PS10 solarni toranj pokraj Seville u Španjolskoj

12

8. Izvedba sa koncentrirajućim tanjurom Ova izvedba koristi veliko parabolično reflektirajuće zrcalo u obliku tanjura. Ono fokusira sunčevo zračenje u točki iznad reflektora, gdje se na kolektoru Stirling motorom ili parnim strojem pretvara u mehaničku energiju pa potom generatorom u električnu. Prednost izvedbe s koncentrirajućim tanjurom je mogućnost postizanja vrlo visokih temperatura. Nedostatak je svakako činjenica da se velik dio sustava pomičan, što zahtjeva robusan dvoosovinski sustav za praćenje sunca.

Slika 9. Koncentrirajući tanjuri

13

9. Fresnelova zrcala Elektrana s Fresnelovim zrcalima sadrži seriju dugih, uskih, ravnih ili blago zakrivljenih zrcala koji fokusiraju sunčevo zračenje na jedan ili više linearnih kolektora povrh njih. Na vrhu kolektora obično se nalazi malo parabolično zrcalo za što bolje fokusiranje svjetlosti. Ovakva izvedba prema kojoj skupina zrcala dijele isti kolektor, uz jednoosovinski sustav praćenja smanjuje cijenu izgradnje i pojednostavnjuje održavanje. Osim navedenih, prednost ove izvedbe je svakako nepomičan kolektor koji ne opterećuje zrcala, a time i sustav za praćenje. Fresnelove leće Trenutno ne postoji značajnija upotreba Fresnelovih leća u solarnim termalnim elektranama, mada bi takva izvedba bila jeftinija od upotrebe zrcala. Fresnelove leće se uglavnom koriste zajedno s fotonaponskim sustavima.

Slika 10. Fresnelova zrcala

14

10. Solarne uzgonske elektrane Ne koriste zrcala, nego veliku ostakljenu površinu (samo odozgo), ispod koje se zagrijava zrak, u čijem je središtu toranj. Zbog nagiba te staklene površine, zrak ide prema tornju gdje se okreću turbine. Sam sustav zahtijeva izrazito velike dimenzije te faktor pretvorbe solarne energije u toplinsku nije naročito dobar, no to je kompenzirano niskim investicijskim troškovima. Prototip srednje veličine je bio izgrađen u Španjolskoj 1982. gdje su se skupljali podaci sljedećih 7 godina, sve do namjernog rušenja tornja zbog problema s vrtloženjima.

Slika 11. Solarna uzgonska elektrana

15