Obnovitelné zdroje energie Fototermální systémy

Obecné informace * V našich podmínkách je výhodné využití solární energie pro výrobu tepla a ohřevu teplé užitkové vody * Optimální je komplexní systém, který umožňuje celoroční využití, například: zima topení, teplá voda léto teplá voda, ohřev vody v bazénu * Princip – přeměna viditelného záření na teplo, čímž by bylo možné získat až 90% tepla z dopadajícího záření * Podmínkou efektivního využití je komplexní řešení – tepelná izolace budovy, optimální návrh pro velikosti zásobníku, optimální volba rozsahu využití (TUV, topení, bazén, …)

Obecné informace Dopadající výkon slunečního svitu v závislosti na počasí

Obecné informace * Možnosti využití: - Pasivní systémy vhodné zejména u nových staveb. Jedná se o systém skleněných přístavků (verandy, zimní zahrady, …), který je spojen s kvalitními tepelnými izolacemi. Při projektování se musí brát ohled na vyšší nároky na teplo v zimním období a tomu odpovídá sklon a natočení oken. Naopak v létě je nutné zabránit nadměrnému ohřívání (speciální fólie). - Aktivní systémy sluneční záření se přeměňuje na teplo v solárních kolektorech, které jsou propojeny s akumulačními nádržemi. Systém umožňuje všestranné využití. - Určení plochy kolektoru zhruba 2 m2 kolektoru může pokrýt až 70% celoroční potřeby teplé užitkové vody na jednu osobu v domácnosti

Solární kolektor Solární kolektor slouží k zachycení světelného záření a jeho přeměně na teplo. Absorbér je základní částí kolektoru. Materiál má velmi dobrou tepelnou vodivost. Absorbuje sluneční záření a převádí ho na teplo. Na spodní straně musí být zařízení na odvádění tepla. V jednoduchých případech lze k ohřevu použít samotný absorbér, systém je většinou jednookruhový. Jako teplonosné médium ve voda. Využití je omezené (léto). Nejjednodušším příkladem je černá stočená hadice umístěná na střeše, v hadici proudí voda.

Stagnační teplota - je ustálená teplota kolektoru přijímajícího sluneční záření bez odvodu tepla (rovnovážný stav  příjem energie = tepelná ztráta) za standardních podmínek (teplota vzduchu 300C, sluneční záření 1000W/m2. - velikost stagnační teploty je dána typem kolektorů, zejména jejich tepelnou izolací  kvalitní kolektory mají vysokou stagnační teplotu - podle typu kolektoru se pohybuje v rozsahu 60 –3000C Význam stagnační teploty - při vysokých (letních) teplotách v kolektoru v období, kdy není zajištěn odvod tepla, může dojít ke změně skupenství teplonosné kapaliny  vzniká pára - sytá pára postupně zaplňuje kolektor a celý systém  dochází ke zvýšení tlaku a může dojít k poškození prvků soustavy

Stagnační teplota - problematiku řeší schopnost vyprazdňovaní kolektorů, což je dáno provedením kolektorů Průběh změny tlaku při stagnaci v průběhu dne

Teplonosné kapaliny Požadavky - nízký bod tuhnutí - vysoký bod varu - vysoká tepelná kapacita a tepelná vodivost - malé ztráty třením (nízká viskozita) - antikorozní vlastnosti - nehořlavé, nevýbušné, netoxické - nízká cena Solární kapaliny - voda – pouze sezónní využití, koroze, kotelní kámen - etylenglykol – nemrznoucí směs s vodou, jedovatý - propylenglykol – vysoká viskozita, malá tepelná kapacita, kotoze

Potrubí - plastové – pouze bazénové aplikace - měděné – vyšší cena, jinak optimální - ocelové bezešvé – nízká cena, horší vlastnosti - nerezová ocel, vlnovec – vyšší ztráty, rychlá montáž Kompaktní potrubní systémy – ocel nebo měď, izolace, vývody pro čidla

Solární kolektor Světlost potrubí – je dána rychlostí proudění kapaliny a) soustavy s nízkým průtokem (low-flow) – 10-20 litrů/hod.*m2, vysoký rozdíl teplot na kolektorech (25-40)K b) soustavy s vysokým průtokem (high-flow) 50-100 litrů/hod.*m2 nízký rozdíl teplot na kolektorech (5-10)K Kolektor představuje komplexní řešení, včetně tepelných izolací a antireflexního skla. Jako médium se nejčastěji používá nemrznoucí směs, lze i voda nebo vzduch. Využití je celoroční. Solární zásobník (tepelný výměník) – vytváří vazbu mezi primárním a sekundárním okruhem. Dochází v něm k ohřevu teplé užitkové vody. Zároveň slouží k akumulaci energie z primárního okruhu (teplá voda). Kromě solárního systému je voda ohřívána doplňkovými zdroji (elektřina, plyn,…).

Solární kolektor Příklad – absorbér Neosolar Materiál absorbéru: vysoce kvalitní polypropylen s UV stabilizací odolný soli a chlóru Objem kapaliny v absorbéru: 11 l/m2 Přípustná velikost absorbéru: 2,2-2000 m2 Doporučený průtok kapaliny: 100-250 l/m2*h Absorpční plocha: 2,2 m2 celkové plochy Špičkový výkon WP: 910 W/m2 při intenzitě slunečního záření 1000 při nulovém teplotního rozdílu mezi absorbérem a okolím Stagnační teplota: průměrně 55°C- 60°C

Solární kolektor – příklad využití

Rozdělení kolektorů 1. Podle materiálu absorbéru * měděné * hliníkové 2. Podle tvaru absorbéru a provedení * vakuové trubkové kolektory – mají nejvyšší účinnost (zejména v zimě, kdy jsou omezeny ztráty). Vakuum je mezi dvěma skleněnými trubkami, na vnitřní trubce je absorpční vrstva. . Nevýhodou je vysoká cena. * ploché vakuové kolektory – jsou nejmodernější a nejprogresivnější. Mají malé ztráty a nižší náklady než trubkové. Vakuum se udržuje vývěvou, která je spínána automaticky. * plochý zasklený kolektor se selektivní vrstvou – jsou nejrozšířenější. Mají nízké pořizovací náklady. Selektivní vrstva omezuje ztráty sáláním. * plochý nekrytý kolektor – nejjednodušší aplikace – plastová rohož bez zasklení, velké ztráty Ukázky kolektorů a video: zde

Solární kolektor Antireflexní sklo - zabraňuje odrazu světelného záření Solární kolektor - zachycuje světelné záření a přeměňuje ho na tepelnou energii Systém trubek - slouží k odvodu tepelné energie do výměníku

Rozdělení kolektorů AA - plocha, na které dochází k přeměně slunečního záření na teplo AB - plocha průmětu zasklení nebo reflektoru A - plochý kolektor B - trubkový kolektor s plochým absorbérem C - trubkový kolektor s válcovým absorbérem D - trubkový kolektor s válcovým absorbérem a reflektorem

Rozdělení kolektorů A - plochý kolektor B - trubkový kolektor s plochým absorbérem C - trubkový kolektor s válcovým absorbérem D - trubkový kolektor s válcovým absorbérem a reflektorem

Solární kolektor

Určení plochy kolektoru

Účinnost kolektorů tm - te - teplotní spád mezi teplonosnou látkou a okolím při standardních podmínkách dopadající energie je 800W/m2)

Rozdělení kolektorů Ploché kolektory

Rozdělení kolektorů Trubicové vakuové solární kolektory

Umístění solárního kolektoru

Sestava solárního kolektoru

Solární zásobník Slouží k akumulaci tepelné energie přiváděné z kolektorů nepravidelně podle klimatických podmínek pro pozdější využití. Rozdělení: - zásobníky teplé vody - zásobníky tepla (otopné vody) Zásobníky teplé vody Akumulace tepla přímo do připravované teplé vody, podléhají hygienickým požadavkům pro pitnou vodu. Speciální vnitřní povrchová úprava se projeví na ceně zásobníku Zásobníky tepla Běžné ocelové zásobníky bez vnitřní úpravy. Lze je použít pro přípravu teplé vody, tak i pro soustavy s přitápěním Rozdělení: - tlakové (tlak běžného vodovodního okruhu (0,2–1) MPa) - beztlaké (volná hladina)

Řízené teplotní vrstvení – stratifikační zásobník Stratifikace – teplotní rozvrstvení vody v zásobníku podle teploty  řízené ukládání tepla do vrstev o stejné teplotě Příklad stratifikace a) optimální využití, na výstupu je voda o požadované teplotě a daném množství (např. 150 litrů) b) neefektivní využití - voda v horní části zásobníku nemá požadovanou teplotu, je třeba dohřívat Princip stratifikace a) za pěkného počasí je vysoká teplota primárního okruhu, teplo se dodává do vrchní vrstvy b) při horším počasí je teplo dodáváno do střední části zásobníku

Řízené teplotní vrstvení – stratifikační zásobník Využití stratifikace – solární soustavy s nízkým průtokem teplonosné kapaliny (velkoplošné soustavy s ohřevem kapaliny o (30 – 50) K). Realizace a) využití principu rozdílu hustoty mezi přiváděnou vodou z výměníku a vrstvami akumulačního zásobníku b) ventily

Solární zásobník 2 okruhy – solární a kotlový Solární zásobník s topnou spirálou

Solární zásobník 2 okruhy – solární a kotlový

Potřeba x možnosti solárních panelů Graf ukazuje problematiku optimálního využití solárních panelů. Zejména v létě je patrný přebytek tepelné energie ze solárních panelů. Jako ideální se jeví například vytápění vody v bazénu. bazén

Základní schéma systému

Příklad realizace Dvouokruhový systém s nemrznoucí směsí, se zásobníkem TUV a s elektrickým dohřevem

Samotížné systémy Kapalina v kolektoru se vlivem dopadajících slunečních paprsků ohřívá a roztahuje. Samovolně stoupá v trubkovém rozvodu vzhůru k zásobníku s užitkovou vodou. Zde dochází přes výměník k předání tepelné energie z teplonosného média (nemrznoucí směsi) do vody a tím tedy k jejímu ohřevu. Ochlazené teplonosné médium zase klesá pět dolů do kolektoru. Ke své funkčnosti nepotřebuje elektronickou regulaci ani solární hnací jednotku. tepelný výměník kolektor

Hnané systémy kolektor V kolektorové ploše je ohřívána nemrznoucí směs vlivem dopadajících slunečních paprsků. V případě, že je elektronickou regulací vyhodnocen teplotní rozdíl mezi kolektorovou plochou a zásobníkem s TUV (tzn. regulace je nastavena na určitou teplotní diferenci), je uvedena do chodu solární hnací jednotka. Ta zajistí přemístění ohřáté teplonosné směsi k zásobníku s užitkovou vodou, kde se tepelná energie předává pomocí tepelného výměníku, a ochlazená směs se popohání zpět do kolektorové plochy. tepelný výměník

Tepelné zisky

Maloplošná soustava - TUV Maloplošné soustavy (400kW*m-2*rok-1) - jednoduché řešení, větší tepelné ztráty A - předehřívací solární soustava - solární zásobník je předřazen konvenčnímu ohřevu B - bivalentní solární zásobník - solární zásobník má dodatečný zdroj tepla

Velkoplošná soustava - TUV Velkoplošné soustavy (400kW*m-2*rok-1) – dražší řešení, menší tepelné ztráty

Kombinovaný systém – trivalentní systém Tepelná energie slunečních kolektorů Tepelná energie z elektrické energie Tepelná energie z kotle

Příklad komplexního řešení v pasivním domě

Realizace s přitápěním vody v bazénu Solární soustava se 6 kolektory, zásobníkem na 500 litrů výměníkem pro bazén a topení a všemi ostatními potřebnými díly včetně potrubí Použití: ohřev TUV pro standardní RD, ohřev vody v bazénu a topení

Materiály TZB info webové stránky katalogy výrobců solárních panelů Prezentace ČVUT Praha - Stagnační chování soustav