66919641 04 Handbook Suncani Toplovodni Sustavi

Europska komisija izvrno je tijelo EU.

Vie o projektu na www.ipa-oie.com

SUNANI TOPLOVODNI SUSTAVI

Instrument pretpristupne pomoi Obnovljivi izvori energije

Instrument pretpristupne pomoi (eng. Instrument for

Pre-Accession Assistance IPA) pretpristupni je program

za razdoblje od 2007. do 2013. godine koji zamjenjuje

dosadanje programe CARDS, Phare, ISPA i SAPARD.

Osnovni ciljevi ovog programa su pomo u izgradnji

institucija i vladavine prava, ljudskih prava, ukljuujui

i temeljna prava, prava manjina, jednakost spolova i

nediskriminaciju, administrativne i ekonomske reforme,

ekonomski i drutveni razvoj, pomirenje i rekonstrukciju

te regionalnu i prekograninu suradnju.

IPA Komponenta IV Razvoj ljudskih potencijala

doprinosi jaanju gospodarske i socijalne kohezije, te

prioritetima Europske strategije zapoljavanja u podruju

zapoljavanja, obrazovanja, strunog osposobljavanja i

socijalnog ukljuivanja.

Europsku uniju ini 27 zemalja lanica koje su odluile

postupno povezivati svoja znanja, resurse i sudbine.

Zajedniki su, tijekom razdoblja proirenja u trajanju

od 50 godina, izgradile zonu stabilnosti, demokracije

i odrivog razvoja, zadravajui pritom kulturalnu

raznolikost, toleranciju i osobne slobode. Europska

unija posveena je dijeljenju svojih postignua i svojih

vrijednosti sa zemljama i narodima izvan svojih granica.

Prirunik

Damir Dovi

Ova publikacija izraena je uz pomo Europske unije. Za sadraj ove publikacije odgovorna je Srednja kola Oroslavje i ne odraava stavove Europske unije.

Ovaj projekt financira Europska unija

IPA Komponenta IV Razvoj ljudskih potencijala Program Europske unije za Hrvatsku Instrument pretpristupne pomoi Obnovljivi izvori energije

Project financed by the European UnionIMPLEMENTATION OF NEW CURRICULA: Increasing knowledge and information on Renewables

Projekt je financiran sredstvima Europske unijeIMPLEMENTACIJA NOVIH KURIKULUMA: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije

Provedbeno tijelo: Agencija za strukovno obrazovanje i obrazovanje odraslih, Odjel DEFCO

Nositelj projekta: Srednja kola Oroslavje

Partneri na projektu: Tehnika kola Ruera Bokovia u Zagrebu Grad Oroslavje

Struni suradnici: Darko Cobovi, dipl. ing. Goran Nuskern, dipl. ing.

Autor:Doc. dr. sc. DAMIR DOVI dipl. ing. Fakultet strojarstva i brodogradnje Sveuilita u Zagrebu

Izdava: Tehnika kola Ruera Bokovia u Zagrebu Srednja kola Oroslavje

Tehniki urednik: Mario Lesar, graf. ing.

Dizajn i promocija: Culmena d.o.o.

Web adresa:www.ipa-oie.com

Sadraj 1. Uvod ............................................................................................. 1

2. Fizikalne osnove ................................................................................ 1

2.1 Maseni i volumni protok .................................................................. 1

2.2 Izmjena topline ............................................................................ 2 2.2.1 Temperatura ......................................................................... 2 2.2.2 Toplina ............................................................................... 2 2.2.3 Provoenje topline .................................................................. 2 2.2.4 Konvekcija .......................................................................... 3 2.2.5 Zraenje ............................................................................. 4

2.3 Izmjena topline izmeu dvaju medija .................................................... 7

2.4 Izmjena topline transportom mase ....................................................... 8

3. Obnovljivi izvori energije ...................................................................... 8

3.1 Obnovljivi izvori i fosilna goriva ......................................................... 8

3.2 Karakteristike obnovljive energije ...................................................... 10

4. Sunevo zraenje .............................................................................. 10

4.1 Karakteristike ............................................................................ 10

4.2 Efekt staklenika .......................................................................... 12

4.3 Godinja promjena Suneva ozraenja .................................................. 12

4.4 Optimalni kut kolektora ................................................................. 13

5. Kolektori sunevog zraenja ................................................................. 15

5.1 Efikasnost kolektora ..................................................................... 15

5.2 Ploasti kolektori ......................................................................... 17

5.3 Vakuumski kolektori ..................................................................... 18

5.4 Neostakljeni apsorberi ................................................................... 20

5.5 Koncentrirajui kolektori i sunane elektrane .......................................... 21

5.6 Raspodjela strujanja u kolektorima ...................................................... 23

6. Izmjena topline u ploastom kolektoru ..................................................... 23

6.1 Mehanizmi izmjene topline .............................................................. 23

6.2 Utjecaj konstrukcije na toplinske karakteristike ........................................ 25 6.2.1 Utjecaj optikih svojstava apsorbera i stakla ...................................... 25

6.2.2 Utjecaj spoja apsorbera i cijevi .................................................... 26

6.3 Utjecaj strujanja radnog fluida .......................................................... 28

7. Sunani toplovodni sustavi ................................................................... 28

7.1 Sustavi za pripremu PTV-a .............................................................. 28

7.2 Sustavi za grijanje prostora .............................................................. 33

7.3 Sustavi za grijanje bazena ............................................................... 33

7.4 Regulacija ................................................................................ 33

7.5 Oprema i armatura ....................................................................... 34

7.6 Montaa kolektora ....................................................................... 34

8. Ispitivanja sunevih kolektora i sustava .................................................... 35

9. Simulacija i ekonomino dimenzioniranje sunanih sustava ............................. 37

9.1 Metode prorauna ........................................................................ 37

9.2 Rezultati simulacije ...................................................................... 39

9.3 Period povrata investicije ................................................................ 40

9.4 Optimizacija povrine kolektora i zapremine spremnika ............................... 40

Prilog ............................................................................................... 43

Literatura .......................................................................................... 46

1. Uvod U dananje vrijeme svjedoci smo jaanja svijesti o potrebi koritenja obnovljivih izvora energije, kao i poveanja energetske uinkovitosti u proizvodnji i njezinu koritenju, a sve kao odgovor na ubrzan rast cijena fosilnih energenata, predvianja o njihovom iscrpljivanju u skoroj budunosti te oneienje okolia. Sunevo zraenje je najvei izvor obnovljive energije na Zemlji, gdje se pre-tvara u ostale oblike poput hidroenergije, energije vjetra, biomasu, energiju valova i dr. Danas se u svijetu suneva energija direktno najee koristi u toplovodnim sunanim sustavima za potrebe zagrijavanja potrone tople vode i grijanje prostora. Prorauni i praksa pokazuju da sunani susta-vi u Republici Hrvatskoj mogu ponekad biti isplativi ak i bez namjenskih novanih potpora. Ipak, u veini zemalja koje imaju visoku stopu koritenja sunanih sustava po glavi stanovnika, npr. Cipar, Austrija, Grka, Njemaka, Danska, postoji sustav novanih potpora kojima se potie ugradnja sunanih sustava i znaajno sniavaju trokovi investicije. U naoj zemlji takvih sustav-nih potpora jo nema, ve su one ograniene na manji broj sustava kroz regionalne projekte. Tako trenutno imamo samo oko 55.000 m2 instalirane kolektorske povrine (npr. Slovenija 112 000 m2, Austrija 2 800 000 m2) unato velikom tehnolokom potencijalu, posebice u primorskom dijelu nae zemlje. Uz nedostatak dravnih poticaja koji bi zasigurno potaknuli proizvodnju i ugradnju sunanih sustava u naoj zemlji, potrebno je i sustavno provoditi izobrazbu o tehnolokim-ekonomskim aspektima njihovakoritenja, a ona bi se odnosila na sve koji sudjeluju ili e tek sud-jelovati u primjeni tih sustava, bez obzira radi li se o instalaterima ili projektantima.

2. Fizikalne osnove 2.1 Maseni i volumni protok Rad sunanih toplinskih sustava temelji se na izmjeni toplinske energije putem fluida koji protjee kroz pojedine dijelove sustava. Ovaj je protok definiran kao omjer mase fluida koji je proao kroz povrinu presjeka strujanja u jedinici vremena

mmt

= , kg/s (2.1)

m masa fluida, kg t vrijeme, s. Ukoliko je protok okomit na povrinu presjeka strujanja moe se pisati

m A w = , kg/s (2.2) A plotina povrine presjeka strujanja, m2 w brzina fluida, m/s gustoa fluida, kg/m3, tablica 2.1. Volumni protok definiran je kao omjer volumena fluida koji je proao kroz povrinu presjeka

strujanja u jedinici vremena VVt

= , m3/s (2.3)

V masa fluida, kg.

Damir Dovi: Sunani toplovodni sustavi [Prirunik] 1

Pritom vrijedi

mV

=

, m3/s (2.4)

Ukoliko je protok okomit na povrinu presjeka strujanja moe se pisati

V A w= , m3/s. (2.5)

2.2 Izmjena topline Kod sunanih toplinskih sustava najvei dio energije izmjenjuje se u obliku topline. U nastavku je dan pregled odgovarajuih mehanizama izmjene topline te izrazi kojima se oni opisuju.

2.2.1 Temperatura Temperatura (T, K i , C) veliina je stanja neke materije (tijela ili fluida) kojom se opisuje nje-zin stupanj zagrijanosti odnosno ohlaenosti. Temperatura ovisi o prosjenoj kinetikoj energiji, tj. brzini gibanja estica od kojih se sastoji materija, pri emu je temperatura to via to je vea kinetika energija. Za mjerenje temperature koristi se apsolutna Kelvinova i relativna Celzijeva skala. Veza izmeu tih dviju skala jest

( ) ( ) 273,15T K C= + (2.6) pri emu je 0 K najnia temperatura, tj. apsolutna nula koja odgovara teorijskom stanju pri kojem nema gibanja estica. 0 C odgovara toki smrzavanja vode pri standardnom atmosferskom tlaku (101325 Pa). Interval podjele identian je kod obiju skala.

2.2.2 Toplina Toplina (Q, J) je energija koja se izmjenjuje izmeu dvaju tijela (ili sustava) kada su ona na razli-itim temperaturama. Toplinski tok je toplina izmijenjena u jedinici vremena

QPt

= , J/s = W. (2.7)

esto se kod sunanih sustava za iskazivanje izmijenjene topline koristi mjerna jedinica, Wh umjesto, J. 1 Wh predstavlja toplinu koja se izmjeni tijekom 1 sata pri toplinskom toku od P = 1 W. Pri tome je 1 Wh= 3600 J.

Kod ureaja namijenjenih izmjeni topline (npr. izmjenjivai topline, kolektori i dr.) za toplin-ski tok P koristi se i termin snaga.

Gustoa toplinskog toka izmijenjeni je toplinski tok po jedinici povrine okomite na smjer i-renja topline

PqA

= , W/m2 (2.8)

A plotina povrine izmjene topline, m2.

2.2.3 Provoenje topline Provoenje topline (kondukcija) mehanizam je izmjene topline putem izmjene kinetike energije izmeu estica tvari (molekula, atoma) i gibanja slobodnih elektronabez njihovog primjetnog ma-kroskopskog pomicanja, a sve uslijed postojanja temperaturnih razlika (gradijenta) unutar tvari. Provoenje topline jedini je mogui mehanizam izmjene topline unutar krutih neprozirnih tvari (kod prozirnih mogue je jo i zraenje) i izmeu krutih tvari koje su u toplinskom kontaktu.Isto tako, provoenje topline prisutno je i kod kapljevina i plinova ukoliko nema primjetnog mijeanja makroskopskih estica kada se nalaze u malom i ogranienom prostoru (npr. izmeu dviju stakle-

Implementacija novih kurikuluma: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije2

nih stjenki prozora). Kod laminarnog strujanja, kod kojeg nema mijeanja strujnica, toplina se provodi popreno na smjer strujnica.

Prema Fourierovom zakonu, provoenjem se izmijenjeni toplinski tok kroz ravnu stjenku mo-e izraziti kao

P T A= , W (2.9)

toplinska provodnost materijala stjenke, W/mK debljina stjenke, m T temperaturna razlika povrina stjenke, K A plotina povrine okomite na smjer irenja topline, m2. U tablici 2.1 dane su vrijednosti toplinske provodnosti za nekoliko gradbenih materijala i rad-

nih fluida koji se koriste kod sunanih toplinskih sustava. Iz prikazanih vrijednosti moe se uoiti kako su metali najbolji, a plinovi najloiji vodii topline.

Tablica 2.1: Toplinska svojstva tvari (pri 20 C)

Materijal Gustoa , kg/m3

Toplinska provodnost , W/mK

Specifini toplinski kapacitet cp, kJ/kgK

bakar (trgovaki) 8300 372 0,419

aluminij 2700 229 0,896

elik obini 7840-7850 47-59 0,460-0,465

elik nehrajui 7900-7880 14-20 0,477-0,502

kamena vuna 50-300 0,036-0,043 0,67

staklo 2700 0,76 0,840

voda 998 0,598 4182

voda/glikol 40 % (solarna tekuina) 1046 0,382 3733

zrak 1,164 0,0251 1,013

2.2.4 Konvekcija Konvekcija je mehanizam izmjene topline izmeu krute stjenke i kapljevine (tekuine ili plina) koja se primjetno giba. Konvekcija se temelji na gibanju makroskopskih estica kapljevine (veih od molekula) razliitih temperatura, pri emu u meusobnim kontaktima dolazi do izmjene ener-gije. to je vie takvih kontakata, to je intenzivnija izmjena topline, a to prije svega ovisi o uvje-tima strujanja (brzini, geometriji stjenke i dr.) te fizikalnim svojstvima kapljevine. Kako uslijed gibanja fluida do stjenke dolaze uvijek nove estice razliite temperature, koje se kod turbulen-tnog strujanja jo dodatno mijeaju s onima iz ostatka struje, konvekcija dovodi do znatno inten-zivnije izmjene topline nego to je to, primjerice, kod provoenja topline izmeu stjenke i mirujue kapljevine. Konvekcija moe biti slobodna ili prisilna. Kod slobodne je konvekcije giba-nje kapljevine uz stjenku uzrokovano uzgonskim silama koje su posljedica razlike u gustoi esti-ca razliitih temperatura uz i dalje od te stjenke.

S druge strane, kod prisilne je konvekcije strujanje kapljevine izazvano vanjskim djelovanjem, npr. pumpom, ventilatorom ili vjetrom.

Konvekcijom izmijenjen toplinski tok moe se prema Newtonovom zakonu izraziti kao

( )stj fP A = , W (2.10) koeficijent prijelaza topline, W/m2K


stj temperatura stjenke, C f temperatura fluida dalje od stjenke (izvan graninog sloja uz stjenku), C A plotina povrine okomite na smjer irenja topline, m2. Koeficijent prijelaza topline za rjeavanje praktinih problema odreuje se iz eksperimen-

talno dobivenih izraza uz primjenu teorema slinosti kojim je omoguena generalizacija rezultata dobivenih ispitivanjima na nekom modelu. Ti su izrazi dani u obliku funkcijske ovisnosti odree-nih bezdimenzijskih znaajki definiranih tako da sadre fizikalne veliine koje najvie utjeu na izmjenu topline.

Slobodna konvekcija

Nu = Nu (Gr, Pr) (2.11)

Nusseltov (bezdimenzijski) broj DNu

= (2.12)

D karakteristina geometrijska veliina, npr. visina stjenke, promjer cijevi, opseg cijevi i dr., m toplinska provodnost fluida, W/mK.

Grasshofov (bezdimenzijski) broj 3

stj f2

stj

g DGr

= (2.13)

g gravitacijska konstanta = 9,81 m/s2 kinematiki viskozitet fluida, m2/s stj gustoa fluida uz stjenku, kg/m3 f gustoa fluida dalje od stjenke, kg/m3

Prisilna konvekcija

Nu = Nu (Re, Pr) (2.14)

Reynoldsov (bezdimenzijski) broj

Re w D

= (2.15)

w brzina strujanja fluida, m/s D karakteristina geometrijska veliina (npr. promjer cijevi, opseg cijevi i dr.), m.

Prandtlov (bezdimenzijski) broj

Pr pc cp

= = (2.16)

dinamiki viskozitet fluida, Pas, = gustoa fluida, kg/m3.

2.2.5 Zraenje U irem smislu zraenje je emitiranje odreenih energetskih estica (alfa, beta estice, fotoni dr.) ili elektromagnetskih valova neke materije u prostor. Postoje razliite vrste s razliitim uzrocima unutar atoma, poput alfa, beta, gama, rendgenskog, neutronskog i elektromagnetskog zraenja. Elektromagnetsko zraenje obuhvaa UV zraenje, svjetlost (vidljivi dio spektra), infracrveno (IC) zraenje, radio valove i dr. Za izmjenu topline zanimljivo je ono elektromagnetsko zraenje


koje je odreeno temperaturom i prirodom pojedine tvari, a obuhvaa podruje valnih duljina od cca. 0,1-100 m, tj. dio UV podruja, cijeli vidljivi dio spektra i infracrveno podruje. U nastavku e se za to zraenje jednostavno koristiti termin "zraenje". Zraenje je mehanizam izmjene topline putem elektromagnetskih valova koja odailju tijela razliitih temperatura. Za razliku od provoe-nja i konvekcije, ovakav nain izmjene topline moe se odvijati sa i bez posrednika, jer se elek-tromagnetski valovi mogu iriti kroz vakuum (npr. u svemiru izmeu Sunca i Zemlje) kao i kroz razne plinove (npr. kroz atmosferu) ili prozirne medije (npr. kroz staklo sunevog kolektora). Sva tijela emitiraju elektromagnetske valove pri cjelokupnom spektru valnih duljina, a emu je uzrok titranje elektrona oko jezgre atoma.

Zraenje E koje dolazi na povrinu nekog tijela moe biti djelomino ili u potpunosti apsorbi-rano, reflektirano i proputeno. To ovisi o svojstvima povrine, valnoj duljini zraenja, upadnom kutu zraenja te o vrsti materijala.

Na osnovi zakona o odranju energije vrijedi:

E r E a E E= + + , W/m2, (2.17) odnosno

1r a + + = (2.18)

r koeficijent refleksije a koeficijent apsorpcije koeficijent propusnosti. U teoretskim analizama zraenja koristi se koncept crnog tijela, idealiziranog etalonskog tijela

koje u potpunosti apsorbira svo upadno zraenje svih valnih duljina iz svih smjerova, tj. a = 1. Raspodjela emitirane energije zraenjem crnog tijela odreene temperature po spektru valnih

duljina odreena je Planckovim zakonom zraenja, slika 2.1.

Slika 2.1 Intenzitet vlastitog zraenja crnog tijela u ovisnosti o valnoj duljini za razne temperature

Energija koju crno tijelo emitira zraenjem na pojedinoj temperaturi dobije se integriranjem krivulje intenziteta zraenja za tu temperaturu sa slike 2.1 po svim valnim duljinama. Rezultat je Stefan-Boltzmannov zakon


4cE T= , W/m

2 (2.19)

Stefan-Boltzmannova konstanta = 5,6710-8 W/m2K4 T termodinamika temperatura, K. Realna tijela zraenjem emitiraju manje energije od crnih, tako da Stefan-Boltzmanov zakon

za realna tijela poprima oblik 4E T = , W/m2 (2.20)

koeficijent emisije (emisijski koeficijent) Kirchoffov stavak daje vanu vezu izmeu koeficijenata apsorpcije i emisije povrine tijela za

zraenje pri odreenoj valnoj duljini i kod vremenski nepromjenjive temperature tijela

a = (2.21)

Ovdje treba naglasiti da kod nekih tijela (npr. selektivnih premaza apsorbera suneva kolekto-ra) koeficijenti apsorpcije pa tako i emisije mogu znatno varirati po valnim duljinama.

Ukupno zraenje koje dolazi s povrine nekog tijela zbroj je vlastitog, reflektiranog i propu-tenog zraenja.

Neto izmijenjeni toplinski tok zraenjem izmeu dvaju tijela razliitih temperatura razlika je odzraenih energija s njihovih povrina. Ukoliko je tijelo 1 toplije od tijela 2, izmijenjeni toplinski tok s tijela 1 na tijelo 2 moe se izraziti kao

( )4 412 1 1 2P F A T T= , W (2.22) F12 geometrijski faktor oblika, ovisi o meusobnom geometrijskom poloaju tijela i

koeficijentima emisije A1 plotina povrine tijela temperature T1, m2 T1 termodinamika temperatura tijela 1, K T2 termodinamika temperatura tijela 2, K. Vrijednosti F12 mogu se pronai u specijaliziranim prirunicima u obliku tablinih izraza za

pojedine sluajeve. Izdvojeni karakteristini sluajevi koji se susreu u analizi izmjene topline u kolektorima: a) dvije paralelne ravne stjenke

121 2

11/ 1/ 1

F

=

+ (2.23)

b) tijelo 1 obuhvaeno tijelom 2 pri emu je A1A2 (npr. kolektor i nebeski svod)

12 1F = (2.24)

Kada govorimo o Sunevu zraenju, mogu se koristiti sljedei termini i definicije: Sunevo zraenje odnosi se na elektromagnetske valove, odnosno ukupno zraenje (osim ako nije navedeno drukije) koje emitira Sunce. Ozraenje (iradijancija), W/m2 energija sunevog zraenja dozraena u jedinici vremena (ener-getski tok) na 1 m2 povrine plohe okomite na smjer tog zraenja (odnosno gustoa energetskog toka Suneva zraenja na neku plohu). Ozraenost (insolacija), J/m2 ili, Wh/m2 energija Suneva zraenja dozraena u nekom vremenu na 1 m2 povrine plohe okomite na smjer zraenja.


2.3 Izmjena topline izmeu dvaju medija Toplinski tok izmijenjen izmeu dvaju medija razliite temperature odvojenih stjenkom moe se izraziti kao

( )f,t f,hP k A = , W (2.25) f,t ,f,h temperature fluida, C A povrina izmjene topline, m2 k koeficijent prolaska topline, W/m2K

ili ( )f,t f,h

uk

AP

R

= , W (2.26)

Ruk ukupni toplinski otpor prolasku topline, m2K/W.

Slika 2.2 Raspodjela temperatura pri izmjeni topline kroz ravnu stjenku

Pritom je za ravnu stjenku koeficijent prolaska topline definiran kao

s

f,t s f,h

1 1 1k

= + + , W/m

2K (2.27)

f,t , f,h koeficijenti prijelaza topline s fluida na stjenku, W/m2K s toplinska provodnost materijala stjenke, W/mK s debljina stjenke, m,

a ukupni toplinski otpor prolasku topline kao

uk f,t stj f,hR R R R= + + , m2K/W (2.28)

Rf,t, Rf,h toplinski otpori prijelazu topline s fluida na stjenku, m2K/W Rstj toplinski otpor provoenju topline kroz stjenku, m2K/W. Za cijevnu (cilindrinu) stjenku vrijedi:

u v u

u f,t u v f,

1 1 ln2d d d

k d = + + hd, W/m2K (2.29)

v v

v u f,t u f,h

1 ln2

E d ddk d d = + +

1 , W/m2K (2.30)

ku koeficijent prolaska topline sveden na unutranju povrinu stjenke cijevi, W/m2K kv koeficijent prolaska topline sveden na vanjsku povrinu stjenke cijevi, W/m2K du unutranji promjer cijevi, m, a dv vanjski promjer cijevi, m


2.4 Izmjena topline transportom mase Toplinski tok doveden fluidu koji struji kroz neki od toplinskih ureaja u sunanom sustavu (npr. sunevi kolektor, izmjenjiva u spremniku) moe se izraziti kao

( )p f,iz f,ulP m c = , W (2.31) m maseni protok fluida, kg/s cp specifini toplinski kapacitet fluida, J/kgK f,ul temperatura fluida na ulazu u promatrani toplinski ureaj, C f,iz temperatura fluida na izlazu iz promatranog toplinskog ureaja, C.

3. Obnovljivi izvori energije

3.1 Obnovljivi izvori i fosilna goriva Najvei obnovljivi izvor energije na Zemlji je Sunce. Energija Suneva zraenja se pretvara u druge iskoristive oblike obnovljive energije (slika 3.1) poput: hidroenergije biomase energije vjetra energije valova energije morskih struja toplinske energije oceana. Uz navedeno, u obnovljivu energiju spada i geotermalna energija energija plime i oseke. Geotermalna energija ima izvor u kemijskim i nuklearnim reakcijama u slojevima duboko is-

pod zemljine povrine te u toplinskom kapacitetu rastaljene zemljine jezgre. Energija plime i oseke ima izvor u orbitalnom gibanju i gravitacijskim silama izmeu Zemlje,

Mjeseca i Sunca.

Topl. za zagrijavanje zraka, zemlje i oceana: 81 000 TW 47% Sunevo zraenje: 173 000 TW Direktna refleksija:

52 000 TW, 30%

Ciklus isparav.-kondenzac.: 40 000, TW 23%

Vjetrovi, valovi, struje: 370 TW,

Na slikama 3.1 i 3.2 dan je prikaz energetskih tokova obnovljive energije. Do granice atmosfe-re dozrai se 173 000 TW suneve energije od ega se u atmosferi, tlu i vodama apsorbira 120 000 TW. Za usporedbu, svjetske potrebe za primarnom energijom imaju ekvivalent od 16 TW (2006. g.). Veliki problem pri iskoritenju te energije predstavlja to to je ta suneva energija doz-raena na veliku povrinu to ima za posljedicu relativno malu vrijednost gustoe energetskog toka

Na slici 3.3 prikazana je temeljna razlika izmeu obnovljive energije i one dobivene izgara-njem fosilnih goriva. Obnovljiva je energija tijekom koritenja samo "skrenuta" iz svog prirodnog obnovljivog toka te opet vraena u njega. S druge strane, fosilna goriva su statini izvori u kojima se energija akumulirala kroz vie milijuna godina. Tako akumulirana energija oslobaa u okoli vanjskim djelovanjem, i to u bitno kraem vremenu nego to se akumulirala.

3.2 Karakteristike obnovljive energije Najvea prepreka iroj uporabi Suneve energije kod direktne pretvorbe u korisnu energiju jest relativno niska vrijednost gustoe energetskog toka, koji je manji od 1 kW/m2. Fosilna goriva u pravilu omoguuju postizanje znatno veih vrijednosti, primjerice, u loitu toplovodnog plinskog kotla mogue je izmijeniti 100 kW/m2 toplinske energije. Ipak, u sluajevima gdje postoji mogu-nost akumulacije obnovljive energije kao, primjerice, kod biomase i hidroenergije, mogu se posti-i vrijednosti gustoe energetskog toka koje su usporedive s onima kod fosilnih goriva. Za razliku od prvotne pretvorbe iz primarne u korisnu energiju, korisna se energija u konanici lokalno ko-risti uz znatno nie vrijednosti gustoe energetskog toka, a koje su istoga reda veliine bez obzira radi li se o obnovljivoj ili energiji iz fosilnih goriva. Stoga je prikladno pretvorbu obnovljive pri-marne energije u onu korisnu obaviti lokalno, kod samog korisniku (npr. u sunanom sustavu u sklopu zgrade). S druge strane, pretvorba veih iznosa primarne energije iz fosilnih goriva u kori-snu energiju esto se obavlja centralno (npr. termoelektrana snage 200 MW), a korisna se elektri-na i toplinska energija onda distribuira dalje korisnicima.

Drugo vano svojstvo obnovljive energije njezina je promjenjivost u vremenu, to dovodi do neusklaenosti s potronjom. To namee potrebu za uskladitenjem vikova energije te postoja-njem dodatnog fosilnog izvora energije i sloene regulacije.

Promjenjiva prostorna raspoloivost obnovljive energije iziskuje esto dugogodinje praenje meteorolokih parametara odabrane lokacije (npr. Suneva zraenja, brzine vjetra i dr.) kako bi se dobili vjerodostojni podaci za dimenzioniranje sustava za iskoritavanje. Pri tome proraunski postupci esto ukljuuju dinamike simulacije rada sustava, a konano se rjeenje odabire na te-melju tehnoloko ekonomske analize izvedivosti.

Kvalitetno iskoritavanje obnovljive energije zahtijeva multidisciplinarni pristup, koji ukljuu-je podruja poput biologije, kemije, meteorologije, poljoprivrede, geologije, strojarstva, elektrote-hnike i arhitekture.

Efikasnosti pretvorbe obnovljive u korisnu energiju iznose oko 50 % kod sunevih toplovodnih kolektora, 10 % kod fotonaponskih elija, 70 % kod toplovodnih kotlova na biomasu, 60 % kod hid-roelektrana, 30 % kod vjetroelektrana,a 75 % kod elektrana koje koriste energiju plime ili valova.

Zbog sloenosti iskoritavanja, redovito velikih investicijskih trokove i visoke specifine ci-jene energije dobavljene krajnjem korisniku, za postizanje veeg udjela obnovljive u ukupnoj energetskoj bilanci RH nego to je to danas, potrebno je postii visoku razinu ekoloke osvijete-nosti dravne administracije, lokalne zajednice i energetskih strunjaka.

4. Sunevo zraenje

4.1 Karakteristike Reakcijama nuklearne fuzije u sreditu Sunca oslobaa se golema energija od oko 380000109 TW. Pri tome prosjena temperatura u njegovu sreditu iznosi oko 107 K a na povrini 5777 K. Od Sunca se Zemlji putem elektromagnetskih valova dozrai 173 000 TW, a od toga se na njoj apsor-bira oko 120 000 TW. Spektralna raspodjela intenziteta zraenja po valnim duljinama oblikom je


vrlo slina onoj crnog tijela temperature 5777 K (slika 4.1). Stoga se najvei dio suneve energije prenese u vidljivom i kratkovalnom infracrvenom podruju valnih duljina = 0,3-2,5 m, tj. pu-tem tzv. kratkovalnog zraenja.

Povrina ispod krivulje spektralne razdiobe intenziteta zraenja sa slike 4.1 iznosi 1367 W/m2 i naziva se "Sunevom konstantom" te predstavlja iznos ekstraterestrikog Suneva ozraenja na granici zemljine atmosfere, iskazanog po jedinici povrine plohe okomite na smjer zraenja. Od tog esktraterestrikog zraenja 30 % se odmah reflektira nazad u svemir, veinom od oblaka, a jedan manji dio od zemljine povrine (veinom snijega i leda). Preostali dio zraenja (vrijednost ozraenja do 1000 W/m2 ) djelomino se apsorbira u atmosferi, a ostatak u Zemljinoj povrini.

Sunevo zraenje dolazi do povrine Zemlje u obliku direktnog i difuznog zraenja. Difuzno zraenje nastaje rasprivanjem dijela direktnog zraenja na oblacima, molekulama zraka (Rayleighovo zraenje), vodenoj pari i praini.

Povrina temp. 5500C veinu energije zrai u podruju kratkih valova:

30% zraenja se reflektira

Prosjena prora temp. atmosfere -23C

Dugovalno zraenje u svemir temp. -270C sve dozraene energije

Prosj. temp. Zemlje 15C

Izvan atmosfere

Dugovalno zraenje (IC)

Pri povrini Zemlje

Kratkov. IC Radio valovi

UV

Plav

aZe

lena

Crv

ena

valna duljina

Inte

nzite

t sun

. zrae

nja






Izvan atmosfere


Pri povrini Zemlje


UV

Plav

aZe

lena

Crv

ena

valna duljina

Inte

nzite

t sun

. zrae

nja






Izvan atmosfere


Pri povrini Zemlje


UV

Plav

aZe

lena

Crv

ena

valna duljina

Inte

nzite

t sun

. zrae

nja

Slika 4.1 Izmjena topline zraenjem izmeu Sunca, Zemlje i Svemira, [2]

Difuzno zra.

Oblaci, vod. para, prainaDirektno

zraenje

Sunce

Difuzno zra.

Oblaci, vod. para, prainaDirektno

zraenje

Sunce

Slika 4.2 Direktno i difuzno sunevo zraenje, [3]

Na slici 4.3 prikazan je udio difuznog zraenja u ukupnom zraenju u ovisnosti o indeksu pro-zranosti kT


kT = I/Io (4.1)

I satna ozraenost za ukupno zraenje, Wh Id satna ozraenost za difuznu komponentu zraenja, Wh Io satna ozraenost za ekstraterestriko zraenje, Wh. Vrijednost kT obino varira od 0,1 za vedroga dana do 1 pri potpuno oblanom vremenu.

Slika 4.3 Mjerenjem dobivena raspodjela difuznog zraenja pri raznim indeksima prozranosti

4.2 Efekt staklenika Sunevo zraenje apsorbirano u atmosferi uzrokuje njezino zagrijavanje. Pri tome atmosfera zrai prema povrini i prema svojim gornjim slojevima odnosno svemiru. S druge strane, Zemljina pov-rina (tlo, oceani) apsorbiranu energiju predaje atmosferi kroz procese isparavanja i naknadne kondenzacije u viim slojevima atmosfere te konvektivno i zraenjem. Na kraju je ukupno dozra-ena energija Zemlji jednaka ukupno odzraenoj energiji nazad u svemir temperature -273 C. Kako je efektivna temperatura za izmjenu topline zraenjem u svemir gornjih slojeva atmosfere -23 C, a povrine 15 C, tj. relativno je niska, najvei se dio energije sa Zemlje u Svemir odzrai u podruju infracrvenog zraenja, odnosno u rasponu valnih duljina = 5-25 m.

Najvei dio tog dugovalnog zraenja prvotno se apsorbira u tzv. staklenikim plinovima koji su sastavni dio atmosfere, i to ponajvie u CO2, vodenoj pari i metanu. Ta se energija potom dje-lomino emitira u svemir, a dio nazad prema Zemljinoj povrini. Taj je prirodni proces poznat i kao "efekt staklenika". Prema tome, stakleniki plinovi djeluju kao prirodni izolator poveavajui toplinski otpor izmjeni topline izmeu Zemlje i svemira. Bez toga bi temperatura Zemljine povr-ine iznosila oko -20 C, uz znatno vee temperaturne promjene dan/no. Svako poveanje kon-centracije staklenikih plinova dodatno poveava toplinski otpor izmjeni topline sa svemirom te nuno dovodi do poveanja prosjene temperature povrine i atmosfere, jer dozraena energija Zemlji i dalje ostaje ista. Pretpostavlja se da je mjerenjima zabiljeeno poveanje prosjene tem-perature na Zemlji od sredine 20 stoljea do danas za 0,7 C upravo posljedica poveanja koncen-tracije staklenikih plinova uslijed koritenja fosilnih goriva.

4.3 Godinja promjena Suneva ozraenja Godinja promjena Suneva ozraenja posljedica je orbitalnog kretanja Zemlje oko Sunca, slika 4.4. To dovodi do promjene upadnog kuta sunevih zraka na Zemljinu povrinu, to uvelike utjee na iznos ozraenja. Isto tako, mijenja se i duljina puta koji suneve zrake moraju prolaze kroz at-mosferu to utjee na iznos rasprenog, reflektiranog i apsorbiranog zraenja. Mjera promjene Suneva ozraenja kroz godinu je deklinacija ,tj. kut nagiba Zemljine osi prema ravnini orbite koji se mijenja se od = -23.5 zimi do = 23.5 ljeti. Deklinacija za pojedini dan u godini rau-na se prema izrazu


( )23,45 sin 360 284 / 365n = + , () (4.2) gdje je n redni broj dana u godini brojei od 1. sijenja.

Prosinac

Oujak

Rujan

Lipanj Prosinac

Oujak

Rujan

Lipanj

Zima

Ljeto

Ljeto

Zima

Zraenje pri poloitijem kutu

Zraenje pri okomitijem kutu

Zima

Ljeto

Ljeto

Zima

Zraenje pri poloitijem kutu

Zraenje pri okomitijem kutu

Slika 4.4 Orbitalno kretanje Zemlje oko Sunca i promjena nagiba zemljine osi, [2,3]

Iznos ukupne dozraene suneve energije na horizontalnu plohu u jednoj godini, tj. godinja ozraenost, za podruje Zagreba iznosi 1200 kWh/m2, a Splita 1600 kWh/m2. Kako je vidljivo iz dijagrama na slici 4.5 za zemljopisnu irinu 45, tj. za nau zemlju, postoji velika razlika u ozra-enosti izmeu zimskih i ljetnih mjeseci, tako da je u sijenju ona oko 5 puta manja nego u lipnju. Isto tako, 75 % godinje dozraene suneve energije otpada na topliju polovicu godine, tj. period od travnja do listopada. Ta injenica oteava dimenzioniranje sunanih sustava koji moraju osigu-rati dostatne koliine toplinske energije korisniku u zimskim mjesecima kad su potrebe najvee, ali da se izbjegnu zastoji u radu u ljetnim mjesecima zbog moguih vikova prikupljene suneve energije koja se ne moe iskoristiti.

Slika 4.5 Promjena dnevne suneve ozraenosti horizontalne plohe tijekom

godine za vedra dana i razne zemljopisne irine, [3]

Detaljni podaci o satnim ozraenostima horizontalne plohe i plohe nagnute pod kutom od 45 za Zagreb i Split dani su u prilogu. Podaci za plohe nagnute pod drugim kutovima mogu se prona-i u odgovarajuoj literaturi ili pak izraunati iz podataka za horizontalnu plohu koristei neki od modela iz strune literature (npr. izotropni model [1]).

4.4 Optimalni kut kolektora Sunev kolektor uputno je montirati pod optimalnim kutom prema horizontali koji u periodu kori-tenja (godini, ljetnim mjesecima) osigurava najveu ozraenost kolektorske plohe. Optimalni kut ovisi o zemljopisnoj irini, periodu u godini za koji se odreuje (slike 4.6, 4.7) te o namjeni sun-


anog sustava. Optimalni godinji nagib kolektora obino je iznosom blizak zemljopisnoj irini = 45pa tako za Republiku Hrvatsku iznosi 37. Ukoliko je namjena sustava takva da je potreb-no prikupiti to vie energije u ljetnim mjesecima (npr. u apartmanima i hotelima tijekom turisti-ke sezone) tada je optimalni kut (10-20). Izvan turistikog sektora, obino je tijekom ljetnih mjeseci potrebno prikupiti manje toplinske energije nego u ostatku godine tako da, ovisno o cilja-nom periodu, optimalni kut moe biti vei i od 45.

ljeto

jesen i proljee

zimaPoloitijikolektor u ljeto

Nagib jednak z. irini u jesen i proljee

Vertikalnijipoloaj u zimi

ljeto

jesen i proljee

zimaPoloitijikolektor u ljeto

Nagib jednak z. irini u jesen i proljee

Vertikalnijipoloaj u zimi

a) b)

Slika 4.6 a) Optimalni kut nagiba kolektora u ovisnosti o godinjim dobima, b) Relativna putanja Sunca u odnosu na promatraa na Zemlji tijekom pojedinih godinjih doba, [2]

Slika 4.7 Izmjerene vrijednosti godinje ozraenosti kolektora H za razliite kutove nagiba ( = 090), [4]

Optimalni kutovi nagiba kolektora za razliite mjesece u Republici Hrvatskoj dani su na slici 4.8.

Slika 4.8 Mjesene optimalne vrijednosti kuta nagiba kolektora kroz godinu, [17]


Kada bi se kut nagiba kolektora svaki mjesec namjetao tako da bude optimalan, ukupna godi-nja ozraenost takvog kolektora u Splitu bi iznosila 1900 kWh/m2, dok bi onaj montiran pod 45 imao ozraenost od 1800 kW/h/m2, tj. 6 % manje suneve energije. S obzirom na promjenu opti-malnih kutova kroz godinu (slika 4.8), tako mala razlika odraava injenicu da je difuzna kompo-nenta zraenja manje osjetljiva na promjenu kuta nagiba od one direktne.

5. Kolektori Suneva zraenja

5.1 Efikasnost kolektora Suneva energija danas se komercijalno najvie koristi u toplovodnim sunanim sustavima (slika 5.1) i to za pripremu potrone tople vode (PTV) te u manjem obimu za grijanje prostora i zagrija-vanje bazenske vode. Najvaniji element sunanih toplovodnih sustava predstavljaju sunevi ko-lektori. Oni prikupljaju sunevu energiju i predaju je radnom mediju koji struji u zatvorenom krugu izmeu kolektora i spremnika tople vode te kojoj preko izmjenjivaa predaje prikupljenu toplinsku energiju.

Slika 5.1 Sunani sustav za pripremu PTV-a s ploastim kolektorima

Efikasnost prikupljanja suneve energije za kolektore je stoga od presudnog utjecaja na efika-snost rada cijelog sustava. Podatke o efikasnosti njihovi proizvoai daju u sklopu izvjea o ispi-tivanju kolektora koje je obavio akreditirani laboratorij.

Efikasnost kolektora definirana je kao udio suneve toplinske energije predane vodi i energije upadnog sunevog zraenja Gsun na plohu kolektora povrine Akol

kol

sun kolkol

PG A

=

. (5.1)

Efikasnost se odreuje eksperimentalno mjerenjem toplinskog toka predanog fluidu, tj. ulazne i izlazne temperature fluida te njegovog masenog protoka ,a moe se izraunati iz sljedeeg izraza m

(kol p f,iz f,ulP m c = ) . [W] (5.2) Isto tako, da bi se odredila efikasnost, potrebno je mjeriti i ukupno sunevo ozraenje Gsun za

to se koristi instrument piranometar. Rad piranometra temelji se na mjerenju temperature apsor-berske ploice (termopilovima) izloene Sunevu zraenju i temperature okoline. Temeljem toga dobije se potrebno ozraenje za odravanje te temperaturne razlike.


Efikasnost se najee iskazuje u ovisnosti o razlici srednje temperature radnog fluida f,sr u kolektoru i temperature okolinog zraka z te upadnom sunevom ozraenju Gsun na ravninu ko-lektora, odnosno izrazom

( ) ( ) 2f,sr z f,sr zkol o 1 2 sun

sun suna a G

G G

=

(5.3)

ul izsr 2

+= , C. (5.4)

Koeficijenti polinoma o, a1 i a2 odreuju se regresijskom analizom eksperimentalnih podata-ka koji se obino prikazuju u dijagramima poput onog na slici 5.2.

y = -1,2491x2 - 4,1989x + 0,8436

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

-0,01 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07(Tf,m-Tair)/I Km2/W

c

( f,sr-z )/Gsun Km2/W

kol

Slika 5.2 Mjerene vrijednosti efikasnosti ploastog kolektora i regresijski polinom (podaci FSB, Zagreb)

Razlika f,sr z predstavlja potencijal za izmjenu topline izmeu radnog medija i okoline, tj. za toplinske gubitke. to su toplinski gubici kolektora manji, to e i njegova e efikasnost biti ve-a, i obrnuto, kako se vidi iz sljedeeg izraza

aps gub sun kol gub gubkol

sun kol sun kol sun kol sun kol

kol P P a G A P PP aG A G A G A G A

= = = =

(5.5)

gdje je Paps apsorbirani toplinski tok Suneva zraenja, W koeficijent propusnosti stakla a koeficijent apsorpcije premaza apsorbera. Iz prethodnog izraza se vidi kako efikasnost kolektora ne moe biti vea od umnoka a, od-

nosno da je najvea efikasnost odreena optikim svojstvima pokrovnog stakla i apsorbera. Iz prethodnog se dijagrama vidi da pri konstantnom Sunevu zraenju efikasnost kolektora

pada s porastom temperature radnog fluida. Tada toplinski gubici na okolinu rastu jer dolazi do poveanja temperature svih dijelova kolektora, posebice apsorbera. Prema tome, radnu temperatu-ru medija u kolektoru je poeljno drati to niom, a da se pri tome jo uvijek mogu postii elje-ne temperature vode u spremniku (55-60 C).

Do poveanja gubitaka na okolinu dolazi i kod sniavanja temperature okolinog zraka, a pri konstantnim ostalim parametrima rada. Smanjenje Suneva zraenja pri istoj temperaturnoj razlici f,sr z e isto e tako dovesti do smanjenja efikasnosti s obzirom da su toplinski gubici isti, ap-


sorbirana energija nia (vidi jedn. 5.5), a time je i nia dovedena korisna toplina radnom fluidu. Tako e u zimskim mjesecima, kada je sunevo ozraenje manje, a temperature zraka nie, pri istim temperaturama radnog medija efikasnost kolektora biti nia.

5.2 Ploasti kolektori U sunanim toplovodnim sustavima danas se najvie koriste ploasti kolektori, a u novije vrijeme sve vie i vakuumski (poglavlje 5.3). Razne izvedbe ploastih kolektora prikazane su na slici 5.3.

Prvi je komercijalni ploasti kolektor patentiran u Kaliforniji 1909. godine, a masovnija proiz-vodnja biljei se tijekom naftne krize 70-tih godina prolog stoljea. Od tada su ploasti kolektori znatno unaprijeeni, to se posebice odnosi na njihovu toplinsku efikasnost kao i pouzdanost u radu i trajnost. To je sve dovelo do znatnoga poveanja broja instaliranih kolektora tijekom 1990-tih i, posljedino, znatnog sniavanja cijena. Taj se trend i danas nastavlja.

Slika 5.3 Razne izvedbe ploastih kolektora

Na slici 5.4 prikazan je tip ploastog kolektora s pokrovnim staklom kakav se najee moe pronai na tritu.

Slika 5.4 Ploasti kolektor s pokrovnim staklom

Osnovni dijelovi kolektora su: apsorberska ploa, cijevni registar, pokrovno staklo, izolacija i kuite. Apsorberska je ploa premazana posebnim premazom koji apsorbira sunevo zraenje. Ta-ko prikupljena toplina dalje se provodi kroz materijal apsorberske ploe (debljine cca 0,3-0,5 mm) prema cijevnom registru i na kraju predaje radnom fluidu koji protjee kroz cijevni registar. Cijevi su privrene za apsorber lemljenjem, laserskim ili ultrazvunim zavarivanjem i ponekad lijep-ljenjem. Najvie se koriste tzv. selektivni premazi apsorbera koje karakterizira visoki koeficijent


apsorpcije za kratkovalno sunevo zraenje (a = 0,9-0,96) i niski koeficijent apsorpcije, tj. emisije za dugovalno IC zraenje (a = = 0,06-0,2) koje predstavlja toplinske gubitke kolektora. Takva svojstva osiguravaju istovremeno znaajnu apsorpciju sunevog zraenja i bitno smanjenje toplin-skih gubitaka zagrijane ploe apsorbera dugovalnim zraenjem u odnosu na premaze koji nisu selektivni (poput npr. obine crne boje). Sline karakteristike i ulogu ima pokrovno staklo iji je koeficijent propusnosti za kratkovalno sunevo zraenje visok ( = 0,9-0,95), a za dugovalno vrlo nizak ( < 0,02). Osim smanjenja toplinskih gubitaka, staklo ima i vanu ulogu u zatiti kolektora od atmosferskih utjecaja. Radi dodatnog smanjenja toplinskih gubitaka, kolektor je izoliran sa stranje i bone strane. Za izolaciju se obino koriste mineralna vuna ili PU pjena debljine 30-70 mm, pri emu gubici kroz izolaciju iznose oko 5-10 % ukupnih gubitaka kolektora.

Cijevni registar tipa "ljestve" (engl. harp) sastoji se od niza cijevi promjera 6-10 mm uspored-no napajanih iz distribucijskih cijevi veeg promjera (12-14 mm) (slika 5.3). Drugi se tip registra sastoji od jedne cijevi savijene u obliku serpentine (slika 5.3). Kolektor s paralelnim registrom radi s veim protocima (vei broj cijevi) u odnosu na onaj sa serpentinom, to ima za posljedicu nii prirast temperature radnog medija od ulaza do izlaza iz kolektora. U tom sluaju su zbog nie prosjene temperature radnog medija toplinski gubici kolektora manji, tj. vea je efikasnost (vidi poglavlje 5.1). S druge strane, nie temperature na izlazu iz kolektora mogu predstavljati prepreku za predaju sve prikupljene topline vodi u spremniku. Stoga je takav tip apsorbera primjereniji za uporabu u toplijim klimatskim podrujima, gdje je tijekom cijele godine mogue postii dovoljno visoke temperature na izlazu iz kolektora da se omogui predaja sve prikupljene topline na izmje-njivau standardnih dimenzija vodi u spremniku. Registri u obliku serpentine omoguuju vee izlazne temperature fluida iz kolektora prilikom svakog prolaza i kod niih vrijednosti ozraenja i temperature okoline, pri ukupno manjim vrijednostima protoka kroz, u ovom sluaju, samo jednu cijev serpentine. To ih ini prikladnijim za umjerene do hladne klime (npr. srednja, zapadna i sje-verna Europa). U toplijim podrujima (npr. Mediteran) ima vie smisla koristiti paralelne registre (pogotovo u ljetnom periodu) zbog vee efikasnosti u radu.

5.3 Vakuumski kolektori Danas su vakuumski kolektori, poslije ploastih, najvie koriteni tip kolektora. Razvijeni su kako bi se smanjili konvektivni gubici s apsorbera na okolinu, to je uinjeno na nain da je iz prostora izmeu apsorbera i stakla izvuen zrak. Kod standardne konstrukcije ploastih kolektora tako nas-tali vakuum bi doveo do pucanja pokrovnog stakla, pa se kod vakuumskih kolektora apsorber smjeta u vakuumirane staklene cijevi (koje zbog krunog oblika stjenke imaju pri istom vakuumu znatno manja naprezanja u materijalu). Osnovni tipovi prikazani su na slici 5.5. Kod jednog tipa kolektora fluid struji u dva smjera kroz niz paralelno spojenih koaksijalnih cijevi, pri emu je unut-ranja povratna iz sustava (hladni fluid) a vanjska polazna (zagrijani fluid), slike 5.5a,b. Apsorber je kao kod ploastih kolektora privren za cijev (slika 5.5a) ili pak ulogu apsorbera ima vanjska povrina koaksijalnih cijevi na koju je nanesen premaz (slika 5.5b). U posljednjem sluaju kod ne-kih se modela koriste reflektirajua zrcala koja usmjeravaju sunevo zraenje na apsorbersku cijev (slika 5.5b). Na slici 5.5c prikazan je drugi tip vakuumskog kolektora koji umjesto koaksijalne ci-jevi ima savinutu, tzv. U-cijev, kod koje kroz jedan ogranak struji povratni medij iz sustava a kroz drugi zagrijani polazni medij u sustav. Apsorber je u tom sluaju izveden kao ravna ploa.

Na tritu se takoer mogu pronai i tzv. toplinske cijevi (engl. heat pipe) kod kojih fluid stru-ji kroz samo jednu cijev u dva smjera (slika 5.5d). U donjem apsorberskom dijelu cijevi radni flu-id (freon, alkohol) isparava, a u gornjem dijelu cijevi dolazi do njegove kondenzacije, pri emu se toplina predaje sekundarnom fluidu koji ju dalje preko izmjenjivaa predaje vodi u spremniku. Slian se princip koristi i kod hlaenja veih elektronskih sklopova. Zbog visokih koeficijenata prijelaza topline pri isparavanju i kondenzaciji, ovakvi kolektori imaju poneto veu efikasnost od prethodno opisanih s jednofaznim strujanjem.


a)

b)

Ulazna cijev

Izlazna cijev

Dewar cijev Povrina apsorbera U-cijev

c)

d)

Slika 5.5 a) Konstrukcija s koaksijalno postavljenom polaznom i povratnom cijevi i ravnim apsorberom, [11] b) Konstrukcija s apsorberom nanesenim na koncentrinu cijev kroz koju struji

fluid (s i bez reflektirajuih zrcala), [11] c) Konstrukcija s U cijevi i ravnim apsorberom, [1] d) Konstrukcija s tzv. toplinskom cijevi, [11]

Vakuumski kolektori imaju manje toplinske gubitke u odnosu na ploaste pri istim uvjetima rada. No zbog nunosti koritenja staklenih cijevi manja je korisna povrina apsorbera u odnosu na ukupnu projiciranu povrinu kolektora (odnos je oko 0,6) u usporedbi s ploastima (odnos je oko 0,9). Efikasnost (i cijena) vakuumskih, kao i ploastih kolektora, odreuje se prema ukupnoj


projiciranoj povrini apsorbera ili kolektora. Zbog toga na taj nain izraunata efikasnost va- ku-umskih kolektora moe biti i nia od one kod ploastih kolektora identinih karakteristika apsor-bera i stakla. To je est sluaj u dijelu radne krivulje koja odgovara preteito ljetnom reimu rada, tj. pri (sr z)/Gsun = 0-0,05 Km2/W, slika 5.6. Drugim rijeima, ukoliko se u toplijoj polovici godine eli prikupiti jednaka koliina suneve energije kao i s ploastim kolektorima, vakuumski kolektori e zauzeti veu povrinu na krovu. Obrnuto vrijedi u zimskim mjesecima, pri oblanom vremenu ili izuzetno visokim temperaturama fluida (>70), tj. pri (sr z)/Gsun = 0,05-0,15 Km2/W. Tada do veeg izraaja dolazi smanjenje toplinskih gubitaka u vakuumskim kolektorima nego kod ploastih pa je i njihova efikasnost vea. To ih ini prikladnima za koritenje u hladnijim klimama s niom sunevom ozraenosti. Zbog manjih toplinskih gubitaka vakuumski kolektori omoguuju postizanje veih temperatura na izlazu (max. 100 C) nego ploasti (max. 85 C). To ih ini prik-ladnima za koritenje ,primjerice, u sunanim rashladnim sustavima. Kao nedostatak vakuumskih kolektora treba spomenuti mogunost napuknua stakla uslijed dilatacija izazvanih temperaturnim promjenama, pri emu dolazi do gubitka vakuuma i znaajnog pada efikasnosti.

Slika 5.6 Krivulje efikasnosti razliitih konstrukcija kolektora

5.4 Neostakljeni apsorberi Neostakljeni apsorberi (slika 5.7) sastoje se od plastinih ili gumenih cijevi otpornih na UV zra-enje i montiranih u paralelnom spoju. Zbog nepostojanja pokrovnog stakla toplinski gubici su veliki, tako da su ovakvi kolektori prikladni samo za rad pri niim temperaturama, i to u ljetnim mjesecima. Najee se koriste za zagrijavanje bazena i pripremu PTV-a. Njihova niska cijena opravdava malu efikasnost i kratak rok trajanja (nekoliko godina), a zbog propadanja materijala uslijed djelovanja UV zraenja.

Slika 5.7 Neostakljeni apsorberi


5.5 Koncentrirajui kolektori i sunane elektrane Da bi se sunevim kolektorima mogla efikasno proizvoditi elektrina energija, potrebno je zagri-jati radni medij na temperaturu viu od nekoliko stotina C. U tu se svrhu koriste koncentrirajui kolektori koji prikupljaju sunevo zraenje na veoj povrini i usmjeravaju ga na apsorber znatno manje povrine. Tako se postiu znatno vee vrijednosti gustoe energetskog toka u odnosu na one kod ploastih i vakuumskih kolektora. Koncentrirajui kolektori dijele se na tzv. parabolina korita i tanjuraste koncentratore, slika 5.8.

Slika 5.8 Koncentrirajui kolektori a) parabolino korito, b) tanjurasti koncentrator, [2]

Parabolino korito sastoji se od apsorberske cijevi i parabolinog zrcala (aluminij ili srebro naneseno na staklo ili plastiku) koje se okree oko uzdune osi orijentirane u smjeru istok-zapad radi praenja promjene upadnog kuta Sunca. Zraenje se koncentrira na apsorbersku cijev kroz koju protjee radni fluid (npr. ulje) i zagrijava na temperature do cca 500 C. Zagrijani fluid se odvodi dalje u postrojenje za proizvodnju vodene pare. Tako proizvedena para koristi se za pogon parne turbine i na njezino vratilo vezanog generatora elektrine struje. Slika 5.9 prikazuje primjer jedne suneve elektrane s parabolinim koritima. Najvea efikasnost pretvorbe suneve u elektri-nu energiju iznosi oko 22 %, a prosjena je oko 14 %. Omjer koncentracije R odnos je povrine zrcala i povrine apsorbera te za parabolina korita iznosi oko R = 50.

Slika 5.9 Sunana elektrana Luz , juna Kalifornija

Vei omjeri koncentracije (teoretski R = 45 000, a u praksi do R = 10 000) postiu se tanjuras-tim koncentratorima. Oni prate kretanje Sunca u dvije dimenzije, po visini i po azimutu (istok-zapad) i omoguuju postizanje temperatura na apsorberu i do 2700 C. U praksi su, zbog ograni-ene izdrljivosti materijala, temperature ipak nie te se kreu oko 700-1000 C. Takve, jo uvijek visoke temperature, omoguuju direktnu proizvodnju mehanikog rada za pokretanje generatora elektrine struje. Tada se koristi Stirlingov stroj koji se smjeta u fokus koncentratora, slika 5.10.


Pri tome se postie i visoka efikasnost pretvorbe suneve u elektrinu energiju od 30 %, to je bli-zu prosjenim efikasnostima pretvorbe kemijske energije iz goriva u elektrinu u konvencional-nim termoelektranama (33-35 %).

Slika 5.10 Tanjurasti koncentratori sa Stirlingovim strojem smjetenim u aritu

Na slici 5.11 prikazan je mogui nain prijenosa suneve energije od mjesta prikupljanja do udaljenije energane, odnosno potroaa. U prikazanom postrojenju suneva se energija koristi za disocijaciju amonijaka, a produkti duik N2 i vodik H2 transportiraju se do energane gdje se pro-vodi sintetizacija nazad u amonijak, pri emu se oslobaa vei dio prvotno prikupljene topline kolektorima. Ta se toplina koristi za proizvodnju vodene pare za turbinu i, u konanici, elektrine energije na generatoru. Na taj je nain mogue izbjei gubitke uslijed prijenosa elektrine energi-je, kao i toplinske gubitke cjevovoda izmeu kolektorskog polja i energane.

Slika 5.11 Disocijacija i sintetizacija amonijaka kao spremnika suneve energije u postrojenju za

proizvodnju elektrine energije, [3]

Na slici 5.12 prikazana je sunana elektrana koja koristi tzv. Sunev toranj. Ovdje se helio-statskim zrcalima koji prate kretanje Sunca usmjerava sunevo zraenje na apsorber smjeten na vrhu tornja. Tamo se zagrijava termiko ulje ili tekua sol (npr. KaCl) na 500 C i potom odvodi dalje u postrojenje smjeteno pored tornja. Tamo se koristi za proizvodnju vodene pare za turbinu te u konanici za proizvodnju elektrine energije. Dio prikupljene energije akumulira se u sprem-nicima te koristi za proizvodnju pare i elektrine energije tijekom noi. Danas u svijetu postoji nekoliko ovakvih elektrana (SAD, panjolska, Francuska), pri emu, primjerice, u panjolskoj postoje planovi za instalaciju 7 elektrana (dvije su ve instalirane, svaka sa po cca. 20 MW el. snage). Cijena proizvedene elektrine energije po kWh zbog veliine je nia nego kod individual-nih postrojenja s, primjerice, fotonaponskim elijama.No investicijski trokovi su znatno vei, to je do sada esto bila prepreka irem koritenju.


Slika 5.12 Sunev toranj (10 MWe) u junoj Kaliforniji, 1818 heliostatskih zrcala

Openito, glavni je nedostatak fokusirajuih kolektora njihova visoka cijena. Razlog tome je potreba za preciznim smjetanjem apsorbera u fokus, postizanjem geometrijski tonog paraboli-nog oblika samih zrcala te ugradnje mehanizma za praenje Sunca. Osim toga, reflektirajua zrca-la su podlona koroziji i oksidaciji uslijed izloenosti visokim temperaturama, a potrebno je i osigurati visoku istou reflektirajuih povrina to dodatno poveava trokove odravanja.

5.6 Raspodjela strujanja u kolektorima Kolektori se spajaju u grupe serijski ili paralelno, slika 5.13. Svaki od naina spajanja ima svoje prednosti i nedostatke. Tako je paralelni spoj bolji zbog manjeg pada tlaka jer fluid prolazi manji ukupni put kroz spoj. Noon zahtijeva vei broj i promjere razdjelnih cijevi uslijed veih protonih koliina radnog fluida u njima. to se tie serijskog spoja, iako je ukupni protok kroz spoj manji, ukupni pad tlaka je znatno vei, jer isti fluid prolazi kroz svaki kolektor u spoju. S druge strane, sve to omoguuje postizanje veeg prirasta temperature od ulaza do izlaza iz spoja. Meutim zbog toga je prosjena temperatura u serijskom spoju via, a time je i prosjena efikasnost nia nego kod paralelnog spoja s istim brojem kolektora. Slino kao to je to sluaj s kolektorima s cijevnom serpentinom, serijski spoj je ponekad neizbjean jer u hladnijim klimama s niom godinjom oz-raenosti omoguuje koritenje izmjenjivakih povrina standardnih dimenzija u spremnicima tople vode, a da se jo uvijek moe predati sva prikupljena toplina vodi u spremniku. Prednost serijskog spoja je u tome to nema problema s nejednolikom distribucijom radnog fluida kroz po-jedine kolektore u spoju. To se inae dogaa kod veeg broja paralelno spojenih kolektora, pri emu kolektori u sredini spoja imaju najmanji protok. Da bi se to izbjeglo, preporuuje se da broj kolektora u paralelnom spoju ne bude vei od 5-6. Kod serijskog spoja broj kolektora je ogranien dozvoljenim padom tlaka.

a) b)

Slika 5.13 a) Paralelni i b) Serijski spoj kolektora

6. Izmjena topline u ploastom kolektoru

6.1 Mehanizmi izmjene topline Slika 6.1 shematski prikazuje osnovne mehanizme izmjene topline u ploastom kolektoru. Sune-vo se zraenje nakon prolaska kroz pokrovno staklo i gubitaka uslijed refleksije i apsorpcije u sta-klu (ukupno 10 % kod stakla sa = 0,9) jednim dijelom apsorbira u premazu apsorberske ploe.


Preostali dio upadnog zraenja dospjelog do apsorbera reflektira se nazad u okolinu kroz staklo, ali pri tome i djelomino apsorbira u njemu. U konanici ukupno apsorbirana energija zraenja u apsorberu iznosi G( a). Dio te energije provodi se kroz materijal apsorberske ploe (bakar, alu-minij) preko materijala spoja do cijevi i u na kraju predaje radnom fluidu (voda, propilen-glikol/voda) koji struji kroz te cijevi. Ovdje treba napomenuti da veliki utjecaj na efikasnost kolektora ima upravo toplinski otpor spoja izmeu cijevi i apsorbera. Raspodjela temperatura na ponavljajuem dijelu apsorbera koji pripada svakoj pojedinoj cijevi prikazan je na slici 6.2.

G sun

G sun

Slika 6.1 Osnovni mehanizmi izmjene topline u ploastom kolektoru

Slika 6.2 Raspodjela temperatura (K) na ponavljajuem segmentu apsorbera

(simulacija u FLUENT-u), [16]

Na alost, sva apsorbirana suneva energija ne uspije se predati radnom mediju. Znaajan dio izmjeni se s okoliem i kao takav predstavlja toplinske gubitke kolektora. Izmjena topline s okoli-em odvija se konvektivno i zraenjem u vie faza. U prostoru izmeu apsorbera i stakla dominan-tna je slobodna konvekcija s ploe apsorbera na zrak, slika 6.3. Zrak se uslijed toga kree od apsorbera prema staklu predajui mu toplinu i potom vraa nazad prema apsorberu.

WW

Slika 6.3 Raspodjela temperatura u meuprostoru izmeu apsorbera i stakla

(simulacija u FLUENT-u), W- irina segmenta apsorbera, [16]

Staklo se isto tako zagrijava i od dugovalnog zraenja koje emitira zagrijana apsorberska plo-a. Pokrovno staklo praktiki ne proputa to dugovalno zraenje, ali ga apsorbira. Od konvekci-


jom i zraenjem zagrijanog stakla toplina se dalje gubi putem slobodne ili prisilne konvekcije (u sluaju kada pue vjetar) na okolini zrak te zraenjem na okolne objekte i nebeski svod. Jedan manji dio topline izgubi se provoenjem kroz izolaciju kolektora (< 5-10 % ukupnih gubitaka). Opisani gubici mogu se u analogiji s elektrinim krugovima prikazati putem paralelnog i serijskog spoja toplinskih otpora i temperaturne razlike apsorber-zrak, slika 6.4.

Slika 6.4 Prikaz toplinskih otpora izmjeni topline izmeu apsorbera i

okoline analogija s elektrinim krugovima

Korisni toplinski tok predan radnom fluidu moe se izraziti kao razlika apsorbirane energije zraenja i toplinskih gubitaka na okoli svedenih na temperaturu zraka z

( ) ( )kol sun kol kol aps z t/P G a A A = R [W]. (6.1) Taj je toplinski tok upravo jednak toplinskom toku izmijenjenom izmeu apsorberske ploe

temperature aps i fluida u cijevima temperature f

( )kol kol aps f a-f/P A T T R= [W]. (6.2) gdje Ra-f (m2K/W) predstavlja toplinski otpor izmeu apsorbera i fluida u cijevima. Ukupni toplin-ski otpor gubicima topline Rt (m2K/W) rauna se prema slici 6.4 kao serijski spoj dviju grupa pa-ralelnih otpora zraenja i konvekcije te otpora provoenja kroz staklo (detaljnije u [16]).

6.2 Utjecaj konstrukcije na toplinske karakteristike

6.2.1 Utjecaj optikih svojstava apsorbera i stakla Jednadbe 6.1 i 6.2 osnova su za proraun izmjene topline u kolektoru. U kombinaciji s prorau-nom toplinskih otpora omoguuju analizu utjecaja konstrukcijskih parametara na efikasnost kolek-tora te slijedom toga i optimizaciju konstrukcije. Na slici 6.5 prikazani su rezultati jedne takve analize utjecaja koeficijenta emisije apsorbera i propusnosti stakla. Ovdje se moe primijetiti kako smanjenje koeficijenta emisije s = 0,12 (prosjeni premazi) na = 0,05 (visoko selektivni i neto skuplji premazi) ima isti utjecaj na poveanje efikasnosti, kao i poveanje koeficijenta propusnosti stakla s uobiajenih = 0,9 na = 0,96, koji imaju najkvalitetnija i vrlo skupa kolektorska stakla.


=0.12, =0.9

=0.05, =0.9

=0.05, =0.96

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06(Tf,m-Tair) / I (Km2/W)

c aa=0.95=0.95


kol

Slika 6.5 Utjecaj koeficijenta emisije apsorbera i propusnosti stakla na efikasnost ploastog kolektora, a = 0,95

6.2.2 Utjecaj spoja apsorbera i cijevi Kako je ve ranije naglaeno, toplinski otpor spoja cijevi i apsorbera znatno utjee na efikasnost kolektora. Nehomogena struktura spoja, premale dimenzije ili materijal spoja niske toplinske pro-vodnosti predstavljaju veliki toplinski otpor prolasku topline od apsorbera prema fluidu koji struji u cijevi. To dovodi do povienja temperature apsorbera i poveanih toplinskih gubitaka prema okolini. U periodu do poetka 1990-ih uobiajena je praksa bila privrivati cijevi za plou ap-sorbera postupkom lemljenja, pri emu su one najee smjetane u utore profilirane u njegovoj ploi. Takvi spojevi su esto sadravali zaostale mjehure plinova, to je znatno sniavalo toplin-sku provodnost spoja. Dodatno, zbog smanjivanja toplinskih naprezanja u ploama cijevi su za-lemljivane samo dijelom svoje duljine. U dijagramu na slici 6.6 prikazani su rezultati ispitivanja jednog na takav nain zalemljenog kolektora s cijevnom serpentinom. U istom dijagramu dani su rezultati mjerenja na istom tipu kolektora kod kojeg je lemljeni spoj ostvaren cijelom duljinom cijevi. Prikazana je i krivulja efikasnosti za isti tip kolektora kod kojega je spoj ostvaren pomou ljepila pomijeanog s metalnom prainom radi poveanja toplinske provodnosti spoja.

prolemljeno du cijele cijevi y = -3.768x + 0.7593

djelomino lemljeno y = -7.0167x + 0.7657

ljepljenoy = -5,3974x + 0,6347

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06(T f,sr-T z) / I sun (Km2/W)

kol


kol

Slika 6.6 Rezultati mjerenja na kolektorima s razliito ostvarenim spojem

apsorbera i cijevi, a = 0,9 i = 0,106, [9]


Kako se vidi iz prikazanih rezultata, prolemljivanje cijelom duljinom cijevi dovelo je do pove-anja efikasnosti od 10-30 %. Lijepljeni spoj je zbog male toplinske provodnosti ljepila dao najlo-ije rezultate.

Danas se najee koriste postupci laserskog i ultrazvunog zavarivanja cijevi za plou apsor-bera bez koritenja dodatnog materijala. Takav se spoj, iako dimenzijama najmanji, pokazao bo-ljim ak i od opisanoga, tj. onoga nastalog prolemljivanjem cijelom duljinom cijevi. Mjerenjem dobivene krivulje efikasnosti iz dijagrama na slici 6.7 pokazuju 11 % vee vrijednosti efikasnosti kod kolektora s laserskim zavarenim cijevima za apsorber u odnosu na lemljeni spoj kolektora identinih optikih svojstava apsorbera i stakla.

Slika 6.7 Rezultati mjerenja kolektora s TINOX premazom i laserski

zavarenim cijevima za plou apsorbera, [16]

Numerike simulacije pokazuju da u sluaju kolektora iz prethodnog dijagrama poveanje i-rine laserskog zavara ne bi imalo bitnog utjecaja na poboljanje efikasnosti. To proizlazi iz inje-nice da je trenutna irina zavara znatno vea od debljine apsorberske ploe pa to mjesto ne predstavlja vei otpor provoenju topline. To se vidi i iz manjih gradijenata temperatura u spoju u odnosu na samu plou apsorbera, to znai i manji toplinski otpor spoja, slika 6.8. Daljnje pove-anje efikasnosti kod ploastih kolektora s takvim spojevima mogue je ostvariti jo jedino po-boljanjem svojstava premaza apsorbera (vei a i manji ) i pokrovnog stakla (vei ). Isto tako, daljnje znaajnije poveanje efikasnosti moe se postii i koritenjem drugih konstrukcija kod ko-jih je povrina izmjene topline izmeu fluida i apsorbera znatno vea nego kod kolektora s cije-vima, npr. kod kolektora gdje fluid struji izmeu dviju ploa. Kod takvih konstrukcija potrebno je jo na tehnoloko-ekonomski prihvatljiv nain rijeiti probleme koji se javljaju zbog velikih nap-rezanja i deformacija ravnih ploa koje formiraju kanale kroz koje struji radni medij pod relativno visokim pretlakom (do 10 bar).

Slika 6.8 Raspodjela temperature u materijalu apsorbera, zavara i cijevi, [16]


6.3 Utjecaj strujanja radnog fluida Utjecaj protoka radnog fluida kroz kolektor na njegovu efikasnost prikazan je u dijagramu na slici 6.9. Krivulje efikasnosti izraunate su za razliite vrijednosti protoka, odnosno koeficijenata prije-laza topline u cijevi f te usporeene s izmjerenim vrijednostima pri normiranom ispitnom pro-toku od 70 kg/hm2 povrine apsorbera, to odgovara f = 450 W/m2K. Kako se vidi iz tog dijagrama, f nema znaajniji utjecaj na efikasnost kolektora nakon to njegova vrijednost prijee f = 450 W/m2K. Kod tipine konstrukcije kolektora s promjerom cijevi od 7-10 mm radni su pro-toci fluida 35-50 kg/h po m2 apsorbera. Tada je strujanje uglavnom laminarno, a f = 300-400 W/m2K. Daljnje poveanje protoka iznad navedenih nema smisla, a i tetno je u smislu poveanja pogonskih trokova za cirkulacijsku pumpu jer pad tlaka raste gotovo 8 puta bre nego f. S druge strane, kada se protok smanji toliko da je f < 200 W/m2K, toplinski otpor prolasku topline od cijevi prema fluidu ima vei utjecaj na ukupni otpor od apsorbera do fluida. Tada dolazi do zna-ajnijeg smanjenja efikasnosti kolektora. Zato je potrebno obratiti pozornost da vrijednosti proto-ka kroz kolektore ne padnu ispod cca. 25-30 kg/hm2. U tu se svrhu provodi proraun hidraulikih gubitaka strujanja u kolektorskom krugu i temeljem toga odabire odgovarajua cirkulacijska pumpa. Indikacija premalog protoka moe biti i prirast temperature na kolektoru vei od 15 C. Slino, kod prevelikog protoka prirast temperature je manji od 5 C.


kol

Slika 6.9 Utjecaj f na efikasnost kolektora, temeljeno na mjerenjima i CFD simulacijama u FLUENT 6.1, [16]

7. Sunani toplovodni sustavi

7.1 Sustavi za pripremu PTV-a Kako je ve ranije navedeno, danas se za direktno iskoritavanje Suneve energije najee koris-te niskotemperaturni (40-60 C) toplovodni sunani sustavi (vidi sliku 5.1). Najvei broj instalira-nih sustava namijenjen je zagrijavanju potrone tople vode (PTV) zbog toga to je Suneva ozraenost najvea upravo u periodu godine izvan sezone grijanja. Osnovni su dijelovi tih sustava sunevi kolektori i akumulacijski spremnik. Radni fluid je obino voda ili mjeavina voda/glikol otporna na smrzavanje. Cirkulacija radnog fluida izmeu kolektora i spremnika najee je ostva-rena prisilno uz pomo pumpe. Isto se tako koriste i termosifonski sustavi s prirodnom cirkulaci-jom koja nastaje uslijed razlike gustoa, odnosno razlike temperature radnog fluida u kolektoru i u spremniku, slika 7.1. Kod takvih sustava spremnik se mora nalaziti iznad kolektora da bi se uspos-


tavila prirodna cirkulacija pod djelovanjem sila uzgona. One se dodatno pojaavaju to je sprem-nik vie iznad gornjeg ruba kolektora (preporua se min 20 cm). Imajui u vidu da se kolektori najee montiraju na krovove, to instalaciju esto ini nepraktinom. Zato se esto koriste kom-paktni sustavi (slika 7.2) gdje je spremnik privren za gornju stranicu kolektora. Zbog vanjskog smjetaja taj e spremnik imati znatno vee toplinske gubitke (niske temperature, vjetar) nego kad je smjeten unutar objekta. Alternativno, kod sustava s prirodnom cirkulacijom kolektor se moe smjestiti na terasu ili na tlo, a spremnik u objekt. Pritom treba voditi rauna da su spojni cjevovodi kolektorskog kruga to krai i veih promjera, uz izbjegavanje dodatnih otpora strujanja (koljena, ventili) kako bi se ukupni pad tlaka drao to niim,s obzirom na relativno male uzgonske sile ko-je pokreu fluid. Zbog toga su i protoci kroz kolektor takoer niski najvie 30-40 litara/(hm2), to ponekad moe dovesti do znaajnijeg sniavanja efikasnosti kolektora. S druge strane, tempe-raturni gradijenti u spremniku su vei u odnosu na sustave s prisilnom cirkulacijom. To znai da e iz donjeg dijela spremnika izlaziti hladniji fluid prema kolektoru to ima povoljan utjecaj na njegovu efikasnost. Prednost u odnosu na sustave s prisilnom cirkulacijom lei u injenici da se ne troi elektrina energija za pogon pumpe (koja iznosi oko 2-5 % prikupljene suneve energije), nema regulacijskog sklopa, a i cijena sustava i instalacije je nia. Termosifonski sustavi su zbog opisanih karakteristika prikladniji za koritenje u toplijim klimama s veom godinjom ozraenos-ti, npr. mediteranske zemlje, Australija, Izrael, gdje su tradicionalno vrlo raireni. U naoj zemlji takvi sustavi predstavljaju dobro rjeenje tijekom ljeta, no u zimskim mjesecima, osim velikih toplinskih gubitaka vanjskog spremnika, problem predstavlja i opasnost od smrzavanja vode u spremniku kad el. zatita od smrzavanja zakae.

a) b)

Slika 7.1 a) Termosifonski sunani sustav s prirodnom cirkulacijom, b) Raspored temperatura (uzgonske sile su proporcionalne povrini koju zatvaraju linije 1234), [3]

Slika 7.2 Primjeri kompaktnog termosifonskog sustava

Na slici 7.3 prikazana je shema jednostavnog sustava s prisilnom cirkulacijom ostvarenom cirkulacijskom pumpom i jednim spremnikom za pripremu PTV-a. U prikazanom primjeru spremnik nema klasini izmjenjiva topline u obliku cijevi, kao na slici 5.1, ve radni medij ko-lektorskog kruga struji kroz dvostruki plat spremnika od njegovog vrha do dna. Na taj nain top-


linu predaje vodi u spremniku. Polaz fluida kolektorskog kruga nalazi se na najniem, tj. najhlad-nijem dijelu spremnika, kako bi se ostvario to efikasniji rad kolektora. Pri tome je vano osigura-ti to veu razliku temperatura po visini spremnika. To je mogue postii, npr. izduenim oblikom spremnika, postavljanjem rasprivaa mlaza ulazne hladne vode radi smanjenja njenog mijeanja s gornjim toplijim slojevima vode u spremniku, zagrijavanjem spremnika na razliitim visinama ovisno o trenutnoj temperaturi vode i dr.

U naelu, sustavi s prisilnom cirkulacijom koriste diferencijalnu automatiku za iskljuivanje pumpe kada razlika temperatura fluida na izlazu iz kolektora i vode u spremniku postane manja od neke zadane vrijednosti (najee 3-5 C). Time se sprjeava rashlaivanje spremnika. Auto-matika e ponovo ukljuiti pumpu kada se uspostavi traena minimalna temperaturna razlika.

Slika 7.3 Sustav s jednim spremnikom za pripremu PTV-a, [11]

Na slici 7.4 prikazani su primjeri kombiniranih sustava za pripremu PTV-a i grijanje prostora. Ovdje se koriste spremnici za vodu iz sustava grijanja koji u sebi imaju jedan manji s PTV-om. On iz manjeg spremnika izmjenjuje toplinu s vodom iz vanjskog spremnika koja se indirektno zagrijava kolektorima preko izmjenjivaa u donjem dijelu spremnika. U gornjem dijelu spremnika nalazi se izmjenjiva pomonog izvora topline, koji je obino toplovodni kotao ili protoni zagri-ja vode. Kod ovakvog sustava se izbjegava naruavanje temperaturne raspodjele vode u veem spremniku, koje inae nastaje zbog mijeanja s hladnom svjeom vodom jer se hladna voda ovdje dovodi direktno u manji spremnik.

Slika 7.4a Primjeri kombiniranih sunanih sustava za pripremu PTV-a

i grijanje prostora s dvostrukim spremnikom, [11]


Slika 7.4b Primjeri kombiniranih sunanih sustava za pripremu PTV-a

i grijanje prostora s dvostrukim spremnikom, [11]

Za zagrijavanje PTV-a umjesto akumulacijskog spremnika moe se koristi i protoni zagrija, slika 7.5. Njime se izbjegava mijeanje svjee hladne vode i prethodno zagrijane vode u spremni-ku. Isto tako, temperatura PTV-a moe biti nia od 55-60 C jer nema opasnosti od razvoja bakte-rije legionele. S druge strane, kako bi se uspjela izmijeniti sva potrebna toplina za zagrijavanje protone vode, temperatura u gornjem dijelu spremnika mora biti desetak C via od eljene tem-perature PTV-a. To esto dovodi do potrebe za paljenjem pomonog grijaa. U sustavu sa dvos-trukim spremnikom (slika 7.4) zbog mogunosti akumulacije PTV-a vrijeme je zagrijavanja PTV-a dulje. To znai da se izmjena topline izmeu dvaju spremnika moe odvijati pri niim tempera-turama vode u vanjskom spremniku, sve dok su one postanu jednake temperaturi PTV-a u ma-njem spremniku. Kako bi se iskoristile dobre strane i protonog i akumulacijskog naina zagrijavanja, esto se protoni zagrijai kombiniraju s manjim akumulacijskim spremnikom, ka-kav je prikazan na slici 7.6.

Slika 7.5 Kombinirani sunani sustav za pripremu PTV-a i grijanje prostora

s protonim grijaem (izmjenjivaem) PTV-a, [11]

Slika 7.6 Spremnik s protonim grijaem kombiniran s manjim akumulacijskim spremnikom


Kada je potrebno ugraditi spremnik zapremine vee od 500 lit, kao to je to kada je kolektor-ska povrina > 10 m2, preporuuje se ugradnja dvaju manjih umjesto jednog spremnika, slika 7.7. U takvom sustavu kolektori prvo zagrijavaju jedan spremnik do eljene temperature (npr. 55 C). Nakon toga se fluid kolektorskog kruga usmjerava uz pomo troputnog ventila prema izmjenjiva-u drugog spremnika, u kome se predgrijava svjea voda koja ulazi u sustav. Na taj nain se prvi spremnik bre zagrijava na eljenu temperaturu, a zbog zagrijavanja drugog spremnika nie tem-perature vode prosjena efikasnost kolektora tijekom perioda rada je vea nego to bi bila da se zagrijavao samo jedan vei spremnik. Takvi su sustavi posebice prikladni za koritenje u turisti-kim objektima ,npr. privatnim kuama s apartmanima gdje su potrebe za PTV-om tijekom ljeta velike. U zimskim mjesecima, kada je potreba za PTV-om znatno manja, kao to je uostalom i suneva ozraenost, zagrijava se samo prvi spremnik, dok kroz drugi voda samo protjee ili se pak taj spremnik moe u potpunosti iskljuiti iz rada.

Slika 7.7 Kombinirani sunani sustav za pripremu PTV-a i grijanje prostora dva spremnika, [11]

Na slici 7.8 prikazan je sunani sustav veeg kapaciteta, namijenjen procesnom zagrijavanju tople vode. Kod takvih sustava obino se koriste vanjski ploasti izmjenjivai veeg kapaciteta i efikasnosti nego to su oni prikazani na prethodnim shemama sustava. To omoguuje izmjenu topline pri manjoj razlici temperatura fluida kolektorskog kruga i vode, to povlai veu efikas-nost rada kolektora. S druge strane, potrebna je dodatna cirkulacijska pumpa u krugu izmeu spremnika i izmjenjivaa.

Slika 7.8 Sunani sustav za pripremu tople vode temp. 35 C u prehrambenoj industriji s ploastim

izmjenjivaem topline kolektorskog kruga,nominalni toplinski uinak 500 kW, [10]


Nedostatak je ploastih izmjenjivaa i njihova osjetljivost na taloenje kamenca ukoliko kroz njih protjee PTV, a ne voda iz sustava grijanja, to onda zahtijeva periodika kemijska ienja. Openito, kod svih sustava izmjenjivai moraju biti tako dimenzionirani da izmjene svu toplinu prikupljenu kolektorima pri odreenoj minimalnoj temperaturnoj razlici kolektorskog fluida i vo-de u spremniku koja moe nastupiti tijekom rada. U suprotnom dolazi do poveanja polazne tem-perature fluida kolektorskog kruga i snienja efikasnosti kolektorasve dok se ne izmjeni sva prikupljena toplina. Kako je ve objanjeno u prethodnim poglavljima, ukoliko potrebnu izmje-njivaku povrinu nije mogue smjestiti u spremnik ili je naprosto jeftinije koristiti manje izmje-njivae, potrebni toplinski uinak mogue je postii poveanjem temperature radnog fluida, i to bilo spajanjem kolektora u serijski spoj i/ili koritenjem kolektora s cijevnom serpentinnom, to svakako smanjuje efikasnost kolektora.

7.2 Sustavi za grijanje prostora Iako najee za pripremu PTV-a, sunani sustavi koriste se i za niskotemperaturno grijanje pros-tora. Na prethodnim shemama kombiniranih sunanih sustava prikazan je nain napajanja sustava radijatorskog grijanja iz spremnika vodom temp. (40-60) C koja je fiziki uvijek odvojena od PTV-a, ili pak sustava podnog, ili zidnog grijanja vodom temperature oko 30 C. Kod sustava po-dnog grijanja temperatura polaza grijanja regulira se preko troputnog ventila kako bi se tempera-tura poda drala ispod 30 C (radi sprjeavanja podizanja praine i nastajanja proirenih vena). Zbog injenice da je zimi suneva ozraenost do 5 puta manja nego ljeti, a potrebe za toplinom oko 6-7 puta vee, bile bi potrebne 30-40 puta vee povrine kolektora za pokrivanje ukupnih top-linskih potreba objekta za vrijeme zime. To bi, uz velike investicijske trokove i veliki period povrata investicije, dovelo i do pregrijavanja sustava ljeti. Da se sve to izbjegne, potrebno je pa-ljivo optimirati broj kolektora i zapreminu spremnika. Obino se sustavi dimenzioniraju na nain da se prikupljenom sunevom energijom pokrije oko 10-15 % ukupnih energetskih potreba zimi (grijanje + PTV), ovisno radi li se o kontinentalnom ili primorskom dijelu Hrvatske. U energetski tedljivijim objektima ti udjeli rastu sa smanjenjem specifine potronje topline za grijanje QH,nd, tako da je u pasivnim niskoenergetskim kuama (QH,nd < 15 kWh/m2) mogue i 100 %-tno pokri-vanje potreba za toplinskom energijom i u zimskim mjesecima. Pri tome je potrebno osigurati mi-nimalno 50 lit zapremine spremnika po svakom m2 instalirane kolektorske povrine kako bi se izbjeglo pregrijavanje spremnika ljeti.

7.3 Sustavi za grijanje bazena Zagrijavanje bazenske vode pomou sunevih kolektora jedan je od najefikasnijih i najekonomi-nijih naina koritenja suneve energije za grijanje tople vode. Razlog tome su relativno niske po-trebne temperature vode (24-32) C i mogunost koritenja jeftinih neostakljenih apsorbera. Prikupljena suneva energija na kolektorima se ovdje koristi za pokrivanje toplinskih gubitaka bazena uslijed ishlapljivanja, prskanja, konvekcije na zrak (vjetra), zraenja prema nebu i okoli-nim objektima te za zagrijavanje svjee vode koja se ubacuje u bazen radi odravanja higijenskog minimuma. Procijenjeni toplinski gubici otvorenih bazena iznose oko 4 kWh/m2 na dan, dok zat-voreni bazeni imaju gubitke oko 2,5 kWh/m2 na dan. Da bi se smanjili ti gubici, bazeni se esto prekrivaju prozirnim plastinim ploama, koje istodobno omoguuju prolaz Suneva zraenja prema vodi i apsorpciju u njoj.

7.4 Regulacija Regulacija je od velike vanosti za efikasnost sunanog sustava. U osnoviregulacija se sastoji od upravljake jedinice, osjetnika temperature smjetenog na izlazu iz kolektora i na razliitim pozi-cijama u spremnicima. Osjetnik temperature u spremniku smjeta se neposredno iznad izmjenji-vaa kolektorskog kruga kako bi se osiguralo da u trenutku kada se ukljui pumpa i na tom


najtoplijem dijelu izmjenjivaa postoji temperaturna razlika u odnosu na fluid kolektorskog kruga. Osjetnik temperature fluida na izlazu kolektora montira se tako da bude zatien od direktnog Suneva zraenja, najbolje direktno u fluid. Alternativno, osjetnik se moe samo privrstiti za ci-jev i sve skupa izolirati.

Upravljaka jedinica ukljuuje i iskljuuje pojedine pumpe, usmjerava fluid preko troputnog ventila na pojedini spremnik, ukljuuje rad pomonog elektrinog grijaa ili pumpe toplovodnog kotla. Isto tako, moderne regulacije imaju funkciju upravljanja i ostatkom sustava grijanja u zgra-di (npr. grupama podnog grijanja i radijatora po prostorijama i dr.) povezujui sve u jedinstveni sustav upravljanja.

7.5 Oprema i armatura Ekspanzijske posude i ventili sigurnosti vani su dijelovi sunanog sustava koji osiguravaju njego-vu funkcionalnost u svim uvjetima rada. Montiraju se u kolektorskom krugu, dovodu svjee vode i sustavu grijanja.S obzirom na velike promjene temperatura koje mogu nastupiti tijekom rada (po-sebice u kolektorskom krugu) ekspanzijska posuda mora biti dimenzionirana tako da moe prihva-titi sve promjene volumena vode, tj. da osigura stalni tlak u sustavu. Tlak u kolektorskom krugu obino se kree oko 2-2,5 bar, a u ostalim dijelovima sustava oko 3 bar. Ukoliko doe do pada tla-ka u kolektorskom krugu ispod 1,5 bar, moe doi do smanjenja protoka radnog fluida zbog pojave kavitacije na usisnoj strani pumpe. U takvoj situaciji isto tako moe doi do isparavanja fluida u kolektoru, pri emu se u potpunosti zaustavlja cirkulacija. Do pada tlaka moe doi i zbog, primje-rice, proputanja spojeva izloenih sunevom zraenju, uslijed proputanja sigurnosnog ventila bilo zbog njegove ili neispravnosti ekspanzijske posude ili pak zbog pregrijavanja sustava uslijed nes-tanka elektrine energije za pogon cirkulacijske pumpe. Iz tih razloga potrebno je redovito (npr. jed-nom tjedno) provjeravati tlak u sustavu i po potrebi dopunjavati kolektorski krug radnim fluidom.

U kolektorski krug obvezno se ugrauje nepovratni ventil kako bi se sprijeilo rashlaivanje spremnika tijekom noi ili oblanog vremena zbog prirodne cirkulacije od toplijeg spremnika prema hladnijim kolektorima. Iz istih razloga se nepovratni ventil postavlja izmeu spremnika i toplovodnog kotla. Te je ventile potrebno oistiti od neistoa u redovitom godinjem servisu jer u suprotnom mogu djelomino izgubiti funkciju.

Na cjevovodu svjee vode montira se redukcijski ventil koji osigurava stalni tlak u sustavu. Na isti je cjevovod poeljno montirati filter i omekiva te nepovratni ventil kako bi se sprijeilo pranjenje spremnika i pad tlaka (i eventualnu imploziju spremnika) kada nestane vode u vodovo-du. Na izlaznom cjevovodu PTV-a potrebno je montirati zatitni termostatski mijeajui ventil (vidi sliku 7.3) koji ima ulogu sprijeiti protok vrue vode (npr. temperature > 50 C) prema iz-ljevnom mjestu tako da PTV iz spremnika promijea s hladnom vodom.

to se tie cjevovoda, oni bi openito trebali biti to je mogue krai ne bi li se toplinski gubi-ci sveli na najmanju mjeru. Svi dijelovi cjevovoda kolektorskog kruga moraju se izolirati izolaci-jom debljine ( - ) promjer cjevovoda. Za to se esto se koristi specijalna UV otporna (Armaflex) izolacija, kojoj je nedostatak to je mogu otetiti ptice. U veim sustavima koristi se mineralna vuna obloena Al limom (koji izmeu ostalog prua zatitu i od ptica). U manjim ku-nim sustavima do 10 m2 kolektorske povrine cjevovodi su obino promjera 10 do 20 mm.

7.6 Montaa kolektora Kolektori se obino montiraju na krov (slika 7.9a). Bolje je rjeenje ako se kolektori montiraju kao dio krova (slika 7.9b) jer se tako tedi na materijalu pokrova ,npr. crijepu, a na tom mjestu dobiva se i izvrsna toplinska izolacija. Isto tako, kolektori se mogu montirati na ravne krovove, terase ili tlo koristei posebne nosae (slika 7.10). Pri tome je potrebno provjeriti nosivost krovne konstrukcije.


a) b)

Slika 7.9 a) Kolektor montiran na krov b) Kolektor montiran kao dio krova

U veim sustavima kolektori se spajaju u grupe, slika 7.10. Ovdje treba voditi rauna o tome da se pravilnim dimenzijama cjevovoda osigura jednoliki protok kroz sve grupe. Sustav se balan-sira ventilima u pojedinim granama s ugraenim mjeraem protoka.

Na najviem dijelu instalacije, odnosno izlazu iz kolektora ili grupe, montira se odzrani ventil koji se koristi za isputanje zraka iz cjevovoda tijekom punjenja sustava.

Slika 7.10 Sunani sustav s grupama kolektora montiranim na krovne nosae

8. Ispitivanja sunevih kolektora i sustava U EU ispitivanja se provode u ispitnim laboratorijima akreditiranim od strane neke akreditacijske agencije prema sljedeim normama: EN 12975-2: Solar thermal systems and components Solar collectors Part 2: Test

methods EN 12976-2: Solar thermal systems and components Factory made systems Part 2: Test

methods, koja preuzima dio ispitivanja iz ISO 9459-2:1995 Solar heating-Domestic water heating systems: Outdoor test methods for

system performance characterisation and yearly performance of solar only systems. Isto tako, pojedini ispitni centri provode ispitivanja prema nacrtima normi:

ENV 12977-2 (Custom built systems) i ENV 12977-3 (Stores)

Europski odbor za normizaciju (CEN) uveo je dobrovoljnu oznaku "Solar Keymark" kojom se potvruje da je kolektor kolektor ispitan prema gore navedenim EN normama i ispunjava sve zah-tjeve iz njih te da je provedena provjera osiguranja kvalitete u proizvodnji. Veina kolektora koji se dostavljaju na trite EU-a , kao i Hrvatske, nosi oznaku "Solar Keymark".


Ispitivanje kolektora (prema EN 12975-2:2006) ukljuuje: 1. Mjerenje efikasnosti sa i bez vjetra 2. Odreivanje faktora promjene upadnog kuta 3. Izraun toplinskog kapaciteta 4. Pad tlaka 5. Ispit kvalitete

5.1 Tlana proba (1.5 max radni tlak) 5.2 Otpornost na visoku temperaturu (odreivanje stagnacijske temperature) 5.3 Ispitivanje izloenosti dugotrajnom Sunevu zraenju 5.4 Vanjski i unutranji toplinski ok 5.5 Propusnost na kiu 5.6 Otpornost na smrzavanje 5.7 Mehaniko optereenje stakla i spojeva s kuitem (uslijed vjetra i snijega) 5.8 Otpornost na udarce (kamenje, tua).

a) b)

Slika 8.1 a) Ispitna linija za mjerenje toplinskih karakteristika kolektora i b) sustava

Standardna ispitivanja sustava do 10 m2 i 900 Lit prema EN 12976-2:2006 ukljuuju: 1. Otpornost na smrzavanje 2. Zatita od pregrijavanja 3. Tlana proba 4. Prikladnost za pitku vodu 5. Otpornost na vanjske utjecaje 6. Zatitna oprema (sigurnosni ventili, ekspanzijske posude. .) 7. Oznaavanje 8. Toplinske karakteristike sustava provedba ispitivanja karakteristika komponenti

prema ISO 9459-5 8.1 Odreivanje pomone energije (el grijai, kotao,) 8.2 Odreivanje "parazitske" energije (pumpa, regulacija) 8.

66919641 04 Handbook Suncani Toplovodni Sustavi

Documents

Transcript of 66919641 04 Handbook Suncani Toplovodni Sustavi