Obnovljivi izvori energijemikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/2019_OIE_Lec03...se unutrašnja...

Obnovljivi izvori energije11/4/2019 SKIS - 2018/19. 1

ENERGIJA VETRA

ENERGIJA VODE

GEOTERMALNAENERGIJA

BIOENERGIJA

ENERGIJASUNCA

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 2

Obnovljiviizvori

energije

Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEU5C03)

Modul US - 2019/20.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEE5A05)

Modul E - 2019/20.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEM5A04)

Modul EKM - 2019/20.

Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rsDoc. dr Sanja Aleksić, kabinet 347, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rs

Prof. dr Dragan Mančić, M2-4, dragan.mancic@elfak.ni.ac.rs

Solarna termalna energija11/4/2019 SKIS - 2018/19. 4

2019/20.

11/4/2019 SKIS - 2018/19 5

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 6

11/4/2019 SKIS - 2018/19 7

11/4/2019 SKIS - 2018/19 8

Solarno zračenje u svemiru

Planeta Rastojanje (×109m)

Srednja solarna insolacija (W/m2)

Merkur 57 9116,4

Venera 108 2611,0

Zemlja 150 1366,1

Mars 227 588,6

Jupiter 778 50,5

Saturn 1426 15,04

Uran 2868 3,72

Neptun 4497 1,51

Pluton 5806 0,878

11/4/2019 SKIS - 2018/19 9

11/4/2019 SKIS - 2018/19 10

11/4/2019 SKIS - 2018/19 11

11/4/2019 SKIS - 2018/19 12

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 13

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 14

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 15

Svetski rekord u termalnoj konverziji!

Avgust 2016. god.

Naučnici ANU (Australian National University) su postavili novi svetski rekord kada se radi o efikasnosti konverzije sunčevog zračenja u paru.

97%!!!

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 16

Osnovne činjenice

Trenutni instalirani kapacitet solarnih kolektora za dobijanje tople vode i zagrevanje prostora je 3500GW, a očekuje se da on bude 8.9EJ (1018) 2050. godine, što će biti 14% od ukupne energije.

Solarni kolektori za niskotemperaturne industrijske procese (<120oC) – 7.2EJ 2050. godine (20% ukupne energije).

Solarna energija za hladjenje će sa sadšnjih 1000GW porasti na 1.5EJ 2050. godine (17% od ukupne energije).

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 17

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 18

Ukupni instalirani kapacitet u vodećim zemaljama

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 19

Predvidjanja u vezi solarnog grejanja i hladjenja

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 20

Procesi prenošenja toplote u solarnom kolektoru

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 21

Načini prenošenja toplote

Radijacija◦ qsun – solarna iradijacija

◦ qemit – emitovana energija zračenja od panela

Konvekcija◦ qconv,air – toplotni gubici zbog vetra

◦ qconv,medium – prenos toplote ka medijumu

Kondukcija◦ qcond,panel – prenos toplote ka metalnim delovima panela

◦ qcond,insulator – toplotni gubici ka izolatoru panela

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 22

Kondukcija – provođenje

Kodukcija je proces provođenja toplote (transfera energije) direktno kroz materijal, od viših ka nižim energijama.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 23

Konvekcija - strujanje

Prenos toplote između fluida koji se kreće i granične površine.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 24

Proučavanje konvekcije zahteva znanje dinamike fluida i transfera toplote.

Konvekcija - strujanje

𝑇𝑆 – temperatura čvrste ploče uz koju struju fluid 𝑇∞ - temperatura fluida dalje od granične ploče ℎ - koeficijent konvekcije [W/K], zavisi od razlike

temperatura, oblika i položaja ploče, brzine i načina strujanja fluida (laminarno i turbulrntno), vrste fluida, itd.

𝐴 - površina

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 25

Radijacija - zračenje

Energija se emituje u vidu elektromagnetnih talasa koji imaju talasne dužine od 10-1 do 103𝜇𝑚

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 26

Radijacija - zračenje

Zračenje je rezultat unutaratomskih promena tokom kojih se unutrašnja energija tela pretvara u energiju koja se putem elektromagnetnih talasa prostire na druga tela. Ukupna energija se delimično apsorbuje, delimično reflektuje, a delimično prođe kroz njega.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 27

Kako koristiti solarnu termalnu energiju?

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 28

Koje su prednosti korišćenja solarnog zračenja za zagrevanje vode?

Dobijamo toplu vodu tokom cele godine –dogrevanje na neki drugi način je potrebno sam tokom zimskih meseci, i to ne uvek!

Značajno smanjenje računa za utrošenu električnu energiju.

Smanjenje emisije CO2.

Niska cena održavanja sistema.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 29

Solarni kolektori

Predstavljaju elemente solarnog sistema koji direktno pretvaraju sunčevu energiju u toplotnu energiju vode ili nekog drugog fluida koji se koristi u sistemu.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 30

Vrste solarnih kolektora11/4/2019 SKIS - 2018/19. 31

Kolektori i radna temperatura

Ravni (flat-plate) kolektori

Koriste direktno i difuziono zračenje, ne zahtevaju praćenje Sunca, jednostavno održavanje, jeftini i mehanički jednostavni.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 32

Ravni (flat-plate) kolektori

Najveći gubici nastaju kada su pod nekim uglom u odnosu na solarno zračenje

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 33

Ravni (flat-plate) kolektori11/4/2019 SKIS - 2018/19. 34

Ravni (flat-plate) kolektori11/4/2019 SKIS - 2018/19. 35

Ravni (flat-plate) kolektori11/4/2019 SKIS - 2018/19. 36

Kolektori sa vakuumski cevima(evacuated tube collector)

Kolektor se sastoji od niza paralelnih staklenih cevi. Vakuum u staklenoj cevi smanjuje kondukcione

gubitke i eliminiše gubitke usled konvekcije.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 37

Kolektori sa vakuumski cevima(evacuated tube collector)

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 38

Evacuated tube kolektor11/4/2019 SKIS - 2018/19. 39

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 40

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 41

Efikasnost stacionarnih kolektora

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 42

Compound parabolic collector11/4/2019 SKIS - 2018/19. 43

Compound parabolic collector11/4/2019 SKIS - 2018/19. 44

Compound parabolic collector11/4/2019 SKIS - 2018/19. 45

Parabolični kolektori

Sastoji se od paralelnih nizova ogledala (reflektora) zakrivljenih po jednoj dimenziji sa ciljem da fokusiraju sunčeve zrake.

Kao fluid se koristi sintetičko ulje koje prenosi toplotu ka izmenjivačima.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 46

Linearni Fresnel-ov reflektor

Sistem dugih, ravnih ili blago zakrivljenih ogledlakoja reflektuju sučeve zrake ka fiksiranom prijemniku.

Jednostavan dizajn ogledala i prijemnika zahteva niske investicione troškove.

Lako se koristi za direktno generisanje vodene pare.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 47

Linearni Fresnel-ov reflektor11/4/2019 SKIS - 2018/19. 48

Linearni Fresnel-ov reflektor11/4/2019 SKIS - 2018/19. 49

Parabolic through reflektor11/4/2019 SKIS - 2018/19. 50

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 51

Parabolic – cylindrical through reflektor

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 52

Parabolični reflektor (prabolic dish reflector)

Koncentriše sunčeve zrake u fokus paraboličnog reflektora. Sistem prati poziciju Sunca. Najčešće sistem ima generator (Stirling mašinu ili micro-

turbinu) u tački fokusa.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 53

Parabolični reflektor (prabolic dish reflector)

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 54

Parabolični reflektor (prabolic dish reflector)

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 55

Heliostatski kolektor

Heliostat je uređaj koji se sastoji od velikog broja ogledala koja se pomeraju i relektuju sunčev zrak prema definisanom cilju ka vrhu tornja.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 56

Heliostatski kolektor11/4/2019 SKIS - 2018/19. 57

Zagrevanje vode

Najpopularniji vod korišćenja solarne termalne energije.

Niskotemperaturna aplikacija. Najčešće se koriste ravni kolektori i kolektori sa

vakuumskim cevima.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 58

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 59

Zagrevanje vode

Potrebna ulaganja:◦ 900 do 1.500 EUR po domaćinstvu

◦ Manje vrednosti se odnose na jeftinije solarne kolektore i instalacije.

Efekti:◦ Grejanje sanitarne vode u periodu od aprila do oktobra pokriva više od 80% potreba za energijom. U periou od novembra do marta ova pokrivenost je oko 30%.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 60

Zagrevanje vode11/4/2019 SKIS - 2018/19. 61

Vrste solarnih toplotnih sistema

OTVORENI – voda koja se zagrejava prolazi direktno kroz kolektor koji se nalazi na krovu. Problem koji se ovde pojavljuje je mogućnost smrzavanja vode u toku zimskih meseci.

ZATVORENI – kroz kolektore prolazi tečnost koja se ne smrzava (glikol ili antifriz) i mogu se koristiti i kada je temperatura ispod nule.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 62

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 63

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 64

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 65

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 66

Vrste solarnih toplotnih sistema

Toplotni sistemi sa prirodnom cirkulacijom

Toplotni sistemi sa pumpom

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 67

Toplotni sistemi sa prirodnom cirkulacijom

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 68

Sistem sa prirodnom cirkulacijom

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 69

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 70

Toplotni sistemi sa pumpom11/4/2019 SKIS - 2018/19. 71

Sistem sa pumpom11/4/2019 SKIS - 2018/19. 72

Zagrevanje vode

Instalacija – pravac jug (severna hemisfera), pravac sever (južna hemisfera).

Instalacija – ugao bi grubo trebalo da odgovara geografskoj širini lokacije na kojo se instalira sistem.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 73

Zagrevanje vode

Sistemi za zagrevanje vode u stambenim objektima:◦ Dobijanje tople vode

◦ Zagrevanje prostora

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 74

Zagrevanje vode

Veliki sistemi za zagrevanje vode:◦ Topla voda za hotele, bolnice, ...

◦ Bazeni

◦ Industrijski procesi koji zahtevaju toplu vodu

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 75

Zagrevanje vode

Industrijski procesi koji zahtevaju toplu vodu◦ U EU se samo za 1-3 potreba koristi struja

◦ Oko 50% procesa zahteva toplu vodu čija je temperatura do 250oC

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 76

Zagrevanje vode11/4/2019 SKIS - 2018/19. 77

Grejanje prostora

Potrebna ulaganja:◦ 3.000 do 6.000 EUR po domaćinstvu. Niže cene se odnose na loksacije sa boljom orijentacijom i boljim termičkim karakteristikama zidova, manjim toplotnim gubicima i boljim rasporedom prostorija i prozora.

Efekti:◦ Pokrivenost troškova grejanja se kreće između 50 i 60% tokom godine.

◦ Kod novih objekata sa predviđenim solarnim grejanjem dobjaju se najbolji rezultati uz minimalnu cenu.

◦ Adaptacija je složeniji i skuplji postupak.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 78

Solarni sistemi za zagrevanje vazduha

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 79

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 80

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 81

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 82

Solarni kolektor od limenki11/4/2019 SKIS - 2018/19. 83

http://www.ekokuce.com/vesti/energija/uradi-sam-solarni-kolektor-od-limenki

Potreban materijal11/4/2019 SKIS - 2018/19. 84

Karakteristike

15 x 15 limenki

Pri spoljnoj temperaturi -3oC imamo protok od 3m3/min zagrejanog vazduha.

Temperatura vazduha ide i do +72oC.

Proračunata snaga koju daje projektovani kolektor je približno 1950W.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 85

Osnovne činjenice

Zagrevanje bazena koje je dostiglo instalirani kapacitet od 200GW će da poraste na 400PJ (1015) do 2050. godine.

Sve ovo će smanjiti emisiju CO2 za 800Mt godišnje.

Ostvarenje ovih ciljeva zahteva ekspanziju u oblasti solarnog zagrevanja vode, pre svega u gradjevinarstvu.

Potrebno je pre svega rušiti barijere vezane za neobaveštenost, ulaganja, itd.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 86

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 87

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 88

Snažni solarni termalni sistemi

Konverzija solarnog zračenja u električnu energiju:◦ Direktna konverzija – PV

◦ Indirektna konverzija – CSP (concentrate solar power)

Aplikacije kod kojih je potebna visoka temperatura

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 89

Snažni solarni termalni sistemi

Električna energija se generiše kada se koncentrisano zračenje konveruje u toplotu, zatim se pogoni toplotna mašina (najčešće parna turbina) koja je povezana sa generatorom.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 90

Snažni solarni termalni sistemi

Kombinacija hibridnih sistema i sistema koji imaju opremu za skladištenje energije.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 91

Montiranje toplotnih kolektora na krovu

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 92

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 93

Montiranje toplotnih kolektora pored objekta

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 94

Montiranje toplotnih kolektora na ravnom krovu

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 95

Sistemi integrisani u fasadu - krov

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 96

Sistemi integrisani u fasadu -balkon

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 97

Ograničenja u korišćenju solarne energije

Geografski aspekt◦ Solarno zračenje ima malu gustinu energije.

◦ Solarna energija je dostupna u kraktim vremenskim intervalima.

◦ Nestabilni vremenski uslovi.

Finansijski aspekt◦ Visoka cena u odnosu na tradicionalne izvore energije.

◦ Dostupnost mnogo ekonomičnijih tehnologija.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 98

Pravna regulativa

Postrojenja za grejanje koja koriste energijuzračenja sunca grade se kao postrojenjarelativno male snage, a ne malih dimenzija.

Dva razloga:◦ potreba da se toplotni gubici koji nastaju pri

transportu zagrejanog fluida svedu na minimum, pa je potrebno da solarni grejni sistem bude što bliže objektu

◦ relativno mala količina energije koju Sunce dozračina jedinicu površine prijemnika energije, zbog čegaje potrebna relativno velika površina.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 99

Pravna regulativa11/4/2019 SKIS - 2018/19. 100

Pravna regulativa

Izvođenje radova kada se ne pribavljaju nikakva akta nadležnih organa zagradnju◦ Posebna vrsta objekata, odnosno radova za koje

nije potrebno pribavljati akt nadležnog organa za gradnju, odnosno akt za izvođenje radova jesu jednostavni objekti. Jednostavnim objektima se smatraju objekti koji se grade na istoj katastarskoj parceli na kojoj je sagrađen glavni objekat, a kojise izvode na način da ne ometaju redovnokorišćenje susednih objekata. Zakon posebnonavodi solarne kolektore koji se ne priključuju naelektrodistributivnu mrežu, kao ovakve objekte

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 101

Pravna regulativa

Građenje objekata na osnovu rešenja kojim se odobrava izvršenje tih radova, koje izdaje organ nadležan za izdavanje građevinske dozvole◦ Građenje pomoćnih objekata8 i ekonomskih objekata9 u

koje spada građenje (postavljanje) elektrana koje koriste obnovljive izvore energije instalirane snage 50 kW, vrši se na osnovu rešenja kojim se odobrava izvođenje tih radova, koje izdaje organ nadležan za izdavanje građevinske dozvole.

Uz zahtev za izdavanje rešenja podnosi se: ◦ dokaz o pravu svojine; ◦ idejni projekat prema klasi objekta; ◦ dokaz o uređenju odnosa sa jedinicom lokalne

samouprave u pogledu doprinosa za uređivanje građevinskog zemljišta i

◦ dokaz o plaćenoj propisanoj administrativnoj taksi.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 102

Pravna regulativa

Priključenje termosolarnog postrojenja na mrežu zadistribuciju toplotne energije◦ Priključenje termosolarnog postrojenja na mrežu za distribuciju

toplotne energije vrši se u skladu sa odredbama Zakona o energetici i posebnim propisima ukoliko su doneti17. Kada se radio postrojenju za proizvodnju toplotne energije za sopstvenepotrebe koje je direktno priključeno na objekat koji se snabdevatoplotnom energijom, nije potrebno priključenje na distributivnumrežu za toplotnu energiju.

◦ Ukoliko energetski subjekt obavlja delatnosti proizvodnje toplotnei/ili električne energije u jednom objektu, on treba da budepriključen na toplovod i na elektroenergetski sistem i operativnoupravljan na način kako se upravlja objektom za proizvodnjuenergije.

◦ Priključenje objekta na distributivni sistem za toplotnu energijuvrši se na osnovu odobrenja energetskog subjekta za distribucijutoplotnom energijom, na čiji sistem se priključuje objekat, pod uslovom da uređaji i instalacije objekta koji se priključuje ispunjavaju uslove propisane zakonom, tehničkim i drugim propisima kojima se uređuju uslovi i način obavljanja delatnostidistribucije toplotne energije.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 103

Pravna regulativa

Sticanje statusa povlašćenog proizvođača toplotne energije◦ Zakonom o energetici definisano je da su

povlašćeni proizvođači toplotne energije oniproizvođači koji u procesu proizvodnje toplotne energije koriste obnovljive izvore energije i pritome ispunjavaju uslove u pogledu energetskeefikasnosti.

◦ Zakonom o energetici utvrđena je mogućnost za ostvarivanje podsticaja za proizvođače toplotneenergije. Jedinica lokalne samouprave propisujepodsticajne mere i uslove za sticanje statusa povlašćenog proizvođača toplotne energije, kriterijume za sticanje ispunjenosti tih uslova i utvrđuje način i postupak sticanja tog statusa.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 104

PRIMER 1

Petočlana porodica planira da instalira sistem za grejanje vode koji bi se dominantno koristio za zagrevanje vode za kupanje. Potrebna temperatura vode je 50oC, pri čemu je prosečna godišnja temperatura hladne vode 23oC. Pretpostavimo da je svakoj osobi potrebno 60 litara tople vode za tuširanje u toku jednog dana. Koliku toplotu je potrebno da obezbedi sistem za zagrevanje vode da bi zadovoljio potrebe ove porodice?

Specifična toplota vode je 𝐶𝑝 = 1kcal/kg-oC, a gustina vode je 1kg/l.

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 105

REŠENJE 111/4/2019 SKIS - 2018/19. 106

PRIMER 2

Solarni sistem za zagrevanje vode ima površinu od 1m2. Dnevna insolacija na kolektoru u februaru mesecu je 4kWh/m2-day. Ako je prosečna efikasnost sistema za zagrevanje vode 0.5, koliko kcal toplote sakupi ovaj kolektor za jedan dan?

1 kcal =4.186 J = 4.186 Ws

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 107

REŠENJE 211/4/2019 SKIS - 2018/19. 108

PRIMER 3

Minimalna potrebna toplota je 8100 kcal/day. Raspoloživi solarni panel daje 1720 kcal/m2 dnevno. U slučaju da nemamo nikakav dodatan izvor toplotne energije, odrediti potrebnu površinu solarnih panela.

Ako je efektivna površina solarnog panela 0.8m2/komadu koliko sje solarnih panela potrebno da bi se dobila potrebna toplota?

11/4/2019 SKIS - 2018/19. 109

REŠENJE 311/4/2019 SKIS - 2018/19. 110