AT8 - Sistemi CG - Solarno

5/22/2018 AT8 - Sistemi CG - Solarno

1/10

Katedra za termotehniku Sistemi centralnog grejanja

8-1

8. SOLARNI SISTEMI

8.1 UVOD - O SUNCU KAO IZVORU TOPLOTE

Sunce je zvezda patuljak - velika uarena gasovita lopta prenika 1,391 miliona km.Zemlja se vrti oko Sunca po eliptinoj putanji sa vrlo malim ekscentricitetom (e=0,017) tako da

se udaljenost Zemlje i Sunca menja vrlo malo tokom godine. Srednja udaljenost Zemlje i Sunca

je 149,68 miliona km. U perihelu (taka eliptine putanje najblia fokusu), poetkom januara,

Zemlja je 1,67% blia, a u afelu (taka eliptike putanje najudaljenija od fokusa), poetkom jula,

Zemlja je 1,67 % udaljenija od Sunca. Kako se Sunevo zraenje menja s kvadratom udaljenosti,

Zemlja u januaru prima vie Suneve energije nego u julu. Prema tome januarske temperature bi

trebale biti vie od julskih, zima na severnoj polulopti bi trebala biti toplija nego na junoj, a leto

na junoj polulopti toplije od leta na severnoj. U stvarnosti je sve upravo suprotno jer postoji

deklinacija Zemlje (nagnutost ose Zemlje u odnosu na putanju), a i odnosi u atmosferi znaajno

zavise i od drugih faktora.

Sunce se sastoji se uglavnom od vodonika (80%) i helijuma (19%). U unutranjosti Sunca

vodonik se nuklearnim reakcijama fuzije pretvara u helijum, to rezultira oslobaanjem velike

koliine energije:

HestHst /10596/10600~ 626

, pa sledi da je stm /104~6

Prema Ajntajnovoj teoriji sledi koliina energije koju Sunce stvara:

WcmE 242 10360 =

Usled tih reakcija temperatura u unutranjosti Sunca premauje 20 miliona K. Meutim,

to nije temperatura koja odreuje elektromagnetska svojstva Sunevog zraenja, jer zraenje iz

unutranjosti u velikom delu apsorbuje sloj negativnih vodonikovih jona blizu povrine, pa je

temperatura povrine Sunca oko 5760K, a spektar Sunevog zraenja priblino odgovara spektru

crnog tela na temperaturi od 5760 K. Prema tome, temperatura od 5760 K se moe uzeti kao

efektivna temperatura Suneve povrine, a iz nje je primenom Plankovog zakona mogue

proraunati energijski spektar Sunevog zraenja. Snaga zraenja koje Sunce zrai sa svoje

povrine iznosi oko 951024W i to se zraenje sastoji od razliitih talasnih duina. Veina (99%)

Sunevog zraenja otpada na spektar od 0,275 do 4,6 mm. Maksimum Sunevog zraenja je na

talasnoj duini od 0,48mm. Spektar zraenja sastoji se od ultraljubiastog (0,12-0,4 mm),

vidljivog (0,4-0,75 mm) i infracrvenog dela (>0,75 mm). Ultraljubiasti deo iznosi oko 9%,

vidljivi oko 41,5% i infracrveni oko 49,5% ukupne energije Sunevog zraenja (slika 8.1).

Sunevo zraenje na ulazu u Zemljinu atmosferu nazivamo ekstraterestijalnim zraenjem.Kako se udaljenost Zemlje od Sunca menja tokom godine i ekstraterestirijsko zraenje

(iradijansa) se menja od najmanje vrijednosti 1321 W/m2do najvee 1412 W/m2.

Ekstraterestijalno zraenje upravno na Suneve zrake za srednju udaljenost Zemlje od

Sunca naziva se Suneva (Solarna) konstanta. Utvrivanje Suneve konstante i njene mogue

promenljivosti poelo je na prelazu u XX. vek. Nakon nekoliko decenija satelitskih merenja,

moe se utvrditi da Suneva konstanta nije konstanta, vese menja kako se i Suneva aktivnost

menja. Suneva aktivnost ima u proseku 11-godinji ciklus (tzv. Schwabe-ov ciklus), a na

zraenje utiu i drugi fenomeni, kao to je 27-dnevna diferencijalna rotacija Sunca oko svoje ose,

Suneve pege, prominencije i erupcije. Svetska meteoroloka organizacija je 1981. godine

standardizovala Sunevu konstantu ija vrednost iznosi Io=1367 W/m2

.


2/10


8-2

Slika 8.1 Spektar Sunevog zraenja

Slika 8.2 Slabljenje Sunevog

zraenja pri prolasku kroz atmosferu

Pri proloasku kroz zemljinu atmosferu Sunevo

zraenje slabi u zavisnosti od duine puta zraka do

povrine Zemlje (to je funkcija geografske irine,

doba godine, doba dana, nadmorske visine i

zamuenosti atmosfere). Intnzitet Sunevog zraenja

kree se u granicama od 100 - 1000 W/m2. Na slici 8.2

prikazano je slabljenje Sunevog zraenja pri prolasku

kroz atmosferu.

Insolacija predstavlja duinu trajanja sijanja

Sunca u nekom mestu. Izraava se u asovima na dan,

mesec ili godinu. Heliograf je instrument za merenje

trajanja sijanja Sunca - insolacije. Sastoji se od punestaklene kugle koja sve Suneve zrake sabira u centar.

Iza kugle nalazi se posebni papir koji progoreva za

vreme sijanja Sunca.Na traci se kasnije veoma lako

moe vidjeti koliko je trajalo sijanje Sunca, izraeno u

satima. Postoje razliite trake za heliograf, a to su

proletna, letnja, jesenja i zimska. Insolaciona mapa

sveta i izgled heliografa su prikazani na slici 8.3.

Slika 8.3 Insolaciona mapa sveta (levo) i heliograf (desno)


3/10


8-3

Moe se postaviti pitanje: kako pored tolike energije koju Sunce zrai postoji problem

nedostatka energije? Odgovor: Suneva energija se koristi za:

- zagravanje kopna;- zagravanje vodenih masa (okeana, mora);- za fotosintezu flore (biljnog sveta) i- malim delom za faunu (ivotinjski svet).ovek eli da koristit energiju Sunca za svoje potrebe. Problemi koji se javljaju se mogu

okarakterisati kroz sledee injenice:

- mala gustina dozraene energije (W/m2);- promenljivost intenziteta zraenja (dvevna, sezonska);- neusaglaenost potreba i raspoloivosti Suneve energije (najmanja raspoloivost je

zimi, kada su potrebe najvee);

- oblanost koja dodatno smanjuje intenzitet direktnog Sunevog zraenja;- cena solarnih sistema (i dalje visoka u odnosu na konvencionalne sisteme).8.2 PRIJEMNICI SUNEVE ENERGIJE

Solarni sistemi se generalno mogu podeliti na aktivne i pasivne. Pasivni solarni sistemipodrazumevaju da se ne koristi nikakav dodatni ureaj ili element u sistemu koji bi troio

dodatnu energiju za rad sistema. U pitanju su uglavnom razliita arhitektonsko-graevinska

reenja koja imaju ulogu boljeg prikupljanja Suneve energije, njene akumulacije i korienja u

svrhu grejanja. U okviru ovog poglavlja panju emo posvetiti aktivnim solarnim sistemima.

Osnovni ureaj aktivnog solarnog sistema jeprijemnik suneve energije (PSE) ili, kako se

jo esto nazivasolarnikolektor. Po svojoj konstrukciji prijemniki moe biti:

- ravan PSE,- cevni ili- parabolini.RAVAN PSE moe imati razliite konstrukcije, tehnike detalje i veina proizvoaa

ima patentom zatieno svoje tehniko reenje. U principu, svi ravni PSE imaju iste osnovne

elemente (slika 8.4), a to su kuite, prekrivka koja proputa Sunevo zraenje, izolacija sa donje

strane koja spreava gubitke toplote i - apsorber, koji predstavlja srce ureaja.

Prekrivka

Apsorber

Izolacija

Kuite

Radnifluid

Slika 8.4 Ravan prijemnik Suneve energije

Apsorber je element PSE koji ima ulogu intenzivnog apsorbovanja Suneve energije i

provoenja toplote do radnog fluida. Izraen je od specijalnih materijala ili prevuen selektivnim

premazima koji pospeuju apsorpciju Sunevih zraka. Obino je crne ili tamne boje. Kod ravnih

PSE apsorber je izveden u obliku ploe u koju su utisnute cevi kroz koje protie radni fluid.

Radni fluid je esto voda, a ako se sistem koristi kao zatvoren, sa posebnim strujnim krugom,

radni fluid moe biti i neki drugi fluid. Prekrivka je obino od specijalnog stakla, ija je uloga dapropusti Sunevo zraenje do apsorbera, sprei proputenje infracrvenog (toplotnog) zraenja u


4/10


8-4

okolinu i smanji gubitke toplote. Kao i kod apsorbera i za prekrivke postoje razliita reenja

izbor vrste stakla (obino silikatna stakla), broj slojeva, itd. Termika izolacija se postavlja sa

tamne strane (na poleini) PSE, kako bi se spreilo odavanje toplote sa apsorbera ka okolini i

smanjili gubici toplote.

CEVNI PSE se sastoje od staklenih cevi u kojima se nalaze uski metalni apsorberi.

Prostor izmeu staklene cevi i apsorbera je obino vakuumiran izvuen je vazduh. Na taj nainje spreeno odavanje toplote konvektivnim putem. Sa donje strane cevi, ispod apsorbera postavlja

se visokoreflektujua folija (ogledalo) koja omoguuje refleksiju Sunevih zraka i njihovo

dospevanje do apsorbera (slika 8.5), ime se poveava efikasnost prijemnika. Stepen korisnosti

cevnih PSE je vei nego kod ravnih, ali je i cena znatno via.

Slika 8.5 Cevni prijemnik Suneve energije

Termika efikasnosti prijemnik a Suneve energije odreuje se kao:

AI

Qk

=

, (8.1)

dge su:

kQ - korisno predata toplota radnom fluidu (W),

I - dozraeni intenzitet ukupnog Sunevog zraenja (W/m2),

A - povrina prijemnika Suneve energije (m2).


5/10


8-5

Prijemnici Suneve energije se obino postavljaju

na krov zgrade (bilo da je krov ravan ili kos), ali se mogu

postaviti i na drugim dostupnim mestima terase,

dvorita, itd. Ugao nagiba pod kojim se postavlja PSE

zavisi od geografske irine i perioda korienja solarnog

sistema (tokom leta ili tokom cele godine). U svakomsluaju se tei da se PSE postavi tako da upadni zraci

Sunca sa povrinom prijemnika zaklapaju ugao od 90o

vei deo vremena. Obino su orijentisani ka jugu, jer je

tada najvei stepen iskorienja Sunevog zraenja.

Ukoliko se sistem koristi cele godine, ugao nagiba

kolektora se moe promeniti u zavisnosti od sezone.

8.3 AKTIVNI SOLARNI SISTEMI

Za nae klimatsko podneblje solarni sistemi se uglavnom koriste za pripremu toplesanitarne vode. Kada su u pitanju sistemi grejanja, veoma je teko izvesti solarni sistem koji

moe da pokriva gubitke toplote tokom cele grejne sezone bez nekog dopunskog izvora toplote.

Postoji i varijanta sprege solarnih kolektora i toplotne pumpe, kada se mogu dobiti neto vie

temperature grejnog fluida, ali je i u tom sluaju potreban dodatni izvor toplote u periodima

jako malih intenziteta zraenja Sunca i veoma niskih temperatura spoljnog vazduha.

U nastavku e biti rei o nekoliko najee primenjivanih solarnih sistema. Solarni sistemi

za pripremu PTV (potrone tople vode) mogu biti sa prirodnom ili prinudnom cirkulacijom vode,

i mogu biti direktni (protoni) i indirektni (cirkulacioni ili zatvoreni).

8.3.1 Direktni sistem sa prirodnom cirkulacijom fluida

Na slici 8.6 prikazan je sistem za pripremu PTV sa protonim rezervoarom i prirodnomcirkulacijom radnog fluida.

1 ravni solarni vodeni kolektor;

2 rezervoar (protoni bojler);

3 cev za dovod hladne vode;

4 cev za odvod tople vode ka potroau;

5 izolacija;

6, 7 slavine za runu regulaciju cirkulacije vodeizmeu apsorbera i rezervoara;

8 slavina za pranjenje.

Slika 8.6 Protoni solarni bojler sa prirodnom cirkulacijom fluida

Kroz cevi u apsorberu protie voda koja se zagreva i prirodnim putem struji u rezervoar,

dok hladna voda sa donje strane ulazi u PSE. Ventili 6 i 7 se zatvaraju kada zraenje Sunca slabi

ili ga nema, i na taj nain, prekidom cirkulacije, spreava se hlaenje vode u rezervoaru. Ceo

sistem je kompaktan i izolovan.


6/10


8-6

8.3.2 Indirektni sistem sa prirodnom cirkulacijom fluida

Kod indirektnog sistema radni fluid koji protie kroz prijemnik struji u posebnom

zatvorenom cirkulacionom krugu. U bojleru tople vode (rezervoaru, skladiniku toplote) toplota

se sa zagrejanog radnog fluida, koji struji kroz spiralnu cev razmenjivaa toplote prenosi na

potronu toplu vodu. Ovaj sistem je prikazan na slici 8.7.


2,3 cevi u primarnom cirkulacionom krugu kroz

koje protie radni fluid;

4 razmenjivatoplote;

5 ekspanzioni sud;

6 rezervoar za toplu vodu;

7 termika izolacija;


9 cev za odvod tople vode ka potroau.

Slika 8.7 Indirektni solarni bojler sa prirodnom cirkulacijom fluida

8.3.3 Indirektni sistem sa prinudnom cirkulacijom fluida

Za razliku od sistema sa prirodnom cirkulacijom, strujanje radnog fluida od apsorbera do

razmenjivaa toplote u rezervoaru obavlja se prinudnim putem, uz pomo

pumpe (slika 8.8).Pomou senzora temperature meri se temperatura vode u rezervoaru i temperatura radnog fluida.


2 cirkulaciona pumpa;

3 razmenjivatoplote;

4 rezervoar za toplu vodu (bojler);

5,6,7 senzori temperature;

8 regulator;

9 ekspanzioni sud;


11 cev za odvod tople vode ka potroau;

12 termika izolacija.

Slika 8.8 Indirektni solarni bojler sa prinudnom cirkulacijom fluida

Regulator za automatsku regulaciju rada sistema uporeuje temperaturu vode u rezervoaru

i temperaturu radnog fluida. Kada je temperatura radnog fluida via od temperature vode u

rezervoaru, regulator alje signal i pumpa se ukljuuje. Kada se ova temperaturska razlika smanji

na minimalnu vrednost, regulator alje impuls koji iskljuuje pumpu i zaustavlja cirkulaciju


7/10


8-7

radnog fluida u primarnom krugu. Na taj nain se spreava hlaenje vode u rezervoaru u

periodima kada nema Sunevog zraenja.

Sva prethodno navedena reenja su kompaktni sistemi kod kojih se rezervoar tople vode

nalazi u neposrednoj blizini prijemnika. Ovi sistemi su manjeg kapaciteta i nie cene, povoljni za

pripremu PTV za stanove i manje individualne porodine kue. Kod veih sistema, rezervoar

tople vode je smeten u samom objektu.

8.3.4 Indirektni sistem sa prinudnom cirkulacijom fluida, jednim rezervoarom i

dopunskim izvorom toplote

esto su potrebe za sanitarnom toplom vodom nepredvidive, stohastiki se menjaju u

vremenu, pogotovo kada su u pitanju komercijalni i poslovni objekti. Tada se moe desiti da se u

odreenom trenutku jave vee potrebe za toplom vodom od onih koje moe da obezbedi solarni

sistem. U tim sluajevima se postavlja dodatni izvor za grejanje PTV, koji moe biti elektrini

grejaili toplovodni (to je sluaj kod sistema koji rade preko cele godine).

Na slici 8.9 prikazana je ema solarnog sistema sa jednim rezervoarom i dopunskim

grejanjem. Regulator koji dobija signale o temperaturi radnog fluida i vode u rezervoaru aljeimpuls za ukljuivanje, tj. iskljuivanje cirkulacione pumpe primarnog kruga. S druge strane,

meri se temperatura potrone tople vode koja ide ka potroaima; ukoliko se temperatura PTV

snizi ispod dozvoljene, regulator koji prima signal o ovoj vrednosti temperature, alje impuls za

ukljuivanje dodatnog izvora za grejanje vode u rezervoaru. Kada temperatura PTV poraste,

regulator iskljuuje dodatni izvor toplote.

Slika 8.9 Sistem sa PSE i jednim skladinikom toplote i dopunskim izvorom za grejanje


8/10


8-8

8.3.5 Indirektni sistem sa prinudnom cirkulacijom fluida, dva rezervoara i

dopunskim izvorom toplote

Na slici 8.10 prikazan je solarni sistem sa dva rezervoara tople vode. Pri tome se u prvom

rezervoaru vri zagrevanje vode solarnim sistemom. Temperatura vode u prvom rezervoaru zavisi

od dozraenog intenziteta Suneve energije i regulator na osnovu signala o vrednostima

temperatura radnog fluida i vode u rezervoaru odrava ovu temperaturu na maksimalnom nivou.Zagrejana voda iz prvog rezervoara se transportuje u drugi, odakle ide direktno ka potroaima. U

drugom rezervoaru se nalazi dodatni izvor za grejanje. Usled oscilacija u potronji tople vode i

raspoloive Suneve energije za grejanje, dolazi do osvilacija u vrednostima temperatura vode u

rezervoarima. Ukoliko je temperatura u prvom rezervoaru niska, trokraki ventil e otvoriti gornji

krak i cirkulacija vode e se odvijati u cirkulacionom krugu drugog rezervoara. Suprotno tome,

trokraki ventil e orvoriti krak ka prvom rezervoaru, aljui ohlaenu vodu na dogrevanje

pomou PSE. Ovakav sistem je ekonominiji od sistema sa jednim rezervoarom.

Slika 8.10 Sistem sa PSE i dva skladinika toplote

8.3.6 Kombinovani indirektni sistem sa prinudnom cirkulacijom fluida, dvarezervoara, dopunskim izvorom toplote i razliitim potroaima

Sloeni kombinovani sistem prikazan na slici 8.11 namenjen je za pripremu PTV,

radijatorsko grejanje i grejanje vode u plivakom bazenu. Pored solarnog rezervoara u sistemu se

nalazi i akumulacioni bojler sa dodatnim izvorom toplote za grejanje - gasnim kotlom. Primarni

sistem za zagrevanje PTV je solarni sistem, a za dogrevanje se koristi toplovodni greja sa

svojom cirkulacionom pumpom. Kao izvor toplote za radijatorsko grejanje koristi se gasni kotao.


9/10


8-9

Zagrevanje bazenske vode izvedneo je preko razmenjivaa toplote, zbog nieg potrebnog

temperaturskog reima. Tokom leta je mogue grejati bazensku vodu pomou solarnog sistema,

ali je za te potrebe potrebno drugaije povezivanje instalacije - solarni bojler se povezuje

vodovima, preko trokrakih ventila sa instalcijom za grejanje vode u bazenu. Uloga trokrakih

ventila je prebacivanje: u jednom poloaju voda se greje radom gasnog kotla, a u drugom

poloaju voda se greje uz pomosolarnog sistema.

1 Dovod hladne vode;

2 Solarni kolektori;

3 Solarni bojler;

4 Cirkulaciono sigurnosni solarni

set;

5 Gasni kotao;

6 Akumulacioni bojler;

7 Radijatorsko grejanje;

8 Bazen za kupanje;

9 Razmenjivatoplote;

10 Cev za odvod PTV ka potroau

11 Odzrano lone.

Slika 8.11 Sloeni sistem za grejanje sa PSE i gasnim kotlom

8.3.7 Fotonaponski solarni moduli

Suneva energija se moe koristiti i za direktno dobijanje elektrine energije uz pomo

fotonaponskih solarnih modula. Cena fotonaponskih elija je prilino visoka, a snaga dobijene

elektrine energije je relativno mala (meri se u stotinama vati), pa je tehno-ekonomska

opravdanost primene ovakvih sistema veoma mala. Ipak, ovakvi sistemi imaju primenu kod

objekata na lokacijama koje su daleko od mrea sistema elektro snabdevanja. Jedan standardni set

za korienje energije Sunca u svrhu dobijanja elektrine energije (snage ~ 100W) prikazan je na

slici 8.12.

Slika 8.12 Fotonaponski set za dobijanje elektrine energije


10/10


8-10

8.3.8 Primeri korienja solarne energije u svetu

Zgrada sa parabolinim PSE u Francuskoj Solarni reo - projekat u Britaniji

Solarna elektrana u Portugaliji PSE na GPS satelitu

Solarana elektrana "Solar-One" u Kaliforniji "Focus dish" za postizanje visokih T

Slika 8.13 Primeri korienja solarne energije u svetu

Documents

AT8 - Sistemi CG - Solarno