Iskoristavanje sunceve energije

Obnovljivi izvori energije

Iskorištavanje energije zračenja Sunca

Sunčevo zračenje

Pod pojmom sunčeva zračenja podrazumijeva se energija elektro-magnetskog zračenja koje emitira Sunce i koje dospijeva na površinuZemlje

Energija dospjela sunčeva zračenja podiže temperaturu Zemljinepovršine za 250 °C, na -18 °C

Zagrijana Zemljina površina emitira dugovalno toplinsko zračenje,koje u atmosferi dijelom apsorbiraju staklenički plinovi (H2O, CO2,CH4, N2O), te dolazi do zagrijavanja atmosfere i porasta temperaturepovršine na 14 °C

Na taj način sunčevo zračenje i Zemljin omotač sastavljen odstakleničkih plinova održavaju prosječnu temperaturu na Zemlji narazini koja omogućuje život


Sunčevo zračenje

Do vrha Zemljine atmosfere godišnje dolazi 1,53·1018 kWh energijesunčeva zračenja, a na površinu Zemlje dospijeva 70% te energije;1,07· 1018 kWh/god

Godišnja energija sunčeva zračenja veća je od ukupnih rezervi nafte iugljena zajedno

Usporedba godišnjeg sunčeva zračenjana površini Zemlje s rezervama fosilnih i

nuklearnih goriva i godišnjompotrošnjom energije u svijetu


Sunčevo zračenje

Veći dio energije sunčeva zračenja iskorištava se posredno:

1. Fotosinteza (kemijska energija biljaka, rezultat: hrana, te

unutarnja energija drva, biomase i fosilnih goriva)

2. Isparivanje (kruženje vode i vodene pare u atmosferi, rezultat:

potencijalna energija vodotokova u odnosu na morsku razinu)

3. Strujanje vode i zraka (kao posljedica razlika temperatura zraka

i vode, rezultat: kinetička energija morskih struja i vjetra, te

potencijalna energija morskih valova)


Sunce

Zvijezda u središtu našeg Sunčeva sustava

(klasa “žuti patuljak”)

Ima oblik gotovo savršene kugle

Promjer 109 puta veći od promjera Zemlje

Masa 330 000 puta veća od mase Zemlje

(99,86% mase cijeloga Sunčevog sustava)

Sastoji se od plinovite vruće plazme,

isprepletene magnetskim poljima

Kemijski sastav: 73,5% vodik; 25% helij

+ teži elementi (kisik, ugljik, željezo, neon)


SUNCE

Udaljenost od Zemlje 149,6 mil. km

Srednji promjer 1,392 mil. km

Masa 1,99 · 1030 kg

Površinska temperatura 5 778 K

Temperatura jezgre 15,6 mil. K

Gustoća u jezgri 105 kg/m3

Tlak u jezgri 108 MPa

Energija zračenja 3,3 · 1027 kWha

Energija zračenja koje

dopire do Zemlje1,5 · 1018 kWha

Sunce

U unutrašnjosti Sunca, pod djelovanjem visoka tlaka i temperature,vodik se termonuklearnim reakcijama fuzije pretvara u helij, štorezultira oslobađanjem velike količine energije

Spajanjem 4 protona (jezgre atoma vodika) nastaje jedna jezgraatoma helija (2 protona i 2 neutrona), pri čemu se oslobađajusubatomske čestice i energija u obliku gama-zračenja

Oslobođena energija prenosi se prema površini, te odašilje u svemiru obliku elektromagnetskog zračenja i neutrina, a manjim dijelom ikao kinetička i toplinska energija čestica sunčeva vjetra i energijasunčeva magnetskog polja


Sunce

U jezgri se svake sekunde u helij pretvara 4 300 000 000 kg vodika

Prema jednadžbi Alberta Einsteina, ΔE = Δm· c2, u svemir se svakesekunde odašilje zračenje snage 3,8· 1023 kW

Jakost Sunčeva zračenja na gornjoj granici

Zemljine atmosfere iznosi 1,75· 1014 kW

(prosječno zračenje 1 367 W/m2)

Na površini Zemlje, jakost zračenja u blizini

ekvatora za vedrih ljetnih dana doseže 1 000

W/m2, a u srednjoj Europi najviše 900 W/m2

Za oblačnih zimskih dana jakost zračenja može

pasti ispod 100 W/m2


Sunčevo zračenje

Svako tijelo koje ima temperaturu višu od apsolutne nule emitiraspektar elektromagnetskoga zračenja


Sunčevo zračenje

Svako tijelo koje ima temperaturu višu od apsolutne nule emitiraspektar elektromagnetskoga zračenja

Raspodjela intenziteta zračenja u funkciji valnih duljina ovisi otemperaturi tijela

Zračenje Sunca približno je jednako zračenju crna tijela zagrijana natemperaturu od 5 780 K


Spektr

aln

a r

asp

odje

la jakost

i

Sunče

va z

rače

nja

, W

/m2/n

m Sunčevo zračenje na vrhu atmosfere

Spektar zračenja crna tijela temperature 5780 K

Valna duljina, nm

Sunčevo zračenje

Raspodjela intenziteta sunčeva zračenja u funkciji valnih duljina


UV (120-400 nm)

9%

VID (400-750 nm)

42%IC (>750 nm)

48%

Maksimum jakosti

Sunčeva zračenja je na

480 nm

Sunčevo zračenje


Proljetna ravnodnevnica

21. ožujka

Sunce okomito na ekvator

Jesenska ravnodnevnica

23. rujna

Sunce okomito na ekvator

Arktički polarni krug 66,5° N

Rakova obratnica 23,5° N

Ekvator

Jarčeva obratnica 23,5° S

Antarktički polarni krug 66,55°S

Ljetni suncostaj

21. lipnja

Sunce okomito na

sjevernu zemljopisnu

širinu 23,45°

Zimski suncostaj

21. prosinca

Sunce okomito na

južnu zemljopisnu

širinu 23,45°

Sunčevo zračenje

U perihelu (21.12.) Zemlja je 1,7% bliža (najmanja udaljenost), a uafelu (21.06.) 1,7% udaljenija od Sunca (najveća udaljenost)

Budući da se energija zračenja Sunca mijenja s kvadratomudaljenosti, Zemlja u prosincu prima 6,9% više energije nego u lipnju

Intenzitet ekstraterestičkog zračenja (zračenje na zamišljenu plohuokomitu na Sunčeve zrake na ulazu u Zemljinu atmosferu) oscilira od1 321 do 1 412 W/m2 (± 3,5%)

Intenzitet ekstraterestičkog zračenja za srednju udaljenost Zemlje odSunca naziva se sunčevom konstantom, usvojena vrijednost (WMO)1 367 W/m2

Realni intenzitet zračenja Sunca na Zemljinoj površini značajno ovisio prilikama u atmosferi i o oblacima – godišnji prosjek oko 200 W/m2


Sunčevo zračenje

Mehanizmi izmjene energije sunčeva zračenja


Sunčevo zračenje



UV (120-400 nm) 9

%

VID (400-750 nm) 42

%

IC (>750 nm) 48

%

Maksimum jakosti

Sunčeva zračenja je na

480 nm

Spektr

aln

a r

asp

odje

la jakost

i

Sunče

va z

rače

nja

, W

/m2/n

m Sunčevo zračenje na vrhu atmosfere

Spektar zračenja crna tijela temperature 5780 K

Sunčevo zračenje na razini mora

Valna duljina, nm

Sunčevo zračenje



Sunčevo zračenje

Utjecaj položaja Sunca i stanja atmosfere/naoblake na intenzitetzračenja


Sunčevo zračenje

Grana meteorologije koja se bavi mjerenjem intenziteta zračenjaSunca naziva se aktinometrija

Aktinometar – općeniti naziv za bilo koji instrument koji se koristi zamjerenje intenziteta zračenja, posebice zračenja Sunca

Mjerenje sunčeva zračenja obuhvaća kratkovalno globalno zračenjekoje prolazi kroz atmosferu, te dugovalno zračenje Zemlje iatmosfere


Sunčevo zračenje

Prosječna dnevna ozračenost na vodoravnu površinu, kWh/m2


Sunčevo zračenje

Ukupno godišnje zračenje na površinu pod optimalnim kutom,kWh/m2


Sunčevo zračenje

Optimalni kut upadne površine (nagib prema vodoravnoj ravnini) zaRH:

33° na sjeveru, 37° na jugu

Optimalni kut se mijenja tijekom godine zbog prividna kretanjaSunca:

npr. za Zadar: optimalni kut na razini cijele godine je 36°, a zapojedine mjesece: 45° u ožujku, 10° u lipnju, 41° u rujnu i 66° uprosincu


Zenit

12.22 hZapad

Zalaz

16.29 h

Jug

Sjever

Istok

Izlaz

8.14 h

21.

prosinac

Zenit12.25 h

17.00 h

Zalaz20.30 h

Istok

8.00 h

Sjever

Izlaz4.20 h

Zapad

Jug

21.

lipanj

Sunčevo zračenje

Optimalni kut upadne površine (nagib prema vodoravnoj ravnini) za RH:

33° na sjeveru, 37° na jugu

Optimalni kut se mijenja tijekom godine zbog prividna kretanja Sunca:

npr. za Zadar: optimalni kut na razini cijele godine je 36°, a za pojedinemjesece: 45° u ožujku, 10° u lipnju, 41° u rujnu i 66° u prosincu

Putanje prividna kretanja Suncatijekom dana i godine


0

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

Azimut Sunca [ o]

Vis

ina

Su

nca

[ o]

siječanj veljača ožujak travanj svibanj lipanj prosinac

56

8

9

1011 12

13

14

15

16

17

1819

7

Sunčevo zračenje

Kod statičnih instalacija treba odabrati optimalni kut za maksimalnugodišnju energiju ili za maksimalnu energiju tijekom slabijih sunčanihdana – najbolje je rješenje uporaba sustava praćenja kretanja Sunca

Korištenjem sustava za praćenje kretanja Sunca u dvije osi, naosunčanijim lokacijama može se postići povećanje ozračenja i do40%

Globalno godišnje ozračenje za raznenagibe i za dvoosno praćenje kretanjaSunca za središnju Europu


Sunčevo zračenje

Ukupno zračenje Sunca na plohu nagiba 45° prema vodoravnojravnini za prosječan dan u pojedinim mjesecima


Sunčevo zračenje

Dnevno dozračena energija Sunca na nagnutu, južno orijentiranuplohu


Sunčevo zračenje

Satne vrijednosti zračenja i

trajanja sijanja Sunca za Rijeku

- referentna godina


Sunčevo zračenje

Mjesečne vrijednosti trajanja sijanja Sunca za Rijeku


Sunčevo zračenje

Mjesečne vrijednosti dozračene energije Sunca na vodoravnu plohu,Rijeka


Sunčevo zračenje

Mjesečne vrijednosti dozračene energije Sunca razne plohe, Rijeka


Sunčevo zračenje

Mjesečne vrijednosti dozračene energije Sunca razne plohe, Rijeka


Sunčevo zračenje

Godišnje vrijednosti dozračene energije Sunca razne plohe, Rijeka

Maksimum (južno orijentirana površina nagiba 30°):

5346 MJ/m2 = 1485 kWh/m2

Minimum (sjeverno orijentirani okomiti zid):

1592 MJ/m2 = 442 kWh/m2


Uporaba energije zračenja Sunca

Aktivni sustavi za iskorištavanje energije sunčeva zračenja

Sustavi za pretvorbu energije sunčeva zračenja u toplinu

(sunčevi kolektori)

priprema PTV, grijanje i hlađenje prostora, grijanje bazena,

proizvodnja električne energije (koncentratori sunčeva zračenja)

Sustavi za pretvorbu energije Sunčeva zračenja u električnu struju

(fotonaponski sustavi)

proizvodnja električne energije

Pasivni sustavi za iskorištavanje energije Sunčeva zračenja


Obnovljivi izvori energije

Sustavi za pretvorbu energije Sunčeva

zračenja u toplinu – sunčevi kolektori

Vrste toplinskih sustava za iskorištavanje energije Sunčeva zračenja

Sustavi za pretvorbu energije Sunčeva zračenja u toplinsku energiju

Sunčevi kolektori

Iskorištavanje energije sunčeva zračenja najisplativije je putemkolektora

Radni medij zrak ili voda

Razlikuju se prema temperaturi koju postiže radni medij:

niskotemperaturni – za temperature medija do 10 °C iznadokolišne

srednjetemperaturni – za temperature medija do 50 °C iznadokolišne

visokotemperaturni – za temperature medija 50 i više °C iznadokolišne


Apsorberi


Pločasti sunčevi kolektori

prozirna pokrivka

apsorpcijska ploča

cijevni registar

toplinski izolirano kućište


Pločasti sunčevi kolektori


Vakuumski cijevni kolektori

A - priključna kutija

B - toplinska izolacija

C - povratni cjevovod

D - polazni cjevovod

G - staklena cijev


Vakuumski cijevni kolektori


Vakuumski cijevni kolektori (Heat - pipe)


Usporedba pločastih i vakuumskih cijevnih kolektora


Tehničke značajke sunčevih kolektora

Podaci o površinama kolektora


Tehničke značajke sunčevih kolektora

Podaci o površinama kolektora


Nagib i orijentacija sunčevih kolektora

Utjecaj usmjeravanja, nagiba i zasjenjenja površine kolektora

Kolektori moraju biti orijentirani prema Suncu

Orijentaciju kolektora definiraju kut nagiba kolektora i njegovazimut


Nagib i orijentacija sunčevih kolektora

Utjecaj usmjeravanja, nagiba i zasjenjenja površine kolektora

Kolektorsko polje treba postaviti i dimenzionirati tako da seizbjegne utjecaj sjena susjednih zgrada, drveća i slično


Montaža kolektora

Montaža na kosi krov


Montaža kolektora

Montaža u kosi krov


Montaža kolektora

Montaža na podkonstrukciju


Montaža kolektora

Montaža s postavnim utezima


Povezivanje sunčevih kolektora

Jednoredno, jednostrano



Jednoredno, dvostrano



Dvoredno, jednostrano



Dvoredno, dvostrano



Primjeri povezivanja


Dimenzioniranje cjevovoda

Kako bi se zajamčilo učinkovito odzračivanje cjevovoda sa štomanjim padom tlaka u cjevovodu, brzina strujanja medija mora sekretati između 0,4 i 0,7 m/s

Protok medija

pločasti kolektori 40 l/(hm2)

vakuumski kolektori 60 l/(hm2)


Sastavni dijelovi kolektora

Prozirna pokrivka – svojstva materijala izrade



Apsorpcijska ploča – svojstva materijala izrade



Toplinska izolacija – svojstva materijala


Toplinski tokovi kod pločastih kolektora

Apsorber



Kolektor s jednom prozirnom pokrivkom



Kolektor s dvije prozirne pokrivke


Učinkovitost kolektora

Toplinsku bilancu kolektora opisuje izraz



Učinkovitost kolektora predstavlja omjer dobivene topline i dozračeneenergije Sunca (izraz za pločasti kolektor):

Često se koristi i izraz



Daljnjim sređivanjem se dobiva



Krivulje učinkovitosti pločastih kolektora u praksi se određujuispitivanjima



Zatvorena mjerna linija za određivanje učinkovitosti kolektora(ASHRAE)






Sunčani (solarni) sustavi

Elementi sunčana sustava za pripremu potrošne tople vode (PTV)

Kolektori

Spremnik tople vode

Cirkulacijska pumpa

Regulacija

Rezervni izvor energije



Izravni sustavi

A = pasivni sustavB = aktivni sustav



Neizravni sustavi

C = sustav s izmjenjivačemtopline u spremniku

D = “drain-back” sustav:



Termosifonski sustav s el. dogrijavanjem – izravni pasivni sustavgrijanja PTV



Sustav s cirkulacijskom pumpom i rezervnim izvorom topline



Sunčani sustavi za grijanje otvorenih bazena



Sunčani sustavi za grijanje s plinskim kotlom kao dodatnim izvoromenergije

(dio sustava za pripremu PTV nije prikazan)



Kao rezultat dimenzioniranja sunčana sustava za pripremu PTVopćenito se dobivaju volumen spremnika PTV i površina kolektora

Kod proračuna i dimenzioniranja sunčana sustava za pripremu PTV,potrebni su sljedeći podaci:

a. Klimatski podaci na lokaciji postavljanja sustava

Zemljopisna širina, φ Satne vrijednosti Sunčeva zračenja, G

Satne temperature vanjskog zraka, ϑzr




b. Podaci o kolektoru

Optički stupanj djelovanja, η0

Efektivni koeficijent toplinskih gubitaka, kef

Kut nagiba kolektora, ß

Površina kolektora, Akol

Ulazna temperatura medija u kolektor, ϑul




c. Podaci za određivanje potrebne topline za grijanje PTV

Broj potrošača (osoba)

Potrošnja tople vode po osobi i danu

Temperatura hladne vode, ϑHV

Temperatura tople vode, ϑPTV



Stupanj solarna pokrivanja

Stupanj solarna pokrivanja daje informaciju o tome koliki se

postotak godišnje potrebne energije može pokriti solarnim

sustavom

Stupanj solarna pokrivanja kod manjih se sustava treba kretati

između 50 i 60%



Stupanj solarna pokrivanja

Što je odabrani stupanj solarna pokrivanja veći, veća je i ušteda

konvencionalne energije, ali je viši i ljetni višak topline a niži

prosječni stupanj djelovanja kolektora



Proračun i dimenzioniranje sunčana sustava za pripremu PTV, ipodršku grijanju zgrade

Dok je potrošnja topline za zagrijavanje PTV tijekom godine

relativno konstantna, za vrijeme najveće potrebe za toplinom za

grijanje prostora energija Sunčeva zračenja je mala

- relativno velika potrebna površina kolektora

- problem pregrijavanja kolektora ljeti




Osnova za dimenzioniranje solarne instalacije za podršku grijanju

prostora je, osim potrebne topline za grijanje prostora u

prijelaznom i zimskom periodu, još i toplina potrebna za pripremu

PTV ljeti

Kod energetski učinkovitih kuća (potrošnja topline za grijanje <50

kWh/(m2 a)) mogu se dostići solarni stupnjevi pokrivanja do 35% u

odnosu na ukupnu potrebnu toplinu, uključujući grijanje PTV




Za ekonomski učinkovit pogon instalacije za solarnu potporu

grijanju, površina kolektora treba biti maks. 2 do 2,5 puta veća od

one potrebne za pripremu PTV ljeti


Koncentratori Sunčeva zračenja – proizvodnja električne energije

Vrste koncentratora:

a. Koncentratori s ravnim bočnim ogledalima

b. Parabolični koncentratori bez fokusiranja

c. Parabolični koncentratori s linijskim fokusom (koritasti)

d. Parabolični koncentratori s točkastim fokusom (tanjurasti)


Koncentratori Sunčeva zračenja







Koncentratori Sunčeva zračenja







Sunčane (solarne) termoelektrane

Sunčane termoelektrane iskorištavaju visokotemperaturnu toplinuproizvedenu koncentriranjem izravna Sunčevog zračenja

s paraboličnim koncentratorima s linijskim fokusom

koncentracija do 80 puta, temperature do 500 °C

s poljem heliostata i središnjim prijamnikom na tornju

koncentracija do 800 puta, temperature u tornju do 560 °C

s paraboličnim tanjurastim koncentratorima s točkastim fokusom

koncentracija više od 3 000 puta, temperature preko 750 °C

Radi povećanja učinkovitosti, reflektirajuća zrcala moraju bitipokretljiva i slijediti dnevnu putanju kretanja Sunca – jednoosno idvoosno praćenje



Kod sunčane termoelektrane prvo se energija Sunčeva zračenjapretvara u toplinsku energiju, koju para kao radni medij prenosi doturbine

U parnoj turbini para ekspandira i pri tome se kinetička energija parepretvara u mehaničku energiju, a ona se u električnom generatorupretvara u električnu energiju

Para potom dolazi u kondenzator gdje kondenzira, te napojnompumpom voda ponovno ulazi u parni kotao



Sunčane termoelektrane s paraboličnim koncentrirajućim zrcalima

Najveći potencijal komercijalne primjene

Velika parabolična zrcala smještena u paralelne redove dugačkenekoliko stotina metara, čine kolektorsko polje, a orijentirana su usmjeru sjever-jug s jednoosnim praćenjem Sunca od istoka premazapadu



Sunčane termoelektrane s paraboličnim koncentrirajućim zrcalima

Godišnja učinkovitost do 14%

Optimalna snaga postrojenja 200 MWe (oko 20 m2 potrebno za 1kWe)



Sunčane termoelektrane s tornjem i poljem heliostata

Nešto slabije razvijena tehnologija od paraboličnih koncentratora

Sunčevo zračenje se fokusira preko polja pojedinačno podseivihzrcala (heliostata) prema apsorberu na vrhu tornja



Sunčane termoelektrane s tornjem i poljem heliostata

Godišnja učinkovitost do 18%

Optimalna snaga postrojenja 100 MWe



Sunčane termoelektrane s paraboličnim tanjurom

Najmanje razvijena od tri promatrane tehnologije

Jedna jedinica ima snagu od 10 do 25 kWe

Kompletan toplinski stroj i generator smješteni su

u fokusu tanjura promjera oko 10 m

Sa Stirlingovim motorom kao toplinskim strojem

postiže se najveća učinkovitost (preko 40%

– problem pouzdanost), godišnja učinkovitost 22%



Najveće sunčane termoelektrane u svijetu


Documents

Iskoristavanje sunceve energije