VISOKA TEHNIČKA ŠKOLA STRUKOVNIH STUDIJA

POŽAREVAC

SEMINARSKI RADTema:

GREJANJE SOLARNOM ENERGIJOM

Profesor: Student:

Dr Novica Grujić Radomirović Miladin 171260/2010

Požarevac 2012. God.

Većina oblika energije nastala je ili nastaje delovanjem zračenja Sunca, npr. fosilna goriva su akumulisana energija zračenja Sunca koja su došla do Zemlje pre milion godina.Kada govorimo o energiji zračenja Sunca podrazumeva se njegovo iskorišćenje u trenutku kada dođe do Zemlje, to je neposredno iskorišćavanje zračenja Sunca.Dotok energije Sunčevim zračenjem naziva se solarna konstanta, koja je 1400W/m2 pri srednjoj udaljenosti Zemlje od Sunca, uz upadni ugao od 90 stepeni zanemarujući delovanje atmosferske apsorpcije. Pri prolasku kroz atmosferu deo energije se troši u složenim procesima, a deo se reflekuje i reemituje u svemir. Taj deo iznosi oko 1/3 energije koja je dospela na rub atmosfere, pa dotok energije do površine Zemlje iznosi prosečno 920W/m2. Ako je projekcija površine Zemlje 127.106 km2, dotok energije iznosi 117400TW. Zbog rotacije Zemlje ta se energija raspoređuje po celoj površini Zemlje (510.1.106 km2), pa je prosečni dotok energije 230W/m2, odnosno 5.52kWh/m2 dnevno. To su, naravno prosečne vrednosti, a stvarne zavise od geografske širine, dela dana, pojave oblaka, zagađenja itd.Energija zračenja Sunca koja dolazi do Zemljine površine iznosi, dakle, oko 109TWh (8.6.1013toe) godišnje. Ta je energija oko 170 puta veća nego energija u ukupnim rezervama uglja u svetu. To je ogromni energetski izvor kojim se mogu zadovoljiti energetske potrebe za veoma dugo vreme.Energija zračenja koja dopire do površine Zemlje zavisi u prvom redu od trajanja insolacije (trajanja sijanja Sunca, odnosno o vremenu kroz koje se Sunce nalazi iznad horizonta). Trajanje insolacije zavisi od geografske širine i o godišnjeg doba. Razlika između vremena izlaska i vremena zalaska Sunca daje vreme trajanja insolacije kojoj je izložena horizontalna i nezaštićena površina. Ono iznosi za našu zemlju oko 15h leti i oko 9h zimi. Stvarno trajanje insolacije je znatno kraće zbog

pojave oblaka i magle, ali i zbog stanja atmosfere na posmatranom području (zagađenost). Ona se razlikuje za površine koje su postavljene horizontalno, vertikalno, ili pod nekim uglom u odnusu na površinu Zemlje. Npr. realno trajanje insolacije za Beograd (na horizontalnu površinu) iznosi 2071h godišnje, od toga 70.5% u periodu od aprila do septembra meseca i 29.5% u periodu od oktobra do marta. Za Podgoricu je to vreme 2442h.Ipak, dotok energije Sunčevog zračenja nije proporcionalan trajanju isolacije. Naime, deo energije se gubi prolaženjem kroz atmosferu zbog apsorpcije kiseonika, ozona i ugljen dioksida. Gubitak je veći što je Sunce bliže horizontu. Osim toga, energija zračenja se u prolazu kroz atmosferu raspršuje, a najveći gubitak je neposredno nakon zalaska Sunca. Deo raspršene energije ipak dođe do površine Zemlje(oko 50%). Prema tome, ukupno zračenje koje dođe do površine Zemlje sastoji se od neposrednog i difuzionog zračenja koje je deo raspršene energije zračenja. Zbog svega toga snaga zračenja koja dođe na površinu, a koja bi se mogla energetski iskorišćavati, znatno se menja tokom dana, a njene promene zavise od godišnjeg doba i položaja obasjane površine.Veoma se često energija zračenja prikazuje kao energija koja dođe do površine Zemlje tokom dana, naravno za vreme trajanja isolacije. Ta energija zavisi i od stanja oblačnosti i osobina atmosfere, ali je poželjno poznavati i potencijalnu energiju zračenja. To je maksimalna energija koja dođe do površine kroz suvu i vlažnu atmosferu. Ona zavisi i od geografske širine i nadmorske visine. Ona postaje sve manja sa smanjenjem nadmorske visine i povećanjem geografske širine. Na geografskoj širini od 43 stepena pot. energija iznosi oko 2500kWh/m2 godišnje, a na geografskoj širini od 46 stepena oko 2400kWh/m2 godišnje.Stvarna energija zračenja koja dođe do površine znatno je manja od potencijalne zbog pojave oblaka, vlage i zagađenosti atmosfere. U Srbiji je ona u proseku oko 3.5kWh/m2 na dan, a u primoriju Crne Gore oko 4kWh/m2 dnevno.Sve ovo pokazuje veliku promenljivost snage zračenja. Ipak, te su promene laganije od promena snage vetra i one se mogu s većom ili manjom tačnošću predviditi, jer je poznat ritam pojava (izlazak i zalazak Sunca). Intezitet zračenja koje nam stoji na raspolaganju ne možemo predviditi s većom sigurnošću. Kao izvor energije Sunčevo zračenje je povoljnije od vetra s obzirom na predvidivost pojave, ali je nepovoljnije s obzirom na to da zračenja nema u toku noći, i da je manje intezivno tokom zime kada je potrošnja energije najveća. Postrojenja mogu raditi samo u toku dnevnog ciklusa, što se ne poklapa sa ritmom potražnje energije. Moraju se graditi dodatna postrojenja ili osigurati akumulaciju energije pomoću koje bi vršili snabdevanje potrošača noću.AKTIVNA SOLARNA OPREMAMogućnosti transformacije solarne energijeU pricipu postoje dve mogućnosti za energetsko iskorišćavanje Sunčevog zračenja:

1)pretvaranje solarne energije u toplotnu i 2) direktno pretvaranje u el.energiju.

- 1. FOT ONAPONSKE ĆELIJE  služe za direktno pretvaranje solarne energije u električnu sa veoma malim stepenom korisnog dejstva. One rade na pricipu fotoelektričnog efekta. Vrlo tanke pločice kristala silicijuma sa primesom arsena izloženi zračenju Sunca ponašaju se kao puluprovodnički spoj. Čestice svetlosti, fotoni, atomima silicijuma izbijaju elektrone i kao rezultat imamo da se na jednoj strani poluprovodničkog spoja stvara višak negativnog, a na drugoj višak pozitivnog naelektrisanja usled čega imamo protok struje.Velika mana je nizak stepen iskorišćenja(oko 15%). Druga mana je tzv. niska energetska isplativost. Naime,izrada ovih ćelija zahteva specifično veliki utrošak energetski najskupljih materijala (Al,Si,Cu) tako da je vreme vraćanja uložene energije oko 20 godina. Ako je vek ovakvih uređaja manji od 20 godina ne možemo tvrditi da je ovo obnovljivi izvor energije.Njih ima smisla koristiti samo tamo gde je to jedini način za snadbevanje el.energijom nekih izolovanih, važnih i skupih uređaja, kao što su kosmički brodovi, geostacionarni sateliti ili udaljene metorološke stanice, što se i upravo čini. Fotonaponske ćelije proizvode se tokom poslednjih decenija, zbog rešavanja energetskih problema kosmičkih programa, te se njihova cena smanjivala i sada iznosi oko 10 USD/W.

PRIMENA U DOMAĆINSTVIMANa ovaj način je moguće obezbediti struju u objektima ili uređajima gde nije dostupna električna energija iz električne mtreže. To su najčešće vikendice ili kuće u nepristupačnim mestima, plovni objekti, karavan kućice kao i razni telekomuni-kacioniili uređaji na planinskim vrhovima ili signalni uređaji duž puteva. Standardne komponente fotonaponskih sistema su fotonaponski moduli, kontroleri punjenja akumulatora, akumulatori, provodnici i noseći sistemi. U prime-nama gde je potrebno da se obezbedi napajanje električnom energijom napona 220 V koristi se uređaj koji se zove invertor i koji pretvara jednosmernu struju iz akumulatora u naizmeničnu odgovarajućeg napona.Jedan fotonaponski modul je sastavljen od više ćelija i najčešće obezbeđuje napon

od 12 ili 24 V, snaga mu je od 10 do 150 W. Modul ima snagu od 100 W i napon od 12 V a dimenzije su mu 58 x 132 cm.Broj modula i kapacitet akumulatora se određuju prema potrebama potrošača koji će se priključiti na fotonaponski sistem.Koristiti kompakt fluo svetiljke snage 7 i 11 W koje rade na jednosmernom naponu od 12 V a priključuju se pomoću standardnog sijaličnog grla tipa E27. Za manje zahteve postoje i frižideri zapremine do 40 litara sa napajanjem od 12 V. Ukoliko želite da koristite postojeći frižider koji je predviđen za rad na 220 V onda je potreban invertor odgovarajuće snage da bi to omogućio. U tom slučaju obično se pravi cela električna mreža da radi na 220 V i koriste se kompakt fluo štedljive sijalice jer je potrebno da vodite računa o svakom potrošaču.Regulatori koji vode računa o punjenju akumulatora iz fotonaponskih ćelija i o potrošnji struje kao i o stanju akumulatora proizvode se za struje od 6 do 30 A. Dobijena električna energija iz sunčanih ćelija akumulira se u olovnim akumulatorima sa elektrolitom u obliku gela jer su oni predviđeni da rade u režimu dubokog pražnjenja za razliku od akumulatora koji se koriste u automobilima.Potražite:o Projektovanje fotonaponskih sisitemao Više tipova fotonaponskih modula i regulatora,o Želatinske akumulatore kapaciteta od 20 do 120 Aho Fluorescentne sijalice snage 7 i 12 W za napone12 ili 24 Vo Sinusne pretvarače jednosmernog napona 12 V i24 V u 220 V ACo Integraciju sistema sa napajanjem iz agregata ilivetrogeneratorao Montažu opreme i puštanje u pogon

- 2. SOL ARNI KOLEKTORI : materijali koji imaju osobine crnog tela (potpuno apsorbuju sunčevu energiju) pogodni su za izgradnju kolektora. Oni se mogu postavljati na krov (kao krovni pokrivač), fasadu ili noseću konstrukciju. Stepen korisnog dejstva pri pretvaranju solarne energije u toplotnu je od 60 do 70%. Sastavni delovi kolektora su: kućište (od Al profila), termoizolacija (mineralna vuna debljine 50mm), apsorber (od Al lemela kroz koje su provučene bakarne cevi), stakleni pokrivač debljine 4mm i ram kolektora (od Al profila). Ovo su neki teh. podaci solarnog kolektora NAIS 80 firme Nisal iz Niša.U sistemima za iskorišćavanje sunčeve energije razlikujemo dva cirkulaciona kruga: primarni i sekundarni. U primarnom krugu, toplota apsorbovana u apsorberu kolektora se prenosi do izmenjivača toplote IT. Prenosilac toplote u primarnom krugu je najčešće smeša vode sa 30-40% etilenglikola. U sekundarnom krugu se preko IT toplota predaje akumulatoru toplote, a odatle posredno ili direktno potrošaču, kao topla sanitarna voda ili voda za grejanje prostorija. Na slici 3.5.1.1 je prikazan jednostavan sistem za grejanje i pripremu tople vode.Međutim, moramo imati dodatni sistem za grejanje i toplu vodu, jer solarna energija noću i zimi ne može zadovoljiti naše potrebe. Ugradnjom kolektora u startu imamo dodatne investicije, ali kasnije štedimo novac za gorivo ili el.energiju.Tip kolektora iygleda ravne ploče proizvodi niže temperature i manje el. energije, dok vakumski model ima specijalna koncentrujuća ogledala i mnogo je efikasniji!Cene su okvirno od 100 eura pa do 400 eura po komadu u Srbiji. U inostranstvu su daleko jeftinije.Za grejanje stana od 60m2 na solarnu energiju potrebne su investicije od 1 do 1.5 hiljada €, a za toplu vodu oko 500 €. Za grejanje tople vode sistem se isplati za 2 godine.Procene su da bi solarna energija mogla podmiriti oko 5% energetskih potreba naše zemlje. Leti bi mogla obezbediti 80% potreba za toplom vodom, a zimi između 35 i 50%. Sistemi za grejanje i toplu vodu mogli bi obezbediti 35% potreba u severnoj i centralnoj Evropi, oko 50% južno od Alpa, a na jugu Evrope čak 70%. Prema predviđanjima ukupna površina kolektora u EU dostići će 2010. cifru od 75 miliona km2, a u zemljama Evrope van EU još 40 miliona km2. To znači da sadašnja godišnja prodaja treba da se udesetostruči, što odgovara ciframa od 2.5 milijarde € godišnje.

Solarni sistemi za podršku sistemu za centralno grejanje, mogu da pokriju od 30% do 40% potreba za energijom za grejanje tokom zime, kroz solarno grejanje kuće.Pored ove uštede, tokom godine se ovim sistemom može pokriti 80% potreba za energijom za toplu saniratnu vodu.Solarni sistem za podršku grejanju ugrađujemo tamo gde se uvodi:

etažno grejanje na struju, centralno grejanje na čvrsto gorivo ili gas, podno grejanje.

Pored ušteda energije tokom zime, kombinovani solarni bojler, obezbeđuje i zagrevanje vode za domaćinstvo, u prelaznom i letnjem periodu, za kupanja, kuhinju i veš mašinu.Princip radaSolarni kolektori smešteni na krovni pokrivač, apsorbuju toplotu tokom sunčanih sati.Apsorbovana toplota se pumpom prenosi i  skladišti u veliki akumulacioni solarni bojler.  Iz akumulacionog tanka, toplota se u druge prostorije prenosi kroz sistem za centralno grejanje. Solarni sistem je veoma pogodno rešenje za podno grejanje.Kao osnovni izvor energije uz solarno grejanje može se koristiti kotao na čvsto gorivo, ilikotao na struju, odnosno kotao na gas. Značajan uticaj na uštede energije predstavlja dobra izolacija kuće, odnosno zidova, krova i tavana.Standardni ekonomični sistem za solarno grejanje čine kotao za grejanje na struju, ili čvrsto gorivo ili gas, akumulacioni solarni bojler, solarni kolektori i regulaciona stanica.

Jasno je da se kod solarnog sistema namenjenog za grejanje kuće u periodu najnižih temperatura - zimi, nemogu u dovoljnoj meri koristiti , međutim čim su spoljni uslovi povoljniji i mogućnost korišćenja toplote iz solarnih kolektora sunčeve energije je veća , a najbolji efekat korišćenja sunčeve energije za solarno dogrevanje kuće i drugih stambeno poslovnih objekata može ostvariti u prelaznim periodima između jeseni i zime i između zime i proleća a takodje i u toku zimskog perioda ukoliko ima sunčevog zračenja. I takav doprinos solarne energije je vrlo značajan za uštedu konvencionalne energije koja je sve skuplja , ima je sve manje i zagađuju planetu i okruženje u kome živimo i radimo. Naj veći stepen iskorišćenosti solarne energije , postiže se kod energetski efikasniih kuća (visoke karakteristike termo izolacije) i energetski efikasnim grejnim sistemima (podno-zidnim sistemima) , tj. niskotemperaturnim sistemima grejanja.

Zbog promenjljivosti delovanja (snage) sunčevog zračenja tokom dana , meseca i godine , ne može se izvesti konstrukcija solarnog sistema koja bi omogućila potpuno grejanje kuće tokom celog zimskog perioda. Iz istih razloga , solarni sistemi za solarno grejanje kuće kombinuju se sa nekim od drugih izvora energije u kojima se troši neki od drugih oblika konvencionalne energije: tečno gorivo , gasno gorivo , električna energija , pelet , čvrsto gorivo...

Jedan sistem namenjen za proizvodnju sanitarne vode za 2-4 osobe i ispomoć grejanju za 40-60 m2 ,koji bi zadovoljavao 80 % grejanja sanitarne tople vode I 30% grejanja prostora srednje izolovanosti na godišnjem nivou sa ugradnjom I pdv-om bi trnutno koštao oko 6.500 eura.Isti takav sistem za 3-5 osoba i za grejanje do 100 m2 bi iznosio 7.500 eura.Isplativost ovakvog sistema koji bi se koristio za grejanje vode i prostora je preko 13 godina.Sistemi koji se koriste samo za grejanje tople vode se isplaćuju već posle 5 godina ili i pre ukoliko se radi o većoj potrošnji vode. Razlog za to su visok stepen iskorišćenja (čak 80 %) i

manje ulaganje u odnosu na sistem koji se korist i za grejanje.Takodje razlog je i geografski položaj na kome se nalazimo.U Grčkoj je stepen iskorišćenja preko 90% ,a rok otplate ispod 4 godine.Pomoć države pri kupovini solarne opreme mora u budućnosti da bude usmerena ka ukidanj pdv-a na ovu vrstu roba čime bi u mnogome uticala na očuvanje životne sredine i poboljšanje energetske efikasnosti objekata.

Solarne termalne elektrane

Solarne termalne elektrane su izvori električne struje dobijene pretvaranjem Sunčeve energije u toplotnu (za razliku od fotovoltaika kod kojih se električna energija dobija direktno). S obzirom da nemaju štetnih produkata prilikom proizvodnje električne energije, a imaju srazmerno dobru efikasnost (20 - 40%), predstavljaju značajan potencijal za budućnost. Kako je količina energija koja pada na površinu izuzetno velika, izgradnjom takvih elektrana na sunčanim područjima (npr. Sahara) mogao bi se energijom snabevati veliki broj korisnika.

Koncentrovana solarna termalna elektrana

Zbog potrebe za visokim temperaturama, gotovo svi oblici solarnih termalnih elektrana moraju koristiti nekakav oblik koncentrovanja Sunčevih zraka s velikog prostora na malu površinu. Kako se tokom dana položaj Sunca na nebu menja, tako se stalno menja i najpovoljniji ugao pod kojim padaju Sunčevi zraci na ogledala. Zato je potrebno ugraditi mehanizam koji će stalno prilagođavati njihov položaj. Ti mehanizmi su neophodni kako bi se dobila što veća efikasnost, mada značajno utiču na povećanje ionako visokih cena solarnih termalnih elektrana.

Smanjenja u ceni su moguća skladištenjem toplote, a ne struje, budući da je takva tehnologija danas jeftinija, a proizvodnja toplote je ionako neophodna za funkcionisanje ovakvog tipa elektrana. Time je moguće dobijati električnu energiju i onda kada to inače ne bi bilo moguće (za vreme smanjene insulacije - mera energije solarne radijacije primljene ili predane od strane određene površine u određenom vremenu).

Danas se koriste jedino koncentrovane solarne termalne elektrane (CSP). Sastoje se od ogledala i rezervoara fluida koji se zagreva i takav prolazi kroz turbine ili toplotne motore (npr. Strilnigov motor).