Solarna termika _________________________________________________________________________________ 1. Globalni kružni tok ugljika Nastajanje i korištenje fosilnih goriva u većem obimu su u posljednjih 200 godina omogućili industrijalizaciju. Veća količina ugljika, koja se milionima godina oslobađala prilikom globalnog kružnog toka ugljika i deponirala ispod zemlje, se početkom 19. stoljeća prilikom sagorijevanja ponovo vraćala na Zemljinu atmosferu. Kakvog uticaja je to imalo na našu okolinu? Ako posmatramo na desnoj strani dijagrama količinu ugljika , koju prouzrokuje čovjek (npr. kod krčenja šuma) , na prvi pogled će nam se učiniti znatno mala. Na lijevoj strani dijagrama su prikazani prirodni kružni tokovi. Brojevi označavaju ravnotežu. Ovdje se stalno odvija proces razmjene ugljika između biomase i zraka. Međutim samo doticanje i oticanje ugljika održava ravnotežu, tako da se ne uzimajuci u obzir uticaj čovjeka, koncentracija CO2 ne mijenja ni u zraku ni u biomasi. Ta ravnoteža nastaje prilikom tzv. procesa razmjene koncentracije CO2 između zraka, biomase i temperature. ( tzv. negativni povratni kružni tok). A da temperatura ima veliki uticaj pokazuje dijagram na sljedećoj stranici: U jesen, kada većina drveća na sjevernoj polulopti gubi lišće, smanjuje se biomasa a povećava koncentracija CO2 u zraku. U proljeće se dešava obrnuti proces. Tada umjesto ravnoteže nastaje usiljena oscilacija oko srednje vrijednosti. Krivulja pokazuje i uticaj industrijalizacije i krčenja šuma na CO2 koncentraciju. Godišnje doticanje ugljika od 7-8 miliona tona povećava srednju vrijednost i koncentracija CO2 u zraku se penje na gore. Ako uzmemo rezultate mjerenja CO2 u zraku dobivene iz leda na Antarktiku, vidjećemo da se u toku 200 godina industrijalizacije povećala koncentracija CO2 na zemljinoj atmosferi za 28% i da ona jos uvijek eksponencijalno raste. A kakvog uticaja ima ova promjena na prirodne kružne tokove na našoj planeti, pokazat će nam kratak osvrt na historiju naše planete. ______________________________________________________________________________ 1 Solarna termika _________________________________________________________________________________ atmosfera 720 fotosinteza 120 biosfera 800 krčenje šume 1-2 respiracija mora tlo 1.750 pokrivač fosilna spremišta 5.000 Na lijevoj strani je opisan prirodni kružni tok. Desna strana grafikona pokazuje emitirane količine ugljika u atmosferi nastale na antropogeni način (krčenje šuma i sagorijevanje fosilnih goriva). (Biosfera = živa organska materija; tlo = mrtva organska materija). Brojevi pokazuju rezervoare ugljika u milijardama tona, a brojevi iznad strelica navode godišnje dotoke ugljika CO2 koncentracija Koncentracija ugljendioksida u atmosferi Rekonstrukcija bušenja leda na Antarktiku Direktna mjerenja izvršena na Havajima, Mauna Loa. ______________________________________________________________________________ 2 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 1.1 Historija klime na Zemlji Na dijagramu (a) je krivuljom prikazana koncentracija CO2 u zadnjih 5 miliona godina. I ovdje se zapaža jaka oscilacija, koja bi trebala da ima prirodne uzroke. (Porast koncentracije CO2 , koje je prouzrokovao čovjek, je na kraju krivulje zbijen u jednu uspravnu liniju. Šema prikazuje da opadanje koncentracije CO2 otprilike odgovara porastu kisika. A to nije slučajnost, jer je jedna rastuća biomasa pretvarala CO2 u O2. Nastajanje života na našoj planeti, je nju potpuno oblikovao. Praatmosfera je vjerovatno prije milion godila sadržila 16% CO2, a samo 0,6% O2. Ako bi to danas uporedili izgledalo bi kao da su samo zamijenjene uloge! Živa bića su u toku historije naše planete velike količine CO2 (16%=160 000 ppm= parts per million) većinom pretvarale u O2. Tako da dobijeni ugljik i čestice CO2 ponovo nalazimo u krečnjacima, (koji su nastali od skeleta malih morskih naseljenika), u rezervoarima fosilnih goriva i u našoj današnjoj biomasi. Prije otprilike 2,5 miliona godina je Zemljina atmosfera zbog širenja šuma postigla do tada najmanju koncentraciju CO2 od 200 ppm. Da li je bilo moguće, da je time opadanje temperature (nestajanje efekta staklenika) moglo zaustaviti dalji rast biljaka? (pogledaj dijagram) CO2 u zraku + - srednja temperatura na Zemlji + + biomasa Prema teoriji Beckmanna und Klopriesa mogla se tako stvoriti dinamična ravnoteža, dakle oscilacija između ledenog i toplog doba. Možda je ova jaka oscilacija srednje temperature između 12 i 16 stepeni na Zemlji, kako to nauka vidi i uticala na oscilaciju Sunčevog zračenja, koje je uslovljeno parametrom Zemljine putanje. Bilo kako bilo, promjena koncentracije CO2 u zraku od 70 ppm odlučila je jasno između toplog i ledenog doba. Čovjeku je uspjelo da za samo 200 godina postigne koncentraciju CO2 u zraku od 350 ppm, koja je već prije 35 miliona godina prošla Zemljinu atmosferu. Još se nikada u historiji Zemlje nije sastav atmosfere tako brzo i dramatično promijenio. Ubrzanje ove promjene je dostiglo brzinu od 1000 do 10 000 puta. Pri tome su lagane, prirodne oscilacije CO2 imale enormne posljedice za našu okolinu. Na foliji je prikazana rekonstrukcija istorije klime od ledenog doba. - Veća koncentracija CO2 u zraku dovodi preko efekta staklenika do visokih temperatura. - Visoke temperature utiču na rast biomase a time i na koncentraciju CO2 u zraku. - Visoke temperature dovode do otapljanja leda i proširenja morskih površina, a time i do povećanja nivoa mora. ______________________________________________________________________________ 3 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Zabrinjavajuće je to da današnji nagli porast CO2 koncentracije povlači sa sobom i posljedice: Naši potomci bi mogli platiti veliku cijenu zbog našeg industrijskog stila života! CO2 koncentracija CO2 koncentracija danas temperatura temperatura danas nivo mora nivo mora godine danas dijagram (a) ______________________________________________________________________________ 4 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 1.2 Značajni energenti Neregenerativni (neobnovljivi) energenti Svaka tona ugljika (C), koju sagorimo: ( da li kao kerozin, dizel ili benzin u avionu, automobilu, ili u našim uređajima za grijanje kao gas, mineralno ulje, ili u elektranama kao crni i kameni ugalj), se u zraku spaja sa kisikom (O2) u otprilike troduplu količinu ugljendioksida (CO2). Energija, koju time pretvaramo u toplotu ili u električnu struju je prvobitno bila Sunčeva svjetlost, koju su zelene biljke u prošlosti na našoj planeti upijale i hemijski spajale procesom fotosinteze. Već od početka industrijalizacije mi smo “pljačkali” rezervoare fosilnih goriva (ugalj, naftu i gas), da bi u njima oslobođenu akumuliranu Sunčevu energiju pretvorili u CO2. Samo države OPEC-a dnevno transportuju preko 3,5 miliona kubika nafte! Konačni produkt ove fosilne energetike izlazi u obliku gasa kroz dimnjake i auspuhe širom svijeta i postepeno mijenja sastav zraka u našoj atmosferi. Kao prve posljedice ovoga svega su klimatske promjene (stvaranje efekta staklenika) sa ogromnim uticajima na čitavu biosferu. Regenerativni (obnovljivi) energenti Potencijal regenerativnih energetskih izvora sve više dobija na značaju u potražnji za konceptom energije 21. stoljeća. Suprotno od ograničenih rezervi fosilnih i nuklearnih goriva , Sunčeva energija, energija vjetra, vode i biomasa su kao sastavni dijelovi prirodnih ciklusa energetike jako podnošljivi za okolinu i praktično su neiscrpni. Danas nam se pruža mogućnost, da pomoću moderne i specijalne tehnike, koja je dobra za našu okolinu, otvorimo put ka “solarnom dobu” ili stoljeću solarne energije. ______________________________________________________________________________ 5 Solarna termika _________________________________________________________________________________ dodatni CO2 ugalj fosilna goriva nafta gas neregenerativni nuklearna goriva uran plutonijum energenti solarna toplota solarno zračenje solarna struja snaga vode obnovljivi (regenerativni) snaga vjetra bio - gorivo (drvo, slama) biomasa bio – gorivo (ulje, alkohol) bio – gas (zelena masa, organske materije regenerirani CO2 ______________________________________________________________________________ 6 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Rezerve resursa Rezerve ( u godinama) 50 60 250 80 Nafta Gas Ugalj Nuklearna energija Energenti Nafta Gas Ugalj Uran Voda Zrak Drvo Sunčevo zračenje Oblici energije Električna energija Potencijalna energija Kinetička energija Hemijska energija Nuklearna energija Svjetlost, toplota (Baterija, akumulator) (Uran) Primjer potencijalne energije je težina podignuta na izvjesnu visinu. U ovakvoj težini postoji nagomilana energija koju možemo da oslobodimo ako je pustimo da padne. Voda na vrhu vodopada ili iza brane takođe ima potencijalnu energiju. Pretpostavimo sada da ta težina padne ili da voda pada u vidu vodopada. Sama činjenica da se ona kreće izvjesnom brzinom omogućuje joj da vrši rad, i ta energija se zove " kinetička energija ". To je energija koja potiče od težine tijela koje se kreće i njegove brzine. Kad neko tijelo pada, ono gubi potencijalnu energiju a dobija kinetičku energiju. Ali količina dobijene energije je potpuno jednaka količini izgubljene. Ustvari, cjelokupna količina energije u vasioni je uvijek ista. Mi ne možemo ni da je stvorimo, ni da je uništimo. Bilo da se koristimo padom vode, ugljem ili atomima, mi jedino možemo da jedan oblik energije pretvaramo u drugi. 1.3 Primarna, sekundarna, konačna i korisna energija Primarna energija je oblik energije neposredno nađene u prirodi: energija vode, ugalj, nafta, gas, drvo, nuklearna energija, energija vjetra, geotermalna i Sunčeva energija. Poznato je da se primarna energija ne može koristiti neposredno za sve svrhe. Na primjer, za automobile je potrebno da se iz nafte izdvoji benzin, a za radio je potrebna električna struja, dakle za ove svrhe je potrebna sekundarna energija. ______________________________________________________________________________ 7 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Sekundarna energija nastaje transformacijom primarne energije u cilju njene primjene: nafta se pretvara u svoje derivate, ugalj u briket. Pretvaranje primarne u sekundarnu energiju vrši se uz gubitke u obliku toplotne energije. U primjeni sekundarna energija se koristi na razne načine i pri tom treba razlikovati konačnu i korisnu energiju, odnosno energiju koja stoji na raspolaganju potrošaču prije i poslije posljednje promjene. Konačna energija (tercijarna) je energija, koja stiže do konzumenata kao produkt. Primjer za to je električna energija. Sekundarna energija je u ovom sektoru električna energija, koja se proizvede, a konačna energija je količina energije koja stiže do potrošača. Korisna energija je manja od upotrebljene jer briket i benzin ne sagorijevaju potpuno, već se jedan dio gubi u obliku toplotne energije. Kao što vidimo jedan dio energije u obliku toplotne se gubi prilikom pretvaranja primarne energije u sekundarnu i sekundarne energije u korisnu. Izgubljeni dio energije zagrijava Zemlju i njenu atmosferu. Izgubljena energija pri nekim energetskim promjenama je velika. Na primjer, koeficijent korisnog dejstva jedne savremene termoelektrane u kojoj se električna struja dobija pomoću nafte, iznosi samo 34%. To znači da se iz 100 kWh električne energije, ostalih 66% gubi u obliku toplotne energije. Kada se uzmu u obzir i drugi gubici kao što su proizvodnja primarne energije i njen transport, onda dolazimo do podatka da na 100kWh energije nafte na mjestu njenog nalazišta, do potrošača dospijeva samo 25 kWh električne energije. Prema tome da bi se proizveo 1 kWh električne energije kao sekundarne energije, potrebna je četiri puta veća količina primarne energije. 34% korisne energije 100% 66% neiskorištene energije (gubici u obliku toplotne enrgije i drugi gubici ______________________________________________________________________________ 8 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Siva energija je svaka energija, koja je potrebna za proizvodnju, transport i odlaganje jednog produkta. Ova energija se koristi i šteti našu okolinu i često se zaboravlja, jer se na nekom produktu u stvari i ne vidi. Sivu energiju susrećemo u svim proizvodima naše svakodnevnice, polazeći od hrane, ambalaže, preko kućanskih aparata i same kuće, u kojoj živimo. Na primjer: 1 kg čokolade sadrži ca. 2,5 kWh 1 par cipela sadrži ca. 8,0 kWh 1 limenka sadrži ca. 1,2 kWh Jedinice Sistem međunarodnih (SI) jedinica Osnovne jedinice Dužina Masa Vrijeme Jačina električne struje Termodinamička temperatura Količina materije Intenzitet svjetlosti 1m 1 kg 1s 1A 1K metar kilogram sekunda amper kelvin 1 mol 1 cd mol kandela Dekadne odnosno decimalne SI- jedinice Prefiks Deka Hekto Kilo Mega Giga Tera Peta Exa Oznaka da h k M G T P E Vrijednost prefiksa 101 102 103 106 109 1012 1015 1018 Prefiks Oznaka Deci Centi Mili Mikro Nano Piko Femto Ato d c m n p f a Vrijednost prefiksa 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 ______________________________________________________________________________ 9 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Izvedene jedinice međunarodnog sistema (SI) Sila, težina Energija, rad Snaga Pritisak 1 N = 1 kgm/s² 1 J = 1 Ws = 1 Nm 1 W = 1 J/s = 1 Nm/s 1 Pa = 1 N/m² 1 bar = 105 Pa Energija, rad Rad (W) = Snaga (P) x Vrijeme (t) 1 J (Džul) = 1 Ws = 1 Nm 1J 1 kJ 1 kWh 1 kcal 1 kpm J 1 1000 3,6 x 106 4186,8 9,80665 kJ 0,001 1 3600 4,1868 0,00981 kWh 2,778 x 10-7 2,778 x 10-4 1 0,001163 2,72 x 10-6 kcal 2,338 x 10-4 0,2388 860 1 3,7 10-6 kpm 0,102 101,97 367000 427 1 kpm/s 0,102 102 0,119 1 75 KS 0,00136 1,35778 0,00158 0,01333 1 Snaga Snaga (P) = Rad (W) / Vrijeme (t) 1 W (Wat) = 1 J/s = 1 Nm/s 1W 1 kW 1 kcal/h 1 kpm/s 1 KS W 1 1000 1,1628 9,80665 736,498 kW 0,001 1 0,0011628 0,0098067 0,7365498 kcal/h 0,860 860 1 8,43 632 ______________________________________________________________________________ 10 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 1. 4 Emisija – Imisija (njihovi uzročnici) Struj anj e zraka Fotooksidant IMISIJA EMISIJA Kisela kiša Sumpordioksid (SO2) Azotnioksid (NOX) Uglj enmonoksid (CO) Uglj ov odonik (CXHY) Sumporv odonik (H2S) Teški metali Prašina Voda za hlađenj e Požar Saobraćaj Industrij a Otpadne vode Podzemna v oda Emisija je pojam za izbacivanje (emitiranje) najčesće neželjenih ili štetnih materija iz određenih izvora. Imisija je suprotan pojam od emisije i odnosi se uglavnom na čestice štetnih materija koje se javljaju na nekom mjestu udaljenom od njihovog emitiranja. Prirodne i antropogene emisije 120 99,9 99,8 96 100 96 87,2 77,4 80 % prirodno natürlich 60 antropogeno anthropogen 40 22,6 20 12,8 4 0,1 4 0,2 0 SO2 NOx CO CxHy CH4 NH3 antropo- (grč.) : znači čovjeko-, koji se odnosi na čovjeka, koji je prouzrokovao čovjek ______________________________________________________________________________ 11 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Štetne materije i njihov uticaj Na čovjeka Štetna materija Sumpordioksid SO2 Azotnioksid NOx Ugljenmonoksid CO Ugljovodonik CxHy Prašina Sumporvodonik H2S Fluorovodonik HF Ozon O3 Uticaj Sluznice , bronhije Respiratorne organe Krvni sistem Respiratorne organe, nervni sistem, uzrokuje karcinom Pluća Nervni sistem , respiratorne organe Respiratorne organe, oči, koža Respiratorne organe, oči Na biljke Štetna materija Sumpordioksid SO2 Azotnioksid NOx Ugljovodonik CxHy Fluorovodonik HF Ozon O3 (Fotooksidanti) Uticaj Prerano starenje , odumiranje šume Prerano starenje , gubitak lišća i iglica , rast biljaka Kod veće koncentracije utiče na boju i deformaciju lišća Prilikom uzimanja i povećanja fluorovodonika u listovima i u vrhovima listova i iglica odumiru ćelije i dolazi do odumiranja listova (iglica) Prerano starenje, gubljenje listova i iglica, problemi sa rastom Uzročnici Sumpornidioksid: ______________________________________________________________________________ 12 Solarna termika _________________________________________________________________________________ SO2 termoelektrane 19% saobraćaj 6% saobracaj 6% grijanje 25% industrija 50% Ugljenmonoksid: industrija, CO termoelektr industrija, an termoelektrane 5% saobracaj saobraćaj 40%40% grijanje 55% Ugljovodonik: HxCy ostalo 10% rastvorne materije iz rastvorna industrije i domaćinstva sredstva iz 32% industrije i domaćinstva 32% domacinstva 32% industrija, industrija, termoelektrane termoelektra 8%ne 8% saobraćaj 32% saobracaj 32% grijanje 18% Prašina: ______________________________________________________________________________ 13 Solarna termika _________________________________________________________________________________ prašina prasina termoelektran termoelektrane e5% 5% industrija 34% saobraćaj saobracaj 33% 33% grijanje 28% 1. 5 Efekat staklenika Morske biljke (uglavnom plankton) doprinose fotosintezom obnavljanju atmosfere. One uklanjaju ugljen-dioksid u podjednakoj količini kao kopnene biljke, iako čine manje biomase, ali su neusporedivo osjetljivije na UV zračenje. Uništenje ozona tako doprinosi uništavanju morskih biljaka, a time se usporava obnavljanje atmosfere i povećava koncentracija CO2. CO2 je jedan od stakleničkih plinova koji sprječava da se energija sa Sunca danju akumulirana na Zemlji, noću emitira natrag u svemir (neproziran za infracrveno zračenje), dok istovremeno danju propušta vidljivu svjetlost bez problema. Tako se polako energija akumulira i podiže globalna temperatura. To se naziva "efekat staklenika", jer staklene ploče u staklenicima imaju ulogu CO2 i time sprječavaju smrzavanje biljaka ispod njih. Izgleda da su organizmi u moru osjetljivi i na promjene u temperaturi mora, tako da ih povećanje globalne temperature još više ugrožava. Uz to, zbog povećanja temperature, povećava se količina vodene pare (koja je takođe staklenički plin) u cijeloj atmosferi i time zadržava infracrvenu toplotu u nižem dijelu neba, koja bi inače, prolazeći kroz stratosferu*, zračila u svemir. Hladnija stratosfera s većom količinom vodene pare znači više ledenih kristala u ozonskom sloju, a to strašno ubrzava djelovanje CFC-a ( hlorofluorokarbona) i uništavanje ozona. Time se opet povećava UV zračenje i ciklus se ponavlja i pojačava. To je opasna povratna veza. Efekat staklenika na Zemlji nam govori da se klima mijenja puno brže nego što je normalno. (Efekat staklenika - regulira tok energije koja stiže na Zemlju i koja odlazi sa nje). Sunce grije Zemlju i ona tu energiju zrači nazad u svemir. Međutim, neki sastojci atmosfere zadržavaju određeni dio odlazne energije, tj. zadržavaju toplotu. Bez tog prirodnog fenomena, prosječna temperatura na Zemlji bila bi 30° niža od sadašnje temperature od 15°. Nažalost, izgaranje fosilnih goriva i krčenje šuma stvaraju velike količine stakleničkih plinova u atmosferi, koji pojačavaju efekat staklenika. Kao rezultat toga imamo globalno zagrijavanje veće od pola stepena u zadnjih sto godina. Opasnost ne bi postojala da ljudi ne emitiraju toliko CO2 u atmosferu. Naprotiv, da ne postoje staklenički plinovi kao što su CO2, vodena para, metan... Zemlja bi bila smrznuta planeta s prosječnom temperaturom od –18 °C za razliku od današnjih ugodnih 15 °C. Kako se ______________________________________________________________________________ 14 Solarna termika _________________________________________________________________________________ koncentracija tih plinova povećava, zagrijavanje je neizbježno. Evo nekoliko zabrinjavajućih podataka. Trenutna koncentracija CO2 je 20% viša od najviše u zadnjih 160.000 godina, koliko možemo izmjeriti pomoću uzoraka iz antarktičkog leda. Od 1800-te godine koncentracija CO2 porasla je za 28%, uglavnom od izgaranja fosilnih goriva i predviđa se porast od još 40% u sljedećih 100 godina. Najtačnija mjerenja se izvode na Havajima od 1958. Havaji su izabrani jer su daleko od izvora svih velikih zagađivača te se izmjerene vrijednosti mogu uzeti u obzir za cijelu planetu. Šta to znači? Nauka je dokazala da se tokom historije prosječna temperatura na Zemlji mijenjala analogno s promjenom koncentracije CO2 u atmosferi. Temperatura na Zemlji je porasla za 1°C u toku zadnjeg stoljeća, a predviđa se dalji porast između 1 i 3,5 °C u sljedećih 100 godina, što je mnogo uzmemo li u obzir da je tokom zadnjeg ledenog doba bilo u prosjeku samo 4 °C hladnije nego sada (a ledom je bila okovana skoro čitava Evropa i Sjeverna Amerika). Zbog porasta temperature i topljenja ledenjaka, nivo mora raste 2 mm godišnje, a predviđa se da će se do 2050-te podići za 50 cm. Ovdje se pojavljuje još jedna povratna veza: led reflektira oko 95% sunčeve toplote i svjetlosti dok voda reflektira samo 15%, a kako raste temperatura i tope se ledenjaci, sve je manje ledene površine koja reflektira svjetlost, a sve više vodene površine koja je apsorbira i globalna temperatura još više raste, što topi nove ledenjake i tako u krug. Da bi vidjeli opasnost kojom nam otapanje leda prijeti, dovoljno je sjetiti se da je prije 20.000 godina (u vrijeme posljednjeg ledenog doba) nivo mora bio oko 90 metara niži nego danas, dok bi otapanje ledenjaka i polarnih kapa na Grenlandu i Antarktiku otprilike za toliko podiglo današnji nivo. Sami ledenjaci bi dodali 35 cm, grenlandski led 7 metara, a najviše antarktički – 65 metara (tome bi još trebalo dodati nekoliko metara radi termalnog rastezanja vode). Vjeruje se da se zapadnoantarktička ledena ploča (debljine nekoliko km), tokom zagrijavanja između 2 ledena doba, prije 125.000 godina raspala i skliznula u okean te skoro trenutno podigla nivo mora za 7 metara. Danas, novi uzorci s dna te ledene ploče pokazuju dinamične i opasne promjene. Šta nam sve zapravo donosi globalno zagrijavanje? Svakako više temperature i ljeti i zimi, ali ne samo to. Zbog veće temperature mora, povećavaju se i turbulencije zraka, tako da nam prijete puno jači udari vjetra, orkani i tornada. Promjene klime će biti drastično ubrzane i vrijeme će se mijenjati iz dana u dan. *Stratosfera se prostire do oko 55 km visine iznad površine Zemlje. U ovom dijelu atmosfere se nalazi sloj ozona, koji apsorbuje ultraljubičasto zračenje. ______________________________________________________________________________ 15 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Porast temperature usljed efekta staklenika 15,5 °C 15 14,5 14 70 85 19 19 55 19 40 19 10 25 19 19 95 18 18 80 13,5 Staklenički gasovi i njihovi glavni antropogeni izvori U stakleničke gasove ubrajamo: ugljendioksid, metan, hlorofluorokarboni, ozon, azotni oksid. Glavni izvor emisije ugljendioksida, povezane s djelovanjem čovjeka je izgaranje fosilnih goriva i krčenje šuma. Metan nastaje u toku razlaganja otpada na odlagalištima, razlaganja životinjskog otpada, proizvodnje i distribucije prirodnog gasa i nafte, proizvodnje uglja, i nepotpunog sagorijevanja fosilnih goriva. Atmosferska koncentracija metana raste stopom od oko 0.6% godišnje i danas iznosi 1.7 ppm, što je dvostruko više u odnosu na period prije industrijske revolucije. Međutim, stopa porasta metana u atmosferi se može stabilizirati. Hlorofluorokarboni su grupa gasovitih spojeva koji sadrže ugljik, hlor, fluor, i ponekad vodonik, a koji se koriste u frižiderima, sredstvima za čiscenje, aerosolima i proizvodnji plastične pjene. Oni su glavni uzročnik oštećenja stratosferskog ozona. Ozon je možda najbolji indikator ukupnoga zagađenja u urbanim sredinama, posebno u toplijem dijelu godine. Nastajanje prizemnoga ozona u potpunosti je proizvod fotohemijskih reakcija azotnih oksida i organskih zagađivaca (VOC) u zraku. Pritom nastajanje ozona direktno zavisi o koncentracijama ovih polutanata, omjera njihovih koncentracija i o sunčevoj radijaciji. Njegova se emisija pripisuje saobraćaju. Azotni oksid je jaki gas staklenika sa potencijalom globalnog zagrijavanja od 320. Glavni izvori ovog gasa uključuju metode u praksi kultivacije, a posebno upotreba komercijalnih i organskih đubriva, sagorijevanje fosilnih goriva, proizvodnja azotne kiseline, i sagorijevanje biomase. ______________________________________________________________________________ 16 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Porast temperature uK Prognoza za porast srednje globalne temperature za period od 1985-2085 Redukcija efekta staklenika se može postići smanjenjem koncentracije CO2 Mogućnost uštede CO2 Mogucnost ustede CO2 Poboljšanje sistema za regulaciju grijanja grijanje Smanjenje upotrebe automobila Efikasni električni aparati 2,4% 4,0% 5,2% 6,5% Poboljšanje uređaja za grijanje Substitucuja energenata 10,0% 22,5% Poboljšanje eksterijera objekata 0,0% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% 1.6 Potencijal regenerativnih energanata Potencijal regenerativnih energenata u odnosu na potrošnju energije u svijetu Sunce (direktno) Biomasa Snaga vode Snaga vjetra Morski talasi, morska toplota Ukupan potencijal 3000 13,3 0,7 46,7 Tehnički potencijal 2,7 0,07 2,53 0,29 0,29 0,13 ______________________________________________________________________________ 17 Solarna termika _________________________________________________________________________________ plima i osjeka Geotermika 4,7 0,08 1.7 Pojedinačna, lokalna, i potrošnja energije u svijetu Npr. U Austriji Potrošnja energije jedne porodice Od 100 energetskih jedinica upotrebljava se za: Topla voda 9 Kuhanje 2 4 Hlađenje i zamrzavanje pranje Automobil 33 Grijanje 51 Rasvjeta 1 ______________________________________________________________________________ 18 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Potrošači energije u južnom Tirolu Potrosaci energije u juznom Tirolu 50,00% 45,00% 40,00% 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% Poljoprivreda šumarstvo Land- und Industrija Mali potrošači Kleinvedjelatnosti rbraucher, Industrie Forstwirt-schaft Privatna domaćinstva Private Haushalte Dienst-leistungen Potrosnja elektricne energije u domacinstvu Potrošnja električne energije u domaćinstvu Mašina za sušenje veša Wäschetrockner 1,4% Mašina za pranje posuđa Geschirrspüler Pumpe, gorionici Pumpen Brenner 3,8% 4,3% Mašina za pranje veša Waschmaschine 5,0% Rasvjeta, kompjuteri Beleuchtung, EDV 8,0% Električni šporet, rerna Herd, Backrohr 8,0% Televizor,TV, mali aparati Kleingeräte 8,3% Frižider Kühlgerät 8,6% Zamrzivač Gefriergerät 11,2% Topla voda Warmwasser 20,0% GrijanjeRaumheizung prostorija 0,0% 21,4% 5,0% 10,0% 15,0% 20,0% 25,0% Potrošnja energije u svijetu Grafikon prikazuje procjenu (iznesenu na svjetskoj konferenciji energije 1989. godine) razvoja potrošnje energije u industrijskim zemljama i u zemljama u razvoju. Napravljena su dva scenarija rasta: - “Umjereni” rast pri cijeni nafte od 20-25 $ po barelu u 2000. godini, a od 30-35 $ u 2020 godini. ______________________________________________________________________________ 19 Solarna termika _________________________________________________________________________________ - “Ograničeni” rast pri cijeni nafte od 25-30 $ po barelu u 2000 godini a od 40-45 $ u 2020 godini. Nezavisno od ovih pretpostavki prognozira se udio potrošnje energije za industrijske zemlje od oko 60%. Potrošnja energije u svijetu i dalje jako raste i uprkos suzdržavanju razvijenih industrijskih zemalja („1. svijet”). 2020 a: “ograničeni rast 2020 b: “umjereni” rast ukupno „1. svijet“ „3. svijet Prema nekim statistikama prosječni Amerikanac za života potroši oko 1600 tona materijala izvađenih iz zemlje, to jeste 50 puta više od prosječnog Indijca. Što znači što je veći standard života to je veći kvantitet potrošenih materijala. Elektroenergetski sistem u BiH u kategoriji potrošnje električne energije u domaćinstvu koristi naizmjenični napon 380/220V, 50Hz. Ni jedan oblik energije nije u praktičnom životu tako svestrano primjenjen kao električna energija. Neki aparati mogu mogu da koriste čvrsta, gasovita ili tečna goriva. Sljedeća tabela prikazuje vrstu energije u ukupnoj potrošnji u domaćinstvu. IZVORI ENERGIJE Električna energija Čvrsta goriva Tečna goriva Gasovita goriva UKUPNO RASVJETA TOPLA KUHANJE GRIJANJE UKUPNO VODA 100 40 50 10 50 0 10 10 25 11.25 0 20 0 50 17.5 0 30 40 15 21.25 100 100 100 100 100 ______________________________________________________________________________ 20 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Iz tabele vidimo da 50 potrebne energije koju potrošimo u domaćinstvu otpada na električnu energiju. Vrijeme za koje se utroši 1 kWh potrošač Snaga u w Kompjuter 200 W frižider 200 W zamrzivač 400 W bojler 2000 W sijalica 40 W sijalica 100 W pegla 1000 W televizor 100 W Ta peć 4000 W Ringla na šporetu 1000 W Rerna na šporetu 2000 W Vrijeme u satima 5 sati 5 sati 2,5 sati 30 minuta 25 sati 10 sati 1 sat 10 sati 15 minuta 1 sat 30 minuta Mjesečna potrošnja električne energije za četveročlanu porodicu Potrošnja za pripremu jela Aparati za hlađenje Pranje i peglanje rublja Utrošak tople vode, RTV i sl. Ukupan utrošak el. energije kWh 60-100 kWh 70-100 kWh 34-48 kWh 96-240 kWh 260-488 1.8 Racionalna upotreba električne energije u domaćinstvu 1. I moderni električni aparati se znatno razlikuju kad je u pitanju potrošnja električne energije.: neki električni aparati “gutaju” struju i potroše duplo u odnosu na druge, koji “štede” struju. Danas je kupac u mogućnosti, da pomoću narandžastog etiketa sazna potrebne informacije o proizvodu: Na primjer kupac se može prilikom kupovine električnog aparata orjentirati prema kriteriju njegove potrošnje el.energije. 2. Aparati koji “štede” električnu energiju su i jako ekonomični: U mnogim slučajevima cijena ovih aparata nije toliko veća od prosjeka na trzištu. Ako uzmemo za primjer 2 aparata: frižider sa 3 zvjezdice i “Eko- verziju” vidjećemo da se nabavka ovog drugog aparata finansijiski isplati. Iako je njegova cijena malo veća ipak se isplati njegova nabavka, jer on donosi uštede kod potrošnje električne energije. Već nakon ca.4 godine se njegova nabavka isplati. I sami mi možemo doprinijeti uštedi el. energije ako se pridržavamo sljedećih savjeta: gasiti sijalice u prostorijama koje se ne koriste racionalno koristiti bojler ne paliti sijalice pri dnevnoj svjetlosti mašinu za veš uključiti tek kad je puna veša zamrzivač i frižider postaviti što dalje od izvora toplote, i ne otvarati ih bez potrebe kod kuhanja gledati da prečnik dna posude odgovara prečniku ringle na šporetu. ______________________________________________________________________________ 21 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 1. Sunce i Sunčeva energija Sunce je udaljeno od Zemlje oko 150 000 000 km. Sunce je neiscrpljiv generator energije. Organizovanije korištenje sunčevog zračenja dobija tek posljednjih decenija na značaju, kada je civilizacija konačno postala svjesna njegovog značaja kao energetskog izvora. Sunce predstavlja ogromnu gasovitu kuglu, prečnika 1 392 000 km. Spoljni sloj Sunca sastoji se od 75% vodonika, 23% helijuma i 2% ostalih usijanih gasova pod velikim pritiskom. Masa Sunca iznosi oko 2x1030 kg, zapremina 1,41x1027 m³, tako da je njegova srednja gustina 1400 kgm-3, sto znači da je srednja gustina Sunca 1,4 u odnosu na gustinu vode, a 0,25 u odnosu na srednju gustinu Zemlje. Sunce se okreće oko svoje ose tako da njegova siderična rotacija na Ekvatoru iznosi 25, a na polu 33 dana, sto pokazuje da ono nije u čvrstom stanju. Sunce se nalazi u 4 agregatnom stanju nazvano plazmom, koje se sastoji od kompletnih atoma, jona i elektrona elemenata koji se nalazi u Suncu i na visokoj temperaturi i velikom pritisku.Temperatura Sunca na površini iznosi oko 5800 K, a u njegovoj unutrašnjosti raste prema centru i dostiže do 15 000 000°. Ova visoka temperatura nam pokazuje da Sunčevo jezgro predstavlja u stvari termonuklearni reaktor ogromnih dimenzija u kome se razvijaju nuklearni procesi fuzije. Cjelokupna energija na Zemlji, izuzev nuklearne i geotermalne, potiče od Sunca. Sunčeva energija koju prima naša Zemlja i njena atmosfera toliko je ogromna da u toku samo 15 dana iznosi onoliko kolike su zajedničke rezerve energije uglja i nafte u svijetu. Od ukupne energije (100%) koja dospijeva na Zemlju i njenu atmosferu oko 30% se reflektira od atmosfere i Zemljine površine ponovo u kosmos. Odnos između upadne vidljive svjetlosti i difuzno reflektirane naziva se albedo. Gotovo polovina (oko 48%) od ukupnog Sunčevog zračenja nakon zagrijavanja atmosfere i gornje površine Zemlje, nevidljivim infracrvenim zračenjem kao toplota se vraća u kosmos. O ovoj činjenici treba voditi računa u primjeni Sunčeve energije. Ostatak Sunčevog zračenja oko (22%) troši se na stvaranje oblaka isparavanjem vode na površini Zemlje iz kojih vodene naslage padaju na Zemljinu površinu pri čemu oslobođena toplota odlazi u kosmos. Tako se isparavanjem voda mora, jezera i rijeka stvara kružni tok isparavanja – kondenzovanja – padavina – snage tekuće vode. ______________________________________________________________________________ 22 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Strujanja zraka i mora, vjetrovi i talasi su takođe posljedica Sunčevog zračenja i njihova energija, kao indirektna Sunčeva energija, može se praktično iskoristiti. Jedan mali dio (oko 0,1%) ogromne Sunčeve energije koja dospijeva na Zemlju iskorišten je u postanku i održavanju fotosinteze biljaka, a time i za nastanak fosilnog goriva, uglja, nafte i zemnog gasa. Fotosinteza je pretvaranje svjetlosti u hemijsku energiju u biljkama posredstvom hlorofila zelenog lista. Ona je pokretačka snaga za rast biljaka, a time i svih živih bića, jer su biljke i drvo energetski izvori za hranu i grijanje. Ugalj je nastao od ostataka biljaka sakupljenih u barama, a nafta i zemni gas pri procesu vrenja organskih materija u toku milenijuma na dnu jezera i mora. Prema tome energija fosila je u stvari indirektna Sunčeva energija nastala akumulacijom Sunčeve energije tokom stotine miliona godina. Na površinu Zemlje dospijeva manja snaga Sunčevog zračenja zbog refleksije i apsorbiranja Sunčevih zraka u Zemljinoj atmosferi. Zbog toga ova snaga ovisi od dužine puta koji Sunčevi zraci pređu kroz atmosferu i kvaliteta atmosfere. Utvrđeno je da 1m² horizontalne površine na Zemlji prima maksimalno oko 1 kW Sunčeve snage ljeti u podne kada je put Sunčevih zraka kroz atmosferu najkraći. Prema tome, u atmosferi se intenzitet snage Sunčevog zračenja smanji za oko 400 W. Snaga od 1 kWm-2 u stvari znači da na 1m² Zemljine površine pod navedenim uslovima dospije energija od 1kWh. Intenzitet Sunčeve energije je promjenljiva veličina i ovisi od mnogih faktora, kao što su pravac prostiranja Sunčevih zraka, godišnje doba, trajanje Sunčeve radijacije, ugla Sunca (doba dana), orijentacije površine na koju padaju Sunčevi zraci i meteoroloških uslova. Zemaljski (terestrijalni) intenzitet radijacionog snopa Sunčevih zraka ovisi od pravca Sunčevih zraka kojim oni prolaze kroz atmosferu. Za određivanje atmosferske propustljivosti potrebno je izvršiti poređenje terestrijalnog intenziteta radijacionog snopa i ekstraterestrijalnog (vanzemaljskog, izvan atmosfere) za isti snop. Meteorološke osnove Četiri godišnja doba Pravac prostiranja Sunčevih zraka prema Zemlji ovisi od godišnjih doba koja nastaju kao posljedica nagiba ose Zemljinog okretanja prema Suncu. Zemlja se okreće oko svoje nepomične ose postavljene u pravcu sjever-jug koja je nagnuta prema ravni svoje putanje oko Sunca pod uglom od 23° 27’ i zadržava isti pravac u prostoru. Zbog godišnjeg kretanja Zemlje oko Sunca, položaj Zemljine ose u odnosu na pravac Sunčevih zraka stalno se mijenja. Za vrijeme ljetnjeg solsticaja (lat. Sunčeva prekretnica; 21.juna), kada je Zemljina osa usmjerena prema Suncu, sjeverna Zemljina polukugla prima najviše Sunčevog zračenja. Dani su duži od noći, a na sjevernom polu Sunce gotovo ne zalazi ispod horizonta. Ugao Sunčevih zraka prema horizontu na 45° sjeverne geografske širine ovog dana u podne iznosi α = ca. 62°. Na dan zimskog solsticaja (lat. Sunčeva prekretnica; 21. decembra), Zemljina osa je usmjerena od Sunca i tada južna Zemljina polukugla prima najviše Sunčevog zračenja. Na njoj tada dan traje duže od noći, a na južnom polu Sunce ne zalazi. Ugao Sunčevih zraka prema horizontalnoj površini na 45° sjeverne geografske širine iznosi γ= ca. 15°. ______________________________________________________________________________ 23 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 21. Juni 61,9° 21. Sept. 21. Mart 38,5° Zapad 21. Dec. 15,1° Jug Sjever 8:33 6:20 4:00 Istok Treba imati u vidu da stvarna Sunčeva energija koja dospijeva na Zemljinu površinu zavisi od meteoroloških uslova na određenom mjestu. Za primjenu Sunčeve energije u jednom mjestu, pored ostalog je potrebno da se obrati pažnja i na mikroklimu toga mjesta. Čistoća atmosfere ima znatnog uticaja na rasipanje (disperziju) direktnog Sunčevog zračenja. Čak i za vrijeme vedrih dana, na putu kroz atmosferu, direktni Sunčevi zraci se rasipaju na molekulima zraka i mikroskopskim česticama, koje lebde u atmosferi (aerosoli), od čega potiče plavetnilo neba. Oblaci, vodene kapljice, vodena para i magla u atmosferi predstavljaju veliku prepreku za prodor direktnih Sunčevih zraka na površinu Zemlje. O svemu tome treba voditi računa pri određivanju mikroklime za mjesto na kome se predviđa praktično korištenje Sunčeve energije. Sunčevo zračenje ovisi od meteoroloških uslova Sunčev spektar Sunce emitira na Zemlju elektromagnetske talase različite talasne dužne pri čemu su jedni vidljivi, a drugi nevidljivi. Svi ovi talasi zajedno čine Sunčev spektar, koji se prostire od ultraljubičaste svjetlosti talasne dužine 0,3 μm do infracrvene svjetlosti talasne dužine 3 μm. U intervalu od 0,3 μm do 0,7 μm nalaze se talasne dužine vidljive svjetlosti sa maksimumom pri talasnoj dužini od 0,5 μm. Infracrvena svjetlost počinje za talasne dužine iznad 0,7 μm. Oko 90% od ukupne Sunčeve energije koja dospijeva na Zemlju pripada talasnim dužinama između 0,3 i 1,5 μm. ______________________________________________________________________________ 24 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Prolazom kroz Zemljinu atmosferu, intenzitet Sunčevog zracenja i njegova raspodjela prema talasnim dužinama se mijenja zbog rasipanja i apsorbiranja Sunčeve radijacije u atmosferi. Maksimalni intenzitet Sunčeve radijacije ostaje i dalje za talasnu dužinu od 0,5 μm. Prema tome maksimalna energija Sunčevog zračenja na Zemlji nalazi se u oblasti talasnih dužina koje pripadaju području vidljive svjetlosti za koju je ljudsko oko najosjetljivije. Za određene talasne dužine postoje znatna slabljenja Sunčevog zračenja na Zemljinoj površini usljed apsorbiranja u vodenoj pari, kiseoniku, ozonu i ugljendioksidu, kojih uvijek ima u atmosferi. Zbog toga je na Zemljinoj površini najefektivnije djelovanje Sunčevog zračenja ograničeno na vidljivi i infracrveni dio Sunčevog spektra, odnosno, u granicama talasnih dužina od 0,3 do 1,8 μm, dok je djelovanje ultraljubičastih zraka prigušeno već kod talasne dužine od 0,3 μm. Na slici data je energetska raspodjela u Sunčevom spektru za zračenje Sunca izvan atmosfere i na Zemljinoj površini poslije prolaza kroz atmosferu. Radi upoređivanja, na istoj slici je data i energetska raspodjela u spektru crnog tijela na temperaturi od 5777 K. Raspodjela Sunčevog zračenja u spektru Intenzitet zračenja izvan atmosfere Intenzitet zračenja na Zemljinoj površini optičko područje ca. 0,4 – 0,8 μm Sunčeve komponente Energija Sunčevog zračenja “pada sa neba” i treba je samo “zahvatiti” odgovarajućim sredstvima za široku primjenu. Godišnje tako u prosjeku padne na 1m² povrsine toplotne energije koja bi se inače dobila sagorijevanjem oko 100 l ulja za loženje. Treba znati da na Zemljinu površinu dospijevaju 2 komponente Sunčevog zračenja i to jedna koja dolazi direktno od Sunca i naziva se direktno Sunčevo zračenje i druga, koja nastaje rasipanjem direktnog Sunčevog zracenja u atmosferi poznata pod imenom indirektnog ili difuznog Sunčevog zračenja. Direktno i difuzno Sunčevo zračenje na jednom određenom mjestu zajedno čine ukupno ili globalno Sunčevo zračenje”. Za praktičnu primjenu u pojedinim oblastima je važno znati srednje godišnje vrijednosti globalnog zračenja te oblasti. ______________________________________________________________________________ 25 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Na donjem dijagramu je prikazana suma globalnog zračenja u Gracu. globalno Sunčevo zračenje direktno Sunčevo zračenje Sunčevo zračenje difuzno Sunčevo zračenje Jan Feb Mart Apr Maj Jun Jul Aug Sept Okt Nov Dec mjesec Solarna konstanta Kao što se vidi za teoretska i praktična istraživanja primjene solarne energije, važno je da se odredi snaga Sunčevog zračenja na gornjoj granici Zemljine atmosfere. Snaga Sunčevog zračenja koja dospijeva na 1 m² površine izvan Zemljine atmosfere okomito na pravac Sunčevih zraka naziva se solarnom konstantom. Vrijednost solarne konstante iznosi Sk = 1373 +/- 20 W/m². U praksi se za solarnu konstantu uzima vrijednost Sk = 1353 W/m² = 1,353 kWh/m². Korektura +/- 20 je izvršena zbog toga što se Zemlja pri svom kretanju oko Sunca ne nalazi uvijek na istom odstojanju od Sunca: U zimskom periodu je na manjem, a u ljetnjem na većem odstojanju od Sunca. 1.1 Korištenje Sunčeve energije Direktna Sunčeva energija može se koristiti u praksi njenom transformacijom u toplotnu, električnu i hemijsku energiju: Prijemnik Sunčeve energije: biljke solarne ćelije kolektori Transformacija u: Oblik energije: biomasu električnu struju toplota hemijska električna termička(toplotna) ______________________________________________________________________________ 26 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Imamo mogućnost da kratkotalasnu Sunčevu energiju transformiramo u toplotnu električnu hemijsku energiju. Prema njima proces nazivamo: fototermička fotovoltaička (fotonaponska) fotohemijska transformacija. Sadašnji izvori energije i šanse za njihovo korištenje u budućnosti Nafta. Računa se da danas u svijetu ima oko 100 milijardi tona nafte. Vijek trajanja nafte iznosi jos oko 50 godina, računajući da će se današnji trend i dalje zadržati. Danas je nafta zastupljena sa oko 50% u ukupnoj primarnoj energiji. Prirodni gas. Rezerve prirodnog gasa nisu još dovoljno ispitane, ali se računa da su njegove sadašnje rezerve dovoljne za 50 do 60 godina prema sadašnjoj upotrebi. Ugalj. Prije 50 godina ugalj je bio zastupljen sa 80% među izvorima primarne energije, dok danas njegova zastupljenost iznosi oko 30%. Vijek trajanja svjetskih rezervi uglja nije tačnije određen, i računa se na 250 godina. Nuklearna energija. Neki brodovi, ledolomci i podmornice se kreću na nuklearni pogon. Vijek trajanja rezerve goriva za nuklearne električne centrale je ograničen i nuklearni izvori su iscrpljivi. Nalazišta urana su veoma rijetka i vijek trajanja njegovih rezervi iznosi oko 80 godina. Osim toga, postoje velike opasnosti od radioaktivnosti pri kvaru nuklearnih centrala. A ni problem radioaktivnih otpadaka nije riješen. Geotermalne vode se nalaze na granici između iscrpljivih i neiscrpljivih izvora energije. Izvori geotermalnih voda nastaju priraštajem temperature Zemljinih slojeva u smjeru prema njenom centru. Na svakih 30 m dubine računajući od Zemljine površine, temperatura Zemlje se povećava prosječno za 1°C. Energija okeanske toplote se zasniva na razlici temperature između površinske i dubinske temperature okeana. Temperaturska razlika može da dostigne vrijednost i do 25°C i tada se može koristiti za dobijanje energije, koja se podiže na višu temperaturu pomoću toplotne pumpe. Energija vjetra je poznata još od najstarijih dana ljudske historije. Vjetrenjače su se koristile prije za mlinove, a danas za dobijanje električne energije, naročito u zemljama sa dosta vjetra. Energija vode je takođe poznata kroz historiju čovječanstva. Prvo vodenice, a zatim turbine odigrale su značajnu ulogu za dobijanje energije. Izgradnja velikih brana za hidrocentrale mijenja okolinu i tako dolazi do meteoroloških promjena. Naime, odnos upadne Sunčeve svjetlosti i odbojne mijenja svoju vrijednost. Energija plime i osjeke takođe se spominje. Nedostaci što su uređaji skupi, a transport energije komplikovan. Ovi uređaji mogu da utiču na dosadašnje životne prilike životinja i biljaka u morima i okeanima. ______________________________________________________________________________ 27 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Talasna energija na morima i okeanima je vrlo velika. Postoje ideje da se ova neiscrpna i velika energija iskoristi. Na primjer, naizmjenično kretanje gore-dole dva ploveća objekta, dovodi do pretvaranja potencijalne energije u kinetičku i obratno, što se može upotrijebiti u korisne svrhe. Solarna energija Koje su prednosti korištenja solarne energije? Jedini realni izlaz iz sadašnje enrgetske krize je solarna energija. Na gornju površinu atmosfere pada svake sekunde oko 1500 W Sunčeve energije pri normalnom padanju svjetlosnih zraka na 1 m². Oko 50% ove ogromne količine energije dospjeva na Zemljinu površinu i nažalost ova čista i direktna Sunčeva energija nije iskorištena. Sunčeva energija je jedini izlaz iz sadašnje svjetske energetske krize iz više razloga: - Sunčeva energija je neiscrpna i čista, jer ne zagađuje okolinu; Primjenom direktne Sunčeve energije nema dodatnog zagrijavanja Zemlje i njene atmosfere; Sunčeva energija je zajednička za cijeli svijet; Ova energija je besplatna ; Tehnologija upotrebe solarne energije za dobijanje tople vode i za zagrijavanje objekata je jednostavna; Sunčeva energija je energija mira. Ne može se ratovati za Sunčevu energiju. Niski troškovi rada i najekonomičniji izvor energije Minimalna potreba za održavanjem i bez potrebe za nadolijevanjem bilo kakvog goriva Najbolji urbani obnovljiv izvor energije Pruža mogucnost uvodenja elektricne energije na mjestima gdje bi to inace bilo preskupo ili cak neizvodivo Solarna enerigija je 100 % ekološka i dugotrajnija od bilo koje druge vrste dobivanja energije a nakon prve instalacije je besplatna. Bitno je napomenuti da se za isti uloženi novac može dobiti ista količina enregije kao kod drugih izvora energije. 1.2 Sistemi za korištenje solarne energije Sistemi za korištenje solarne energije mogu biti aktivni pasivni mješoviti Aktivni solarni sistemi su postrojenja za korištenje solarne energije zasnovane na cirkulaciji radnog fluida kroz solarne kolektore montirane na raznim objektima ili posebnim nosačima. Ovi sistemi se najčešće koriste za dobijanje tople higijenske vode temperature ispod 100°C, a rjeđe i za zagrijavanje prostorija u stambenim ili drugim objektima. ______________________________________________________________________________ 28 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Pasivni solarni sistem obezbjeđuje korištenje Sunčeve energije za grijanje prostorija u objektima, prilagođavanjem dijelova njihovih površina naročito na južnoj strani tako da vrše ulogu solarnih kolektora. (pasivna kuća, staklena bašta) Mješoviti solarni sistemi koriste pasivni solarni sistem za zagrijavanje prostorija objekta i aktivni solarni sistem za dopunsko grijanje prostorija i dobijanje tople higijenske vode u objektu. (pasivna kuća sa solarnim sistemom). Efekat staklenika u kućištu kolektora Na termički izoliranom dnu kućišta (slika a) postavljen je lim obojen tamnom bojom. Na gornjoj strani kućište je pokriveno prozorskim staklom debljine 3-3mm. Od 100% vidljivog kratkotalasnog zračenja koje dospjeva na limenu ploču koja nije pokrivena staklom (slika b), kroz staklo prolazi oko 90% ovog zračenja talasnih dužina 0,3-3μm i pada na limenu ploču. Limena ploča se zagrijava i počinje da emitira infracrveno zračenje talasnih dužina iznad 3μm. Ove zrake prozorsko staklo ne propušta već ih apsorbira i tako se zagrijava. Zagrijano prozorsko staklo jedan dio toplote emitira nazad prema limenoj ploči (apsorberu), a drugi dio u atmosferu. Na taj način se limena ploča zagrije do 90°C. Sloj na površini apsorbera ponaša se kao apsolutno crno tijelo, pošto prima cjelokupno Sunčevo zračenje. Tako u prostoru između prozorskog stakla i limene ploče nastaje efekat staklenika. Dio toplote koju prozorsko staklo zrači u atmosferu može se zadržati i praktično iskoristiti postavljanjem još jednog prozorskog stakla (slika c), jer se time povećava stepen korisnog učinka efekta staklenika. Iako je propuštanje svjetlosti odnosno koeficijent transmisije sada manji i iznosi za oba prozorska stakla 75%, ipak se zbog povećanog korisnog učinka efekta staklenika, limena ploča sada zagrijava od 90°-120°C. Slika a. Slika b. 1. 2. 3. apsorber (crni lim) termička izolacija staklo Slika c. ______________________________________________________________________________ 29 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 2. Kolektor i tipovi kolektora Uređaj kojim se ostvaruje transformacija Sunčeve energije u toplotnu naziva se kolektor solarne energije. Prema konstrukciji i načinu funkcioniranja razlikuju se dvije vrste solarnih kolektora: 1. niskotemperaturni 2. visokotemperaturni (fokusirajući). Niskotemperaturni kolektori skupljaju globalno Sunčevo zračenje i transformiraju ga u toplotu do 100°C, dok fokusirajući pomoću optičkih sistema koncentriraju Sunčevo zračenje čime se postiže i temperatura od 80°C do 2000°C. Koncentriranje Sunčeve energije vrši se sistemom ravnih ogledala, sfernim, paraboličnim i cilindričnim ogledalima, kao i pomoću sabirnih optičkih sočiva. Za dobijanje tople sanitarne vode i za zagrijavanje prostorija koristi se toplota niskih temperatura do 100°C, a to se postiže niskotemperaturnim kolektorima. Niskotemperaturni solarni kolektori dijele se na: apsorber za zagrijavanje bazenske vode, vakumske, zračne i ravne pločaste kolektore. ______________________________________________________________________________ 30 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 2.1 Apsorber za zagrijavanje bazenske vode Apsorberi od plastičnog materijala se koriste za zagrijavanje bazenske vode. U sezoni kupanja je poželjna temperatura vode od 22°C do 25°C. Zato su dovoljni apsorberi od plastičnog materijala, jer imaju nisku radnu temperaturu, ne moraju se pokrivati i jednostavno se montiraju na krov. Apsorber treba da bude otporan na koroziju, hlor, vremenske nepogode, ultraljubičasto zračenje i na vlažnost. Polietilen (PE), polipropilen (PP) i EPDM ( etilenpropilen-dien-monomer, vrsta sintetičkog kaučuka) koriste se za pravljenje apsorbera. Apsorber se postavlja na krovove pod uglom između 20°i 35°, da bi se u zimskom periodu zbog smrzavanja mogla voda lakše ispustiti. ______________________________________________________________________________ 31 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Presjeci apsorbera Polipropilen (PP) Etilen-Propilen-Dien-Monomer (EPDM) EPDM Termoplastični elastomer (TPE) EPDM EPDM Polipropilen (PP) PVC+ Poliester-Vlakno ______________________________________________________________________________ 32 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 2.2 Vakumski kolektori Vakumski kolektori se najčešće zbog tehničkih razloga proizvodnje izvode kao cijevni kolektori. Kod cijevnog kolektora leži bakreni apsorber u unutrašnjosti staklene cijevi. U tu cijev, koja propušta svjetlost i koja je otporna na toplotu, je ubačena uska apsorberska traka sa selektivnim premazom. Vakumski cijevni kolektor se sastoji od nelomljive kvarcne staklene cijevi, koja propušta svjetlost i koja je otporna na toplotu. U nju je ubačena uska apsorberska traka sa selektivnim premazom. Na poleđini apsorbera se nalazi dvostrana cjevčica, koja sadrži radni fluid. Pošto je zrak u staklenoj cijevi vakumski eliminiran, smanjuje se konvekcija i time omogućava minimiranje gubitaka toplote. I kod visokih radnih temperatura postiže se veliki stepen učinka kolektora. Zbog njegovog učinka pri radnoj temperaturi od preko 60°C primjenjuje se zagrijavanje sanitarne vode i dijelom tehničke vode za grijanje. Druga prednost ovog kolektora je da se cijevi mogu okrenuti po dužnoj osi u povoljan ugao prema Suncu. Ovo je od velike koristi kod krovova koji nisu na južnoj strani a njihov nagib je previše ravan ili previše kos. ______________________________________________________________________________ 33 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Kod vakumskih cijevnih kolektora razlikujemo 2 načina vezivanja: „mokri i suhi“. Kod mokrog vezivanja protok radnog fluida je direktan, a kod suhog radni fluid dobija toplotu preko kondenzatora ( Heat-PipeSystem). Već i pri manjem Sunčevom zračenju se apsorber zagrijava, tako da se radni fluid pretvara u vodenu paru u cjevčici, koja se nalazi na njegovoj poleđini. Tom prilikom se vodena para penje ka kondenzatoru, gdje se ponovo hladi i predaje toplotu preko kondenzatora radnom fluidu, koji se nalazi u solarnom krugu. Ohlađena tečnost teče ponovo niz vanjsku cjevčicu na dole. Tako nastaje kružni tok, u kome se proces obnavlja. Prednost „Heat-Pipe” sistema je u tome što se pojedine cijevi mogu izmijeniti, a da se pri tome ne mora isprazniti kružni tok kolektora ______________________________________________________________________________ 34 Solarna termika _________________________________________________________________________________ termička izolacija izmjenjivač toplote Cijev, koja sakuplja toplotu kondenzator vakumska cijev apsorber sa selektivnim premazom Heat-Pipe u kojoj se nalazi radni fluid I pored učinka ovih vakumskih kolektora godišnje od 450 kWh/m², ipak zbog visoke cijene njegova primjena nije široko rasprostranjena na tržištu. ______________________________________________________________________________ 35 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 2.3 Zračni solarni kolektori U pogledu radnog fluida solarni kolektori se dijele na vodene i zračne kolektore. Najčešće se koriste kolektori sa tečnim fluidom, odnosno voda sa antifrizom protiv zamrzavanja. Zračni solarni kolektori kao radni fluid koriste zrak i rade na istom principu kao i solarni kolektori sa tečnim fluidom. Njihov zadatak je da uhvate, prikupe i sprovedu što je moguće veću količinu Sunčevog zračenja koristeći pored ostalog i efekat staklene bašte. Imaju iste glavne dijelove kao i solarni kolektor sa tečnim fluidom: apsorber, pokrivač (transparenta), kućište i termička izolacija. Apsorber zračnog kolektora je jednostavan i ne stvara konstruktivne teskoće kao kod vodenog kolektora. To može da bude svaka ravna i profilirana površina od materijala otpornog na toplotu do temperature do 160°C, jer se do te temperature može zagrijati apsorber izložen Sunčevom zračenju bez odvođenja toplote. Najčešće se upotrebljavaju tanki rebrasti i različito profilirani limovi od aluminija, bakra i čelika. Pored efekta staklene bašte u konstrukciji zračnih solarnih kolektora koristi se još i efekat suprotnog (povratnog) strujanja zraka i efekat rebrastih površina apsorbera. Toplotni efekat suprotnog strujanja zraka poznat je u termodinamici, a koristi se i kod strujanja tečnih fluida. Efekat rebrastih površina sastoji se u tome da se ravna površina apsorbera izloži Sunčevom zračenju, a njegova rebrasta površina na suprotnu stranu. Na taj način manja površina prima Sunčevo zračenje, a veća emitira čime se postiže da pri relativno nižoj temperaturi apsorbera njegov koeficijent korisnog učinka postane veći. Obzirom na jednostavnost u konstrukciji apsorbera solarnih zračnih kolektora, bez komplikacija sa cijevima, korozijom i vlaženjem kod vodenih kolektora, njihova pojedinačna i serijska izrada ne zadaju velike teškoće. Efikasnost zračnog kolektora je nešto manja od efikasnosti kolektora sa tečnim radnim fluidom podjednakih konstruktivnih karakteristika, prvenstveno zbog manje specifične toplote zraka u odnosu na vodu ili drugu tečnost, kao i zbog njegove manje gustine. Zbog tih karakteristika zraka, zračni kolektori rade sa višom temperaturom što ima za posljedicu niži koeficijent korisnog učinka. Grijač zraka zračni kolektor zračni kolektor Dovod zraka (25-50 C°) Zagrijavanje vode preko izmjenjivača toplote Zrak u prostoriji grijanje pomoću zraka u zimskom periodu grijanje pomoću zraka u ljetnjem periodu ______________________________________________________________________________ 36 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Zračenje toplote zračni kolektor Zid koji akumulira toplotu zračni kolektor pod koji akumulira toplotu Sistem grijanja (Hypokausten) povratno dobijanje toplote Zrak u prostoriji Dovod zraka (25-50 C°) kontrolirano provjetravanje KONSTRUKCIJA I PRINCIP FUNKCIJE ZRAČNOG KOLEKTORA HLADNI ZRAK Pokrivač (jednostruko sigurnosno staklo) strukturiran Rebrasti absorber, aluminijski profil Prirubni okvir Izolacioni materijal (mineralna vuna) TOPLI ZRAK 2.4 Kolektori sa koncentriranjem Sunčevih zraka (koncentratori) Kolektori kod kojih se Sunčevi zraci zahvaćeni sa veće površine koncentriraju na neku manju površinu nazivaju se koncentratori ili fokusirajući kolektori. Kod ovih kolektora mogu se u ovisnosti od konstrukcije ostvarivati visoke radne temperature i do par hiljada stepeni Celzijusa, mada komercijalni tipovi kolektora ostvaruju temperature od par stotina stepeni. U ovisnosti od vrste materijala koji se koriste kod fokusirajućih kolektora u najvećoj mjeri ovisi i njihova efikasnost. Toplotna energija viših i visokih temperatura do 1000 i više stepeni Celzijusa može se dobiti koncentriranjem Sunčevih zraka tako da se na mjestu korištenja gustina zračenja povećava. Ovo se postiže na više načina pomoću raznih optičkih sredstava. Sredstva se mogu podijeliti na 2 grupe: ogledala i sočiva. Ogledala mogu da budu ravna ili da imaju zakrivljene površine. Ogledala sa zakrivljenim površinama su sferna, eliptična, parabolična i cilindrično-parabolična. Podesnim postavljanjem ravnih ogledala mogu se koncentrirati Sunčevi zraci na jedan kolektor i tako dobiti toplotna energija visoke temperature. ______________________________________________________________________________ 37 Solarna termika _________________________________________________________________________________ a)sistem radnih ogledala (1) i (2) koncentriraju Sunčeve zrake na tamnu ploču (3) i zagrijavaju je do visoke temperature. b) sistem ogledala (1) i (2) koncentriraju Sunčeve zrake na cilindričnu površinu (3) i zagrijavaju ovu površinu i njenu unutrašnjost do visoke temperature. c) više ili polipločasti (Frenelov) sistem ogledala (1) koncentrira Sunčevu svjetlost na cijevi (2). a) b) c) d) sferno izdubljeno ili konkavno ogledalo eliptično ogledalo parabolično ogledalo cilindrično-parabolično ogledalo ______________________________________________________________________________ 38 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Jednostavan uređaj za kuhanje hrane (kuhalo) Sunčevom energijom pomoću paraboličnog ogledala koji se koristi u Africi Indiji. 2.5 Ravni pločasti kolektori Posebna prednost ravnih pločastih kolektora nad kolektorima za koncentriranje Sunčevog zračenja je u njihovoj mogućnosti apsorbiranja i difuznog zračenja pored direktnog. Ravni pločasti kolektori kao reprezentativni predstavnici sistema za prijem i transformaciju Sunčevog zračenja u toplotu, takođe se mogu podijeliti na više grupa i podgrupa u ovisnosti od konstrukcionih karakteristika (materijala elemenata iz kojih je izrađen apsorber, vrste apsorbirajućeg premaza, broja transparentnih ploča i dr.) i radnom medijumu koji služi kao nosilac toplote (sa tečnim radnim sredstvom i zrakom). Ravni solarni kolektori su najjednostavniji uređaji pomoću kojih se globalno Sunčevo zračenje može apsorbirati i pretvoriti u toplotu. Prosječna konstrukcija ravnog pločastog kolektora sastavljena je iz kućista, apsorbera, toplotne izolacije, transparenta. Kućište je sa vanjske strane zatvoreno i izolirano, da se ne bi efikasnost kolektora zbog prašine, insekata i vlažnosti pogoršala i da bi se minimirao gubitak toplote. ______________________________________________________________________________ 39 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Okvir za zaptivanje kolektora sa gornje strane Guma sa trostrukim profilom za zaptivanje. EPDM- crna i silikonska Specijalno prizma solarno staklo bez željeza Apsorber sa bakrenim cijevima. Poleđina od aluminija Izolacija od impregnirane kamene vune Toplotna izolacija sprječava gubljenje toplote iz kolektora na njegovim bočnim stranama, a naročito sa donje strane. Zastakljenje može biti jednostruko i dvostruko, a rijetko trostruko i ima ulogu obrazovanja u kolektoru već poznatog efekta staklenika, kao i zaštite od meteoroloških promjena. ______________________________________________________________________________ 40 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Solarni kolektor EKS 2000 – 1,3m² Velikopovršinski kolektor EKS 3000 – 2,5m² adapter za senzor eloksirani aluminijski okvir prsten za zaptivanje (od silikonskog kaučuka) pokrivanje prizma solarnim staklom bez željeza držači za centriranje apsorbera visoko selektivni premaz (crni nikl) termička izolacija apsorberska ploča (aluminijum) bakarne cijevi koje služe za transport fluida montažna ploča integrirana sabirna cijev spojnica od mesinga sa steznim prstenom a prokromska opruga korito kolektora (izvučeni aluminijum sa rebrom za ukrućenje) b Šematski su prikazane gornje površine kolektora sa najjednostavnijim i najčešćim načinom postavljanja na apsorber. Zmijasto savijena metalna ili plastična cijev (slika a) učvršćena je uz ploču apsorbera A tako da na jednom kraju (1) ulazi hladna voda, a na drugom (2) izlazi topla posle zagrijavanja Sunčevim zračenjem. Na slici b šematski je prikazan slučaj kada su cijevi paralelno učvršćene za ploču apsorbera A i nalemljene na dovodnu (1) i odvodnu cijev (2). ______________________________________________________________________________ 41 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 3. Apsorber Najvažniji i najosjetljiviji dio solarnog kolektora je apsorber jer od njega uglavnom ovisi efikasnost kolektora. Treba imati u vidu da je apsorber istovremeno i izmenjivač toplote jer toplotnu energiju primljenu od Sunca predaje transportnom fluidu koji je odvodi do potrošača ili u akumulator toplote za kasniju upotrebu. Apsorber je ravna ploča od materijala koji dobro apsorbira Sunčevo zračenje i obojena je selektivnim premazom u kojoj protiče transportni medijum i odvodi toplotu dobijenu Sunčevim zračenjem. Postoje različite vrste apsorbera s obzirom na materijal od kojeg su napravljeni, način premaza njegove površine, efikasnost u predaji toplote transportnom radnom fluidu i način ugradnje u solarni sistem. Apsorberi se prave od bakra, aluminijuma, čelika, mangana i specijalnih vrsta plastičnih materijala. Veoma je postojan i efikasan bakarni apsorber sa bakarnim cijevima. Za aluminijumske apsorbere postoji opasnost od korozije naročito u primorskim krajevima zbog prisustva soli u zraku. Čelični apsorber može da korodira ako se iz njega za izvjesno vrijeme odstrani voda. Pri izboru materijala za apsorber o svemu navedenom treba voditi računa. Površina apsorbera koja se izlaze Sunčevom zračenju premazuje se matcrnom bojom (solarnim lakom) tako da se smanjuje gubitak toplote usljed refleksije i difuzije svjetlosti, a povećava apsorbiranje ove površine. Sloj laka treba da bude što tanji, pošto je lak termički izolator i loš provodnik toplote. Na taj način se postiže da apsorber apsorbira oko 95% Sunčevog zračenja, i emitira oko 80%. Pošto solarni kolektor treba da traje više godina mat-crni lak mora da bude postojan i otporan na temperaturu do 160°C. Apsorberi sa ovako obojenom površinom nazivaju se neselektivni. Kada se gornja površina apsorbera oboji specijalnom bojom koja dobro apsorbira kratkotalasno zračenje vidljivog Sunčevog spektra, a slabo emitira dugotalasno toplotno infracrveno zračenje, onda se dobija apsorber sa selektivnom površinom. Solarni kolektor sa ovakvim apsorberom ima male toplotne gubitke koji nastaju zračenjem apsorbera, jer on više apsorbira toplotne energije nego što je emitira. Ovo se može objasniti time što je debljina sloja ove boje veoma mala i iznosi ispod 3μm, tako da propusta infracrvene zrake, ali ih zagrijan slabo emitira. Od 100% Sunčevog zračenja koje primi, selektivna površina apsorbera apsorbira oko 90-95% toplotnog infracrvenog zračenja, a emitira samo oko 10-20%. Zato se u posljednje vrijeme za solarne kolektore sve više koriste apsorberi sa selektivnom površinom.U cilju što efikasnije predaje primljene toplote radnom fluidu, apsorber treba da ima što bolju provodljivost toplote i da bude u što neposrednijem kontaktu sa fluidom. O tome se mora voditi računa pri izboru materijala i konstrukciji apsorbera. Crni lak i selektivna površina (sloj) Selektivna površina (sloj) Emisija samo 15% Konvencionalni crni lak Emisija 88% svjetlost svjetlost toplota toplota apsorber apsorber ______________________________________________________________________________ 42 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Za proizvodnju selektivnih površina se koriste razni postupci. Najčešće se primjenjuje postupak elektrolize, gdje se npr. tanki sloj pigmenata crnog nikla nanosi na aluminijsku ploču ili sloj pigmenata crnog kroma na bakarnu ploču. Jedan od novih selektivnih površina je tinox. Tinox – TiNxOy (Titan-nitrid-oksid) se sastoji od Ti (titana), N2 (azota), O2 (kisika) i SiO2 (kvarca). Tinox nastaje postupkom oplemenjivanja metalnih površina. Metal se isparava i sliježe se u vakumskoj komori na hladnu površinu radnog komada. U prvoj fazi se tanak sloj (0,1μm) od titan-nitrid-oksida nanese na supstrat od bakra ili aluminija. A u drugoj fazi ovog postupka se isparavanjem dodatni antireflektirajući sloj SiO2 (kvarca) oplemeni. Upoređujući druge apsorbere istraživanja su pokazala da tinoksovi apsorberi ovisno od konstrukcije kolektora mogu smanjiti gubitke toplote (K-vrijednost) i do 0,8 W/m²K. Njegova proizvodnja je 100% oslobođena emisije i koristi 90% manje energije u odnosu na površine apsorbera dobijene galvanizacijom. Tinoxovi sastavni elementi nisu otrovni i biološki se razgrađuju. Karakteristike proizvoda pojedinih površina (slojeva) apsorbera Proizvodač Tekno Term MIT Batec GIBO INCO ALLoys Energie Solaire Themafin Proizvod Kratkotalasna Dugotalasna Sloj apsorpcija α emisija (premaz) % ε% SunStrip 95 +/- 2 15 +/- 2 Ni na oksidiranom Al Black 95 +/- 2 12 +/- 2 crni krom Chrome na Ni Batec 95 +/- 2 12 +/- 2 crni krom na Ni GIBO 95 +/- 2 12 +/- 2 crni krom na Ni Maxorb 97 +/- 1,5 10,5 + /- 1,3 crni nikl 94 +/- 2 18 +/ - 4 > / = 95 < / = 10 TINOx Interpane Solar Apsorber Black Chrystal TINOx Sunselect 95 95 5 5 Tekno Term Ikarus Solar Solei (Luz) SunStrip (novi) Apsorber 2000 Solaei 95 10 95 10 98 8 Shiroki Sydney Abs. 96 3 90 +/- 2 20 +/- 5 95 88 95 86 70 - 90 2-4 Razni proizv. crni krom na Ni Ni TINOx materijal mix Ni Postupak Apsorber elektrohemijski Al galvanski Cu galvanski Cu galvanski Cu zaljepljen kao folija galvanski Al Es kristalizirani Cu PVD Cu Cu Al a-C:H PECVD (org.)/ metal nepoznat razni postupci lakiranja nepoznat nepoznat selektivni lak crni aut. lak solarni lak M 40 amorfni ugljik Cu Cu staklo nepoznat Al / Cu špricanja i premazivanja špricanja i premazivanja špricanja i posipanja Al / Cu / St / Es Al / Cu / St / Es Al / Cu / St / Es ______________________________________________________________________________ 43 Solarna termika _________________________________________________________________________________ I pored nastojanja da se konstruktivnim usavršavanjem postigne što bolji kontakt između ploče apsorbera i radnog fluida, ipak se gubi toplotna energija predata radnom fluidu na mjestima zavarivanja dodirnih površina i u prostoru među cijevima. Gomja površina se oboji selektivnim premazom, donja se postavlja na toplotno izoliranu podlogu. Na taj način se dobija veoma dobar koeficijent korisnog dejstva apsorbera. Međutim, pošto su obje ploče čvrsto spojene površina izložena Suncu se jače zagrijava i može da dođe do savijanja zbog različite dilatacije(lat. rastezanje, širenje) pojedinih limenih ploča. Na šemi strelicom je prikazan tok fluida u ovom apsorberu. Pored navedenih osobina, apsorber treba da bude što jednostavniji za mogućnosti ručne izrade kao i za serijsku proizvodnju. Iz izloženog se vidi da za pojedinačnu i ručnu izradu najveću teškoću predstavlja povezivanje cijevi sa pločom apsorbera profiliranjem i zavarivanjem. Na šemi je prikazan tok fluida u ovom apsorberu. 3.1 Uticaj crnog premaza (sloja) na efikasnost kolektora Crni premaz apsorbera omogućuje intenzivnije upijanje Sunčevog zračenja i samim tim bolje zahvatanje energije, te veći učinak kolektora. Obzirom na takav značaj boje na efekat kolektora potrebno je da se prilikom projektovanja solarnih instalacija projektant upozna i sa nekim njenim karakteristikama kao što su koeficijent apsorpcije, koeficijent emisije, otpornost na više temperature, otpornost na prirodno starenje, elastičnost i dr., kako ne bi boja prije vremena propala i smanjila učinak kolektora. Veća hrapavost apsorbera takođe doprinosi boljoj apsorpciji zraka i boljem energetskom bilansu kolektora Sunčevog zračenja. 3.2 Prednji pokrivač solarnog kolektora (transparenta) Poslije apsorbera važan dio solarnog kolektora je prednji pokrivač koji propušta Sunčevo zračenje do površine apsorbera. On ima 2 osnovna zadatka: da u solarnom kolektoru uspostavi efekat staklene bašte i da zaštiti apsorber od neposrednog dodira sa atmosferskim zrakom. U neposrednoj blizini veoma zagrijanog apsorbera A (vidi sliku lijevo), uvijek se javlja konvektivno kretanje zraka. Usljed stalnog kretanja zraka nastaje miješanje njegovih toplijih i hladnijih slojeva, zbog čega nastaje veliki gubitak toplote koju je apsorber primio. ______________________________________________________________________________ 44 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Postavljanjem staklenog pokrivača S (vidi sliku desno) u kolektoru iznad apsorbera ovaj gubitak se znatno smanjuje jer se time ograničava konvektivno kretanje zraka. Zato rastojanje između prednjeg pokrivača kolektora i apsorbera treba da bude 20-30 mm. Na taj način se konvektivno kretanje zraka između pokrivača i apsorbera znatno reducira i time smanjuje gubitak toplote apsorbera. Pri izboru stakla za prednji pokrivač solarnog kolektora, treba obratiti pažnju i na kvalitet stakla. Dokazano je da od 2 staklene ploče iste debljine povoljniji koeficijent transmisije svjetlosti ima staklo čije su ivice svijetle nego ono sa ivicama zelenkaste boje. Pošto je Sunčevo zračenje kratkotalasno, prolazi kroz staklo manje debljine. Na primjer, od 100% ulaznog zračenja kroz staklenu ploču debljine 3mm prolazi 85%, a kroz staklenu ploču od istog materijala debljine 6mm prolazi 81%. Pored ova 2 osnovna zadatka, prednji pokrivač solarnog kolektora treba da zaštiti apsorber od zagađivanja, atmosferskih padavina i vlage. To znači da on treba da ima mehaničku i toplotnu otpornost, kao i hemijsku postojanost. Iz ovog prethodnog se vidi da kod izrade solarnih kolektora potrebno odrediti debljinu staklenog pokrivača i rastojanje između pokrivača i apsorbera. Na donjim slikama vidimo primjere standardnog solarnog stakla i antireflektirajućeg stakla, koji se sada primjenjuju za solarne kolektore. Transmisija standardnog solarnog stakla Transmisija antireflektirajuće stakla 4% refleksija 1,5% refleksija 1% apsorpcija 1% apsorpcija 4% refleksija Standardno solarno staklo 91% transmisija 1,5% refleksija Antireflektirajuće staklo 96% transmisija ______________________________________________________________________________ 45 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 3.3 Izolacija i zaptivanje kolektora Kućiste solarnog kolektora može da bude od metala ili od drveta. Pored metala koji se koriste za apsorber, za kućiste se može koristiti pocinčani lim, aluminij, prokrom(nehrđajuci čelik). Kućiste mora da bude tako da u njemu budu obezbjeđeni potpuna termička izolacija i zaptivanje svih dijelova solarnog kolektora, naročito apsorbera i pokrivača. Dno kućista ispod apsorbera i bočne strane kućišta mora da budu potpuno termički izolirani. Kao termičkoizolacioni materijal koristi se poliuretan(PU), staklena i impregnirana kamena vuna. Sloj materijala za izoliranje debljine 50-100 mm dovoljan je za termičku izolaciju dna, a 20-30 mm za izolaciju bočnih strana kućista solarnog kolektora. U praksi je najbolje osobine izolacije protiv gubitaka toplote i vlažnosti pokazala kombinacija sloja kamene vune i sloja poliuretana, pri čemu se sloj kamene vune stavi iznad sloja poliuretana. Sloj kamene vune štiti tada sloj poliuretana od toplote, a poliuretan sloj kamenu vunu od vlažnosti. U cilju povećanja koeficijenta korisnog učinka solarnog kolektora, sloj poliuretana se obloži aluminijskom folijom. Između takvog dobijenog izolatora apsorbera ostavi se sloj zraka debljine oko 5 mm. Pored izolacije potrebno je i dobro zaptivanje svih elemenata solarnog kolektora ugrađenih u kućište, a naročito prednjeg pokrivača (transparenta). Solarni kolektor EPDM – Guma za zaptivanje Eloksirani aluminijski okvir transparentno sigurnosno staklo Selektivna površina-sloj Bočna izolacija Ultrazvučno zavareni apsorber od bakra Termička izolacija- 60mm Poleđina od aluminija 3.4 Smanjenje efikasnosti kolektora tokom vremena eksploatacije (upotrebe) Termo-energetske karakterisitke kolektora relativno brzo opadaju u ovisnosti od konstruktivnih karakteristika, vrste ugrađenog i korištenog materijala, tehnologije izrade i dr. Zbog toga kako neka praktična istraživanja na to ukazuju, dolazi do ukupnog pada energetskih karakteristika cjelokupnog solarnog uređaja uzrokujući značajna odstupanja od predviđenih efekata. Uticaji na veličinu koeficijenta termičke efikasnosti kolektora mogu se generalno podijeliti na dvije grupe: uticaji na koje se može djelovati eksploatacionim i koncepcijskim uvjetima i rješenjima uticaji na koje se uslovno rečeno ne može djelovati eksploatacionim i koncepcijskim uvjetima i rješenjima ______________________________________________________________________________ 46 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Nakon puštanja kolektora u rad, izložen je stalnim dinamičkim djelovanjima njegove upotrebe. To dovodi do procesa degradacije (lat. postepeno smanjivanje i gubljenje), što ima kao rezultat pad njegove efikasnosti. Degradacioni procesi koji se odvijaju u njemu mogu biti fizičko-hemijski i mehanički. Fizičko-hemijski procesi pojedinih parametara kolektora manifestiraju se smanjenjem faktora transmisije transparentnog pokrivača ( )זzbog procesa starenja i dr., smanjenjem spektralnog faktora apsorpcije apsorbera (α) zbog promjene pigmentacije, isparavanja pojedinih komponenti apsorpcionog premaza, termičkih uticaja i drugih procesa u materijalima od kojih je izrađen kolektor. Mehanički, termo-mehanički procesi, manifestiraju se takođe, smanjenjem karakteristika transmisije i apsorpcije kolektora, prije svega zbog taloženja prašine i čestica na transparent kod svih vrsta kolektora i apsorber ( kod kolektora sa dekompresionim otvorima usljed “efekta disanja”, i kod kolektora sa zrakom kao radnim fluidom). Deponiranje prašine, čestica iz zraka i materija iz boje, termičke izolacije i dr. (usljed termičkih i mikroklimatskih kružnih ciklusa u samom kolektoru) na unutrašnju stranu transparenta, takođe tokom vremena smanjuju njenu transparentnost. Isto tako vlaga koja dospjeva u unutrašnjost kolektora prodire u termičku izolaciju povećavajući joj koeficijent konduktivnog provođenja toplote, što za posljedicu ima povećane ukupne toplotne gubitke i aktiviranje hemijskih degradacionih procesa. Kod kolektora sa tečnim radnim fluidom na pad koeficijenta termodinamičke efikasnosti značajan uticaj ima pojava taloženja materija iz tečnosti na zidove kanala (kamenac) što povećava termičke otpore toplotnom pravcu od apsorbera ka radnom fluidu. Posljedica ove pojave je otežano hlađenje apsorbera kolektora, odnosno porast njegove srednje temperature u odnosu na temperaturu zraka i vanjske sredine, te pad ukupnog koeficijenta efikasnosti kolektora. Obzirom da je kolektor u sistemu solarnog grijanja, elemenat koji je uvijek van objekta zbog neposrednog izlaganja djelovanju Sunčevog zračenja, mora biti izložen djelovanje atmosferskih uvjeta koji utiču na njegovu trajnost i vjetru i njegovoj brzini koji povećava njegove toplotne gubitke. 3.5 Orijentacija kolektora Kolektor lociran sjeverno od Ekvatora se pod određenim nagibom orijentira ka jugu u cilju dobijanja maksimalnih energetskih efekata. Pošto se relativan odnos Sunca prema objektu na kojem je lociran kolektor, mijenja tokom dana, mjeseca i godine neophodno je kod nepokretnih kolektorskih sistema obezbijediti pravilnom orijentacijom maksimalnu osunčanost kolektora, te time i energetski povoljniji učinak. Ukoliko smještajne mogućnosti ne dozvoljavaju idealnu južnu orijentaciju kolektora, a na tome se u krajnem slučaju ne mora insistirati, moguće je kolektor locirati i u zakrenutom položaju, u odnosu na jug bez velikih gubitaka. 3.6 Nagib kolektora Poznata je ovisnost intenziteta Sunčevog zračenja koji dospijeva na neku površinu na Zemlji i ugla koji čine svjetlosni zraci sa ovom površinom, što znači za prijemnu površinu ravnog solarnog kolektora. Solarni kolektori su najčešće učvršćeni na krovovima kuća, terasama ili na čeličnim nosačima na zemlji. Sunce koje zračenjem predaje energiju solarnom kolektoru, prividno vrši dvostruko kretanje i to dnevno i godišnje. Prividno dnevno kretanje Sunca od istoka prema zapadu preko juga nastaje usljed okretanja Zemlje oko sopstvene ose od zapada ka istoku. ______________________________________________________________________________ 47 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Prividno godišnje kretanje Sunca nastaje usljed kretanja Zemlje oko Sunca zbog čega se Sunce na nebu prividno pomjera 4 puta po 23°27’ između sjevernog ij užnog povratnika pri čemu dva puta mijenja smjer svog prividnog kretanja. Poznato je da u ovakvoj situaciji nije moguće da na kolektor okrenut prema jugu Sunčevi zraci u toku dana i cijele godine padaju na prijemnu površinu kolektora (prednju) pod pravim uglom, kada solarno zračenje ima najveći efekat. Zato je potrebno da se pri postavljanju solarnog kolektora za njegov nagibni ugao prema Zemlji izabere odgovarajuće rješenje tako da u toku godine ili pojedinih godišnjih doba, Sunčevi zraci padaju što je moguće normalnije na prijemnu transparentnu površinu kolektora. Naročito je važno da se ovo postigne u intervalu od oko 6 sati u podne svakog dana kad je efekat Sunčevog zračenja tada najjači. U oblastima sa čestim maglama potrebno je da se kolektori usmjere prema jugozapadu da bi se popodnevnim Sunčevim zračenjem nadoknadilo ono što je izgubljeno u jutarnjem periodu zbog magle. Treba imati u vidu da radni solarni kolektori funkcioniraju i kad je nebo pokriveno tankim oblacima, jer tada dolazi do izražaja difuzno Sunčevo zračenje, čiji intenzitet može da dostigne i do 25% direktnog Sunčevog zračenja. Na donjoj slici prikazani su nagibni uglovi solarnog kolektora prema Zemlji (horizontu) za dobijanje najvećeg stepena iskorištenja u toku cijele godine (a), u ljetnjem periodu (b) i zimi (c) za područja na 45° sjeverne geografske širine. a) Sa (1) – je označen pravac svjetlosnog zraka Sunca u ljetnom periodu Sa (2) – je označen pravac svjetlosnog zraka Sunca u zimskom periodu ______________________________________________________________________________ 48 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 4. Montaža kolektora Postoje tri tehnike montaže: 1. montaža na krovu 2. montaža u krovu 3. montaža na zemlji i na ravnom krovu 4.1 Montaža kolektora na krovu Sistem montaže (Euro) kolektora omogućava brzu i efikasnu montažu na krov bez skidanja dijelova krovne konstrukcije. Oni se mogu instalirati horizontalno i vertikalno. Montaža i do 4 kolektora mogu izvesti dva radnika (instalatera) sa upotrebom jednostavnog alata. ______________________________________________________________________________ 49 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Komplet za montažu kolektora na krov (vertikalno ili horizontalno) 1. nosači za montažnu šinu koji se pričvrste za gredu krova 2. vijci 6x80 mm 3. t-vijci od prokroma sa maticom 4. montažna šina duga 1257 mm 5. montažna šina duga 1223 mm 6. dio za spajanje šina sa t-vijcima od prokroma sa maticom M 10x30 7. stega sa t-vijkom M 10x30 i dvije matice 8. Euro-kolektor 9. t-profil od silikona 10. fleksibilno crijevo (235 mm) sa preklopnom maticom od ½” i izolacijom 11. zaptivka 12. fleksibilno crijevo (900mm) sa preklopnom maticom od ½” i izolacijom 13. nazuvica za lemljenje od ½”/ 18 mm ______________________________________________________________________________ 50 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Siguran spoj na krovu postiže se pomoću montažne šine, vijka (u obliku slova T) i nosača šine (koji se pričvršćuje na gredu). 3 različita primjera nosača montažne šine za različite krovne pokrivače podloga od drveta nosač montažne šine Tip BS greda cigla ______________________________________________________________________________ 51 Solarna termika _________________________________________________________________________________ odzraka ventil za zatvaranje montažna šina montažna šina solarni senzor solarni senzor solarni senzor solarni senzor Obratite pažnju na položaj i broj nosača solarni senzor solarni senzor solarni senzor solarni senzor Obratite pažnju na položaj i broj nosača ______________________________________________________________________________ 52 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Alat koji je potreban za montažu kolektora. Sastavljanje šina za montažu ne obavlja se na krovu, nego u radionici. ______________________________________________________________________________ 53 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Kod rada na krovu obavezno primijeniti mjere sigurnosti. (npr. uzeti sigurnosne pojase). Izmjeriti mjesto na koje dođu kolektori. Nosače za montažnu šinu pričvrstiti na grede. Montažnu šinu podesiti na istu visinu i pričvrstiti je za nosač. Nosače kolektora pričvrstiti na kolektor. Gornji kolektor spustiti na donje vijke na montažnoj šini. ______________________________________________________________________________ 54 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Gornji kolektor pričvrstiti sa stegom na donjoj i gornjoj ivici za montažnu šinu. Gornju ivicu donjeg kolektora ubaciti ispod stege a zatim njegovu donju ivicu pričvrstiti. Kod vertikalnog postavljanja kolektora prvo kolektore staviti u specijalne nosače. Nakon toga treba ga pričvrstiti za montažnu šinu i tek onda postaviti drugi kolektor. U prostor između kolektora ubaciti silikonski t-profil. Izvaditi gumeni čep, i provući kroz njega senzor i zatim ga vratiti u adapter koji se nalazi u kolektoru. ______________________________________________________________________________ 55 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Kolektore spojiti sa fleksibilnim crijevom od prokroma. Kod zatezanja obratiti pažnju na navojnicu da ne bi došlo do oštećenja priključka kolektrora. Isjeći krovnu foliju, presaviti je i staviti ciglu za ventilaciju. Kroz otvor provući fleksibilna crijeva i priključiti ih na solarni krug. Ako se na kući nalazi gromobran onda treba montažnu šinu spojiti sa gromobranom. Nakon toga treba uzemljiti solarni krug. ______________________________________________________________________________ 56 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 4.2 Montaža kolektora u krovu Montažu ovih (Euro) kolektora u krov mogu izvesti dva radnika (instalatera) i lako se mogu ugraditi u krovnu konstrukciju. ______________________________________________________________________________ 57 Solarna termika _________________________________________________________________________________ gornji lim kojim se pokriva kolektor spužvasta guma lim za zatvaranje uglova (desno) vijci za lim crijevo od prokroma drvena podloga lim za zatvaranje uglova (lijevo) držač kolektora za montažu u krovu bočni limovi (desno) celulozna gumena traka silikonska guma sa t-profilom bočni limovi (lijevo) vijci 4x70 ekseri daska na kojoj leži kolektor donji lim kojim se pokrivaju daske na krovu olovna traka širina polja u koje se ugrađuje kolektor za 2 kolektora 2445 mm za 3 kolektora 3663 mm za 4 kolektora 4881 visina polja u koje se ugrađuje kolektor 2550 mm-2640 mm šabloni ______________________________________________________________________________ 58 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Alat koji je potreban za montažu kolektora u krov. Pričvrstiti nosače za kolektor. Spustiti kolektor na donju dasku i fiksirati. Na osnovu mjera i šablona treba označiti polje za ugrađivanje i skinuti cigle. Odrediti položaj daske uz pomoć šablona i onda ih pričvrstiti. Podići kolektore na krov. U razmak između kolektora ubaciti silikonsku traku sa t-profilom. ______________________________________________________________________________ 59 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Pričvrstiti gornju ivicu kolektora sa lijeve i desne strane za dasku. Nanijeti tanki sloj silikona između profila silikonske trake i okvira kolektora. Spojiti kolektore sa fleksibilnim crijevom od prokroma. Priključiti fleksibilno crijevo sa navojnicom na kolektor i na solarni krug u krovu. Izvaditi gumeni čep, i provući kroz njega senzor i zatim ga vratiti u adapter koji se nalazi u kolektoru. Postaviti drvenu podlogu na kolektor i pričvrstiti je. ______________________________________________________________________________ 60 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Presaviti olovnu traku pod uglom od 90°. Postaviti ivicu olovne trake uz kolektor i onda je pričvrstiti ekserima. Olovna traka treba da bude duža ca. 15 cm od kolektora. Ubaciti bočne limove u žlijeb na kolektoru. Pričvrstiti bočne limove sa ekserima za daske na krovu. Pričvrstiti spojnice na olovnu traku. Ubaciti lim u žlijeb na donjoj strani kolektora. ______________________________________________________________________________ 61 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Saviti spojnice i pomoću njih fiksirati lim. Presaviti olovnu traku preko bočnih limova. Zalijepiti celuloznu gumenu traku na gornji okvir kolektora. Postaviti lim za zatvaranje uglova sa lijeve i desne strane. Nanijeti na njih malo silikona i postaviti gornje limove za pokrivanje. Pričvrstiti krajeve lima za pokrivanje. Pričvrstiti gornje ivice lima za pokrivanje za daske na krovu. ______________________________________________________________________________ 62 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Pričvrstiti gornje limove na preklopima. Pričvrstiti gornju dasku iznad lima za zatvaranje da bi se izjednačila visina sa ostalim daskama. Odstraniti graničnik sa cigle, probušiti je i postaviti je uz bočne limove i na kraju je pričvrstiti za daske. Zalijepiti na lim za pokrivanje spužvastu debelu traku. Podesiti olovnu traku tako da leži na ciglama. Ovim je završena montaža kolektora u krov. ______________________________________________________________________________ 63 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 4.3 Montaža na zemlji i na ravnom krovu Slika prikazuje postavljanje kolektora na zemlju pomoću seta za „slobodnu“ montažu. ______________________________________________________________________________ 64 Solarna termika _________________________________________________________________________________ set za montažu: 1.-aluminijska L-šina 2235 mm; 2.-aluminijska L- šina 1640 mm; 3.-montažna C-šina 1730mm; 4.- prokromski vijak sa maticom M 10x30; 5.- prokromski T-vijak sa maticom M 10x30; 6.- šestougaoni vijak sa podlogom 8x60 7.- stega za kolektor sa prokromskim vijkom sa maticom M 10x30; 8.- Euro-kolektor; 9.- prsten za zaptivanje; 10.fleksibilno crijevo sa preklopnom navojnicom ½“ i izolacijom 235mm; 11.- kolektor sa spojnicom Određivanje ugla za postavljanje kolektora. ______________________________________________________________________________ 65 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Dva primjera koja pokazuju kako se nosači na koji se postavlja kolektor mogu pričvrsti betonskim blokovima (za montažu na zemlji) ili aluminijskim pločama (za montažu na ravnom krovu). Način spajanje kolektora u horizontalnom položaju. Alat koji je potreban za ovu tehniku montaže. Pripremiti aluminijske ploče za montažu na ravnom krovu. ______________________________________________________________________________ 66 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Postaviti 2 ugaona profila i pričvrstiti ih na ivice ploče. Probušiti stranice ove ploče i pričvrstiti donju ivicu ugaonog profila na okvir. Pričvrstiti vijke sa maticom na oba ugaona profila. Sastaviti trougao od drugog ugaonog profila i montažne šine i fiksirati ga pod odgovarajućim uglom. Postaviti kolektore u nosače tako da stranice kolektora leže između gornjih i donjih vijaka. Pričvrstiti kolektor sa stegama za ugaoni profil. ______________________________________________________________________________ 67 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Spojiti solarni krug sa priključcima kolektora pomoću navojnih armatura za letovanje. Izolirati cijevi sa termičkom izolacijom, koja je otporna na (uv) zrake i na visoke temperature. Kod zatezanja navojnice paziti da se ne oštete priključci kolektora. Nasuti šljunak da bi se opteretile ove ploče u visini od 10cm. ______________________________________________________________________________ 68 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 4.4 Solarni kolektor za sastavljanje Sastavljanje ovog tipa kolektora mogu izvesti 2 instalatera. Ovdje je prikazana ugradnja zaletovanog apsorbera u već sastavljeno kućište kolektora. ______________________________________________________________________________ 69 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Kućište kolektora Kućište kolektora se sastoji iz sljedećih elemenata: 1.- profilni okvir (horizontalni); 2.- profilni okvir (vertikalni); 3.- ugaona spojnica; 4.- vijci za pleh od prokroma 4,2x16mm; 5.- vijci za pleh od prokroma 4,8x13mm; 6.- gumena zaptivka 18mm; 7.- gumeni čep za senzor; 8.- aluminijski T-profil 1460 mm; 9.- PU- ploče 30mm; 10.- ploče od mineralne vune 30mm ; 11.- trake od mineralne vune za bočnu izolaciju ______________________________________________________________________________ 70 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Apsorber - SOLSTRIP 1.- apsorberske trake; 2.- cijevna spojnica; 3.- cijevni razvodnik sa 12 ogranaka; 4.-kratki cijevni razvodnik sa 6 ogranaka; 5.- bakarna kapa; 6.- koljeno od bakra; 7.- bakarni priključak 115mm dug; 8.- aluminijski pleh za pričvršćenje apsorberske trake; 9.- ugaoni držač apsorbera 3x40x40 mm; 10.- prokromski vijci za pleh 4,8x13mm; 11.- temperaturni senzor koji se postavlja na razvodnu cijev ______________________________________________________________________________ 71 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Stakleni pokrivač (transparenta) 1.- guma za zaptivanje okvira tip K (vertikalno); 2.- guma za zaptivanje okvira tip K (horizontalno) 3.- podloga za staklo; 4.- prokromski vijci za pleh 4,8x13mm; 5.- profil na koje se oslanja staklo; 6.- guma za profil na koje se oslanja staklo; 7.- solarno staklo; 8.- profil gume Alat koji je potreban za tehniku sastavljanja ovih kolektora. ______________________________________________________________________________ 72 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Staviti 2 daske dužine 1,5 m na nosače. Dva duga profila i jedan kratki profil položiti u obliku slova u. Na ivice okvira kolektor nanijeti tanak sloj silikona. Spojiti okvirove kolektora sa ugaonim spojnicama, a na označenim mjestima probušiti okvir i zavrnuti vijke. Položiti PU- ploče na gornji žlijeb okvira kolektora, a između njih ubaciti aluminijski tprofil. Zatvoriti kolektor sa posljednjim okvirom. Probušiti aluminijske okvire na mjestu tprofila, koji služe za učvršćivanje kolektora i uvrnuti vijke. ______________________________________________________________________________ 73 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Položiti kućište kolektora sa otvorom na gore i ispuniti fuge između izolacionih ploča. Staviti ploče od mineralne vune kao drugi sloj izolacije i utisnuti izolacione trake od mineralne vune u bočne strane kućišta. Staviti nekoliko daski poprijeko na okvir kućišta i na njih staviti apsorberske trake. Očistiti krajeve apsorberskih traka i razvodne cijevi . Sa jedne strane upotrijebiti dugu cijev, a sa druge strane 2 kratke razvodne cijevi. Premazati krajeve razvodnih cijevi i krajeve apsorberskih traka sa pastom za letovanje. Staviti koljeno cijevi na vanjske krajeve kratkog razvodnik, a na unutrašnje krajeve bakarne završetke. ______________________________________________________________________________ 74 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Zagrijati mjesto koje se letuje sve dok pasta za letovanje ne poprimi boju srebra i tek onda početi letovati. Očistiti sa vlažnom krpom mjesta, da bi se odstranili agresivni ostaci ove paste. Ispitati apsorber sa vodenim pritiskom da li je dobro zaptiven i da li gdje propušta. Pričvrstiti apsorberske trake za lim. Na krajeve lima pričvrstiti ugaoni držač. Pričvrstiti temperaturni senzor na razvodnik cijevi u blizini izlaza cijevi kolektora. Krajeve apsorbera provući kroz otvore na kućištu i položiti apsorber. ______________________________________________________________________________ 75 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Zakačiti apsorber sa profilom za kućište kolektora. Postaviti gumu za zaptivanje na kraće strane kolektora Utisnuti profil na koji se naslanja staklo. Izvući kabal od senzora i provući kroz otvor i sve zatvoriti. Postaviti gumu za zaptivanje na duže strane kolektora i odsjeći završetke. Utisnuti gornju šinu na kojoj leži staklo. ______________________________________________________________________________ 76 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Probušiti profile na kojim leži staklo i pričvrstiti za okvir kolektora. Odlomiti komad sa profila na koje se naslanja staklo. Probušiti tri rupe za odvod vode na profil na koje se naslanja staklo. Utisnuti gumu na profil na koji se naslanja staklo. Dvije osobe mogu ponijeti kolektor jer je lagan, zato što se tek na mjestu na kojem se montira postavljaju staklene ploče. ______________________________________________________________________________ 77 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Postaviti staklene ploče direktno na mjestu montaže i navući gumu na nosače na kojima leži staklo. Osigurati kolektor sa dodatnim profilom koji služi za zaštitu od vjetra i nevremena. ______________________________________________________________________________ 78 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 4.5 Način povezivanja kolektora Veoma važan faktor za uspješno funkcioniranje kolektora, predstavlja način njihovog povezivanja u baterije. Kod neispravnog i lošeg povezivanja, zbog otpora u cjevovodu može doći do isključenja pojedinih kolektora iz rada ili do poremećaja rada cijelog kolektorskog polja i sistema. Kod rednog povezivanja kolektora povećavaju se otpori protoku radnog fluida, dolazi do povećanja temperature kolektora a samim tim i do povećanih toplotnih gubitaka. Najbolji način povezivanja više kolektora u sistem ostvaruje se paralelnim povezivanjem kod koje svaki kolektor dobije u jedinici vremena jednaku količinu tečnosti. Otpor kretanju tečnosti kroz cjevovode i kolektore je kod ovakvih sistema prirodno izbalansiran i uravnotežen. Postavljanjem cijevi jednakih dužina i presjeka, kako u dovodnoj tako i u odvodnoj kolektorskoj grani, obezbjeđuju se jednaki otpori u cjevovodu i pravilno korištenje kolektora. Kod kolektora koji su redno povezani temperatura na izlazu je veća nego kod paralelno povezanih . Od načina povezivanja kolektora direktno ovisi i njihova termička, odnosno energetska efikasnost. Kod paralelno povezanih kolektora, efikasnost svakog kolektora ima identičnu vrijednost, jer u svaki od njih ulazi ista količina radnog fluida u jedinici vremena i pod istim temperaturnim intenzitetom. Kod redno povezanih kolektora, vrijednosti trenutne i prosječne temodinamičke efikasnosti kod svakog od njih se znatno razlikuju. Do razlika u efikasnosti dolazi, prije svega, zbog razlike temperaturnog nivoa radnog fluida u prvom i drugom u red povezanom kolektoru. Temperatura fluida na ulazu u prvi kolektor je niža od temperature radnog fluida na ulazu u drugi (temperatura na ulazu u drugi kolektor predstavlja u suštini temperaturu fluida na izlazu iz prvog). Zbog toga je srednja temperatura fluida u drugom kolektoru (u odnosu na vanjsku temperaturu) veća od srednje temperature radnog fluida u prvom. Ova diferencija kod drugog kolektora u odnosu na prvi rezultira nižu efikasnost drugog kolektora u odnosu na prvi. redno povezivanje pogrešan način povezivanja paralelno povezivanje ispravan način povezivanja ______________________________________________________________________________ 79 Solarna termika _________________________________________________________________________________ redno paralelno/redno paralelno 5. Pregled solarnih sistema efikasna primjena solarnih kolektora bazeni apsorber ravni kolektor topla voda ravni kolektor sa velikim učinkom vakuumski ravni kolektor grijanje (dijelom) vakuumski vakuumski cijevni kolektor cijevni kolektor „suhi sistem“ „mokri sistem“ Po principu montaže i isporuke na tržištu se trenutno mogu nabaviti solarni sistemi kao: Gotovi sistemi: Ove sisteme isporučuje firma, instalira i pušta u rad. Komponente za ugradnju solarnog sistema: Ove sisteme isporučuje firma krugu privatnih kupaca , koji ih poslije sami instaliraju. Ova ponuda obuhvata sve potrebne komponente za ugradnju solarnog sistema. Sistemi za samostalno sastavljanje i ugradnju: Firma isporučuje sastavne dijelove komponenti, a kupci ih sami sastavljaju, sklapaju i instaliraju. ______________________________________________________________________________ 80 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 5.1 Solarni sistemi za zagrijavanjenje vode Sunčevom energijom Sistemi za korištenje Sunčeve energije se prema načinu protoka tečnosti kroz kolektorski Sistem dijele na sisteme sa prirodnom cirkulacijom fluida i na sisteme sa prinudnom cirkulacijom fluida. Sistem sa prirodnom cirkulacijom fluida se satoji iz dva dijela: solarnog kolektora i dobro izoliranog bojlera (spremnika) kroz koji cirkuliše voda. Rad ovog sistema se odvija prirodnom cirkulacijom radnog fluida poznatom pod nazivom termosifonski. Ovakve jednostavne solarne sisteme upotrebljavaju sjevernoafričke i južnoevropske zemlje. Zagrijavanjem vode u solarnom kolektoru nastaje razlika u temperaturi vode, a time i u njenoj gustini između kolektora i ostalih dijelova bojlera .Topla voda manje gustine penje se naviše , a hladnija i gušća pada na dno bojlera sve do ponovnog ulaza u kolektor. Time se uspostavlja cirkulacija fluida koja se održava u bojleru sve dok je temperatura kolektora veća od od temperature ostalih dijelova bojlera , tj. dok ima sunca. Sistem se spontano isključuje čim se izjednači temperatura vode u kolektoru i ostalim dijelovima bojlera. Bojler mora biti postavljen iznad kolektora, jer ako bi se nalazio na istoj visini sa kolektorom u slučaju oblačnosti i noću može da dođe do suprotnog strujanja fluida iz bojlera u kolektor. To se sprječava ugradnjom povratnog ventila. 5.2 Solarni sistem sa prinudnom cirkulacijom fluida Prinudna cirkulacija kod ovog sistema se ostvaruje pomoću cirkulacione pumpe. Toplota Sunčevog zračenja iz kolektora , predata radnom fluidu se pomoću cirkulacione pumpe transportira u izmjenjivač toplote, gdje se zagrijava voda. Ohlađena radna tečnost se odvodi ka kolektoru na ponovno dogrijavanje. Brzina protoka fluida u sistemu može se podesiti pomoću pumpe, tako da apsorber solarnog kolektora primi maksimalnu moguću Sunčevu energiju. Ovakav solarni sistem ima diferencijalni termostat tzv. senzor za elektronsko upravljanje i kontrolu rada. Senzori se postavljaju na više mjesta solarnog sistema tako da pokazuju temperaturu vode u toku rada solarnog sistema. Kad temperatura vode u bojleru (spremniku) opadne ispod određene granice, termostat uključuje cirkulacionu pumpu, a isključuje je kada se temperatura vode u bojleru približi temperaturi vode u kolektoru. Kad se sistem nalazi u stanju mirovanja nepovratni ventil sprječava strujanje fluida iz bojlera u kolektor. ______________________________________________________________________________ 81 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 12345- kolektor cijevi bojler izmjenjivač toplote cirkulaciona pumpa 1 2 3 4 5 5.3 Solarni sistem sa dopunskim grijanjem Kompletni solarni sistemi pored ravnih solarnih kolektora, izmjenjivača toplote, bojlera, cirkulacione pumpe i elektronske automatike za kontrolu radnog fluida imaju grijače za dodatno grijanje kada u kolektoru i bojleru nema dovoljno tople vode. Dodatno zagrijavanje u bojleru može se vršiti pomoću električne struje ili pomoću gorionika u kome sagorijeva nafta, gas, ugalj, drvo i poljoprivredni otpaci. Solarni kolektori treba da imaju nagibni ugao od 45° prema horizontu na južnoj strani. Za zagrijavanje vode u bojleru od 300 l potrebna je najmanja površina 4m² solarnih radnih kolektora. Ubacivanjem električne pumpe protok vode u primarnom kolu u odnosu na termosifonski sistem može se udvostručiti. U ovom slučaju solarni sistem može da daje maksimum tople vode i pri malim razlikama temperature između solarnih kolektora i izmjenjivača toplote. Mogućnost suprotnog strujanja fluida iz izmjenjivača toplote u solarne kolektore, je sprječena povratnim ventilom. Senzori za uključivanje pumpe postavljeni su na donjem dijelu bojlera gdje je temperatura vode najniža i na gornjem dijelu bojlera i kolektora, gdje je ova temperatura najviša. Na gornjem dijelu bojlera je takođe postavljen senzor za automatsko uključivanje dopunskog grijanja (električni grijač, gorionik). Zbog neizbježnih gubitaka toplote u primarnom krugu, pumpa se automatski uključuje kada je razlika temperature između bojlera i kolektora ispod 10°C. Kada više dana uzastopno nema sunca automatski se uključuje električni grijač koji je ugrađen u bojler ili u poseban ______________________________________________________________________________ 82 Solarna termika _________________________________________________________________________________ bojler. U slučaju nedostatka električne energije, dopunsko zagrijavanje se postiže u posebnom kotlu sa gorionikom. Ovaj kotao je povezan sa bojlerom tako da topla voda cirkulira pomoću pumpe iz bojlera u kotao i obrnuto. Na taj način potrošač može dobiti toplu vodu iz bojlera solarnog sistema ili iz kotla. topla voda topla voda dopunsko grijanje hladna voda hladna voda niskotempera turno grijanje BOJLER PUFER KOTAO Kod površina kolektora od 20m² do 50m² u kombinaciji sa pufer-bojlerom (1m³ do 5m³), koji je u mogućnosti da akumulira temperaturu nekoliko sati (noću), može se dostići koeficijent zagrijavanja i do 70 %. ______________________________________________________________________________ 83 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 5.4 Solarni sistem za pripremu sanitarne i tehnološke vode EURO solarni kolektori dobar učinak, dugotrajni, brza montaža Solarni sistem pokriva 2/3 potrošnje tople vode (Frankfurt/M) i ne zagađuje okolinu sa CO2 CIRCO 4- solarna stanica sa uređajem za regulaciju (SunGO XL) Solarna stanica sa sigurnosnim ventilima, ekspanzionom posudom kao i uređajem za regulaciju- (broj okretaja pumpe, dijagnoza sistema), brojač iskorištene toplote dopunsko grijanje CONVECTR OL TERMO-kombinirani bojler Sistem bojler u bojleru- za zagrijavanje j č toplota dobijena pomoću sunca se koristi za grijanje sanitarne vode i za grijanje Na ovoj slici su prikazani ravni kolektori. A na donjoj ćemo vidjeti cijevne vakumske kolektore. Solarni sistem se može uporediti sa sistemom za centralno grijanje. U kolektoru se zagrijava voda kao u kotlu za grijanje i transportira se u bojler, koji ima ulogu radijatora u sistemu za centralno grijanje. Izlazni vod na kolektoru se naziva “razvodni vod” , a ulazni vod se naziva “povratni vod”. Po pravilu se kružni tokovi solarnog sistema izvode kao zatvoreni sistemi, to znači da su zaptiveni i da nemaju nikakvih dodira sa okolinom. ______________________________________________________________________________ 84 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Vakumski cijevni kolektori dobar učinak, dugotrajnii , brza montaža Solarni sistem pokriva 2/3 potrošnje tople vode (Frankfurt/M) i ne zagađuje okolinu sa CO2 CIRCO 4- solarna stanica sa uređajem za regulaciju (SunGO XL) Solarna stanica sa sigurnosnim ventilima, ekspanzionom posudom kao i uređajem za regulaciju- (broj okretaja pumpe, dijagnoza sistema), brojač iskorištene toplote Dopunsko grijanje CONVECTR OL TERMO-kombinirani bojler sistem bojler u bojleru- za zagrijavanje j č toplota dobijena pomoću sunca se koristi za grijanje Ovi sistemi se sastoje najčešće iz sljedećih komponenti: uređaja za regulaciju i automatiku izmjenjivača toplote bojlera odgovarajućih cijevnih elemenata i armatura cirkulacionih pumpi sigurnosnih uređaja radnog fluida ______________________________________________________________________________ 85 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 6. Komponente solarnog sistema 6.1 Bojler (spremnik za sanitarnu vodu) Kao osnovno pravilo važi: zapremina u litrima= min.1,5-2 puta dnevne potrošnje Dimenzioniranje bojlera se vrši prema željenom kapacitetu, veličini kolektora, karakteristikama potrošača, vremenskom zadržavanju akumulirane energije i vrsti bojlera kao najznačajnijem uticajnim faktorima na proračunu. Dobro izolirani bojleri se mogu smjestiti u pomoćnim prostorijama, kupatilima, potkrovljima ili na drugim mjestima u ovisnosti od veličine bojlera i smještajne mogućnosti. Solarni bojleri su višenamjenski napravljeni. U gornjem dijelu nalazi se izmjenjivač toplote za centralno grijanje, a u donjem dijelu se nalazi odgovarajuće dimenzioniran izmjenjivač toplote za kolektore. Odgovarajuća ugradna prirubnica služi za ugradnju dodatnih izmjenjivača toplote i električnih grijača. ______________________________________________________________________________ 86 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Posebnu pažnju treba obratiti na izolaciju bojlera i na termičku izolaciju ugradnih prirubnica i priključnih cjevovoda! ______________________________________________________________________________ 87 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 6.2 Bojler za grijanje (spremnik za tehnološku vodu) razvodni vod termometar termostat termička izolacija (PU) termometar električni grijač povratni vod Kod korištenja Sunčeve energije za zagrijavanje prostorija ili ustanova neophodno je da se u intervalima globalnog Sunčevog zračenja dobije što više toplote i akumulira. Za tu svrhu se koriste bojleri za grijanje koji su integrirani u sistem centralnog grijanja. Da bi se ta dobijena toplota mogla bez gubitaka akumulirati, potrebno je da se ovaj bojler kao i bojler za sanitarnu vodu izolira i da se ugradne prirubnice i priključni cjevovodi termički izoliraju. Volumen ovg bojlera se određuje prema potrošnji energije, koja je potrebna za zagrijavanje prostorija. ______________________________________________________________________________ 88 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 6.3 Pufer- bojler TERMOkombinirani bojler RATIOpufer bojler TERMO- kombinirani bojler: sa RATIOfresh TV cirk. SolarRV KV SolarPV 2 bojlera u jednom minimalni gubici toplote dvostruka zaštita od korozije brza montaža stabilno slojevito slaganje temperature visoki kvalitet štedi mjesto i troškove RATIO- pufer bojler: minimalni gubici toplote dvostruka zaštita od korozije visoki kvalitet slojevito slaganje temperature visoki kvalitet brza montaža SolarPV Posljednjih godina su sistemi kolektora (low-flow) sa niskim protokom često bili tema diskusije i istraživanja kad je u pitanju sistem za pripremu tehnološke vode. Suština koncepta ovog sistema je specijalni pufer- bojler, u kojem bi se postignuti temperaturni nivo bez rizika da se pomiješa slojevito složio u bojleru. 6.4 Izmjenjivači toplote Izmjenjivači toplote služe za prijenos toplote sa jednog fluida na drugi. U ovom slučaju sa radne kolektorske tečnosti na sanitarnu ili tehnološku vodu . Postoji niz konstruktivnih tipova izmjenjivača toplote, ali se kod solarnih sistema najčešće upotrebljavaju izmjenjivači toplote sa cijevima: izmjenjivači toplote sa visokim učinkom izmjenjivači toplote sa spiralnim cijevima ______________________________________________________________________________ 89 Solarna termika _________________________________________________________________________________ izmjenjivač toplote sa snopom cijevi ( za naknadnu ugradnju) pločasti izmjenjivač toplote Da bi se postigao efikasan prijenos toplote iz kružnog toka kolektora , površina izmjenjivača toplote mora biti u skladu sa površinom kolektora. Da bi se izračunala mjera odnosa površine izmjenjivača toplote i površine kolektora mogu se uzeti u obzir sljedeće vrijednosti : Interni izmjenjivač toplote: snop cijevi - 0,36 spiralne cijevi - 0,30 izmjenjivač toplote sa visokim učinkom - 0,25 Eksterni izmjenjivač toplote: izmjenjivač toplote suprotne i križne struje - 0,15 Spiralna konstrukcija cijevi omogućava turbulentno kretanje u cijevima, čime se znatno povećava koeficijent prolaza toplote. Ne postoje problemi sa termičkim dilatacijama, pošto omotač može nesmetano da dilatira u odnosu na cijevni registar. pločasti izmjenjivač toplote rebrasti izmjenjivač toplote ______________________________________________________________________________ 90 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Pločasti izmjenjivač toplote sastoji se od valovitih metalnih ploča , koje čine površinu izmjenjivača toplote, koja razdvaja radne tečnosti. Razmaci između tih ploča čine kanale, kroz koje naizmjenično protiču radne tečnosti. Zaptivanje se vrši pomoću gumenog prstena. Priključci za dvije radne tečnosti se postavljaju sa čvrste strane konstrukcije, tako da ove pokretne ploče mogu slobodno kliziti po nosećoj polugi, što naravno olakšava način njihovog održavanja. Ploče se stežu pomoću zavrtnja. Suprotna struja i visoki koeficijent izmjenjivača toplote daju jedinstveni termički učinak prijenosa sa temperaturnim diferencijalom medija manjim od 1°C. Konstrukcija ovih pločastih izmjenjivača toplote omogućava pristup svakom dijelu ovog izmjenjivača. Samo se trebaju skinuti stezni vijci i ploče se mogu preko noseće poluge izvaditi. Lako se mogu očistiti ili zamijeniti ako je to potrebno. A mogu se lako i jednostavno dodati i dodatne ploče. ______________________________________________________________________________ 91 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 6.5 Cirkulacione pumpe Kod solarnih sistema sa prinudnom cirkulacijom se obično postavljaju 3 ili 4-stepene cirkulacione pumpe za grijanje, koje su se u tehnnici grijanja pokazale kao veoma dobre i koje su pogodne za miješanje vode i antifriza. Učinak cirkulacione pumpe u vatima odnosno tip pumpe se određuje prema dijagramu učinka i drugim veličinama. Npr. nekoliko podataka tipa : Z 4- stepena Z 40, Z 50, Z 65 konstantni broj obrtaja kod Z 15 do Z 30 kućište : motor je zaštićen od kratkog spoja (izuzev kod tipa Z 40, Z 50 i Z 60) maksimalni dozvoljen pritisak : Z 15 do Z 25 pumpe - 1 bar, Z 30 do Z 65 pumpe - 6 bar područje radne temperature: Z 15 do Z 30 od crvenog liva Z 40 do Z 65 od sivog liva Z 15 do Z 25 pumpe - (+20 do +65C) Z 30 do Z 65 pumpe - (-10 do +651 C) ______________________________________________________________________________ 92 Solarna termika _________________________________________________________________________________ tip SB Bronzec elektronska regulacija broja obrtaja kućište od visokokvalitetnog brončanog liva motor je zaštićen od kratkog spoja (izuzev kod tipa SB 100 XL) priključak 230V- 50 Hz mala potrošnja električne energije; bešuman područje dozvoljene temperature vode 70°C… 100°C pritisak do 10 bara specijalna membrana sprječava protok vode između kućišta i vlažnog rotora servisiranje nije potrebno ______________________________________________________________________________ 93 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 6.6 Sigurnosni uređaji i armature Sigurnosni ventili i ekspanzione posude čine zajedno jednu sigurnosnu cjelinu. Ekspanziona posuda Svaki solarni sistem treba da ima ekspanzionu posudu, čija zapremina treba da primi cijelokupnu ekspanziju radne tečnosti između najniže i najviše radne temperature. Mora se obratiti posebna pažnja na koeficijent ekspanzije radne tečnosti. Svaka ekspanziona posuda treba da ima sigurnosni ventil i cijev za odvod priliva. ventil za punjenje gasa (N) ukupna zapremina gas membrana voda (radna tečnost) zapremina primljene vode ulaz vode (radne tečnosti) izlaz vode (radne tečnosti) ______________________________________________________________________________ 94 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Korisna zapremina VN Ukupan pritisak ekspanzione posude VG VN = VA e VG = VN PE/PE PA Značenje: VN VA l e VG PE PA = korisna zapremina u kompenzacionoj posudi gdje se nalazi voda (radna tečnost) ; u l = sadržaj vode u cijelom kružnom toku kolektora (kolektor, cijevi, izmjenjivač toplote) ;u = ekspanzija vode (radne tečnosti) (mješavina vode i glikola e=0,07) = ukupan pritisak ekspanzione posude; u barima = pritisak na kraju u sistemu (PE 0,5 bara ; pod odgovarajućim pritiskom sigurnosnog ventila treba biti = 2,5 bara) = pritisak na početku u sistemu (razlika visine između najviše tačke u sistemu i ekspanzione posude); u barima U praksi se kompenzaciona posuda poveća za ca. 50 do 100%! Membranske ekspanzione posude se ugrađuju u zatvorene sisteme grijanja i služe da prihvate dilataciju vode (radne tečnosti) iz sistema, koja nastaje prilikom zagrijavanja vode. Vrlo su jednostavne za ugradnju i održavanje, ne moraju da se izoliraju, bezšumno rade, dugotrajne su, postavljaju se u blizini izvora toplote, nezavisne su od el. enrgije. Gasni ( N) i vodeni dio su odvojeni membranom, tako da je sprječen prodor kiseonika u vodu, a samim tim i u sistemu (gdje bi izazvao kiseoničku koroziju). Gumena membrana dijeli ukupnu zapreminu posude na vodeni i gasni dio. Na posudi se nalaze priključci za povezivanje sa sistemom grijanja preko sigurnosnog voda, ventil za punjenje gasa i manometar. Korisna zapremina posude je maksimalna zapremina vode koju može da preuzme membrana. Korisna zapremina zavisi od ukupne zapremine posude, maksimalnog dozvoljenog pritiska i statičkog pritiska u sistemu. Za istu ukupnu zapreminu posude i isti dozvoljeni pritisak, korisna zapremina posude je manja, ako je statički pritisak u sistemu veći. Prilikom ugradnje posude, pritisak gasa u posudi se podešava tako da bude jednak statičkom pritisku u sistemu, dok je pritisak punjenja sistema nešto veći. Pri izboru posude, korisna zapremina posude treba da bude veća od proračunate dilatacije vode u sistemu. Princip rada membranskih ekspanzionih posuda je sljedeći: usljed povećanja temperature vode u sistemu, povećava se zapremina vode i dolazi do porasta pritiska, usljed koga voda ulazi u membranu, koja počinje da se širi i sabija gas u posudi. Kod snižavanja temperature, sabijeni gas počinje da potiskuje vodu iz membrane u sistem. Ovaj proces se ponavlja kod svakog zagrijavanja i hlađenja vode u sistemu. ______________________________________________________________________________ 95 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Sigurnosni ventili Sigurnosni ventili štite cijevi, pumpe i ostale elemente od povećanja pritiska u odnosu na zadati. Dva termometra koji se ugrade u razvodni i u povratni vod, kao i manometar u solarnom krugu kontroliraju funkciju solarnog sistema i pokazuju smetnje rada sistema. (ako je preniska ili previsoka temperatura ili ako je previsok ili prenizak pritisak u sistemu). 6.7 Regulacija i automatika u solarnom sistemu Pored solarnog kolektora i bojlera (spremnika toplote), neophodni dijelovi solarnog sistema za dobijanje tople vode i za zagrijavanje prostorija su cirkulaciona pumpa, uređaj za automatsko uključivanje i isključivanje solarnog sistema i grijač za dopunsko grijanje kada doprinos Sunčeve energije nije dovoljan. Kružni tok između solarnog kolektora i bojlera, a takođe i raspodjela toplote u kući ili u stanu, mora se regulirati automatski. Voda (radna tečnost) iz kolektora može se sprovesti u solarni ______________________________________________________________________________ 96 Solarna termika _________________________________________________________________________________ krug samo tada kada je temperatura u kolektoru viša od temperature u bojleru. To znači da se kružni tok iz kolektora mora prekinuti pri padu vanjske temperature, pri nailasku oblaka i noću. Prilikom prekida kružnog toka mora se sprječiti pregrijavanje na pojedinim mjestima u solarnom sistemu. Solarni sistem može biti uključen samo tada kada je temperatura u bojleru niža od temperature u solarnom kolektoru. Čim se temperatura bojlera izjednači sa temperaturom kolektora, doprinos solarne energije počinje da postaje negativan i solarni sistem se mora isključiti. Podrazumijeva se da se automatika za uključivanje i isključivanje solarnog sistema mora izvesti stručno i precizno. Iz navedenog se već može zaključiti da se mora uspostaviti automatska povezanost u radu između solarnog kolektora i bojlera, solarnog kolektora i izmjenjivača toplote za potrošača, kao i bojlera i izmjenjivača toplote za potrošača. Regulacija mora da bude takva da se po potrebi omogući posebno automatsko uključivanje u rad svakog od ovih dijelova solarnog sistema. Funkcija sistema automatske regulacije odvija se u 3 etape: 1. stop – temperatura u kolektoru je niža od temperature u bojleru, povećane za postavljenu temperaturnu razliku najmanje T=3-5°C na temperaturskim senzorima vezanim u sistem sa elektronskim diferencijalnim termostatom. Cirkulaciona pumpa je tada zaustavljena, pa se zato ova etapa naziva “stanje mirovanja” 2. start – ako je temperatura u kolektoru viša od temperature u bojleru povećanoj za postavljenu temperaturnu razliku u periodu od 10-15 minuta, automatski se uključuje cirkulaciona pumpa u pogon. 3. akumulacija – za vrijeme dok je temperatura u kolektoru viša od temperature vode u bojleru povećane za postavljenu temperaturnu razliku, u vodi bojlera se akumulira Sunčeva energija. ______________________________________________________________________________ 97 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Solarna stanica CIRCO 3 - Solarna stanica jednostavna montaža optimalna termička izolacija ( izolaciona kutija od polipropilena) Kompaktna jedinica- sa integriranim regulacionim uređajem SunGo XL Dva integrirana nepovratna ventila u razvodnom i povratnom vodu, koji sprječavaju nekontrolirano kretanje fluida i gubitak toplote Kompletni sigurnosni uređaj sa ekspanzionom posudom, sigurnosnim ventilom (6 bara) i kontrolnim manometrom Cirkulaciona pumpa ______________________________________________________________________________ 98 Solarna termika _________________________________________________________________________________ Cjevovodi Prečnik cijevi treba da odgovara površini kolektora i zapremini tečnog fluida. Prečnik se može izračunati prema: izračunavanju zapremine protoka u kolektorskom polju V = QK AK/p c izračunavanju gubitka pritiska u kružnom sistemu ( za različite prečnike) HV = R L + Značenje: V QK AK p c HV R L = zapremina protoka , in l h1 = koristan učinak kolektora ; u W m-2 = površina kolektora; u m²Kollektorfläche, in m² = gustina toplotnog fluida; u kg-3 = spec. toplota radnog fluida; u kWh kg-1 K-1 = diferencija temperature između razvodnog i povratnog voda u solarnom sistemu = gubitak pritiska u solarnom sistemu; u mWS = otpor trenja cijevi; u mWs m1 = dužina učinka cijevi; u m = suma otpora pojedinih elemenata ( armature, kolektora itd.); u mWs površina kolektora do (npr. Cu-cijevi) prečnik cijevi sadržaj (l m1) 3 m² 6 m² 9 m² 15 m² 30 m² 15 x 1 mm 18 x 1 mm 22 x 1 mm 28 x 1,5 mm 35 x 1,5 mm 0,133 0,201 0,314 0,491 0,808 ______________________________________________________________________________ 99 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 7. Dimenzioniranje solarnog sistema Kod planiranja solarnog sistema potrebno je napraviti sistematski plan: (1) utvrditi koliko je potrebno tople vode odnosno toplote (kad je u pitanju grijanje) potreba tople vode temperatura tople vode profil (način) potrošnje potreba toplote (kod grijanja) željena stopa pokrića solarnom energijom (2) definirati kolektorsko polje izabrati kolektor odrediti površinu kolektora izračunati prihod mogućnost montaže ( na krov, u krov, ravni krov, fasada, itd.) način i mogućnost povezivanja (redno, paralelno) arhitektonski; optički izgled (3) odrediti bojler (spremnik) zapremina bojlera vrsta bojlera (spremnik za toplu vodu, kombinirani bojler, pufer bojler..) mjesto postavljanja bojlera (4) napraviti koncept kako bi se izbjeglo pregrijavanje preduzeti sve odgovarajuće mjere kako bi se izbjeglo pregrijavanje kolektora i bojlera i unijeti u plan solarnog sistema (hidrauliku, regulaciju ) (5) odrediti cjevovode mjesto polaganja cijevi prečnik cijevi i gubitak pritiska u cijevima ekspanzija toplote termička izolacija (6) odrediti izmjenjivač toplote (7) napraviti šemu principa rada solarnog sistema i koncept regulacije rada solarnog sistema (8) izabrati pumpe zapreminu protoka hidraulički otpor cijevi sa armaturama izmjenjivač toplote ______________________________________________________________________________ 100 Solarna termika _________________________________________________________________________________ (9) odrediti sigurnosne uređaje sigurnosni ventil ekspanziona posuda posuda u kojoj se skuplja višak radne tečnosti (ispod sigurnosnog ventila) (10) odrediti cijenu što je moguće precizniju (11) napraviti protokol od prethodno prikupljenih podataka izračunati koeficijent kad je u pitanju upotreba tople vode i grijanja šema principa rada solarnog sistema sa svim tehničkim podacima opis solarnog sistema očekivajući prihod stope pokrića solarnom energijom planove projekta sa kolektorima, cjevovodima, dispozicijama bojlera, materijalom, itd. predračun Parametri za solarni sistem za pripremu tople sanitarne vode po osobi: ca. 1,5 m² površine kolektora npr.: 4 osobe 6 m² po osobi: ca. 100 litara zapremina bojlera Bolje rješenje: prvo odrediti površinu kolektora, a onda uzeti odnos 1 : 100 po 1 m² površine kolektora ca. 100 litara bojler npr.: 10 m² površine kolektora 1000 litara bojler (dnevna potrošnja vode x 2= zapremina bojlera) protok: ca. 80 do 100 l/hm² diferencija temperature: a) RV - PV: ca. 8 do 10 C b) npr.: RV: 55 C RV PV temperatura bojlera = ca. 10 C 2 PV: 47 C bojler: 41 C ______________________________________________________________________________ 101 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 7.1 Solarni sistem za zagrijavanje bazenske vode Otvoreni bazen plastični apsober Protok: ca. 150 do 200 l/hm² Bez transparentnog pokrivača : površina bazena = površina kolektora 1: 1 Sa transparentnim pokrivačem: površina bazena x 0,75 = površina kolektora 1: 0,75 Zatvoreni bazen : kolektor, kombinacija sa toplom vodom Površina bazena x 0,5 = površina kolektora 1:0,5 + potreba tople vode Npr.: bazen = 32 m², 4 osobe 32 x 0,5 + 4 x 1,5 = 22 m² površina kolektora Bazen: kombinacija sa toplom vodom + kolektor se koristi zimi za dopunsko grijanje Potrošnja tople vode Stanovi Mjesto potrošnje sudoper jednodjelni dvodjelni umivaonik mali srednji veliki kade male (100) srednje (160) velike (180) tuš bide Ukupna potrošnja (60°C) Jednostavni zahtjevi Veći zahtjevi Najveći zahtjevi Potrošnja u litrima Temperatura °C 30 50 55 55 5 10 15 35 35 40 100 150 170 50 25 40 40 40 40 40 10 ... 20 l/dnevno i po osobi 20 ... 40 l/dnevno i po osobi 40 ... 80 l/dnevno i po osobi Restorani i hoteli Mjesto potrošnje restorani Po jelu Po gostu hoteli Soba sa kadom tušem Dnevno i po osobi/ u litrima 60 °C 45 °C 4 ... 8 8 ... 20 6 ... 12 12 ... 30 100 ... 150 50 ... 100 140 ... 200 70 ... 120 ______________________________________________________________________________ 102 Solarna termika _________________________________________________________________________________ umivaonikom 10 ... 15 25 ... 50 15 ... 20 35 ... 70 Potrošnja u litrima Temperatura °C 200 ... 300 250 ... 350 300 ... 400 50 80 50 40 40 40 40 40 35 pansioni Javna kupatila Mjesto potrošnje Kada Bez tuša Sa tušom Medicinska kupatila Tuš Tuškabina Tuševi u školama i u kasarnama Multiplikator se računa prema odnosu temperature vrele vode i miješane vode: M = (V H)/M H Značenje: M V H M = multiplikator = temperatura vrele vode u °C = temperatura hladne vode u °C = temperatura miješane vode u °C ______________________________________________________________________________ 103 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 8. Puštanje solarnog sistema u rad Prije nego što pustimo solarni sistem u rad obavezno treba poduzeti sljedeće: prekontrolirati instalacije napuniti bojler kontrolirati zaptivenost sanitarnih instalacija i bojlera isprati vodom kružni tok solarnog sistema kontrolirati zaptivenost kružnog toka solarnog sistema pripremiti radni fluid napuniti kružni tok solarnog sistema sa radnim fluidom ispustiti zrak iz kružnog toka solarnog sistema podesiti broj obrtaja pumpe podesiti uređaj za regulaciju napraviti protokol 8.1 Kontrola instalacija Da bi se obavila kontrola instalacija potrebno je ispitati: da li je ispravno postavljeno kolektorsko polje da li su temperaturni senzori ispravno postavljeni da li je ispravno priključena cirkulaciona pumpa da li je ispravno podešen uređaj za regulaciju da li su ventili za odzraku i za pražnjenje sistema zatvoreni da nisu kod priključivanja solarnog sistema zamijenjeni razvodni i povratni vod pritisak u ekspanzionoj posudi 8.2 Punjenje bojlera Kod punjenja bojlera potrebno je otvoriti česmu da bi izašao zrak iz bojlera i instalacije. Na dovodu hladne vode treba se otvoriti zaporni ventil. Bojler je napunjen onda kada iz česme poteče voda. Treba pregledati da li su priključci dobro zaptiveni. Zaporni ventil ostaje otvoren. 8.3 Ispiranje kružnog toka Da bi se ostaci bakra i paste za letovanje odstranili iz kružnog toka potrebno je izvršiti ispiranje sistema čistom vodom. Važno! Ovaj postupak ne treba obavljati u periodu kada su veoma niske temperature ispod 0°C, jer bi se voda mogla zamrznuti, a to bi dovelo do pucanja cijevi u sistemu. u periodu kada je Sunčevo zračenje veoma jako, jer bi moglo doći do stvaranja vrele pare u sistemu, pri čemu bi se instalater mogao povrijediti. (opeći) ______________________________________________________________________________ 104 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 8.4 Zaptivenost solarnog sistema Nakon završenog postupka ispiranja kružnog toka potrebno je sistem napuniti zrakom do visine nominalnog pritiska sigurnosnog ventila ( npr. 6 bara). Nakon punjenja kontrolirati zaptivenost spojeva i priključaka i provjeriti na manometru konstantnost pritiska. 8.5 Pripremanje radnog fluida Kao radni fluid se uzima se mješavina glikola (vrsta antifriza) i vode; odnos 40% glikola i 60% vode. 8.6 Punjenje solarnog sistema Punjenje sistema se vrši pomoću pumpe, koja je u stanju da stvori odgovarajući pritisak u sistemu. Najpovoljnije je napuniti sistem u jutarnjim satima prije nego sunce zagrije kolektor. 8.7 Ispuštanje zraka iz sistema Prvo se pušta sistem u rad i nakon izvjesnog vremena na najvišoj tački u sistemu ( na kolektoru) se ispušta zrak preko ventila za odzraku. Na prednjoj strani cirkulacione pumpe potrebno je odviti vijak da bi se ispustio zrak iz pumpe. 8.8 Podešavanje broja obrtaja pumpe Namjestiti pumpu na srednji stepen broja obrtaja i uključiti regulator. Na taco-setteru (mjeraču protoka) se može provjeriti da li je dostignuta vrijednost volumena protoka. Ukoliko nije onda se mora podesiti odgovarajući stepen broja obrtaja. 8.9 Podešavanje uređaja za regulaciju Na uređaju za regulaciju su već podešene temperaturne vrijednosti. Te vrijednosti čine: temperaturna diferencija kod uključivanja sistema (5 do 10 K) temperaturna diferencija kod isključivanja sistema (2 do 4 K). Moderniji regulatori imaju mogućnost određivanja maksimalne temperature bojlera (npr.: 90°C) i potrebne temperature tople vode (npr.: 45°C). Kod rada solarnog sistema obično se prekidač na uređaju za regulaciju okreće na “automatiku”. Protokol Nakon puštanja solarnog sistema u rad vrši se njegova predaja korisniku. Korisniku se treba dati: adresa i broj telefona instalatera (odgovornog lica) kopija protokola predaje detaljni opis sistema sa šemom i uputstvo za upotrebu. ______________________________________________________________________________ 105 Solarna termika _________________________________________________________________________________ 8.10 Servisiranje i kvarovi I pored redovne rutinske kontrole instrumenata kao što je: kontrola pritiska u solarnom sistemu kontrola rada pumpe ( “stanje mirovanja” i puno Sunčevo zračenje) potrebno je napraviti otprilike svake 2 godine i servis solarnog sistema. Servis koji obavlja instalater pokazuje da li sistem dobro i efikasno radi. Ovaj servis je najbolje obaviti u toku jednog sunčanog dana. Moguće je sa kupcem sklopiti i ugovor o servisiranju solarnog sistema. Kod servisiranja ovog sistema potrebno je napraviti i protokol, gdje treba da se navedu svi izvršeni radovi tj. kontrole. ______________________________________________________________________________ 106
© Copyright 2024 Paperzz
