EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA I CIEPLNA A OPTYMALNY WYBÓR ROZWIĄZAŃ TECHNOLOGICZNYCH

EFEKTYWNOŚĆ INSTALACJI SOLARNYCH

Dane techniczne kolektora

Ustawienie kolektora w przestrzeni

Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii

Kąt nachylenia α Kąt nachylenia a jest kątem między poziomem a powierzchnią kolektora słonecznego. Przy montażu na dachu spadzistym kąt nachylenia narzucony jest przez nachylenie połaci dachu. Największą ilość energii absorber może wchłonąć wtedy, gdy płaszczyzna kolektora jest prostopadła do kierunku promieniowania słonecznego. Azymut Azymut określa odchylenie płaszczyzny kolektora od kierunku południowego; przy płaszczyźnie kolektora zorientowanej na południe azymut = 0°. Ponieważ napromieniowanie jest najintensywniejsze w porze południowej, kolektor winien być zorientowany możliwie na południe. Dobre wyniki uzyskuje się jednak także przy odchyłkach azymutu do 45° na wschód lub zachód. Konieczność większych odchyleń można skompensować niewielkim zwiększeniem powierzchni kolektorów.

Kąt padania promieni słonecznych w zależności od pory roku

a) Kąt padania promieni słonecznych w zależności od szerokości geograficznej b) Kąt padania promieni słonecznych uwzględniający szerokość geograficzną w zależności od pory roku

Zysk ciepła dla różnych kątów ustawienia kolektora w zależności od pory roku

Wpływ orientacji i pochylenia kolektora

na uzysk energii

Uzysk energii zmienia się w zależności od

miejsca i sposobu montażu kolektorów

słonecznych. Dach pochyły po stronie

południowej zapewnia największy uzysk

energii. Dach po stronie wschodniej lub

zachodniej zapewnia już tylko 80% tego

uzysku.

W zależności od zakresu stosowania

instalacji solarnej zaleca się następujące

optymalne kąty nachylenia:

■ Instalacja solarna do podgrzewu wody

użytkowej od 30 do 45° - Taki mały kąt

nachylenia uwzględnia wysokie położenie

słońca w lecie.

■ Instalacja solarna wspomagająca

ogrzewanie pomieszczeń od 45 do 60° - Przy

uwzględnieniu niskiego położenia słońca w

okresach przejściowych i w zimie. Poprzez

świadomy wybór dużego kąta nachylenia w

lecie uzyskuje się skrócenie okresów

stagnacji.

Sprawność kolektorów

Współczynnik sprawności kolektora określa, jaka część promieniowania słonecznego padająca na powierzchnię czynną absorbera lub inną powierzchnię odniesienia zamieniana jest na użytkową moc cieplną. Współczynnik sprawności zależy od stanu roboczego kolektora. Część promieniowania słonecznego docierającego do kolektorów jest „tracona” na skutek odbić i absorpcji. Sprawność optyczna η0 uwzględnia te straty.

Rodzaj budowy

Sprawność optyczna % 66,5

Współczynnik strat ciepła k1 W/m2K 0,749

k2 W/m2K2 0,005

Rodzaj budowy

Sprawność optyczna % 85,1

Współczynnik strat ciepła k1 W/m2K 4,036

k2 W/m2K2 0,0108

Kolektory próżniowe rurowe czy może kolektory płaskie?

- porównanie kolektorów słonecznych Buderus

Sprawność kolektorów słonecznych

Straty optyczne 100

90 80 70 60 50 40 30 20 10

0

0 20 40 60 80 100 120 140

[%]

Straty cieplne

Moc

grzewcza

0

Tabs To

ΔT= Tabs - To

Straty liniowe – k1

W/m2K

Straty nieliniowe – k2

W/m2K2

EFEKTYWNOŚĆ INSTALACJI FOTOWOLTAICZNYCH

Bilans wykorzystania energii promieniowania słonecznego:

Natężenie promieniowania słonecznego w Polsce

Wpływ pory roku

Konwersja energii słonecznej

Sprawność przetwarzania energii słonecznej

Sprawność konwersji promieniowania słonecznego na energię

Sprawność modułu

Sprawność modułu fotowoltaicznego nie przekłada się na produkcję energii gdyż panele fotowoltaiczne kupuje się na Waty ich mocy a nie powierzchnię. Z tego względu dla inwestora od strony produkcji energii nie ma znaczenia, z jakiej powierzchni pochodzi wat mocy. Sprawność nabiera znaczenia, gdy mamy ograniczoną powierzchnię do zamontowania instalacji PV. Niższa sprawność to większa powierzchnia potrzebna do uzyskania tej samej mocy.

Powierzchnia zajmowana przez instalację 1 kW w różnych technologiach (sprawnościach)

Powierzchnia zajmowana przez instalację 1 kW w różnych technologiach (sprawnościach)

Źródło:

Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

Wpływ zacienienia na

charakterystykę napięciowo-

prądową ogniwa

Silne zacienienie: • Znacznie obniża napięcie na

modułu • Nieznacznie wpływa na

przepływający prąd Słabe zacienienie: • Nieznacznie wpływa na napięcie

modułu • Proporcjonalnie do stopnia i

intensywności zacienienia ogniw obniża przepływający prąd

Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

Obecnie dostępne panele fotowoltaiczne posiadają zazwyczaj 3 diody bocznikujące połączone równolegle z łańcuchem 20-24 ogniw. Konsekwencją takiej budowy jest niezależna praca każdego z 3 fragmentów panelu, która nabiera znaczenia w przypadku pojawienie się zacienień. Większa liczba diod jest korzystniejsza pod kątem maksymalizacji uzysku energii z panelu fotowoltaicznego. W przypadku jego punktowego zacienienia wyłączeniu ulega tylko jeden łańcuch a nie cały panel.

Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

Oprócz liczby diod często znaczenia nabiera sposób montażu samego panelu zwłaszcza, gdy nie możemy wyeliminować pojawiających się okresowo zacienień.

Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

Wpływ zacienienia na charakterystykę napięciowo-prądową ogniwa

W przypadku instalacji modułów na dachu, w którym będą występować zacienienia ważne, aby zastosowany inwerter posiadał mechanizm szukania globalnego punktu mocy maksymalnej w innym wypadku straty wynikające z zacienienia będą proporcjonalne do strat najbardziej zacienianego modułu. W przypadku licznych zacienień na dachu warto rozważyć konfigurację instalacji w oparciu o mikroinwertery które w znaczącym stopniu ograniczają skutki zacienienia.

Strefy zacieniania na dachu skierowanym na południe

Wpływ temperatury ogniwa na jego charakterystykę

Wpływ natężenia promieniowania słonecznego na charakterystykę ogniwa

Czułość spektralna modułów - AM

Baterie słoneczne w czasie pracy ulegają stopniowej powolnej degradacji, która przekłada się na coroczną utratę mocy. Standardowy 200W panel fotowoltaiczny po 10 latach będzie posiadał maksymalnie 180W. Standardowo krzemowe baterie słoneczne tracą od 0,6-1,1% mocy rocznie.

Im ta wartość jest niższa tym dany panel fotowoltaiczny będzie w ciągu swojego "życia" generował więcej energii!

Utrata sprawności w czasie eksploatacji modułu

Każdy panel fotowoltaiczny nawet w ramach jednego modelu i nawet w ramach jednej serii będzie miał nieznacznie różną moc. Z tego powodu producent zawsze podaje moc z pewną tolerancją. Dodatnia tolerancja oznacza, że dany panel fotowoltaiczny nigdy nie będzie miał mocy niższej niż nominalna może mieć jednak nieco wyższą.

Wybór panelu fotowoltaicznego z dodatnią tolerancją jest dla nas bardziej korzystny!

Tolerancja mocy nominalnej

Baterie słoneczne tracą moc wraz ze wzrostem temperatury. Ich moc nominalna jest wyznaczana w temperaturze 25 stopni C i natężeniu promieniowania słonecznego 1000W/m2. W normalnych warunkach pracy, w słoneczny letni dzień temperatura panelu fotowoltaicznego jest wyższa od warunków laboratoryjnych, przez co moc baterii słonecznej jest niższa od nominalnej nawet, gdy natężenie promieniowania słonecznego jest odpowiednio wysokie. Spadek mocy wraz ze wzrostem temperatury panelu fotowoltaicznego określa "Temperaturowy współczynnik mocy" ang. Temperature Coefficient of Power.

Im niższy jest ten Wskaźnik tym wydajność panelu fotowoltaicznego będzie większa!

Wpływ temperatury na pracę modułu

Skrót NOCT oznacza normalną temperaturę pracy ogniwa fotowoltaicznego ang. „normal operating cell temperature”. Te normalne warunki zostały określone, jako temperatura otoczenie 20 stopni C prędkość wiatru 1m/s natężenie promieniowania słonecznego 800W/m2. Są to warunki, w jakich panel fotowoltaiczny bardzo często będzie pracował i dla tych warunków producenci wyznaczają temperaturę jego pracy.

Im jest ona niższa tym lepiej dla wydajności modułu!

Normalna temperatura pracy ogniwa

Sprawność konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną zależy od spektrum promieniowania słonecznego. W słoneczne dni, gdy natężenie promieniowania słonecznego jest wysokie, spektrum to będzie inne niż w dni pochmurne, gdy dominuje promieniowanie rozproszone a natężenie jest bardzo niskie. Nominalna sprawność wyznaczana jest przy 1000W/m2 , spektrum am 1.5 i wynosi 1 = 100%. W praktyce baterie słoneczne w polskim klimacie najwięcej będą pracować w przedziale natężenie promieniowania słonecznego 400 - 800W/m2 w zimie będzie to przedział 200 - 500W/m2 Z tego względu w Polskim klimacie ważne jest czy dany panel fotowoltaiczny dobrze zagospodarowuje niskoenergetyczne promieniowanie słoneczne. Baterie krzemowe w zakresie natężenia promieniowania słonecznego 500-800W/m2 mogą osiągać sprawności wyższe od nominalnej z kolei w zakresie niskich wartości promieniowania słonecznego zdecydowana większość baterii słonecznych osiąga efektywność niższą od nominalnej.

Wpływ spektrum promieniowania słonecznego

Informacja o utracie sprawności przy niskich wartościach natężenia promieniowania słonecznego - Standardem jest podawanie wskaźnika sprawności dla 200W/m2.

Im utrata efektywności przy niskim natężeniu promieniowania jest niższa tym lepiej dla wydajności baterii słonecznej!

Wpływ spektrum promieniowania słonecznego

Badanie moduły w komorze klimatycznej

Badanie moduły w komorze klimatycznej

EFEKTYWNOŚĆ INSTALACJI MAŁYCH ELEKTROWNI WIATROWYCH

Ograniczenia efektywności pracy siłowni wiatrowej

Zmiana prędkości wiatru w ciągu roku

MEW - WARUNKI WIETRZNOŚCI

średnia roczna prędkość wiatru w Polsce waha się między 2,8m/s a 3,5 m/s.

Prędkości powyżej 4 m/s występują na 2/3 powierzchni kraju, a powyżej 5 m/s występują już tylko w 1/3 powierzchni.

Rejony wyróżniające się pod

względem średniej prędkości wiatrów w Polsce to:

Pobrzeże Słowińskie i Kaszubskie, Suwalszczyzna Prawie cała nizinna część Polski Beskid Śląski i Żywiecki Bieszczady i Pogórze Dynowskie W w/w rejonach średnie

prędkości wiatru przekraczają 4 m/s.

Jedynie wybrzeże przekracza średnio-rocznie 6 m/s.

Pomiar prędkości wiatru

Zasoby energii wiatru w Polsce, średnia roczna prędkość wiatru na wysokości 50 m nad poziomem gruntu (źródło: Anemos)

Szacowanie produktywności dla MEW

Nieprzydatność technik stosowanych zwykle dla dużych

turbin (zbyt wysokie koszty)

Brak atlasów wiatrowych o odpowiedniej dokładności dla

wysokości poniżej 50 m

Duży wpływ bezpośredniego otoczenia na funkcjonowanie

turbiny – działają w warstwie przyziemnej, w środowisku

silnie turbulentnym (decydujące znaczenie

mikrolokalizacji)

Próba klasyfikacji warunków wiatrowych w Polsce –

wyodrębnienie 5 klas lokalizacji małych turbin wiatrowych

Klasa 0: Miasto (gęsta zabudowa jednorodzinna) lub teren zalesiony lub

bezpośrednie sąsiedztwo obszarów o dużej szorstkości od strony zachodniej

Klasa 1: Zabudowa wiejska i siedliskowa, grupy drzew – większość

obszarów Polski centralnej

Klasa 2: Teren otwarty, lekko wyniesiony ponad otaczający obszar,

brak przeszkód terenowych o wysokości porównywalnej z elektrownią w

odległości do 15 wysokości elektrowni

Klasa 3: Teren otwarty, lekko wyniesiony ponad otaczający obszar, brak

przeszkód terenowych o wysokości porównywalnej z elektrownią w odległości do 15 wysokości elektrowni; tereny Polski północno-wschodniej (Suwalszczyzna), wybrzeże Bałtyku, Polska południowa (obszary wzgórz i przedgórzy)

Klasa 4: Najlepsze obszary w klasie 3 (poniżej 2 km do brzegu morskiego

lub szczyty wzgórz, bez żadnych przeszkód terenowych)

Chwilowe prędkości wiatru, wysokość 15m Lokalizacja klasy 2, lato

Chwilowe prędkości wiatru, wysokość 15m Lokalizacja klasy 2, zima

Chwilowe prędkości wiatru, wysokość 15m - Lokalizacja klasy 4, lato

Chwilowe prędkości wiatru, wysokość 15m Lokalizacja klasy 4, zima

Produktywność małych elektrowni wiatrowych w warunkach polskich, MWh

Prawidłowa lokalizacja małej turbiny wiatrowej jest w

warunkach polskich dużym wyzwaniem, jednak decyduje o

opłacalności

Oferta producentów obejmuje duży zakres turbin,

przeznaczonych na różne warunki wiatrowe

Produktywność w wybranej lokalizacji powinna być

podstawowym kryterium wyboru dostawcy urządzenia

Dla efektywnego stosowania MEW w Polsce największe

znaczenie ma rozwój technologii turbin przeznaczonych do

pracy w warunkach niskiej wietrzności (w Polsce dominuje

zakres prędkości 3-5 m/s)

O ostatecznej atrakcyjności inwestycji w MEW będą

decydować także ceny energii dla odbiorców końcowych

EFEKTYWNOŚĆ ENERGETYCZNA POMP CIEPŁA

zawór dławiący

sprężarka

parownik skraplacz

Obieg chłodniczy pompy ciepła wraz

instalacją dolnego źródła ciepła i

instalacją grzewczą budynku

instalacja dolnego źródła ciepła

instalacja

grzewcza

instalacja chłodnicza

pompy ciepła

45 oC

40 oC

35 oC

30 oC

25 oC

20 oC

15 oC

10 oC

5 oC

0 oC

-5 oC

-10 oC

50 oC

55 oC

INSTALACJA

GÓRNEGO

ŹRÓDŁA

INSTALACJA

DOLNEGO

ŹRÓDŁA

TE

MP. D

OL

NE

GO

ŹR

ÓD

ŁA

T

EM

P. G

ÓR

NE

GO

ŹR

ÓD

ŁA

45 oC

40 oC

35 oC

30 oC

25 oC

20 oC

15 oC

10 oC

5 oC

0 oC

-5 oC

-10 oC

50 oC

55 oC

TE

MP. D

OL

NE

GO

ŹR

ÓD

ŁA

T

EM

P. G

ÓR

NE

GO

ŹR

ÓD

ŁA

Wydajność cieplna

Qk 0/35 = 9,1 kW

Moc elektryczna napędowa

P 0/35 = 2,0 kW

Pompa ciepła Logatherm WPS 9

P

QCOP k35/0

COP0/35 = 4,55

45 oC

40 oC

35 oC

30 oC

25 oC

20 oC

15 oC

10 oC

5 oC

0 oC

-5 oC

-10 oC

50 oC

55 oC

TE

MP. D

OL

NE

GO

ŹR

ÓD

ŁA

T

EM

P. G

ÓR

NE

GO

ŹR

ÓD

ŁA

Wydajność cieplna

Qk 0/50 = 8,4 kW

Moc elektryczna napędowa

P 0/50 = 2,6 kW

Pompa ciepła Logatherm WPS 9

P

QCOP k50/0

COP0/50 = 3,23

1

Jak wyznaczyć rzeczywistą moc grzewczą pompy ciepła QK?

Jakie parametry należy zmierzyć?

Jak wyznaczyć rzeczywistą moc grzewczą pompy ciepła QK?

t1 t2

m .

Q = m*cw*(t2-t1)

Jak wyznaczyć rzeczywistą moc grzewczą pompy ciepła QK?

t1 t2

m .

Q = m*cw*(t2-t1)

dla WPS 9 = 0,31 l/s cw = 4,19 kJ/kgK t2 = 35,0 ºC = 308,15 K t1 = 27,9 ºC = 301,05 K

Q = 9,15 kW

Jak wyznaczyć rzeczywisty współczynnik wydajności COP?

COP = Qk/P

P

Jakie przynoszą efekty ekonomiczne pompy ciepła?

Rezygnacja z przyłącza gazu

Rezygnacja z budowy kominów dymowych i wentylacyjnych

Rezygnacja magazynu oleju, gazu, węgla etc.

Urządzenia kompaktowe, o niewielkich wymiarach

Ogrzewanie oraz chłodzenie w jednym urządzeniu

Współpraca z wentylacją i rekuperacją

Wysoki komfort c.w.u.

Najniższe koszty eksploatacji

Jedne źródło energii pierwotnej

Bezproblemowe podłączenie z istniejącą instalacją

Tania i bezobsługowa eksploatacja

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ…