HCOIE SOLARNA ENERGIJA osnove

HRVATSKI CENTAR OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE ( HCOIE )


SOLARNA ENERGIJA
Sunčeva energija je obnovljiv i neograničen izvor energije od kojeg, izravno ili neizravno, potječe najveći dio drugih izvora energije na Zemlji. Sunčeva energija u užem smislu podrazumijeva količinu energije koja je prenesena Sunčevim zračenjem, a izražava se u J. Sunčeva se energija u svojem izvornom obliku najčešće koristi za pretvorbu u toplinsku energiju za sustave pripreme potrošne tople vode i grijanja (u europskim zemljama uglavnom kao dodatni energent) te u solarnim elektranama, dok se za pretvorbu u električnu energiju koriste fotonaponski sustavi.

Sunčevo zračenje je kratkovalno zračenje koje Zemlja dobiva od Sunca. Izražava se u W/m2, a ovisno o njegovom upadu na plohe na Zemlji može biti:

◦neposredno: zračenje Sunčevih zraka
◦difuzno zračenje neba: raspršeno zračenje cijelog neba zbog pojava u atmosferi
◦difuzno zračenje obzorja: dio difuznog zračenja koji zrači obzorje
◦okosunčevo difuzno (cirkumsolarno) zračenje: difuzno zračenje bliže okolice Sunčevog diska koji se vidi sa Zemlje
◦odbijeno zračenje: zračenje koje se odbija od okolice i pada na promatranu plohu.
Učin Sunčevog zračenja iznosi oko 3,8 · 1026 W, od čega Zemlja dobiva 1,7 · 1017 W. Zemlja od Sunca godišnje dobiva oko 4 · 1024 J energije što je nekoliko tisuća puta više nego što iznosi ukupna godišnja potrošnja energije iz svih primarnih izvora. Prosječna jakost Sunčevog zračenja iznosi oko 1367 W/m2 (tzv. solarna konstanta).

Spektar Sunčevog zračenja obuhvaća radio-valove, mikrovalove, infracrveno zračenje, vidljivu svjetlost, ultraljubičasto zračenje, X-zrake i Y-zrake. Najveći dio energije pri tome predstavlja IC zračenje (valne duljine > 760 nm), vidljiva svjetlost (valne duljine 400 - 760 nm) te UV zračenje. U spektru je njihov udio sljedeći: 51% čini IC zračenje, 40% UV zračenje, a 9% vidljiva svjetlost.

Pod pojmom iskorištavanja Sunčeve energije u užem se smislu misli samo na njezino neposredno iskorištavanje, u izvornom obliku, to jest ne kao, primjerice, energija vjetra ili fosilnih goriva. Sunčeva se energija pri tome može iskorištavati aktivno ili pasivno. Aktivna primjena Sunčeve energije podrazumijeva njezinu izravnu pretvorbu u toplinsku ili električnu energiju. Pri tome se toplinska energija od Sunčeve dobiva pomoću solarnih kolektora ili solarnih kuhala, a električna pomoću fotonaponskih (solarnih) ćelija. Pasivna primjena Sunčeve energije znači izravno iskorištavanje dozračene Sunčeve topline odgovarajućom izvedbom građevina (smještajem u prostoru, primjenom odgovarajućih materijala, prikladnim rasporedom prostorija i ostakljenih ploha itd).

SOLARNI SUSTAVI
Solarni sustavi su izvori topline za grijanje i pripremu PTV-a koji kao osnovni izvor energije koriste toplinu dozračenu od Sunca, odnosno Sunčevu energiju. Solarni se sustavi za grijanje u najvećem broju slučajeva koriste kao dodatni izvori topline, dok kao osnovni služe plinski, uljni ili električni kotlovi. Njihova je primjena kao osnovni izvori topline za sustave grijanja rijetka i ograničena na područja s dovoljnom količinom Sunčevog zračenja tijekom cijele godine, u kojima su ujedno i klimatski uvjeti povoljniji pa je sezona grijanja kratka. Solarni se sustavi stoga ponajviše koriste za pripremu PTV-a.

Osnovni dijelovi solarnih sustava su:

◦kolektor
◦spremnik tople vode s izmjenjivačem topline
◦solarna stanica s crpkom i regulacijom
◦razvod s odgovarajućim radnim (solarnim) medijem.
Kolektor je osnovni dio svakog solarnog sustava i u njemu dolazi do pretvorbe Sunčeve u toplinsku energiju. Dozračena Sunčeva energija prolazi kroz prozirnu površinu koja propušta zračenje samo u jednom smjeru te se pretvara u toplinu koja se predaje prikladnom prijenosniku topline: solarnom radnom mediju (najčešće smjesi vode i glikola).

U njihove najvažnije dijelove ubrajaju se:

◦kućište s odgovarajućom toplinskom izolacijom, priključcima, sabirnim vodovima i pričvrsnim elementima
◦apsorberske plohe koje služe za potpunu apsorpciju toplinskog (IC) dijela Sunčevog zračenja i njegovu pretvorbu u korisnu toplinu
◦pokrov koji se izrađuje od uobičajenog prozorskog ili vodenog bijelog stakla ili od polimernih materijala ojačanih staklenim vlaknima.
Dvije osnovne izvedbe kolektora:


Dvije osnovne izvedbe kolektora

Spremnik tople vode je dio solarnog sustava koji služi za izmjenu topline s ogrjevnim medijem sustava grijanja ili potrošnom toplom vodom te za njihovu pohranu.

Dvije osnovne izvedbe spremnika:

◦jednostavan - samo za pripremu PTV-a
◦kombiniran - za sustave grijanja (sastavljen od dva spremnika - jednog u drugom).
U oba slučaja, spremnik mora biti dobro izoliran.

Solarna stanica s crpkom predstavlja središnji dio cijelog solarnog sustava jer omogućava strujanje solarnog medija, dok automatska regulacija vodi računa o sigurnom pogonu cijelog sustava i uskla- đivanju njegovog rada sa sustavom grijanja i pripreme PTV-a, odnosno uvjetima u okolici kao što su promijenjene potrebe za toplinom, iznimno niske ili visoke vanjske temperature koje mogu oštetiti sustav i sl. Treba napomenuti da postoje i izvedbe solarnih sustava koje ne koriste crpku (tzv. termosifonski sustavi), već se u njima strujanje osniva na gravitacijskom djelovanju zbog razlike temperatura, odnosno gustoće solarnog medija.

Solarni medij je tvar koja struji (cirkulira) kroz sustav, odnosno cijevi razvoda solarnog kruga od kolektora do spremnika u kojemu dolazi do izmjene topline s potrošnom toplom vodom ili ogrjevnim medijem sustava grijanja. Kao solarni medij najčešće služi voda, odnosno njezina smjesa s glikolom ili drugim sredstvima za sprječavanje smrzavanja.

Tri osnovne izvedbe solarnih sustava za grijanje:

1.Solarni sustav s dva spremnika u cijelosti omogućava odvajanje sustava grijanja i pripreme PTV-a, a osnovna mu je prednost gotovo trenutačno postizanje potrebne temperaturne razine, a time i optimalnog rada kolektora. Na žalost, ugradnja dva spremnika povećava troškove, a zahtijeva i dodatni prostor.
2.Solarni sustav s kombiniranim spremnikom predstavlja najjednostavnije i cijenovno prihvatljivo rješenje. Kako bi se spriječilo pregrijavanje unutarnjeg spremnika, kod takvih sustava treba ugraditi povratni vod grijanja ponešto iznad donjeg dijela unutarnjeg sustava, odnosno izmjenjivača topline solarnog kruga.
3.Solarni sustav s dodatnim izmjenjivačem topline, odnosno s protočnim zagrijačem omogućava zagrijavanje ogrjevnog medija ili potrošne tople vode točno prema potrebi, o čemu se brine dodatna crpka.

SOLARNI FOTONAPONSKI SUSTAVI
Solarni fotonaponski pretvornici služe za izravnu pretvorbu (Sunčeve) svjetlosti u električnu energiju, a izvode se izvode kao fotonaponske ćelije koje mogu biti od:

◦monokristaličnog i polikristaličnog slicija
◦amorfnog silicija
◦kadmij-telurida i bakar-indij-diselenida.
Fotonaponski moduli mogu biti:

1.Samostojeći FN moduli mogu biti čisto istosmjerni (DC), kombinirani istosmjerno-izmjenični (DC/AC) ili hibridni s pomoćnim izvorima kao što su benzinski ili dizelski agregati, vjetroturbine, hidroturbine ili mali kogeneracijski izvori (npr. motor ili mikroturbina).
2.Umreženi FN moduli koriste mrežu kao spremnik u interaktivnom režimu rada. Tada se viškovi (najčešće danju za sunčanog vremena) predaju mreži, a noću i u uvjetima manje insolacije iz mreže se uzimaju manjkovi.
Fotonaponski sustavi predstavljaju integriran skup FN modula i ostalih komponenata, projektiran tako da primarnu Sunčevu izravno pretvara u konačnu električnu energiju kojom se osigurava rad određenog broja istosmjernih i/ili izmjeničnih trošila, samostalno ili zajedno s pričuvnim izvorom.

Ovisno o načinu rada, postoje dvije vrste FN sustava:

1.samostalni (autonomni), za čiji rad mreža nije potrebna
2.mrežni, spojeni na električnu mrežu:
◦pasivni, kod kojih mreža služi (samo) kao pričuvni izvor
◦aktivni (interaktivni), kod kojih mreža može pokrivati manjkove, ali i preuzimati viškove električne energije iz FN modula
3.hibridni, koji su zapravo samostalni povezani s drugim (obnovljivim) izvorima.
Samostalni (autonomni) sustavi za svoj rad ne zahtijevaju spoj na električnu mrežu. Kada kod njihove primjene električnu energiju treba isporučivati tijekom noći ili u razdobljima s malim intenzitetom Sunčevog zračenja nužan je akumulator (baterija) koji služi kao spremnik električne energije. Tom se sklopu mora dodati regulator za kontrolirano punjenje i pražnjenje baterije, a dodavanjem istosmjerno-izmjeničnog pretvornika (=12 V / (230 V) autonomni sustavi mogu zadovoljiti i sve vrste tipičnih mrežnih potrošača, kao što su perilice, hladnjaci, crpke, hidrofori, motori, televizori, radioaparati, računala, usisavači, mali kućni aparati i druga trošila.
Takvi su sustavi pogodni za osiguravanje potrebnih količina električne energije za udaljene (izolirane) potrošače kao što su ruralna (izolirana) ili primorska vikend-naselja te za brojne pojedinačne objekte različitih namjena (npr. razne vrste signalizacija i upozorenja, rasvjetu, telekomunikacijske releje, svjetionike, sustave nadgledanja itd).

Hibridni FN sustavi nastaju povezivanjem samostalnih (osobito većih) s drugim alternativnim (pričuvnim) izvorima električne energije, kao što su vjetroturbine, hidrogeneratori, pomoćni plinski ili dizelski agregati. Takva rješenja daju veću sigurnost i raspoloživost isporuke električne energije te omogućavaju manje kapacitete akumulatora kao spremnika električne energije. Kod rješenja koja koriste plinske i dizelske agregate sustavi se dimenzioniraju tako da se agregati koriste malo sati u godini čime se štedi gorivo, smanjuju troškovi održavanja i produljava vijek trajanja.

Pasivni mrežni FN sustavi električnu mrežu koriste samo uvjetno, u razdobljima kada FN moduli ne mogu proizvesti dovoljne količine električne energije, primjerice noću kada su istodobno akumulatori električne energije prazni.

Aktivni, odnosno interaktivni mrežni FN sustavi mrežu koriste interaktivno, uzimajući je u slučaju većih potreba ili vraćajući je u slučaju viškova električne energije proizvedene u FN modulima.

PASIVNA SOLARNA ENERGIJA
Pasivna primjena Sunčeve energije se osniva na primjeni tako izvedenih građevinskih elementa i materijala koji trebaju biti optimalno, a ne samo estetski, oblikovani i međusobno funkcionalno povezani. Geometrijski oblik, veličina i visina zgrade, toplinski kapacitet pojedinih zidova i prostorija, toplinska zaštita zgrade i, posebice, njezinih pojedinih dijelova, ostakljenost, zaštita od vjetra, kiše, vlage, ali i od Sunca ljeti, fizikalna svojstva korištenih građevinskih i konstruktivnih materijala te kvaliteta građenja u energetskom smislu značajno utječu na udobnost boravka u takvim zgradama, ali i na njihovu ukupnu energetsku potrošnju cijele godine, uz ostale vidove potrošnje, uključujući grijanje zimi i hlađenje ljeti. U širem kontekstu, na pasivnu energetiku zgrade ne utječu samo arhitekt i izvođač radova, već i urbanistički plan gradnje u naselju, raspored i međusobna udaljenost pojedinih zgrada, smjerovi glavnih prometnica u naselju u odnosu na dominantni smjer vjetra, lokalne klimatsko-meteorološke značajke, blizina mora, konfiguracija okolnog tla, blizina i smjer najbližih onečišćivača okoliša (npr. zastarjele industrije) i dr.

Načela aktivne i pasivne izvedbe zgrade mogu se podijeliti u tri skupine:

1.načela solarnog grijanja:
◦aktivna i pasivna pretvorba Sunčeve u toplinsku energiju
◦velik toplinski kapacitet zgrade
◦pohranjivanje i kasnija primjena pohranjene topline
◦distribucija pohranjene topline i njezino prikupljanje
◦sprječavanje nekontroliranih gubitaka konvekcijom, ventilacijom i zračenjem
◦solarna priprema PTV
2.načela solarnog hlađenja:
◦izvođenje aktivne i pasivne zaštite od Sunčevog zračenja ljeti
◦smanjenje unutarnjih toplinskih dobitaka ljeti
◦izvođenje aktivnih i pasivnih (konstruktivnih) sustava za dobro provjetravanje i hlađenje
3.načela korištenja dnevnog svjetla danju i hladne (štedljive) rasvjete noću
◦izvođenje zgrade tako da u svakoj prostoriji bude dovoljno dnevnog svijetla
◦izvođenje hladne energetski učinkovite noćne rasvjete
◦primjena FN modula za pokrivanje barem jednog dijela (primjerice oko 30%) dnevne (netoplinske) potrošnje električne energije.

HRVATSKI CENTAR OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE ( HCOIE )