Efektywność energetyczna

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
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.
Wpływ orientacji i pochylenia
kolektora
na uzysk energii
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.
Kolektory próżniowe rurowe czy może kolektory płaskie?
- porównanie kolektorów słonecznych Buderus
Rodzaj budowy
Sprawność optyczna
Współczynnik strat ciepła
%
k1
W/m2K
k2
W/m2K2
85,1
4,036
0,0108
Rodzaj budowy
Sprawność optyczna
Współczynnik strat ciepła
%
k1
W/m2K
k2
W/m2K2
66,5
0,749
0,005
Sprawność kolektorów słonecznych
100
90
80
70
[%] 60
50
40
30
20
10
0
To
Straty optyczne
Tabs
Straty cieplne
0

Moc
grzewcza
0
20
40
60
80 100
ΔT= Tabs - To
Straty liniowe
W/m2K
– k1
Straty nieliniowe – k2
W/m2K2
120 140
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 napięciowoprądową 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
Utrata sprawności w czasie eksploatacji modułu
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!
Tolerancja mocy nominalnej
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!
Wpływ temperatury na pracę modułu
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!
Normalna temperatura pracy ogniwa
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!
Wpływ spektrum promieniowania słonecznego
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 500800W/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!
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
Obieg chłodniczy pompy ciepła wraz
instalacją dolnego źródła ciepła i
instalacją grzewczą budynku
instalacja
grzewcza
sprężarka
skraplacz
zawór dławiący
parownik
instalacja dolnego źródła ciepła
instalacja chłodnicza
pompy ciepła
TEMP. GÓRNEGO ŹRÓDŁA
INSTALACJA
GÓRNEGO
ŹRÓDŁA
55 oC
50 oC
45 oC
40 oC
35 oC
30 oC
25 oC
INSTALACJA
DOLNEGO
ŹRÓDŁA
TEMP. DOLNEGO ŹRÓDŁA
20 oC
15 oC
10 oC
5 oC
0 oC
-5 oC
-10 oC
Qk 0/35 = 9,1 kW
Moc elektryczna napędowa
P 0/35 = 2,0 kW
Qk
COP0 / 35 
P
COP0/35 = 4,55
TEMP. GÓRNEGO ŹRÓDŁA
Wydajność cieplna
50 oC
45 oC
40 oC
35 oC
30 oC
25 oC
20 oC
TEMP. DOLNEGO ŹRÓDŁA
Pompa ciepła Logatherm WPS 9
55 oC
15 oC
10 oC
5 oC
0 oC
-5 oC
-10 oC
Qk 0/50 = 8,4 kW
Moc elektryczna napędowa
P 0/50 = 2,6 kW
Qk
COP0 / 50 
P
COP0/50 = 3,23
TEMP. GÓRNEGO ŹRÓDŁA
Wydajność cieplna
TEMP. DOLNEGO ŹRÓDŁA
Pompa ciepła Logatherm WPS 9
55 oC
50 oC
45 oC
40 oC
35 oC
30 oC
25 oC
20 oC
15 oC
10 oC
5 oC
0 oC
-5 oC
-10 oC
Jak wyznaczyć rzeczywistą moc grzewczą pompy ciepła
QK?
Jakie parametry należy zmierzyć?
1
Jak wyznaczyć rzeczywistą moc grzewczą pompy ciepła
Q = m*cw*(t2-t1)
t1
.
m
t2
QK?
Jak wyznaczyć rzeczywistą moc grzewczą pompy ciepła
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
t1
t2
.
m
Q = 9,15 kW
QK?
Jak wyznaczyć rzeczywisty współczynnik wydajności COP?
COP = Qk/P
P
Jakie przynoszą efekty ekonomiczne pompy ciepła?
 Najniższe koszty eksploatacji
 Jedne źródło energii pierwotnej
 Bezproblemowe podłączenie z istniejącą instalacją
 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.
 Tania i bezobsługowa eksploatacja
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ…