Obr. Solárne panely nainštalované na konštrucii natáčajúcej sa po dráhe kopírujúcej ekliptiku slnka
V súčasnosti je podpora obnoviteľných zdrojov energie (OZE) jeden z kľúčových aspektov rozvoja energetickej politiky Slovenska. Využitie OZE je však v súčasnosti nehomogénne, aj keď sú mnohé zdroje dostupné v značnom rozsahu a disponujú podstatným potenciálom. Aj preto sa v tomto článku pozornosť sústreďuje na možnosti využitia slnečnej energie ako jedného z globálne najdostupnejších a zároveň najčistejších zdrojov energie. Územie Slovenska predstavuje z hľadiska využitia slnečnej energie relatívny potenciál s ročným úhrnom dopadajúcej energie na zemsky povrch v rozmedzí 1 100 až 1 325 kWh energie na jednotku plochy 1 m2 [1], [2]. S cieľom dosiahnuť maximálny energetický zisk pri termických systémoch je potrebné ich vhodné smerovanie tak, aby zachytili podstatné množstvo slnečných lúčov [3 – 5]. Dosiahnutie optimálneho zachytenia dopadajúceho slnečného žiarenia vyžaduje, aby rovina plochy kolektorov zvierala pravý uhol s týmto žiarením. V podmienkach využitia termických systémov na Slovensku predstavuje optimálny uhol sklonu od horizontálnej roviny ? počas dňa a roka pri letnom využití od 30° do 45° a pri zimnom využití od 60° do 90° [2], [5], [6]. Na základe toho treba na zabezpečenie efektívneho energetického zisku pri celoročnom využívaní kolektorov meniť ich sklon v závislosti od ročného obdobia [7].
Charakteristika experimentálnej zostavy
Experimentálne merania sa realizovali s využitím laboratórneho termického systému umiestneného v priestoroch pracoviska Katedry procesnej techniky. Termický systém pozostáva z panelovej skupiny štyroch plochých solárnych panelov HERZ CS 100F umiestnených na konštrukcii (obr. 1) umožňujúcej natáčanie panelov po dráhe kopírujúcej ekliptiku slnka. Schéma časti systému využitého pri experimentoch je zobrazená na obr. 2. Celková aktívna plocha kolektorov predstavuje 7,56 m2. Termický systém okrem toho pozostáva z riadenia natáčania konštrukcie, čerpadlovej skupiny, akumulačných zásobníkov, bezpečnostných zariadení, trojcestného prepínacieho ventilu s pohonom a fluidikového prietokomera s kalorimetrickým počítadlom. Získaná tepelná energia sa odovzdáva v zásobníku na ohrev teplej úžitkovej vody (TÚV) VT-S 1000 FRMR s objemom 970 l a potom v zásobníku PSR800 s objemom 800 l. Prepínanie medzi zásobníkmi je realizované autonómne, pričom závisí od výstupnej teploty média z panelov a teploty v samotných zásobníkoch. V prípade dostatočnej kumulácie energie v jednom zo zásobníkov prepínací ventil pripojí druhý zásobník. K takémuto prepnutiu dôjde aj v prípade, ak poklesne výstupná teplota z panelov a nedochádza k ďalšiemu odovzdávaniu energie do zásobníka, pričom v druhom zásobníku je teplota média nižšia ako výstupná teplota z panelov. Zásobníky sú vybavené odporovými snímačmi teploty uloženými v odstupňovaných horizontálnych vrstvách tak, aby bolo možné snímanie rozloženia teploty média v nádobe.
Meranie množstva získanej tepelnej energie vo vzťahu k spotrebe energie
Meranie množstva získanej tepelnej energie sa uskutočnilo v období s tzv. nízkou energetickou účinnosťou premeny slnečnej energie (jarné a jesenné obdobie), t. j. v čase, keď slnečné lúče dopadajú na zemský povrch (Slovensko) pod výrazne nepriaznivým uhlom. Tento stav možno kompenzovať zmenou polohy kolektorov (pozri Úvod), avšak pri fixných realizáciách je táto zmena zvyčajne nerealizovateľná, resp. realizovateľná len veľmi náročne.
Na termickom systéme sa uskutočnili merania v dvoch režimoch; v prípade prvého merania, ktoré sa realizovalo bez natáčania slnečných kolektorov, bol systém natočený a následne fixovaný smerom na juh tak, aby v čase maximálnej intenzity slnečného žiarenia kolektory teoreticky prijali maximálne množstvo energie. Hodnoty intenzity slnečného žiarenia boli merané využitím integrovaného luxmetra. Na sledovanie množstva prijatej energie vo forme tepla sa využilo kalorimetrické počítadlo Supercal 531. Druhé meranie sa realizovalo s využitím systému natáčania slnečných kolektorov. Súčasne sa zaznamenávala aj hodnota elektrickej energie spotrebovanej na natáčanie systému. Sledovanie spotreby elektrickej energie sa realizovalo využitím trojfázového statického elektromera určeného na meranie činnej energie AMT B1E-FA4TTEII4. Procesnú úroveň riadenia a záznam snímaných údajov z jednotlivých meracích uzlov zabezpečuje softvérový systém Desico Insight koncipovaný na báze Siemens Desigo Insight. Riadiaci systém vypočíta presnú polohu slnka podľa zadaného umiestnenia objektu pomocou súradníc GPS, miestneho času a aktuálneho dátumu. Vzhľadom na to, že natáčanie kolektorov je realizované okolo jednej osi, využíva sa extrapolácia azimutu. Spracované namerané údaje sú prezentované v nasledujúcich grafoch (obr. 3).
Výsledky meraní poukazujú na to, že systém s natáčaním panelov vykazuje absolútny energetický zisk za sledovacie obdobie 22,5 kWh; táto hodnota predstavuje cca 126 % z výkonu získaného pri systéme bez natáčania (17,65 kWh). Zmena intenzity osvetlenia predstavuje rozdiel 0,45 % v prospech merania s natáčaním. Pri vykonaní korekcie a prepočítaní na referenčnú hodnotu 100 klx dosahuje energetický zisk pri systéme s natáčaním hodnotu cca 3,6 kWh, čo predstavuje cca 30 % nárast oproti statickému nastaveniu.
Ako vyplýva z obr. 4, množstvo energie vynaloženej na natáčanie systému za sledované obdobie predstavuje 0,29 kWh elektrickej energie. Spotreba elektrickej energie vo vzťahu k energetickým ziskom plynúcim práve z výhod natočenia systému je len minimálna. Prevádzka celého systému natáčania presahuje efektívny čas slnečného svitu daného dňa, pričom tento časový diferenciál je spôsobený potrebou ustálenia systému pre tzv. pokojový stav. Konštrukcia je fixovaná tak, aby sa eliminovali možné poveternostné vplyvy spôsobujúce poškodenie zariadenia. Následne je preto v ďalšom cykle systém aktivovaný v automatickom režime v takom časovom predstihu, aby došlo k potrebnej stabilizácii a ustáleniu zariadenia.
Záver
Skutočná získaná energia z kolektorov preukázaná experimentálnym meraním s automatickým natáčaním sa líši od množstva energie získanej z pevne umiestnených kolektorov v období s nízkym slnečným potenciálom takmer až o 28 %. Hodnoty nárastu získanej energie sú zaujímavé, avšak musí byť splnená podmienka ekonomickej opodstatnenosti, v tomto konkrétnom prípade bola hodnota energie vynaloženej na natáčanie systému stanovená na 0,3 kWh. Pri prepočte na 1 MWh čistého energetického zisku oproti statickému systému predstavujú energetické náklady na natáčanie 62 kWh, pričom treba zohľadniť, že analyzované obdobie predstavuje čas s nízkou účinnosťou energetického zisku. Táto spotreba energie je minimálnou hodnotou oproti energetickým ziskom plynúcim práve z výhod natočenia systému.
Poznámka: Príspevok bol pripravený s podporou VEGA 1/0338/15 Výskum efektívnych kombinácií energetických zdrojov na báze obnoviteľných energií.
Literatúra
[1] NAGY, Eugen: Nízkoenergetický a energeticky pasívny dom. Bratislava: 2009. ISBN 978-80-8076-073-1.
[2] HALAHYJA, Martin – VALÁŠEK Jaroslav: Solárna energia a jej využitie, Bratislava: Alfa 1985.
[3] ČORNÝ, Ivan – FEDÁK, Marcel: Technical parameters of solar thermal collectors and their measurement: Technology Systems Operation. Prešov 2007. s. 2 – 3.
[4] RIMÁR, Miroslav et al.: Experimental Study on Energy Gain of the Solar Collector with Automatic Inclining System in Conditions of Central Europe During Low Solar Potential Periods. In: Applied Mechanics and Materials, 2013, Vol. 415, p. 26 – 29.
[5] STANCIU, Camelia – STANCIU, Dorin: Optimum tilt angle for flat plate collectors all over the World – A declination dependence formula and comparisons of three solar radiation models. In: Energy Conversion and Management, 2014, 81, s. 133 – 143.
[6] BENGHANEM, M.: Optimization of tilt angle for solar panel. Case study for Madinah, Saudi Arabia. In: Applied Energy, 2011, 88, s. 1 427 – 1 433.
[7] MOGHADAM, Hamid – TABRIZI, Farshad, Farshchi – SHARAK, Ashkan, Zolfaghari: Optimization of solar flat collector inclination. In: Desalination, 2011, 265, s. 107 – 111.
Ing. Marcel Fedák, PhD.
prof. Ing. Miroslav Rimár, CSc.
Ing. Peter Šmeringai
Technická univerzia v Košiciach
Fakulta výrobných technológií TU v Košiciach so sídlom v Prešove
Katedra procesnej techniky
Štúrova 31,080 01 Prešov
