Компаративна студија за оправданост од имплементирање на соларни (swh)системи во млеко преработувачк by Aleksandra Jakimovska

Универзитет “ Св. Климент Охридски ” Технолошко - технички факултет Велес Дисперзирани студии – Кичево

ДИПЛОМСКИ ТРУД

Компаративна студија за оправданост од имплементирање на соларни (SWH)системи во млеко-преработувачки капацитет во регионот на Кичево

Студент:

Ментор:

Александра Јакимовска ин.бр 97

Доц.д-р.А.Трајковска-Петкоска

aleksandra.jakimovska97@gmail.com

Кичево, мај 2013год

Универзитет “ Св. Климент Охридски ” Технолошко - технички факултет Велес Дисперзирани студии – Кичево

ДИПЛОМСКИ ТРУД НАСЛОВ:

Членови на комисија 1. Доц.д-р Анка Трајковска Петкоска 2.Проф.д-р Драган Дамјановски 3.Асс.м-р Татјана Блажевска

ИЗЈАВА Изјавувам дека при изработката на дипломскиот труд ги почитував позитивните законски прописи од областа на заштитата на интелектуалната соспственост и не користев реченици или делови од трудови на други автори без да ги почитувам методолошките стандарди. Изјавата ја давам под полна материјална и кривична одговорност Изјавил: Александра Јакимовска

~1~

Благодарност За изработката на мојот дипломски труд најголема благодарност искажувам кон мојот ментор Доц.Д-р Анка Трајковска – Петкоска, како и до Вонреден Проф. Д-р Илија Насов, за нивната темелна и детална подршка, за нивниот професионализам како и за нивниот однос, комуникација, коректност и пристапност. Голема благодарност искажувам и кон моите најблиски, за разбирањето, помошта и подршката која постојано ми ја даваат и без кои не би имала мотив да го завршам овој труд. А воедно и благодарност до Млекара „Бистра“ ДООЕЛ – Кичево за отстапениот простор и информации и до сите оние кои посредно или непосредно беа вклучени во изработката на овој труд.

~2~

Апстракт Употребата на соларна енергија овозможува добри можности за супституција на класичните

енергенси,пред

се

на

фосилните

горива

на

електричната

енергија,насекаде каде што за тоа постојат поволни услови т.е. доволен интензитет на сончевото зрачење.Млечната индустрија,како еден од поголемите потрошувачи на енергија,може да има многу поволности од имлементирањето на соларните системи во своите процеси.Токму можноста за имлементирање на соларен систем за загревање на вода во еден млекопреработувачки капацитет,како и поволностите кои ќе се остварат од неговото имплементирање ќе бидат тема на обработка на овој труд.

~3~

Содржина 1.Вовед……………………………………………………………………………............................…..….........5 1.1.Сонце, соларно зрачење и соларна енергија……………………………..…...................................................8 1.2.Сончев потенцијал на Република Македонија………………………….…...................................................15 1.3.Искористување на сончевата енергија………………………………….…..................................................19 1.3.1. Краток историјат на примената на соларната енергија......................................................19 1.3.2. Примена на соларната енергија.................................................................................................20 1.4.Соларни топлински системи ………………………………………………….................................................23 1.4.1.Составни делови на соларен топлински систем………………………...................................................23 1.4.1.1.Соларни колектори………………………………………………….............................................23 1.4.1.1.1. Рамни колектори …………………………………………..............................................24 1.4.1.1.2.Вакумски колектори ……………………………………….............................................25 1.4.1.2.Топлински резервоар……………………………………….....…………............................................26 1.4.1.3.Пумпа……………………………………………………………………..........................................27 1.4.1.4 Систем за контрола…………………………………………………...........................................27 1.4.1.5. Резервоар за догревање…………………………………………….............................................28 1.4.1.6. Топлински изменувач…………………………………………………..........................................29 1.4.1.7.Флуиди за топлински пренос……………………………………..........................…........................30 1.4.1.8 Резервоар за складирање на топлина.........................................................................................31 1.4.2.Видови на соларни топлински системи во зависност од движењето на флуидот.........................33 1.4.2.1.Систем со природна циркулација на флуид……………………..............................................33 1.4.2.1.Систем со принудна циркулација на флуид………………….........................…….................34 1.5.Употреба на соларни системи во млекопреработувачки капацитет…..............................…................35 1.5.1. Вклопување на соларниот систем во процесот на преработка…............................................37 1.5.2. Проектирање и димензионирање на системот…………………........................…….............38 2.Експериментален дел.................................................................................................................................42 2.1 Калкулации за интензитетот на дневно и месечно соларното зрачење над Кичево.......................42 2.2. Калкулации за соларен систем за загревање на санитарна вода и загревање/ладење на простор.............................................................................................................................................................49 2.2.1. Калкулација за соларен систем со сезонски резервоар за загревање на санитарна вода и загревање/ладење на простор........................................................................................................................50 2.2.2. Калкулација за соларен систем без сезонски резервоар за загревање на санитарна вода и загревање/ладење на простор........................................................................................................................52 3. Pезултати и дискусија …………………………….........................................................…………….............54 4. Законска регулатива и подршка во Р.Македонија…………..............................………………….............60 5.Заклучок…………………………………………................................……………………………………..…...........63 Литература………………………....……………………………………………………….........................................64 Прилог :Примери за употреба на соларни системи во млечната индустрија……....................................66

~4~

Вовед Климатските промени ја означуваат промената на климата којашто директно или индиректно се препишува на активноста од страна на човекот, со којашто се изменува составот на глобалната атмосфера и којашто, заедно со природната климатска варијација, се набљудува во текот на споредливи временски периоди. Со индустријализацијата, пособено во XIX век, и со зголемувањето на населението на Земјата, се зголемува и емисијата на стакленички гасови од согорувањето на фосилните горива, но се забрзува и сечењето на шумите, како и чистењето на земјиштето за употреба во земјоделството. Во последниве 150 години стакленичките гасови се емитираа во атмосферата побрзо отколку што природните процеси може да ги отстранат.Средната температура на Земјината површина во минатиот век се покачи за 0,74°С а во наредниве 100 години се очекува покачување oд 2,3-6°C. Во Р.Македонија климатските промени се очекува да предизвикаат зголемување на температурата на воздухот и да бидат регистрирани помалку врнежи посебно во летниот период. Нашата цивилизација, со сите нејзини придобивки, несомнено е тесно поврзана со користењето на фосилните горива. Без двоумење може да се заклучи дека целиот денешен светски напредок не е можен без „црното злато“. Иако овој факт е непобитен, останува еден голем проблем. По енергетската криза во 1973 година станува јасно дека фосилните извори на енергија се ограничени,а со тоа и фактот дека снабдувањето со енергија од овие извори ќе стане многу голем проблем во иднина.Се предвидува дека, во најдобар случај, резервите на нафта коишто ни ги нуди планетава би траеле некаде до крајот на 22 век. Доколку се продолжи со неумерената потрошувачка, што е случај со развиените земји, оваа судбина би не снашла можеби и порано. Како резултат на овие сознанија забрзано започнуваат истражувањата,развојот на технологијата и производството на енергија од обновливи извори. Протоколот од Кјото е протокол на Рамковната конвенција за климатски промени на Обединетите нации (UNFCCC или FCCC) за борба против глобалното затоплување. UNFCCC е меѓународен договор за животната средина со цел за постигнување на “стабилизирање на концентрациите на стакленички гасови во атмосферата, на ниво што ќе го спречи опасното антропогенско мешање со климатскиот систем.” Протоколот првично e усвоен на 11 декември 1997 година во Кјото, Јапонија, а стапил во сила на 16 февруари 2005 година. Целта на овој Протокол е развиените земји (т.н.

~5~

,,земји од Анекс I”) да се заложат за намалување на четирите стакленички гасови т.н greenhouse gasses - (јаглерод диоксид, метан, азотни оксиди и сулфур хексафлорид) и две групи на синтетички гасови (hydrofluorocarbons - HFC и perfluorocarbons - PFC), за борба со климатските промени. Во преговорите овие земји заедно се согласија да ги намалат нивните емисии на стакленички гасови во просек за 4,2% (5,2% вклучувајќи ги и САД), за периодот 2008 - 2012 година. Во рамки на протоколот се дефинираат три “флексибилни механизми”, кои можат да се користат од страна на “Анекс I” земјите во исполнувањето на нивните обврски за ограничување на емисијата на стакленички гасови и тоа: Меѓународна Трговија со Емисии - International Emissions Trading (IET), Механизмот за Чист Развој - Clean Development Mechanism (CDM) и Заедничко Спроведување – Joint Implementation (JI). Македонија како “земја од Анекс I” има обврска да ја намали

емисијата на

стакленички гасови и да допринесе за зачувување на природната средина.Оваа обврска за Р.Македонија не треба да претставува потешкотија бидејќи нашата земја се карактеризира со голем потенцијал за искористување на обновливите извори на енергија и во иднина треба повеќе да се работи на ова поле. Од обновливите извори на енергија во Македонија се користат пред сè хидроенергијата (за производство на електрична енергија), биомасата (во најголем дел дрвна маса во домаќинствата), геотермалната енергија (во најголем степен за затоплување на оранжериите), ветерната енергијата (Ветерните турбини ја претвораат кинетичката енергија на ветерот во механичка. Механичката енергија може директно да се користи за: мелење на жито, пумпање на вода, или за погонување на електро - генератор, во кој истата ќе се претвори во електрична енергија и се користи во домовите, училиштата, индустријата и др.) и сончевата енергија. Соларната енергија луѓето ја искористувале од дамнина со помош на различни технологии.Сончевото зрачење може да се користи во загревање на санитарна вода, загревање на простор, ладење на простор или медиум, индустријска апликација, добивање на ел. енергија. Иако науката досега во неколку насоки ги има развивано начините за користењето на сончевата енергија, сепак најчест е искористувањето на топлината на сончевите зраци за добивање топла вода. Во прехрамбената индустрија постојат поволни услови кои овозможуваат поголема употреба на сончевата енергија. Со оглед на фактот дека млечната индустрија е голем потрошувач на топла вода, соларните системи може да се користат за згревање на

~6~

водата. Технологијата за згревање на вода, со соларни ситеми, може да ја поттикне масовната употреба на сончевата енергија во млечната индустрија, врз основа на нивната економичност, ефектите врз животната средина и социјалните придобивки, но исто така и како резулатат на нивната едноставност и флексибилност. Токму имплементирањето на еден таков соларен систем во млекопреработувачки капацитет ќе биде тема на обработка во овој труд.Пазарот за овие технологии, во Македонија има растечки тренд и на пазарот се присутни поголем број добавувачи и производители на опрема, што ја олеснува набавката, инсталацијата и одржувањето на опремата.

~7~

1.1.Сонце, соларно зрачење и соларна енергија Сонцето е ѕвезда со средна големина чија старост се проценува на околу 4600 милиони години со што се смета дека е на половина од својот животен век.По својот облик претставува гасовита сфера со пречник 2Rs = 1,392⋅106 km, средна густина ρs = 1409 kg/m3 и маса Ms = 2⋅1030 kg. Составено е од околу 75% водород, 24% хелиум и 1% други елементи. Ротира околу својата оска со време на ротација 25 – 35 дена. По својата структура, Сонцето се состои од јадро (со радиус r = 0,25 Rs), радијантна зона (0,25 Rs < r < 0,85 Rs), конвенктивна зона (0,85 Rs < r < 1 Rs) и фотосфера со многу мала дебелина. Во јадрото, како резултат на високи притисоци и температури (околу 15⋅106 0K), се одвиваат реакции на нуклеарна фузија на атомите на водород во атоми на хелиум при што се ослободува енергија во облик на електромагнетно гама зрачење, неутрини и енергетски честички. Гама зраците, на патот до површината на Сонцето (кое трае околу 106 години), ја губат својата енергија, така да од површината се емитува електромагнетно зрачење од оптичкиот дел од спектарот. Радијацијата која се зрачи од површината на Сонцето има спектрална распределба многу блиска на зрачењето на апсолутно црно тело загреано на 5800 0K заради што може да се смета дека Сонцето претставува совршен извор на зрачење (црно тело) на температура од 5800 0K. Вкупната моќност која Сонцето ја оддава во околниот простор изнесува околу 3,8⋅1026 W т.е. од секој квадратен метар на сончевата површина се емитува зрачење со моќност од 63,11 MW.1 На земјата пристигнуваат две компоненти на сончевото зрачење и тоа: директно сончево зрачење кое доаѓа директно од Сонцето и индиректно, или дифузно сончево зрачење кое настанува со растурање на директното зрачење во атмосферата. Со навлегување во земјината атмосфера, дел од зрачењето се рефлектира назад во вселената (околу 30%), а дел се апсорбира во атомите, молекулите и јоните на присутните гасови и аеросоли (азот, кислород, озон, водена пареа, јаглен моноксид, јаглен диоксид, честички прашина). Апсорпцијата зависи од дебелината на атмосферата низ која поминува зрачењето (воздушна маса) т.е. од периодот на денот и годината, како и од географската ширина и должина на локацијата на која се мери сончевото зрачење. Колку правецот на сончевите зраци отстапува од вертикала, толку и нивниот пат низ атмосферата е подолг, па доспеаната моќност на Земјата е помала. 1

Сончева енергија Сања Поповска-Василевска,Интерна скрипта на Технички факултет Битола

~8~

Земјата се врти околу Сонцето по елиптична орбита за време од 365,25 дена.Како резултат на оваа ротација на Земјата околу Сонцето, секојдневно сведочиме на движењето на Сонцето по небото,по патека во која Сонцето ја достигнува највисоката точка околу средината на денот.Познавањето на позицијата на Сонцето на небото во било кое време од денот е од голема важност од аспект на искористувањето на сончевата енергија,заодредување на најдобрата позиција на поставување на сончеви колектори. На сл.1.1 е даден алтернативен поглед на меѓусебната позиција на Сонцето и Земјата, на која Земјата е неподвижна, а Сонцето е некаде во вселената, движејќи се бавно горе-долу, како што се менуваат годишните времиња. Така, за време на пролетната и есенска рамноденица, сонцето се наоѓа директно (вертикално) над екваторот, а за време на летниот и зимски солстициј се наоѓа директно над границите на тропскиот појас кои се на географска ширина од ± 23,450 над и под екваторот Движењето на Земјата околу Сонцето го определуваат два основни агли кои се менуваат во текот на денот и во текот на годината. Аголот кој се менува во текот на годината и ја одредува положбата на Земјата во нејзината орбита околу Сонцето, се нарекува деклинација на Сонцето и се означува со δ. Деклинација на Сонцето всушност претставува агол помеѓу замислениот правец Земја – Сонце и рамнината на екваторот.Различни автори, нудат различни модели за одредување на вредноста на деклинацијата на Сонцето, во овај труд ќе ја одредиме од изразот:

[

(

)]

каде што n е редниот број на денот во годината (од 1 до 365).

~9~

Сл. 1.1.1 Промена на сончевата деклинација (δ) во текот на годината Од сл.1.1.1 може да се оцени која би била добра позиција за поставување на сончеви колектори. По правило, добри просечни годишни перформанси овозможува колектор насочен кон екваторот (за жителите на северната хемисфера тоа значи кон југ) и поставен под агол еднаков на локалната географска ширина. Се разбира, ако се бара поголема ефикасност во зимскиот период тој агол треба да се зголеми и обратно за летниот период. Позицијата на сонцето во било кој период од денот може да се опише со два агли: висина, β (altitude) и азимут, φs. Според усвоена конвенција, азимутот е позитивен наутро, со сонцето на исток, а негативен попладне, со сонцето на запад. Аглите на висината и азимут зависат од географската ширина, денот во годината и пред сé, од периодот во денот. За нивно одредување можат да се користат изразите

Во изразите Н е аголот што Земјата, со својата ротација, мора да го направи за да Сонцето, од одреден период во денот, достигне до соларно пладне.

~ 10 ~

Сл.1.1.2. Одредување на позицијата на Сонцето со помош на аголот на висина (β) и аголот на азимут (φs) Висината на сонцето на небото (altitude) за време на соларно пладне (време кога сонцето е точно над локалниот меридиjан) е еден од најважните соларни агли кои ја дефинираат позицијата на сонцето (сл.1.1.3 ):

Сл.1.1.3. Висина на сонцето на соларно пладне Од слика 1.1.3. се добива: β n= 90°-L +δ L - географска ширина; δ - сончева деклинација; βN - висина (altitude) на сонцето; Оптималниот агол за поставување на сончев колектор на соларно пладне , (шеесетиот ден би бил:

[

(

~ 11 ~

)] (1)

Висината на Сонцето тој ден, на пладне ќе биде

β n= 90°-L δ Според тоа аголот на поставување на сончевиот колектор,за да паѓаат сончевите зраци нормално на него треба да изнесува

Вкупниот соларен флукс кој удира во некој соларен колектор претставува комбинација од три компоненти: директно зрачење кое пристигнува во права линија од сонцето до колекторот, дифузно зрачење кое е рассеано во атмосферата заради присутните молекули на разни гасови и аеросоли и рефлектирано зрачење од површината на земјата и други површини кои се наоѓаат пред колекторот. Колкав дел и која компонента на сончевото зрачење некој соларен систем (колектор) го прима зависи од типот на соларниот систем. Атмосферата низ која поминува сончевата радијација е променлива и се однесува како динамички филтер, апсорбирајќи и расејувајќи го зрачењето. Облаците, зависно од видот и висината на која се наоѓаат, го блокираат директното зрачење во поголема или помала мерка.

Сл.1.1.4 Распределба на сончевото зрачење Директното зрачење на површина нормална на зраците, при чисто небо,се одредува со релацијата:

- директно сончево зрачење [W/m2];

~ 12 ~

k ; A [W/m2] - коефициенти зависни од периодот во годината (добиени врз основа на емпириски податоци и мерења); m - оптичка воздушна маса Со помошна вредноста на

се пресметува вреноста на директното сончево зрачење

кое ќе пристигне до сончевиот колектор поставен под агол α во однос на хоризонталата и ориентацијата ϕѕ , со помош на релацијата:

(2) Каде

е упаден агол,кој претставува функција од позицијата на колекторот и висината

и азимутот на Сонцето во одредено време и се определува со релацијата:

(

)

(3)

Сл. 1.1.5 Директно сончево зрачење врз соларен колектор зависно од позицијата на колекторот (агли α и φс ) и упадиот зрак (аголϑ) Одредувањето на дифузното зрачење е потешко поради влијанието на различни фактори.Наједноставен модел

за одредување на дифузното зрачење е да се

претпостави дека тоа доаѓасо еднаков интензитет од сите правци и дека претставува дел од директното зрачење:

Каде: Idif,H - дифузно зрачење на хоризонтална површина, W/m2 С - фактор на дифузија чија вредност може да се одреди од релацијата:

[ n-број на денови

~ 13 ~

(

)] (4)

Колкав дел од дифузното зрачење доспева на колектор, поставен под некој агол α, се одредува од релацијата:

(

)

(

) (5)

Така, ако колекторот е поставен хоризонтално, го прима вкупното дифузно зрачење, а ако е поставен вертикално прима половина од таа вредност. Рефлектираното зрачење(албедо) може да биде значајно ако се работи за ведро време и кај површини покриени со снег или пак да биде занемарливо.Рефлектираното зрачење кај колектори поставени под агол αсеодредува од релацијата:

(

)(

)(6)

каде ρ е соодветен фактор на рефлекција. Односот помеѓу интензитетот на директното и дифузивното зрачење е особено важно при конструирањето на уреди кои работат на принципот на искористување на соларна енергија,односно денес вниманието е свртено кон конструирање на уреди кои покрај директното,би го прифаќале и дифузивното зрачење. Вкупното зрачење ќе биде збир од трите компоненти:

(7)

~ 14 ~

1.2.Сончев потенцијал на Република Македонија Географската позиција на нашата земја (географската ширина е помеѓу 40°50' и 42°20') и климата во Македонија, нудат многу добра перспектива за користење на соларната енергија. Климатските карактеристики - висок интензитет на соларно зрачење како и неговото времетраење, температурата, влажноста, овозможуваат поволни услови за успешениот развој на соларната енергија. Континенталната клима со жешкии суви лета ја прави Македонија земја со повисок потенцијал за искористување на соларната енергија од просечните Европски земји.

Сл.1.2.1 Интензитет на сончевото зрачење во светот Годишниот просек за дневното зрачење варира меѓу 3,4 kWh/m2 во северниот дел на земјата (Скопје) и 4,2 kWh/m2 во југо-западниот дел (Битола). Вкупното годишно соларно зрачење варира од минимум 1250 kWh/m2 во северниот дел до максимум 1530 kWh/m2 во југо-западниот дел што доведува до просечно годишно соларно зрачење од 1385 kWh/m2.2 На сликата 1.2.2 е претставена картата на инсолација на Република Македонија по региони за просечниот интензитет на годишно ниво.

http://sm.mk20.com/index1.htm

~ 15 ~

Сл 1.2.2 Интензитет на сончевото зрачење во Р.Македонија3

Таб.1.2.1Интензитет на просечно дневно сончево зрачење во Скопје и Битола.4

Извор: http://solargis.info/doc/_pics/freemaps/1000px/ghi/SolarGIS-Solar-map-Macedonia-en.png

извор: www.meteo.gov.mk

~ 16 ~

Кичево се ноѓа во Западниот дел на Република Македонија,на 41,51° географска ширина и 20,97° географска должина.Според податоците од NASA Langley Research Center Atmospheric Science Data Center, сончевото зрачење во Кичево е дадено во табелата 1.2.2

Variable

III

VII

VIII

Insolation, kWh/m²/day

1.66

2.35

3.34 4.14 5.18

6.06

6.30

5.55

4.04

2.66

1.68 1.35

Clearness, 0 - 1

0.44

0.45 0.44 0.48

0.53

0.56

0.50

0.44

0.40 0.40

Temperature, °C

-2.48 -0.75 3.72 8.98 14.55 18.29 20.86 20.97 16.18 10.32 3.77 -1.49

Wind speed, m/s

3.97

4.16

3.91 3.80 3.35

3.24

3.39

3.43

3.50

3.78

3.86 4.13

Precipitation, mm

111 98

Wet days, d

12.6

12.0

12.9 13.6 13.6

10.8

7.8

7.6

7.9

9.2

12.3 13.6

XII

Таб 1.2.2 Интензитет на сончевото зрачење во Кичево во текот на годината5 (извор: NASA Langley Research Center Atmospheric Science Data Center; Kičevo, Macedonia Solar energy and surface meteorology) Дадените вредности за сончевото зрачење во одреден месец во табелата се добиени како резултат на 22 годишното истражување(од јули 1983 до јуни 2005) спроведено од страна на New et al.Средната вредност на зрачењето за секој месец е добиена со нумеричка

пресметка

на

три

вредности

за

дадениот

месец.Според

овие

податоци,интензитетот на сончевото зрачење во Кичево е во рамките на просекот за Република Македонија.6 Иако сончевото зрачење е најголемиот енергетски дар од природата, во Македонија неговата искористеност е сеуште мала. Во 2006 година во Македонија имало 4280

5 6

www.gaisma.com www.gaisma.com

~ 17 ~

сончеви колекторски системи, со вкупен инсталиран капацитет од 12 MW

колекторска површина од 17 илјади m кои испорачале топлина од 7,4 GWh (0,6 ktoe)7,8 Според податоците на Државниот завод за статистика во 2010 година,во енергетскиот биланс на Р.Македонија ОИЕ учествуваат со околу 10%,во кои сончевата енергија статистички воопшто не е внесена.Состојбата е незначително подобрена во наредната 2011 година кога во вкупниот енергетски биланс на Р.Македонија се бележи учество на соларната енергија со произведени 1 173 MWh,што сеуште е мала вредност со оглед на сончевиот потенцијал кој го поседува Р.Македонија.9 Со воведување на пазарна цена на електричната енергија (од 2015 година) и со очекуваното зголемување на цената на електричната енергија во регионов (поради цената што ќе ја плаќаат термоелектраните за емисија на стакленични гасови) сончевите системи ќе постануваат се поатрактивни 10

СТРАТЕГИЈА ЗА РАЗВОЈ НА ЕНЕРГЕТИКАТА ВО РЕПУБЛИКА МАКЕДОНИЈА ЗА ПЕРИОД 2008-2020 СО ВИЗИЈА ДО 2030- МАНУ ;Скопје 2009 8 http://www.iea-shc.org/publications/statistics/IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2008.pdf 9 www.stat.gov.mk 10 СТРАТЕГИЈА ЗА ИСКОРИСТУВАЊЕТО НА ОБНОВЛИВИТЕ ИЗВОРИ НА ЕНЕРГИЈА ВО РЕПУБЛИКА МАКЕДОНИЈА ДО 2020 ГОДИНА - Влада на Р.М. –Министерство за Економија;Скопје 2010

~ 18 ~

1.3.Искористување на сончевата енергија 1.3.1.Краток историјат на примената на соларната енергија Употребата на соларната енергија не е нов феномен.Таа била искористувана од страна на човекот,во една форма или друга илјадници години наназад.Првите пишани докази за употребата на соларната енергија датираат од 7 век п.н.е..Првичната употреба на соларната енергија била со помош на употреба на стакла или огледала.Насочувајќи го сончевото зрачење со помош на стакло или огледало може да се постигне интензивно загревање и да се запали оган.Уште во раниот 3век Грците и Римјаните,ги користеле овие сознанија против непријателите во битките кои ги воделе.Постојат сознанија дека воедна таква битка,Архимед искористувајќи ги бронзените штитови со помош на сончевата енергија успеал да ги запали дрвените бродови на Римјаните.Според истражувањата на историчарите познатите Римски бањи, во 4 век биле загревани со помош на сончевата енергија и при нивната конструкција се внимавало да имаат големи прозори на јужната страна од објектот низ кои се пропуштало сончевото зрачење.Оваа практика на градење на објекти свртени кон јужната страна е забележана кај голем број на народи и култури. Првиот соларен колектор е конструиран од Шведскиот научник Horace de Saussure во 1776год.Неговиот уред подоцна го искористил Sir John Herschel за подготовка на храната ,за време на неговата експедиција во Јужна Африка во 1830год. SWH системите ,кои се зачетокот на соларните системи кои се употребуваат денес, своите почетоциги бележат во далечната 1891 год кога Clarence Kemp за првпатго патентирал првот комерцијален SWH систем и од тогаш па се до денес ови системи постојано се усовршуваат и се подобруваат нивните карактеристики.11 Во последните 30-ина години сведоци сме на рапиден пораст на примената на сончевата енергија во многу земји, но најкарактеристични се примерите од Кина, Грција, Австрија, Германија и од скоро Франција и Шпанија. Можеби примената во Грција или Шпанија не зачудува – располагаат со богато сончево озрачување, но рапидниот пораст во Германија и Австрија е навистина интересен. Очигледно климатските предиспозиции не претставуваат единствен фактор.12 11

www.solarenergy-facts.org/history-of-solar-energy.html

СОНЧЕВА ЕНЕРГИЈА ВО МАКЕДОНИЈА Сања Поповска-Василевска; Кирил Поповски; Валентина Гечевска МАГА Скопје 2010

~ 19 ~

1.3.2. Примена на соларната енергија Највообичаена примена соларната енергија е за загревање на санитарна вода за домаќинствата и индустриски потреби. Во светски размери се применуваат стотици илјади сончеви системи за загревање на вода, особено во регионите каде постои интензивно сончево зрачење. Технологиите кои користат специјална опрема (колектори, пумпи и др.) со цел да се собере и дистрибуира и искористи сончевата енергија се нарекуваат активни сончеви технологии. Другите технологии, кои не користат специјална опрема, туку објектот се конструира така да во него навлегува што повеќе светлина, се нарекуваат пасивни сончеви технологии. Искористувањето на соларната енергија може да се резимира со следните примени13:  производство на топлина (топла вода, загревање и разладување на простории, готвење);  производство на електрична енергија (фотонапонски, топлински системи)  транспорт (сончеви возила)  природно осветлување  отсолување на морска вода(десалинизација) и прочистување на водата  фотосинтеза кај растенијата. Примената на соларната енергија при производството на топлина претставува одлично решение за покривање на потребите од нискотемпературна енергија (t<100°C) ,како што се потребите за загревање на простор или потребите за санитарна вода (при употреба на огревно дрво се развива температура во котелот од 500°C,која се користи за загревање на просторот до 22°C или за загревање на санитарната вода до 60°C) Постои широк спектар на сончеви системи за загревање на вода, од наједноставни до навистина сложени кои што можат целосно да ги покријат потребите за топла вода како во домаќинствата така и во индуструјата. Соларната енергија се користи и за загревање на базени, како и за загревање санитарна вода која се користи во спортски објекти, јавни купатила, перални и др За загревање на станбени и комерцијални простории се трошат огромни количества на енергија. Доколку ваквите градежни објекти се проектираат внимателно со цел максимално да се намалат топлинските потреби (изолација, прозори, топлински мостови и др.) и да се обезбеди максимално пасивно искористување на сончевото зрачење, тогаш голем дел од потребите за загревање можат да се покријат со активни 13

СОНЧЕВА ЕНЕРГИЈА ВО МАКЕДОНИЈА Сања Поповска-Василевска; Кирил Поповски; Валентина Гечевска МАГА Скопје 2010

~ 20 ~

сончеви топлински системи кои се комбинираат со дополнителен топлински извор. Пожелно е дополнителниот топлински извор да биде исто така обновлив (на пр. биомаса) што овозможува обновливо покривање на енергетските потреби, користење на домашни ресурси и придонес кон намалувањето на климатските промени. Соларната енергија може да се користи и за разладување на просториите.Постојат три типа на технологии за разладување кои користат сончева енергија:  апсорпциона  со сушење  со компресија на пареа Апсорпционата постројка е поврзана со високо-температурни колектори, како на пример вакуумски или параболични колектори. Постројката работи со температурен опсег меѓу 80-120оС. Овој тип на ладилник има лимитирана ефикасност и потреба од сложени сончеви колектори. Технологијата со сушење вклучува примена на хемиска супстанца која се суши во контакт со топол воздух загреан во сончеви колектори. Доколку на супстанцата и се додаде влага, таа почнува да испарува при што околниот воздух се лади. Заситената хемиска супстанца со влага повторно се подложува на сушење со топол воздух и постапката се повторува. Кај компресорските ладилни постројки електричната енергија потребна за работа на компресорот се произведува од сончева. Можат да се користат топлински генератори или фотонапонски панели. Во поновите соларни системи, доколку системот се користи за ладење на просторот тогаш во системот се употребува смеша од абсорбер и медиум за ладење.Основниот принцип на работа се состои во тоа што топлината од абсорберот се користи за загревање и испарување на медиумот за ладење,односно доаѓа до негово издвојување од

смешата од абсорбер и медиум за ладење.Кондензацијата на неговите пареи

www.catchsolar.net

~ 21 ~

Се очекува дека технологијата за разладување на простории со примена на сончева енергија ќе доживее бум во наредната деценија. Ваквите предвидувања се должат на фактот што најголемите потреби за разладување на простории се совпаѓаат со најголемиот интензитет на сончево зрачење. Кога се работи за потреби за загревање на простории, ситуацијата е обратна – најголемите потреби се совпаѓаат со најнискиот интензитет на сончево зрачење. Овие факти може да се согледаат на дијаграмот прикажан на слика 1.3.1.

сл.1.3.1 Енергетски потреби на едно домаќинство во тек на една година

~ 22 ~

1.4.Соларни топлински системи Сончевата енергија која доспева на Земјата може да се претвори во други форми на енергија: топлинска, хемиска, механичка, електрична. За сега, најуспешно е нејзиното претворање во топлинска и електрична енергија,па според тоа најчесто употребувани се соларните системи за загревање на вода(кои ќе бидат предмет на понатамошна обработка на овој труд) и фотонапонските соларни системи за добивање на електрична енергија.

1.4.1.Составни делови на соларен топлински систем Сончевиот топлински систем се состои од неколку основни елементи:  Соларни колектори –во кои се апсорбира емитираното сончевото зрачење и се претвора во топлина;  Резервоар за топла вода со топлински изменувач– тоа е топлински резервоар за акумулација на топлинската енергија;  Хидраулички(цевовод,пумпа,експанзионен сад) и контролно- управувачки систем -уреди со кој се овозможува циркулација на течноста која ја пренесува топлината низ сончевите топлински колектори и топлински изменувачи; 1.4.1.1.Соларни колектори Соларните колектори се наједноставни уреди за трансформација на соларната енергија во топлинска.Составени се од мрежи на цевки низ кои циркулира флуид кој се загрева под дејство на емитираното соларно зрачење.Корисната топлина,која претставува разлика помеѓу апсорбираната топлина и топлинските загуби ,се предава на работниот медиум кој ја одведува топлината со себе,циркулирајќи низ колекторот.Билансот на колекторот во било кој момент,е даден со равенката:

Каде

е топинска енергија добиена од колекторот,

енергија,а

е апсорбирана топлинска

се топлинските загуби.

Според некои автори за одредување на моќноста на колекторот се употребува следната формула: Qкол = A · G · η – U1 · A · (ϑm – ϑa) – U2 · A · (ϑm – ϑa)2 ϑm - Средна температура на носачот на топлина воколекторот, во °C

~ 23 ~

ϑa - Температура на околниот воздук, во °C A - Површина на навлегување, во m2 G - Глобална моќност на зрачењето, во W/m2 U1 = 3,494 W/(m2 · K) U2 = 0,017 W/(m2 · K2 - коефициент на корисно дејство на колекторот Каде

Претставува однос помеѓу корисната моќ која му се одведува на потрошувачот( ) и сончевото зрачење кое паѓа на колекторот( ) Секој соларен колектор се состои од:апсорбер,изолација,прозирен покрив и куќиште. Според конструкцијата и принципот на работа се разликуваат два основни видови на колектори: рамни колектори и вакуумски колектори.И двата вида имаат повеќе различни конструктивни решенија. 1.4.1.1.1 Рамни колектори Колекторот со рамна површина (сл.1.4.1) се состои од цевки со мал профил, поставени на бакарни плочи - аспорбери, при што четирите ѕида и основата на колекторот се изработени од алуминиум, а горниот дел е покриен со зајакнато нерефлектирачко стакло.Бакарните цевки се обложени со високо апсорбирачка боја. Апсорберот е најважниот дел на колекторот, бидејќи од него зависи ефикасноста на самиот колектор. Негова задача е да ја презема топлината од сончевото зрачење и да ја предава на флуидот за транспорт на топлина што циркулира низ бакарните цевки, кој потоа ја носи до акумулаторот на топлина (резервоарот). Размената на топлина мжеда се постигне директно или со употреба на топлински изменувачи.Површината на апсорберот на која паѓаат сончевите зраци се прекрива со премази или се нанесувааат тенко-слојни селективни превлаки, кои се добри апсорбери, но лош емитер на сончево зрачење. Од горната страна колекторот е прекриен со транспарентно стакло или транспарентен полимерни материјали (како што се:PMMA или PC).Транспарентното стакло или транспарентниот

полимер

има двојна улога: да воспостави ефект на

стаклена градина во колекторот и да го заштити апсорберот од непосреден контакт со атмосферскиот воздух, прашина и други загадувања.

~ 24 ~

Сл 1.4.1 Рамен колектор15

Сл 1.4.2 Вакуумски колектор16 1.4.1.1.2. Вакумски колектори Овај колектор (сл.1.4.1) е составен од голем број на вакуумски стаклени цевки, (Evacuated Vacuum Tubes – EVT) кои се поврзани во еден колектор при што во овој систем од цевки водата минува низ секоја цевка и се затоплува. Бројот на стаклени цевки кои се користат варира во зависност од големината на системот. Помеѓу цевките постои вакуум кој ја изолира

цевката со што се намалува загубата на топлина.

Внатрешната стаклена цевка е обложена со индустриски апсорбирачка глазура која го претвора УВ зрачењето во топлинска енергија и ја задржува енергијата. Кружните облици на цевките овозможуваат во секој момент на поставеноста на сонцето да апсорбираат максимум сончева енергија, бидејќи сонцето во секој момент ќе биде 15 16

Camel Solar - new brochure( www.camel-solar.com ) Camel Solar - new brochure( www.camel-solar.com )

~ 25 ~

поставен под 90° во однос на цевката. За колекторите со вакумски цевки, дебелината на надворешната стаклена цевка треба да биде минимално 2 mm. Оваа спецификација е да се обезбеди колекторот да не се оштети во екстремни услови на град.

1.4.1.2.Топлински резервоар Сончевата топлина од колекторите се носи во топлинскиот резервоар(сл.1.4.3). Оваа топлина полека се губи од резервоарот, но колку е поголем резервоарот толку е помала загубата на топлина за единица волумен вода складирана на определена температура. Важно е топлинскиот резервоар да биде добро изолиран, со цел топлинските загуби да се сведат на минимум. Топлинските резервоари се изработуваат од различни материјали(челик, бето, пластични материјали,композити и др).Вообичаено како топлински резервоари се употребуваат топлински изолирани резервоари наполнети со вода.Топлината низ колекторскиот круг се пренесува со топлински изменувач,така што водата од колекторскиот круг не се меша со водата во резервоарот. Можно е поволно користење на резервоарот во комбинација со конвенционални котли на гас или на нафта, како и преку котли на пелети или цврсто гориво.

Сл.1.4.3Изглед и пресек на топлински резервоар

~ 26 ~

1.4.1.3.Пумпа Пумпата (сл.1.4.4) во соларниот круг се вклучува во моментот кога разликата на температурата на медиумот во колекторот и температурата во резервоарот е повисока од 5-8°C, а се исклучува кога оваа температурна разлика е 2-5°C. Со употребата на пумпа во соларниот систем,се моделираат потребите за енергија потребна за да се одржи протокот на флуидот низ цевките и колекторот

сл 1.4.4.Изглед на пумпа која се употребува во соларните системи Во последно време во соларните топлински системи можно е да се вгради и фотонапонски панел, кој покрај колекторот, при поволно сончево зрачење ја обезбедува потребната енергија за работа на пумпата 1.4.1.4.Систем за контрола Скоро сите соларни системи за загревање на вода употребуваат едноставен диференцијален термостат(сл.1.4.5).Еден сензор на диференцијалниот регулатор ја мери температурата на водата која излегува од соларниот колектор,а другиот сензор ја мери температурата надното од резервоарот за топла вода. Едноставните или т.н. on/off контролни системи ја клучуваат или исклучуваат пумпата врз база на температурната разлика меѓу медиумот во колекторот и резервоарот,додека пак варијабилните или т.н. if/else контролни системи, управуваат со работата на пумпата ,менувајќи ја нејзината брзина на работа врз база на податоците за температурните разлики. Со поставување на температурен сензор на влезот и излезот на топлинскиот изменувач,едноставно може да се добие податок за топлината која се предава во резервоарот,односно за потребниот масен проток на енергенсот со чија што помош би се вршело догревање допостигнување на потребната топлина.

~ 27 ~

Сл1. 4.5 Контролен уред

1.4.1.5. Резервоар за догревање При потреби од повисоки температури,како што е случај со потребите во млекопреработувачкиот капацитет,соларниот систем не може да ја загрее водата до потребната температура на корисникот.Од овие причини добро е во системот да се воведе уште еден извор на енергија кој ќе врши додатно загревање на водата пред нејзината употреба.Потребите за догревање на водата ќе варираат во зависност од топлината добиена со колекторскиот круг и поради тоа мора да постои контролен систем кој ќе управува со масениот проток на енергенсот кој ќе се користи за догревање.во случај кога контролниот систем ќе јапрекине работата на пумпата и водата ќе се повлече од колекторскиот круг,дополнителниот резервоар(сл.1.4.6) треба да го превземе комплетно греењето на водата.Како енергенси може да се употребуваат:нафта,гас,биомаса и електрогрејачи.

Сл 1.4.6.Изглед на резервоар со догревање

~ 28 ~

Топлината добиена со догревање може да се опише со равенката17:

Каде

е калориска вредност на енергенсот,

е волуменски проток на

енергенсот кој се употребува за догревање,

е ефикасност на догревањето.

Примената на овие т.н. 'combisystems'

(сл.1.4.7) овозможува да се врши

предзагревање на водата со помош на соларните систем, која потоа се догрева до потребната температура во котелот. Примената на комбинираните системите се мошне поволна во млечната индустрија,за операциите кои се извршуваат на високи температури.

Сл.1.4.7 Комбиниран систем со котел на биомаса19 1.4.1.6. Топлински изменувач Сончевите системи за загревање користат два типа на топлински изменувачи: Течност-течност - Овој топлински изменувач користи флуид за топлински пренос кој циркулира низ колекторот ,а потоа протекува низ топлинскиот изменувач при што ја 17 18

Majdandžić, Lj.: „Solarni sustavi“, Graphis Zagreb, Zagreb, 2010.) www.b-es.org

МОЖНОСТИ ЗА ПРИМЕНА НА ТЕРМИЧКИ КОЛЕКТОРИ ЗА ГРЕЕЊЕ И ЛАДЕЊЕ ВО Р. МАКЕДОНИЈА Проф.д-р. СлавеАРМЕНСКИ

~ 29 ~

опренесува топлината на водата во резервоарот.Флуидите за топлински пренос,како антифризот, го штитат колекторот од замрзнување при студено време. Воздух-течност – Вообичаено се применуваат кај системи кои имаат јколектори за загревање на воздух,но топлината се применува за загревање на вода. Постојат

многу конструктивни

решенија

за

топлинските

изменувчи.Најчесто

применувани во пракса се:  Цевна змија потопена во резервоар  Барабан - топлински изменувач  Изменувач цевка во цевка со противструен проток  Плочест противструен изменувач Ефикасноста на топлинскиот изменувач зависи од прецизноста на неговото димензионирање.Постојат

повеќе

фактори

кои

треба

да

се

земат

при

димензионирањето,како што се  Типот на топлинскиот изменувач  Карактеристиките

на

флуидот

за

топлински

пренос(специфична

топлина,вискозитет и густина)  Протокот  Влезната и излезната температура на флуидите Секогаш треба да се применува флуид за топлински пренос кој е компатибилен со топлинскиот изменувач. 1.4.1.7.Флуиди за топлински пренос Кај соларните системи флуидите за топлински пренос ја носат топлината низ сончевите колектори и топлинските изменувачи до топлинските резервоари.При изборот на флуид за топлински пренос треба да с земат во предвид следните критериумиЧ  Коефициентот на експанзија на флуидот при промена на температурата  Вискозноста на флуидот  Топлинскиот капацитет  Точката на мрзнење  Точката на вриење  Точката на иницирање – најниска температура при која пареата на течноста се одвојува кон воздухот. Како флуиди за топлински пренос кај соларните системи најчесто се применуваат:

~ 30 ~

 Воздух – не замрзнува,не врие,не е корозивен,но имамногу низок топлински капацитет и има тенденција да истекува од колекторите,каналите и просторите,па затоа неговата примена е сведена на минимум.  Вода – лесно достапен флуид кој има висок специфичен топлински капацитет,многу низок вискозитет и лесно се пумпа.Водата има релативно ниска точка на вриење и висока точка на мрзнење.Исто така водата може да биде корозивна ако не се одржува неутрална рН вредност.водата со висока содржина на минерали (т.н.тврда вода)може да предизвика таложење на минералите во цевките и споевите.  Мешавини на вода и гликол – мешавините се 50/50или 60/40 гликол спрема вода.Етилен и пропилен гликол се антифриз флуиди, од кои етилен гликол се карактеризира со екстрамна токсичност,додека пропилен гликол во мешавина со вода не е отровен до точно определен сооднос.  Јаглеводородни масла – се карактеризираат со високавискозност и пониска специфична топлина од водата,поради што е потребна поголема енергија на пумпање.Овие

масласе

релативно

ефтини

имаат

ниска

точка

на

мрзнење.Основни категории на јаглеводородни масла се синтетичките јаглеводороди,парафинските

јаглеводороди

ароматичните

рафинирани

минерални масла.  Флуиди кои претрпуваат фазна промена(флуиди за ладење) – Овие флуиди најчесто се користат во системите за ладење и во топлинските пумпи.Имаат ниска точка на вриење и висок топлински капацитет, што овозможувамало количество одфлуидот да пренесува големо количествона топлина.Овие флуиди брзо реагираат на сончевата топлина,штоги прави поефикасни во облачни денови,во односна други флуиди.При абсорпцијата на топлина флуидот ја менува фазата од течност во гас,а при ослободувањетона топлината во топлинскиот изменувач,доаѓа до кондензација на флуидот. 1.4.1.8.Резервоар за складирање на топлина Сезонскиот резервоар служи за складирање на вишокот произведена топлина од соларните колектори,посебно во летниот период.Вака складираната топлина потоа може ефикасно да биде искористена согласно потребите на потрошувачот.Современите технлогии на складирање на топлина им нудат на потрошувачите и можности енергијата да ја користат во зимските месеци кога интензитетот на соларното зрачење е

~ 31 ~

значтелно намален.20Од овие причини примената на резервоар за складирање на топлина претставува финансиски поволен и енергетски ефикасен концепт за инвеститорот.Како дополнителни резервоари најчесто се употребуваат:21  Подземни резервоари во комбинација со топлинска пумпа – ова е најчесто употребуван метод на складирање на топлина кај соларните системи.Ваквиот подземен резервоар вклучува и цевовод и се наоѓа 1-2 m под површината на земјата(сл.1.4.8).Топлата вода низ цевоводот се транспортира до резервоарот и притоа врши трансфер на топлина со внатрешноста на земјата.Подоцна при недостаток на соларно зрачење,со помош на пумпата топлата вода се враќа на површината.Во зависност од составот на земјиштето во кое е сместен резервоарот,топлината може да се складира подолг период,дури и цела една сезона. Главен предуслов при инсталирањето на ваков дополнителен резервоар е да земјиштето да е стабилно и да нема поместувања во него.

сл.1.4.8.Шематски приказ на соларен систем со подземен резервоар22  Трансформација на топлинската енергија во сол-кристална структура – овој метод е сеуште во развојно-истражувачка фаза и се состои во тоа што топлинската енергија се трансформира сол- кристална структура.Оваа солкристална структура теоретски може да се складира неограничено време.  Употреба на фазно-променливи материјали(phase change materials- PCM) – ова претставува напреден метод кај кој топлинската енергија се складира на молекуларно ниво,предизвикувајќи фазна промена на материјалот.Подоцна кога имаме потреба од енергија,таа се ослободува со враќање на материјалот во првобитната фаза.PCM материјалите се карактеризираат со висока латентна 20

www.rehau.com/HR_hr/gradnja/Obnovljivi_izvori_energije/Sezonski_spremnik_topline/ www.catchsolar.net 22 www.dlsc.ca/how.htm 21

~ 32 ~

топлина и тие при топење или кристализација примаат или ослободуваат голема количина на енергија.Технологијата на фазнопроменливи материјали како топлински резервоар го користи принципот „цевка во цевка“,при што во внатрешноста на цевките се наоѓаат фазно –променливи кои имаат различни температури на топење сошто е овозможено складирање на топлина од различен температурен ранг.

1.4.2.Видови на соларни топлински системи во зависност од движењето на флуидот Во зависност од конструкцијата, системите можат да бидат директни (отворени, проточни) или индиректни (затворени, циркулациони). 1.4.2.1.Систем со природна циркулација на флуид Овој систем, познат уште како и термосифонски, е наједноставен начин за подготовка на топла вода. Основни делови на еден термосифонски систем се(сл.1.4.9):  Колектор  Проточни цевки (за довод на студена вода и одвод на топла вода)  Изолиран резервоар  Неповратен вентил (за да се спречи обратниот проток во текот на ноќта) Работи врз принцип на искористување на разликата во густините помеѓу ладна и загреана течност и делувањето на гравитацијата. Од колекторот, загреаниот флуид заради помалата густина (и релативна маса) се подига нагоре кон резервоарот, каде му ја предава топлината на водата која тече во одвоен циркулационен круг од водоводна мрежа. Притоа флуидот се лади, му се зголемува густината и тој повторно се враќа во колекторот. Со тоа се воспоставува циркулација на флуидот без потреба од циркулациона пумпа и дополнителни контролни уреди. Како флуид, заради можност од мрзнење, се користи антифриз (гликол). Во периодите на помал интензитет на сончево зрачење, постои можност за вградување на дополнителен греач заради догревање на водата.

~ 33 ~

Сл 1.4.9 Систем со природна циркулација на флуид 1.4.2.2.Соларни системи со принудна циркулација на флуид Основни компоненти на соларните системи со принудна циркулација на флуид се(сл.1.4.10): сончев колектор (1); резервоар (8) со изменувач на топлина (6); циркулациона пумпа со арматура (5) и контролен уред (4). Како дополнителен извор на топлина, во периодите кога нема сончево зрачење, може да се користи греач кој се сместува во резервоарот за топла вода, или да се користи дополнителен котел кој согорува нафта или природен гас (9). Циркулација на водата меѓу котелот и резервоарот се остварува со циркулациона пумпа. Контролниот уред (4), кој всушност е диференцијален термостат со потребна автоматика, ја контролира работата на пумпата (5). Таа се вклучува кога разликата на температурите на водата во колекторот и резервоарот ќе ја надмине зададената вредност (обично 5 - 15 0С).

Сончев колектор (1); вентил(2); цевовод(3); Резервоар (8) со изменувач на топлина (6); циркулациона пумпа со арматура (5); Контролен уред (4); Резервоар за топла вода или дополнителен котел кој согорува нафта или природен гас (9);

Сл. 1.4.10 Соларен систем со принудна циркулација на флуид

~ 34 ~

1.5.Употреба на соларни системи во млекопреработувачки капацитет Млекото и млечните производи имаат основна важност во човековата исхрана. Млекото е расиплив прехранбен продукт бидејќи е одличен медиум за развој на микроорганизми кои го предизвикуваат неговото расипување. Затоа се користат различни процеси за конзервација – некои се традиционални, а други се развиени со современата технологија. Дури и при многу скромно ниво на примена, овие процеси имаат потреба од енергија. Енергијата од конвенционални извори станува се поскапа, како и грижата за човековата околина. За среќа, сончевата енергија кај нас ја има во изобилство, бесплатна е и не ја загадува околината. Млекопреработувачките капацитети се многу интересни за примена на сончевата енергија бидејќи најчесто работат 7 дена неделно по 24 часа, со што овозможуваат целосно искористување на сончевиот систем без прекин на работата. Сончевите топлински системи (SWHS) можат значително да придонесат за заштеда на енергија за добивање на санитарна топла вода со температура до 80°С,неопходна за одржување на хигиената на опремата и цистерните со млеко. Топлата вода произведена со сончев систем може да се употреби и за предзагревање на водата што се користи за производство на пареа во котел. Карактеристично за млекопреработувачките капацитети е големата потреба од топлинска енергија за процесите кои се одвиваат при преработката на млекото.Во млечната индустрија, топлинската енергија се користи за процесите: миење (65°С), пастеризација (60-85°С) и стерилизација (130-150°С). Друг важен потрошувач е процесот на сушење за производство на млеко во прав( со воздух што се загрева на температура од 100 до 180°С се распрскуваат млекото и сурутката). Според тоа, процесите

за

преработка

на

млекото

се

делат

на

нискотемпературни

високотемпературни.23  Нискотемпературни процеси <80°C:  пастеризација: 70°С  зреење на јогурт: 40-45°С  чистење на самото место: 50-80°С 23

Solar energy in small-scale milk collection and processing by W.B. Tuszyński, Eliza A.A. Diakowska, N.S. Hall;FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS Rome, 1983

~ 35 ~

 Високотемпературни процеси >100°С:  UHT-обработка (стерилизација на млеко)  повеќестепено испарување  сушење со распрскување Практиката покажала дека најголема потрошувачка на енергија има за потребите од загревање на вода, односно топлинска енергија. Според тоа, и потенцијалот за намалување на потрошувачката на енергенси е најголем во овој дел. Овде вниманието се задржува на процесите што се одвиваат под 100°С, бидејќи се разгледуваат млечни индустрии со мал производствен капацитет. Значи, се разгледуваат можностите за користење сончеви топлински системи за загревање на водата за миење, за пастеризација и за предзагревање на водата за потребите на мал млекопреработувачки капацитет. Без двоумење, една од најдобрите примени на сончевата енергија вомлечната индустрија е за загревање на вода, односно примена на SWH системи (Види Прилог- стр 67). Според податоците добиени од млекопреработувачкиот капацитет „Бистра“,најголем процент(70%)од нивното годишно производство отпаѓа на производството на сирења,а останатите 30% се производство на јогурт.Топлинските потреби за изведување на овие процеси се прикажани во следната табела(таб1.5.1): Производ Јогурт кравјо,мешано,козјо сирење овчо сирење сирењесо додаток на растителни масти сурутка за урда Санитарни потреби

Температура 92°C 72°C 65°C 82°C 92°C 50-80°C

Таб 1.5.1 Температурни потребни за изведување наоперациите во Млекара „Бистра“ За изведување на овие процеси топлинската енергија се добива со циркулирање на водена пареа низ затворен систем.За загревање на водената пареа се користат околу 12,5 тони нафта на годишно ниво.Ова количество на нафта значително би се намалило доколку се употреби соларен систем за предзагревање на водата. За правилно изведување на овие процеси посебно е важно е да се одржува хигиената на опремата за што просечно се потребни околу 200литри на топла вода дневно или 6000 литри месечно,во зависност од резервите на млеко.За загревање на водата во овој млекопреработувачки капацитет се употребува електричен бојлер и познавајќи ги состојбите со цените на овој енергенс,јасно се јавува потребата од пронаоѓање на нови

~ 36 ~

начини за обезбедување на потребната енергија.Тука првенствено поради лесната достапност и високиот потенцијал,изборот паѓа на искористување на соларната енергија,посебно на системите за загревање на вода (SWH ),чија што примена значително може да ја намали потрошувачката на електрична енергија за загревање на санитарната вода. 1.5.1. Вклопување на соларниот систем во процесот на преработка Можеби најголем проблем при употребата на соларната енергија,е да се одреди каде и на кој начин да се интегрира соларниот систем за да се обезбеди континуитет на операциите.Постојат повеќе можности на употреба на соларниот систем.Првенствено неговата употреба е за загревање на водата која е за санитарна употреба или се употребува во останатите операции во погонот,но соларниот систем нуди и можности за загревање или ладење на просторот што претставува дополнителна заштеда на електрична енергија или нафта.Доколку системот се користи за ладење на просторот тогаш во системот се употребува смеша од абсорбер и медиум за ладење.Основниот принцип на работа се состои во тоа што топлината од абсорберот се користи за загревање и испарување на медиумот за ладење,односно доаѓа до негово издвојување од

смешата од абсорбер и медиум за ладење.Кондензацијата на неговите пареи

предизвикува ист ефект на ладење како и во механичките системи за ладењесо таа разлика што при употребата на овој систем се бележи значително помала потрошувачка на електрична енергија. Вклопувањето на соларниот топлински систем може да се изведе на два начини: соларниот топлински систем може да се вгради сериски со загревниот систем на процесот (сл.1.5.1 –а) или директно да носи топлина во конкретниот процес (сл.1.5.1 – б)24.Според повеќе автори,постојат многу аргументи за и против директното вклучување на соларниот систем.Трошоците за монтажата на ваков соларен систем се релативно ниски,но ваквиот систем има потреба од константна контрола.Недостаток при примена на овие системи во млекопреработувачки капацитет претставува неможноста да се складира дополнителното количество топлина.Овој недостаток може да се надмине со употреба на соларен систем кој е индиректно вграден во процесите кои се одвиваат во

млекопреработувачкиот капацитет.Со инсталирањето на

Solar Systems Applications in the Dairy Industry -Dr. Michaelis Karagiorgas and Mr. Aristotelis BotziosValaskakis

~ 37 ~

дополнителен резервоар се отвора можноста за складирање на дополнително количество на топлина,која може по потреба да се користи при одвивањето на процесите во погонот.Главен недостаток на индиректните системи,се поголемите трошоци на монтажа,а со тоа и поголемиот период потребен за поврат на инвестицијата.

(а)

(б)

Сл 1.5.1 Вклопување на соларниот систем: сериски со загревниот систем на процесот(а) и директно во конкретниот процес(б) 1.5.2. Проектирање и димензионирање на системот За да можат соларните системи ефикасно да работат, тие мора грижливо да се проектираат и димензионираат замајќи ги предвид нивните особености.Значително влијание на димензионирањето на колекторските површини и на зафатнината на резервоарот имаат:  местото на поставување и озрачувањето  потрошувачка на топла вода  косината и ориентацијата на колекторите  профилот на славината  зададени и максимални вредности за топла вода  саканиот степен на соларно покривање  температура на грејниот систем За грубо димензионирање од голема помош е да бидат на располагање ориентационите вредности на кои можете да се повикаме при преддимензионирање, односно за да се избегне наддимензионирање. За попрецизни системски

пресметки стојат на

располагање компјутерски програми кои можат да дадат разумни резултати.

~ 38 ~

Прв чекор во планирањето на сончевиот топлински систем е да се дознае потребното количество топла вода за одвивање на процесите во погонот. Сончевите топлински колектори обично се поставуваат на покрив што е завртен кон сонцето ( југ),но пред да се примени сончевата енергија, треба да се испитаат условите, големината на површината, позицијата на расположивиот покрив, дали се создаваат сенки на планираната површина итн. Годишното сончево зрачење на една рамна површина во Република Македонија изнесува просечно околу 1385 kWh/m2. Во зависност од местото на поставување, по квадратен метар колекторска површина може годишно да се добијат помеѓу 350 и 650 kWh енергетска добивка. Потребни податоци Прв дел од проектирањето на кој било систем е утврдувањето на конкретните потреби. Обично за определување на димензиите на сончевиот топлински систем се смета на покривање на дневните енергетски потреби во најтоплиот ден во летото. Ваквиот пристап дава најдобро учество на сончевата енергија за единица инвестиција. Поголеми заштеди се постигнуваат со зголемување на димензиите на системот за да се подобри учеството напролет и наесен, но треба да се внимава бидејќи зголемувањето на димензиите ја зголемува инвестицијата и доведува до производство на вишок енергија во лето. 25 Бидејќи највисоката потребна температура во млекопреработувачкиот капацитет е 92°С ( што е повисока од вообичаените температури за рамни колектори), се избираат вакуумски колектори. Ефикасноста на вакуумските колектори опаѓа побавно со зголемувањето на температурата. Ако се претпостави ефикасност од 65%, тогаш се потребни 8 m2 колекторска површина и би требало да се постигне бараната температура од 85°С во резервоарот. Утврдување на големината на резервоарот Резервоар за топла во соларните системи обично се димензионира со 1,75 – 2 (двојна) количина на потребна топла вода. Со тоа можат да се покријат 1 – 2 дена лошо време и да се зголеми соларната добивка. Покрај тоа, се внимава да има доволно топла вода и кога системот работи само со догревање (во зимски денови без добивање на соларна енергија) и со расположливата зафатнина на припремена топла вода (горниот дел на 25

Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities for the Dairy Processing Industry Adrian Brush, Eric Masanet, and Ernst Worrell 2011

~ 39 ~

резервоарот), при работа на догревање. Потребната зафатнина на резервоарот може да се пресмета според следнава формула: ( (

) )

Каде:

Утврдување на колекторската површина Многу е важно површината на колекторите да биде соодветна на големината на резервоарот и потрошувачката на топла вода. Премалите површини не можат да постигнат комплетно полнење на резервоарот, а преголемите површини пак го зголемуваат степенот на соларна покриеност, но доведуваат до чести прекинина работата на системот, а поради тоа и до непотребно големо термичко оптоварување. Како разумна големина се покажало кога на 100 l зафатнина на резервоарот се пресметува приближно 1,25 – 1,65 m2 колекторска површина. Во овој случај, при употреба на резервоар од 1000 л потребно се 12,5-16,5 m2 колекторска површина. Тоа важи во случаи кога постои оптимална косина на колекторот за загревање на вода од 30°–50° како и ориентација кон југ. Во зависност од ориентацијата и косината на колекторското поле, потребно е да се зголеми колекторската површина за следниве вредности (таб 1.5.2): Ориентација

Косина Додаток 0° – 15° Не е дозволено 15° – 25° околу 10 % Југ, југозапад, 25° – 60° Без додаток 60° – 75° околу 10 % 75 – 90° 30 – 50 % 0° – 15° Не е дозволено 15° – 30° 15 – 20 % Запад, исток 30° – 50° 20 – 30 % 50° – 75° 30 – 50 % 75 – 90° 50 – 80 % Таб 1.5.2 Потсетник за димензионирање на соларен колекторски систем (извор: Енерги-Швајцарија, Сојузна управа за енергија BFE: потсетник за димензионирање сончеви колекторски системи)26 26

UPRAVLJANJE SOLARNIM TOPLINSKIM SUSTAVOM - Josip Gregov Zagreb, 2012

~ 40 ~

Поради ориентацијата на млекопреработувачкиот капацитет и поради косината на кровот на кој најверојатно би се поставиле колекторите,нивната површина би се зголемила за 30% и таа би изнесувала околу 20 m2. При поставувањето наколекторите нивното поврзување може да се изведе на два начини:паралелно или сериски.При паралелното поврзување (сл.5.1 –а) протокот е поделен помеѓу колекторите,а зголемувањето на температурата е насекаде исто.При сериското поврзување(сл.5.1 –б) протокот е еднаков низ секој колектор,а порастот на температурата е постепен од колектор до колектор.Превисоките температури може да доведат до низок степен на ефикасност.

(а)

(б) Сл 5.1 (а)Паралелно и (б) сериско поврзување на колекторите27

~ 41 ~

2.Експериментален дел 2.1. Калкулации за интензитетот на дневно

и месечно соларно

зрачење над Кичево Пресметките се вршени брз база на математички формули (Види 1.1 Сонце, соларно зрачење и соларна енергија ) и со помош на готов софтвер28 - PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) со кои е определен интензитетот на дневното соларно зрачење за 01.03.2013 и при тоа се користени податоци од сателитско скенирање на положбата на Сонцето над Кичево.29

Kičevo, Macedonia - Basic information Latitude: +41.51 (41°30'36"N) Longitude: +20.97 (20°58'12"E) Time zone: UTC+1 hours Local time: 08:50:07 Country: Macedonia Continent: Europe Sub-region: Southern Europe Distance: ~0.7 km (from your IP) Altitude: ~780 m

Таб 2.1 Положбата на Сонцето над Кичево на 1-ви март 2013 година30

Сл 2.1 Положбата на Сонцето над Кичево на 1- ви март 2013 година 28

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Извор: www.gaisma.com 30 Извор: www.gaisma.com 29

~ 42 ~

Оптималниот агол за поставување на сончев колектор,според релацијата (1) (Види: Поглавје 1.1) во Кичево на соларно пладне ,на 1 –ви март (шеесетиот ден во годината) би бил:

[

(

)]

[

(

)]

Висината на Сонцето тој ден, на пладне ќе биде: β n= 90°-L +δ=90 – 41,5-8,3 = 40,2° Според тоа аголот на поставување на сончевиот колектор,за да паѓаат сончевите зраци нормално на него треба да изнесува:

Согласно со оваа релација,директното зрачење на 1-ви Март на соларен колектор во Кичево поставен под агол од 55° и ориентиран за агол од 20° кон југо- исток,ако директното зрачење

на површина нормална на него,при чисто небо изнесува

=900W/m2, согласно релациите (2) и (3) (Види : Поглавје 1.1) ќе изнесува: ( (

) )

Според ова ако се разгледува колектор поставен во Кичево на 1-ви Март под претходно изнесените услови и ако факторот на рефлексија е 0,2 вкупното зрачење според релацијата (4) (Види : Поглавје 1.1) ќе може да се определи на следниот начин:

~ 43 ~

[

(

)]

[

(

)]

Ако ова се примени во релацијата (5) (Види : Поглавје 1.1) ќе добиеме:

(

)

(

)

Од релацијата (6) (Види: Поглавје 1.1) за рефлектираното зрачење ќе добиеме:

(

)(

)

Вкупното зрачење ќе биде збир од трите компоненти(релација (7)):

Значи според математичките калкулации на 01- ви март 2013 година ,интензитетот на дневното соларно зрачење на пладне над Кичево теоретски би бил Со примена на готовиот PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System)софтвер за интензитетот на соларното зрачење над Кичево,на 01-ви март 2013год се добиени следните податоци (таб.2.2):

~ 44 ~

~ 45 ~

Таб.2.2 Интензитет на дневно соларно зрачење во Кичево Временските периоди се дадени според локално време. G: Глобално зрачење на рамна плоча (W/m2) Gd: Дифузно зрачење на фиксна колекторска површина (W/m2) Gc: Глобално зрачење при ведро небо(W/m2) DNI: Директно нормално зрачење(W/m2) DNIc: Директно нормално зрачење при ведро небо(W/m2) A: Глобално зрачење на подвижна колекторска површина(W/m2) Ad: Дифузно зрачење на подвижна колекторска површина(W/m2) Ac: Глобално зрачење на подвижна колекторска површина при чисто небо(W/m2) Ако земеме средна вредност за 11:52 и 12:07h ,интензитетот на соларното зрачење на пладне изнесувал 1065 W/m2 Ако ги споредиме овие резултати со теоретските,апсолутната грешка при теоретската калкулацијата изнесува а релативната грешка е

Доколку добиените податоци се прикажат графички се добиваат следните дијаграми (дијаграм 2.1 ;дијаграм 2.2; дијаграм 2.3):

~ 46 ~

Дијаграм 2.1:Интензитет на зрачење на рамна плоча

Дијаграм 2.2:Интензитет на зрачење на нормална плоча

Дијаграм 2.3: Просечен дневен температурен профил

~ 47 ~

Со примена на PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System)софтверот се определени и просечните месечни вредности за енергијата на соларното зрачење во Кичево(таб.2.3).

Таб 2.3. Вредности за енергијата на просечното соларно зрачење по месеци во Кичево Hh: Зрачење на хоризонтална површина (Wh/m2/day) Hopt: Зрачење на површина поставена под оптимален агол (Wh/m2/day) H(90): Зрачење на нормално поставена површина(Wh/m2/day) Iopt: Оптимален агол (deg.) T24h: Просечна дневна температура (°C) Според дадените податоци средната вредност на енергијата на просечното соларно зрачење во Кичево изнесува 4092 Wh/m2/day

~ 48 ~

2.2 Калкулации за соларен систем за загревање на санитарна вода и загревање/ладење на простор Калкулацијата е направена во Microsoft Office Exsel 2007,според калкулациите и во консултација со Д-р Илија Насов31. При изработката на калкулациите во предвид се земени на потребите на млекопреработувачкиот капацитет на енергија за загревање на санитарната вода,како и потребната енергија за загревање/ладење на просторот.32 Во пресметката се користени цените од 0,12 Eur за 1kwh ел. енергија(индустриска тарифа) и 1 Eur/литар нафта ,како и претпоставката дека при согорување на 1 литар нафта се ослободуваат околу 8 kwh енергија. Извршени се две калкулации,за соларен систем со сезонски резервоар,кој овозможува складирање на дополнително количество на енергија и за соларен систем без сезонски резервоар.И

во

двете

калкулации

базичните

енергетски

потреби

на

млекопреработувачкиот капацитет се исти.( види таб.2.2.1.) Потребна енергија за зграда

Износ

единица

Вкупна површина

400,00

Губитоци

120,00

kWh/m2

Вкупни губитоци за загревање

48.000,00

kWh

Потреба од санитарна вода

30,00

m3/mesec

Вк.потребна енергија за санитарна вода

23.028,50

kWh

Вкупно потребна енергија за зграда

71.028,50

kWh

Еквивалент во вк.литри нафта

8.878,56

lit

Eur за загревање на вода со нафта

106.542,75

Eur/god

Eur за ел.бојлер за загревање на санитарна вода

8.523,42

Eur

Eur за ел. Енергија

102.281,04

Eur/god

Таб

2.2.1:

Калкулација

за

енергетските

потреби

за

санитарна

вода

загревање/ладење на просторот. 31

Личен контакт со.д-р. Илија Насов –Перетседател на Соларната Асоцијација на РМ и Декан на Факултетот за менаџмент на еколошки ресурси на МИТ Универзитет(www.mit.edu.mk) 32 Напомена:Соларниот систем може да се користи и за ладење на просторот без набавка на дополнителни уреди за ладење,што претставува дополнителна заштеда на инвеститорот.

~ 49 ~

за

2.2.1 Калкулација за соларен систем со сезонски резервоар за загревање на санитарна вода и загревање/ладење на простор Енергија која ќе се добие од соларни колектори и топлински пумпи без резервоар

Износ

Бр на колектори x 2m2

Единица

20,00

kWh /кол вк. за цела година

1.300,00 kWh/kol

vk. KWh/god

26.000,00 kWh/god

KWh/кол летен период

910,00 kWh/kol leten

вк. KWh летен период

18.200,00 kWh/leten

KWh / кол зимски период

390,00 kWh/kol zimen

вк. KWh зимски период

7.800,00 kWh /zimen

топлинска пумпа KW

33,60 kW

Енергија од топлинска пумпа(зимски период) kWh

29.930,00 kWh

KWh Ел.енергија за топлинска пумпа/за зграда

8.551,43 kWh

Ел.енергија за ел.греач на ( -5 )С.

3.900,00 kWh/zgrada

Резервоар

91,00 T

Енергија во резервоар акумулирана во лето на 70С

6.370,00 kWh

Вк.Eur за ел. Енергија за ел.греач /зграда

468,00 EUR

Вк.ел.енергија за топл.пумпа и ел греач kWh

12.451,43 kWh/zgrada

Вк.енергија од систем претвотена во l.нафта

1.556,43 Lit

Вк.Eur за ел енергија /зграда

1.494,17 Eur/zgrada

Таб 2.2.1.1: Енергија која ќе се добие од компонентите на соларниот систем

~ 50 ~

Заштеда Eur Eur.за загревање( со нафта) на санитарна вода и простор пред инвестиција

8.878,56

Eur за загревање (со нафта)на санитарна вода и простор по инвестиција

1.494,17

Заштеда Eur вооднос на нафта

7.384,39

Eur.за загревање( со ел.енг) на санитарна вода и простор пред инвестиција

8.523,42

Eur.за загревање( со ел.енг) на санитарна вода и простор по инвестиција

1.494,17

Заштеда Eur во споредба со топл. и ел.бојлер

7.029,25

Таб 2.2.1.2 Заштеда во Eur по имплементирањето на соларниот систем

Инвестиција Компонента од систем Колектори пумпна станица Цевки Резервоар Топлинска пумпа Монтажа Фенкојлери Автоматика вк.инвестиција pay back % на соларна енергија /вк.енергија вк.заштеда од соларна енергија за 20 год вк.заштеда од соларна енергија за 20 год

Бр

Eur 20,00 1,00 120,00 1,00 10,00

36,61 % 616.570,00 kWh 62.400,00 Eur

вк.заштеда после pay back во споредба со ел.енергија и нафта

147.687,82 Eur

Таб 2.2.1.3 Инвестиција и pay back

~ 51 ~

4.000,00 500,00 640,00 12.000,00 4.032,00 2.000,00 2.000,00 2.000,00 23.172,00 3,30

2.2.2.Калкулација за соларен систем без сезонски резервоар за загревање на санитарна вода и загревање/ладење на простор Енергија која ќе се добие од соларни колектори и топлински пумпи без резервоар

Бр на колектори x 2m2

Износ

Единица

kWh /кол вк. за цела година

1.300 kWh/kol

vk. KWh/god

26.000 kWh/god

KWh/кол летен период

910 kWh/kol leten

вк. KWh летен период

18.200 kWh/leten

KWh / кол зимски период

390 kWh/kol zimen

вк. KWh зимски период

7.800 kWh /zimen

топлинска пумпа KW

38 kW

Енергија од топлинска пумпа(зимски период) kWh

47.814 kWh

KWh Ел.енергија за топлинска пумпа/за зграда

13.661 kWh

Ел.енергија за ел.греач на ( -5 )С.

3.900 kWh/zgrada

Вк.Eur за ел. Енергија за ел.греач /зграда

468 kWh/stan

Вк.ел.енергија за топл.пумпа и ел греач kWh

17.561 kWh/zgrada

Вк.енергија од систем претвотена во l.нафта

Вк.Eur за ел енергија /зграда

2.195 Lit

2.107 Eur/zgrada

Таб 2.2.2.1: Енергија која ќе се добие од компонентите на соларниот систем

~ 52 ~

Заштеда Eur Eur.за загревање на санитарна вода со ел.ен пред инвестиција Eur за загревање на санитарна вода со ел.енерг.по инвестиција Заштеда Eur вооднос на нафта

8.523 2.107 6.771

Заштеда Eur во споредба со топл. и ел.бојлер(ел.енерг.)

6.416

Таб 2.2.2.2 Заштеда во Eur по имплементирањето на соларниот систем

бр.

Eur 20 1 4 1 10

25,6 % 616.570,0 kWh 62.400,0 Eur

вк.заштеда после pay back во споредба со ел.енергија и нафта

135.424,3 Eur

Таб 2.2.2.3 Инвестиција и pay back

~ 53 ~

4.000,0 500,0 640,0 2.400,0 4.608,0 2.000,0 2.000,0 2.000,0 14.148,0 2,2

3.Резултати и дискусија Според

пресметка,во Кичево енергијата на дневното соларно зрачење во Кичево

изнесува 4092 Wh/m2/day (Види Поглавје 2.1),што е во согласност со просекот во Р.Македонија. (Види таб.1.2.1).Ваквата вредност на енергијата на соларно зрачење укажува на доста поволни можности за примена на соларната енергија во регионот на Кичево,како во домаќинствата,така и во индустриските капацитети. Млекопреработувачкиот капацитет “Бистра“ како еден од поголемите потрошувачи на енергија во Кичево претставува доста поволен субјект за примена на соларен систем. Во пракса, во еден објект најголема потрошувачка на енергија има за загревање на водата,како и за загревање/ладење на просторот.Оваа потрошувачка на енергија е варијабилна и зависи правопропорционално како од површината на самиот објект,така и од енергетските загуби на објектот како резултат на градежниот материјал од кој е изграден објектот,лошата изолација,амортизацијата на објектот поради неговата старост и слично. Со оглед дека млекопреработувачкиот капацитет „Бистра“ е сместен во објект со површина од 400m2 ,изграден пред повеќе од 30 години,може да се претпостави дека топлинските загуби на објектот се големи.Доколку претпоставиме дека загубите на топлина изнесуваат 120 kWh/m2,на целата површина на објектот вкупните загуби би изнесувале 48000 kWh/m2. Праксата покажува дека голема потрошувачка на енергија има за загревање на водата која се употребува за одржувањето на хигиената во млекарата. Според податоците за досегашното работење,за задоволување на потребите од санитарна вода

во

млекопреработувачкиот капацитет „Бистра“ Кичево потребни се околу 2 m3 дневно,односно 30 m3 за еден месец,бидејќи млекарата во просек работи 15 дена месечно,што значи дека потрошувачката на санитарна вода во млекарата на годишно ниво изнесува 360 m3.За загревање на ова количество вода од просечни 10°C до просечни 65°C( температурниот ранг на санитарната вода е од 60 до70°C) доколку ја употребиме стандардната формула : Q= V*ρ*cp*(t2-t1)= 30*1000*4,187*55/3600*12= 23 028,5 kWh добиваме дека се потребни околу 23 028,5 kWh електрична енергија годишно.Доколку на оваа вредност ја додадеме и енергијата потребна да се надоместат енергетските загуби добиваме дека за овој објект се потребни 71 028,5 kWh( Види таб 2.2.1).За

~ 54 ~

обезбедување на ова количество на енергија потрбно е да се издвојат значителни парични средства. За задоволување на овие потреби потребно е да се инсталира соларен систем кој ќе содржи 20 колектори,односно колекторската површина за апсорпција на сончевото зрачење ќе биде 40m2. Ако се знае дека од еден колектор може да се обезбедат 1300 kWh, оваа колекторска површина ќе може да обезбеди 26000 kWh годишно ,од кои 18 200 kWh во летниот период,а 7 800 kWh во зимскиот период.Во летниот период доколку се употреби систем кој содржи дополнителен резервоар, во резервоарот може дополнително да се акумулираат 6 370 kWh. (Таб 2.2.1.1)

Дијаграм 3.1:Потрошувачка на енергија во објект со систем без сезонски резервоар Од дијаграм 3.133,на кој е претставена потрошувачката на енергија кај систем без сезонски резервоар, јасно може да се види дека во периодот од мај до јуни системот произведува повеќе енергија отколку што може да се искористи за потребите на млекопреработувачкиот капацитет и бидејќи системот не содржи можност за нејзино складирање ( дополнителен резервоар), оваа енергија е неповратно изгубена.А од друга страна се бележи голема потрошувачка на енергија во зимските месеци. На дијаграм 3. 2 е претставена температурната крива на складираната топлина по месеци во дополнителниот резервоари и може да се види дека во дополнителниот резервоар температурата може да достигне од 90 до 100 °C во летните месеци и оваа топлина може да се искористи според потребите на млекопреработувачкиот капацитет.

Дијаграм 3. 2:Складирана топлина по месеци 33

Solar Calculator ( www.catchsolar.net)

~ 55 ~

За да функционира нормално соларниот систем потребно е да има вградено топлинска пумпа и електричен греач,кој ќе врши догревање на водата во зимските месеци.Топлинската пумпа при својата работа ја користи силата на потисокот,и затоа нејзините потреби од електрина енергија се значително помали од потребите на стандарден електричен греач кој е употребува во бојлерите. Електричниот греачво соларниот систем е неопходен во зимските месеци,кога се бележат ниски температури под -5°C. За работа на топлинската пумпа и за греачот,потребни се 12 451 kWh,за што треба да се издвојат

1 494 Eur

: (кај соларен систем со дополнителен резервоар)(види таб

2.2.1.1),додека кај соларен систем без дополнителен резервоар заоваа намена се потребни 17561 kWh, зашто е потребно да се издвојат 2107Eur:.(види таб.2.2.2.1)

соларен систем со дополнителен резервоар

соларен систем без дополнителен резервоар

бр. на колектори

Вк.ел.енергија за топл.пумпа и ел греач kWh

12 451,43 kWh

17 561 kWh

Вк.Eur за ел енергија

1 494,17 EUR

2 107 EUR

Заштеда Eur во однос на потрош. на ел. Енергија пред и по соларен с-м

7 029,25 EUR

6 416 EUR

Инвестиција

23 172 EUR

14 148: EUR

% на соларна енергија /вк.енергија

36,61%

25,60%

pay back

3,3 год

2,2 год

вк.заштеда од соларна енергија за 20 год

77 688 EUR

62 400 EUR

Таб.3.1Споредба на соларен систем со и без дополнителен резервоар Според добиените податоци (види таб 3.1) јасно се гледа дека имплементирањето на соларен систем ќе обезбеди значителна заштедата во однос на потрошувачката на електрична енергија или нафта,и тоа 34

Напомена: Во пресметката се користени цените од 0,12 Eur за 1kwh ел. енергија(индустриска тарифа + ангажирана моќност) и 1 Eur/литар нафта

~ 56 ~

 заштедата во однос на потрошени средства за електрична енергија изнесува:7029

Eur(види

таб

2.2.1.2)

кај

систем

со

дополнителен

резервоар,односно 6416 Eur (види таб 2.2.2.2) кај систем без дополнителен резервоар  заштедата во однос на потрошени средства за количество на нафта потребно за задоволување на овие енергетски пореби изнесува 7384Eur(види таб 2.2.1.2) кај систем со дополнителен резервоар,односно 6771 Eur кај систем без дополнителен резервоар. (види таб 2.2.2.2) Според пресметките учеството на енергијата од соларниот систем со дополнителен резервоар во вкупниот енергетски биланс би изнесувала 36,61%,(види таб 2.2.1.3) додека кај системот без дополнителен резервоар ова учество е околу 25,6%(види таб 2.2.2.3).Процентуалната намаленост во вкупниот биланс се должи на загубата на енергија кој дополнително се складира во првиот систем. За имплементирање на соларен систем со дополнителен резервоар по слободна проценка би биле потребни 23 172

Eur (види таб 2.2.1.3)

и тука се вклучени

инвестициските трошоци за набавка и монтажа на составните делови на соларниот систем.При имлементирање на соларен систем без дополнителен резервоар,самото отсуство на овој сегмент на системот ги намалува инвестициските трошоци и тие изнесуваат 14 148 Eur. (види таб 2.2.2.3)

Дијаграм 3.3:Инвестициска анализа35

www.catchsolar.net

~ 57 ~

Од дијаграмот 3.3 јасно се гледа дека по почетната инвестиција на средства во соларен систем,потребата од финансиско вложување нагло опаѓа и потоа бележи линеарна зависност,односно

потребни

се

мали

финансиски

вложувања

за

нормално

функционирање на системот.Од друга страна се бележи постојан раст на заштедените средства. При имплементирање на ваков соларен систем и согласно и со заштедите кои ги остварува, pay back периодот би изнесувал околу 3,3 години за соларен систем со дополнителен резервоар,односно 2,2 години за соларен систем без дополнителен резервоар, што не е многу долг период и претставува уште една поволност за инвеститорот.Периодот на поврат на инвестицијата е пресметан на едноставен начин како сооднос на инвестициските трошоци и годишната заштеда од цената на ел.енергија,без притоа да се земат во предвид каматите,инфлацијата,промената на цената на ел.енергија и сл.кои се сигурни настани за тој период. Соларните системи на корисникот може да му понудат долгорочни придобивки кои по своето значење се над едноставните економски пресметки.Бидејќи соларните системи имаат 20 годишна гаранција, заштедата по исплатата на системот ќе изнесува 77 688 Eur(види таб 2.2.1.3)

за соларен систем со дополнителен резервоар, односно 62 400

EUR (види таб 2.2.2.3)

за соларен систем без дополнителен резервоар. Од добиените

податоци јасно може да се види дека инвеститорот доколку се одлучи да инвестира во соларен систем со дополнителен резервоар,во рок од 20 години разликата во инвестицијата помеѓу овој систем и систем без дополнителен резервоар, ќе му биде надокнадена и на долги патеки ќе има поголема финансиска корист од овој систем бидејќи ќе остварува поголеми заштеди отколку системот без дополнителен резервоар. Покрај значајната финансиска заштеда по имлементирањето на еден од овие два системи,млекопреработувачкиот капацитет ќе биде независен од идните недостатоци на гориво или промени на цената на електричната енергија,а индиректно и ќе допринесе во намалувањето на потребата на државата од увоз на енергија. Намалените трошоци за енергија директно ќе влијаат и

на цената на производите,како и на

конкурентноста и реномето на компанијата. Од еколошки аспект гледано, при инсталирање на ваков соларен систем би се избегнале емисиите на СО2 ,NOX ,SO2

и други загадувачи кои се создаваат при

производството на електрична енергија или при согорување на друго гориво за да се

~ 58 ~

загрее

водата.Според

некои

податоци,при

инсталирање

на

соларен

систем

,енергетските заштеди за 20 години ја намалуваат емисијата на СО2 и до 50 тони36 . Ако се претпостави дека енергетските заштеди од 1m2 колекторска површина,ја намалуваат емисијата на СО2 за 208кг годишно37,тогаш со инсталирање на соларен систем со 40m2 колекторска површина во млекопреработувачкиот капацитет, емисијата на СО2 би се намалила за околу 8320кг годишно,односно за 166 400 кг за 20 години, што може значително да допринесе за зачувувањето на животната средина(таб 5.2). Колекторска површина

Намалена емисија на СО2

1m2

208кг годишно/4160 кг за 20 години

40m2

8320кг годишно/166 400 кг за 20 години

Таб.5.2. Намалена емисија на СО2 по m2 колекторска површина

36 37

Извор:Energy Efficiency and Renewable Energy,March 1996 Извор: Искористувањето на Соневата Енергија во Македонија Др.Илија Насов (pdf)

~ 59 ~

4. Законска регулатива и подршка во Р.Македонија Клучен елемент во политиката на една земја е да се постигне оптимален процент учеството на обновливите извори во крајната потрошувачка, а при тоа зголемените трошоци (даноци или крајни цени за потрошувачите) да не предизвикаат негативни ефекти во економскиот развој на земјата. Редуцирањето на енергетската потрошувачка како и елиминирањето на енергетските загуби се едни од главните цели на Европската унија (EU). Целта на EU е до 2020 година потрошувачката на примарна енергија да се намали за 20%,односно да се примени т.н.„Иницијатива 20-20-20“.Со потпишувањето на оваа иницијатива,земјите членки на EU, се обврзуваат да обезбедат заштеда на 20% од потрошувачката на примарна енергија и на емисијата на стакленички гасови,како и вклушување на 20% обновливи извори на енергија во енергетската потрошувачка да 2020 година.Одлуките и директивите на EU ќе бидат транспонирани и во нашето законодавство,како што Р.Македонија ќе напредува кон членството во EU. Во Република Македонија е прифатен системот за стимулација на произвдството на електрична енергија од обновливите извори преку повластени тарифи и издавање на гаранции на потекло за произведената електрична енергија. Законската рамка за обновливи извори на енергија во Република Македонија, ја сочинуваат:38 

Закон за енергетика



Стратегија за развој на енергетиката



Стратегија за искористување на обновливи извори на енергија



Поттикнување на искористувањето на обновливи извори на енергија



Правилник за обновливи извори на енергија



Повластени тарифи

Националниот план за енергетска ефикасност за периодот 2009-2016 година предвидува Р.Македонија да постигне заштеда на енергија од 9% од просечната потрошувачка на енергија остварена во периодот 2002-2006 год, во согласност со европските директиви,што би значело заштеда на енергија во просек од околу 820TJ 38

http://www.ea.gov.mk/index.php?option=com_content&view=article&id=53%3A2010-11-08-0000-01&catid=38%3Afaq&Itemid=80&lang=mk

~ 60 ~

годишно.Во овој план се препорачува

воведување на механизам за редовно

субвенционирање (фонд за поддршка на сончеви топлински системи) и соодветни даночни олеснувања за да се остварат помасовни набавки и инсталирања на овие системи. Од 2007 година Владата го подржува финансиски воведувањето на сончевите колектори. Според претходно споменатата стратегија: “Што се однесува за поголемо воведување на сончевите системи во индустријата, особено кај индустриските гранки кои трошат поголемо количество топла вода (млекарска, месна и пекарска), каде повратот на вложените средства е релативно краток, потребно е да се стимулираат домашните производители за масовно производство на сончеви системи со олеснување на извозот и административните процедури. Со тоа би се подобрил квалитетот на системите и би се остварила економска добивка.“39 Со одлука на Комисијата ЕС(2007) 6376 од 18.12.2007 год. Р.Македонија може да учествува во хоризонталната програма на ЕУ преку финансискиот инструмент EEFF – Energy Efficiency Finance Facility.Целта на овој инструмент е до 2016 година да им се помогно на земјите опфатени со инструментот IPA за промоција на инвестиции за енергетска ефикасност и обновливи извори.Овој инструмент користи финансиска и техничка

подршка

од

Европската

инвестициона

банка,Европската

банка

за

реконструкција и развој и Банката за развој на Советот на Европа.Притоа овие финансиски институции ќе обезбедат повеќе од 100 милиони евра, кои во форма на кредитни линии преку локалните банки ќе бидат наменети за финансирање на проекти во областите на градежништвотои индустријата.Од друга страна ЕУ ќе обезбеди дополнителни 35 милиони евра кои ќе бидат наменети на претпријатијата кои ќе имплементираат енергетски ефикасни проекти и на локалните банки кои ќе финансраат вакви проекти.Проектите треба да бидат поврзани со производство на енергија од обновливи извори (соларна енергија,хидроцентрали,геотермална енергија ,енергија од биомаса и сл.)40 За Р.Македонија како “земја од Анекс I” ,од Кјото протоколот најинтересен е Механизмот за Чист Развој или Clean Development Mechanism, со кој секоја 39

СТРАТЕГИЈА ЗА ИСКОРИСТУВАЊЕТО НА ОБНОВЛИВИТЕ ИЗВОРИ НА ЕНЕРГИЈА ВО РЕПУБЛИКА МАКЕДОНИЈА ДО 2020 ГОДИНА - Влада на Р.М. –Министерство за Економија;Скопје 2010 40

Енергетска ефикасност и ЕУ,Фондација Институт отворено општество – Македонија,Скопје 2010)

~ 61 ~

инвестиција во Македонија која заштедува јаглерод диоксид доколку се регистрира како Clean Development Mechanism - CDM проект, ќе добива јаглеродни кредити за секој заштеден еквивалентен тон на јаглерод диоксид. Јаглеродните кредити или карбон кредитите се единици со кои е означува заштеда т.е. елиминација на емисија на јаглерод диоксид CO2 и други стакленички гасови со што една единица на јаглероден кредит е еднаков на заштеда на емисија на еден еквивалентен тон CO2 (еквивалентен тон CO2 е релативна единица, при што другите стакленички гасови се множат со нивната релативна опасност пр. еден тон метан е приближно еднаков на 21 тон CO2 итн.) Така на пример, ако се инвестира во проект кој во рок од 7 години ќе елиминира 100000 тони јаглерод диоксид, сопственикот на проектот ќе добие 100000 јаглеродни кредити, при што рокот на кредитирање може да се зголеми на уште двапати по 7 години (постои и еднократен период од 10 години). Цената на ваквите јаглеродни кредити се движат од 8 - 30 долари по јаглероден кредит.

~ 62 ~

5. Заклучок Светот денес се соочува со два големи енергетски проблеми.Првиот е недостатокот од енергија и несигурноста во нејзиното опскрбување,а другиот е загадувањето на околината и климатските промени кои се предизвикани од преголемата и нерационалната потрошувачка на енергијата.Цените на електричната енергија и другите енергенси, во согласност со глобалните и локалните фактори,покажуваат тенденција на постојан пораст што директно ќе има влијание

на порастот на

трошоците и на профитабилното работење на млекопреработувачкиот капацитет.Од друга страна енергијата на сончевото зрачење е неисцрпен, бесплатен и обновлив извор на енергија, кој не ја загадува животната средина. Оваа мултифункционално искористување на соларната енергија нуди максимална заштеда на елекрична енергија а со тоа и заштеда на пари, што значи повраток на инвестираните средства за краток период. Од овие причини во интерес на сопствениците на млекопрерабопотувачкиот капацитет е рационалното користење на енергијата и замена на конвенционалните енергенси со обновливи извори на енергија,како од економски така и од еколошки аспект. Соларниот систем може да биде применет за повеќе намен:за загревање на санитерана вода; загревање/ладење на просторот;предзагевање на водата која се користиво процесите или комбинација од претходно наведените. Користењето

на

соларен

систем

за

загревање

на

санитарната

вода

за

загревање/ладење на просторот, носи доста придобивки за корисникот.Врз база на спроведената пресметки ,се добиени резултати за значителна економската заштеда која

следува

по

имплементирањето

на

соларен

систем,во

споредба

со

конвенционалниот систем за загревање на санитарната вода. Покрај економските придобивки,употребата на соларниот систем резултира со делумна независност од идните збиднувања со конвенционалните енергенси,како и значителен допринос во заштитата на животната средина.

~ 63 ~

Литература 1. Сончева енергија. Сања Поповска-Василевска,Интерна скрипта на Технички факултет Битола 2. Сончева енергија во Македонија Сања Поповска-Василевска; Кирил Поповски; Валентина Гечевска МАГА Скопје 2010 3. СТРАТЕГИЈА ЗА РАЗВОЈ НА ЕНЕРГЕТИКАТА ВО РЕПУБЛИКА МАКЕДОНИЈА ЗА ПЕРИОД 2008-2020 СО ВИЗИЈА ДО 2030- МАНУ ;Скопје 2009 4. СТРАТЕГИЈА ЗА ИСКОРИСТУВАЊЕТО НА ОБНОВЛИВИТЕ ИЗВОРИ НА ЕНЕРГИЈА ВО РЕПУБЛИКА МАКЕДОНИЈА ДО 2020 ГОДИНА - Влада на Р.М. – Министерство за Економија;Скопје 2010 5. Лична комуникација и состанок со со Д-р. Илија Насов – Претседател на Соларната Асоцијација на РМ и Декан на Факултетот за менаџмент на еколошки ресурси на МИТ Универзитет(www.mit.edu.mk ) 6. Искористувањето на Соневата Енергија во Македонија Др.Илија Насов (http://www.momee.org.mk/widethesee/Ilija%20Nasov.pdf) 7. Енергетска ефикасност и ЕУ,Фондација Институт отворено општество – Македонија,Скопје 2010 8. Camel Solar - new brochure( www.camel-solar.com ) 9. Solar energy in small-scale milk collection and processing by W.B. Tuszyński, Eliza A.A. Diakowska, N.S. Hall;FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS Rome, 1983 10. Solar Systems Applications in the Dairy Industry -Dr. Michaelis Karagiorgas and Mr. Aristotelis Botzios-Valaskakis 11. Performance of Thermosyphon Solar Water Heaters in Series ;Yi-Mei Liu, Kung-Ming Chung , Keh-Chin Chang and Tsong-Sheng Lee;Energy Research Center, National Cheng Kung University 12. UPRAVLJANJE SOLARNIM TOPLINSKIM SUSTAVOM - Josip Gregov Zagreb, 2012 13. Solarni sustavi, Ljubomir Majdančić, Graphis d.o.o., Zagreb 2010. godine

14. МОЖНОСТИ ЗА ПРИМЕНА НА ТЕРМИЧКИ КОЛЕКТОРИ ЗА ГРЕЕЊЕ И ЛАДЕЊЕ ВО Р. МАКЕДОНИЈА Славе Арменски – (http://www.momee.org.mk/regkonf/prof%20d-r%20Slave%20Armenski%20%20Moznosti%20za%20primena%20na%20termicki%20kolektori%20za%20greenje%2 0i%20ladenje%20vo%20R.%20Makedonija.pdf) 15. Energy Efficiency Improvement and Cost Saving Opportunities for the Dairy Processing Industry Adrian Brush, Eric Masanet, and Ernst Worrell 2011 16. www.gaisma.com 17. http://sm.mk20.com/index1.htm 18. http://solargis.info/doc/_pics/freemaps/1000px/ghi/SolarGIS-Solar-map-Macedoniaen.png 19. www.meteo.gov.mk 20. http://www.iea-shc.org/publications/statistics/IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide2008.pdf 21. www.stat.gov.mk 22. www.solarenergy-facts.org/history-of-solar-energy.html 23. http://www.ea.gov.mk/index.php?option=com_content&view=article&id=53%3A201011-08-00-00-01&catid=38%3Afaq&Itemid=80&lang=mk 24. www.dpi.vic.gov.au/agriculture/dairy/energy-in-dairy/solar-hot-water-systems-for-dairyshed 25. www.catchsolar.net 26. www.dlsc.ca/how.htm 27. www.rehau.com/HR_hr/gradnja/Obnovljivi_izvori_energije/Sezonski_spremnik_topline/ 28. http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ 29. www.b-es.org

~ 65 ~

Прилог : Примери за употреба на соларни системи во млечната индустрија 1.Oakhurst Dairy Во пролетта 2008 година,компанијата Oakhurst Dairy станала еден од најголемите корисници на комерцијални соларни термални системи во северно-западниот дел на САД.Во компанијата Oakhurst Dairy биле инсталирани 72 панели со приближна површина од 2500 m2 ,на покривот од објектот лоциран во Портланд,Мејн.Овие панели ја предзагреваат водата на 110°F,при што ја редуцираат потрошувачката на нафта во компанијата за повеќе од 5000 галони годишно.Проширувањето на овој проект вклучува систем за повторна циркулација на топлата вода што овозмоѓува дополнителна заштеда од 2500 галони нафта годишно.41

2.Mevgal S.A и ALPINO S.A. - Солун42 Mevgal S.A е млекопреработувачки капацитет сместен во Солун,во кој соларените системи за загревање на вода

се употребуваат за добивање на топла вода за процесите на

миење,како и за предзагревање на водата за добивање на водена пареа.Со помош на овие

www.dpi.vic.gov.au/agriculture/dairy/energy-in-dairy/solar-hot-water-systems-for-dairy-shed

http://www.iea-shc.org/publications/statistics/IEA-SHC_Solar_Heat_Worldwide-2008.pdf

~ 66 ~

соларни системи се загрева водата во два резервоари од по 2500 литри,која што потоа се искористува во понатамошните процеси .

Сл. 8.1 Mevgal S.A- Солун и ALPINO S.A. - Солун ALPINO S.A. е помала компанија од претходната, но и во неа инсталираниот соларен систем се употребува за истата намена како и во Mevgal S.A,со таа разлика што поради помалите потреби од топла вода се инсталирани помала површина на соларни панели,како и помал резервоарза топла вода. 3.Mandrekas S.A. - Коринтос Mandrekas S.A. е компанија со 15 вработени.Топлата вода што ги напушта сончевите резервоари оди: а) директно во тоалетите на фабриката, или б) се користи за одржување на температурата на созревање на киселото млеко меѓу 40 и 45°С. Потоа топлата вода се враќа во резервоарите Дополнителните потреби од загревање се обезбедени со поставување на топлински изменувачи во близина на соларните резервоари.Со примената на ваков соларен систем се забележани извонредни заштеди на енергија

Сл. 8.2 Mandrekas S.A.

~ 67 ~