izobraŽevalni center geoss d.o.o. višja strokovna šola

IZOBRAŽEVALNI CENTER GEOSS D.O.O.

Višja strokovna šola

SONČNA VZGONSKA ELEKTRARNA

DIPLOMSKA NALOGA

Litija, april 2018 Boštjan Kanceljak

IZOBRAŽEVALNI CENTER GEOSS D.O.O.

Višja strokovna šola

Strojništvo

Diplomsko delo

SONČNA VZGONSKA ELEKTRARNA

Mentor: France Saje univ. dipl. inž. Kandidat: Boštjan Kanceljak

Ljubljana, april 2018

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju g. Francetu Sajetu univ. dipl. inž. za pomoč in podporo pri

izdelavi te diplomske naloge.

Zahvaljujem se podjetju Energetiki Ljubljana d.o.o., ker mi je omogočila študij in me

pri tem podpirala.

Za lektoriranje diplomske naloge se zahvaljujem prof. Majdi Dori Božič.

Za podporo skozi študij in diplomski nalogi se posebej zahvaljujem moji partnerki

Katarini.

POVZETEK

Podnebne spremembe in njihove posledice lahko v prihodnosti resno ogrozijo obstoj

življenja na Zemlji. Dejstvo je, da je v Zemljini zgodovini že prihajalo do podnebnih

sprememb zaradi povečane koncentracije toplogrednih plinov v ozračju. Študije po

svetu kažejo, da odgovornost za podnebne spremembe v tem Zemljinem obdobju

nosi človek. S spoštovanjem do sprejetih svetovnih sporazumov lahko na svetovnem,

državnem, lokalnem merilu preprečimo najhujše in najdemo rešitve, saj nam trenutna

tehnološka stopnja razvoja to omogoča.

Poleg ostalih možnih rešitev sem v diplomski nalogi raziskoval predvsem področje

uporabe sončnega sevanja za proizvodnjo električne energije in toplote. V nalogi

sem uporabil učinke tople grede, vetrnice, dimnika in fotovoltaike s katerimi bi lahko

neprekinjeno proizvajali električno energijo. Pri tem sem se navezoval na pretekle in

obstoječe rešitve. Navdih za reševanje problema pa sem našel v sončni vzgonski

elektrarni Manzanares.

Uporabljena glavna sestavna dela dimnik z vetrnico ter kolektor energije s

fotovoltaičnim premazom in kolektorjem toplote lahko delujeta tudi ločeno. V tem

primeru pa ju združuje v dimnik vgrajen izmenjevalec toplote preko katerega se

segreva zrak v dimniku.

Glede na izračune, ki temeljijo na teoretičnih podatkih iz uporabljene literature o

prejeti količini sončne energije ter predvidevanju, da sončna vzgonska elektrarna

deluje osem ur dnevno, bi skozi celo leto proizvedla približno 8,796 GWh električne

energije.

KLJUČNE BESEDE: Podnebne spremembe, obnovljivi viri energije, sončno sevanje,

sončna vzgonska elektrarna, kolektor energije.

ABSTRACT

Climate changes and its consequences can in the future seriously jeopardize the

existence of life on the Earth. The fact is in Earth's history has already been a subject

to climate changes due to the increased concentration of greenhouse gases in the

atmosphere. Studies around the world show that the responsibility for climate change

in this Earth's era is on man. With respect to the accepted global agreements, we can

prevent the worst case scenario and make best possible solutions on a global,

national, local scale, as the current technological development allows us to do so.

In addition to other possible solutions, I in the diploma thesis also explored the use of

solar radiation for the production of electricity and heat. In my work I have used the

effects of a greenhouse, a windfarm and also chimney and photovoltaic effect that

could continuously produce electricity. In doing so, I was referring to past and

existing solutions. Inspiration how to solve the problem, I found in the solar power

plant Manzanares.

The main components used are the chimney within a wind turbine and the energy

collector with which consists of a photovoltaic coating and a heat collector can also

work separately. In this case they are connected with the heat exchanger built-in into

the chimney, through which the air in the chimney is heated.

According to the calculations based on theoretical data from the used literature on

the received amount of solar energy and the assumption that the solar power plant

will operate eight hours a day, it would produce around 8,796 GWh of electricity

throughout the whole year.

KEY WORDS: Climate change, renewable energy sources, solar radiation, solar

power plant, energy collector.

5

KAZALO VSEBINE:

1 ELEKTRIČNA ENERGIJA TER PODNEBNE SPREMEMBE ............. 8

1.1 NARAVNI IN ČLOVEŠKI VZROKI PODNEBNIH SPREMEMB IN

POSLEDICE .......................................................................................................... 10

2 UKREPI ZA ZMANJŠANJE UČINKOV PODNEBNIH SPREMEMB 14

2.1 REŠITVE ..................................................................................................... 16

2.1.1 Fuzija ....................................................................................................... 20

2.1.2 Odpadek kot energent ............................................................................. 21

2.1.3 Učinkovita rešitev so obnovljivi viri .......................................................... 24

3 HITRA IN TRAJNA REŠITEV JE KORIŠČENJE ENERGIJE

SONCA ............................................................................................................................................ 30

3.1 SONČNA VZGONSKA ELEKTRARNA MANZANARES .............................. 36

3.1.1 Dimnik ..................................................................................................... 37

3.1.2 Topla greda ............................................................................................. 37

3.1.3 Vetrnica ................................................................................................... 39

4 SONČNA VZGONSKA ELEKTRARNA Z ZBIRALNIKOM TOPLOTE

IN PROTITOČNIM PRENOSNIKOM TOPLOTE .................................................... 41

4.1 IZBIRANJE PODROČJA ZA POSTAVITEV .......................................................... 41

4.2 SONČNA VZGONSKA ELEKTRARNA V OTLICI ........................................ 43

4.3 SOPROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE IN TOPLOTE ...................... 45

4.4 DIMNIK IN PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE................................................ 48

4.5 PROTITOČNI IZMENJEVALEC TOPLOTE V DIMNIKU .............................. 51

5 ZAKLJUČEK ....................................................................................................................... 58

6 LITERATURA ...................................................................................................................... 60

6

KAZALO SLIK:

Slika 1: Učinek tople grede .......................................................................................... 8

Slika 2: Porast suše 2030 - 2039 ................................................................................. 9

Slika 3: Porast suše 2060 - 2069 ............................................................................... 10

Slika 4: Delež CO2 v ppm skozi tisočletja .................................................................. 12

Slika 5: Odnos do okolja se začne v vrtcih ................................................................ 14

Slika 6: Stabilizacijski trikotnik ................................................................................... 17

Slika 7: Stabilizacijski trikotnik in klini ........................................................................ 18

Slika 8: Rešitve znotraj področij ................................................................................ 19

Slika 9: Fuzijski reaktor ............................................................................................. 21

Slika 10: Odvržene plastenke je možno predelati v gorivo ........................................ 22

Slika 11: Plazemsko postrojenje Ottawa, Kanada ..................................................... 22

Slika 12: Proces plazemskega uplinjanja odpadkov .................................................. 23

Slika 13: Plazemski postroj........................................................................................ 24

Slika 14: Sonce je fuzijski reaktor .............................................................................. 25

Slika 15: Možnost izkoriščanja obnovljivih energijskih virov ...................................... 26

Slika 16: Vetrno polje elektrarne Walney ................................................................... 27

Slika 17: Karta hitrosti vetra 10 m nad tlemi .............................................................. 28

Slika 18: Karta hitrosti vetra 50 m nad tlemi .............................................................. 28

Slika 19: Neto proizvodnja električne energije, Slovenija, december 2016 ............... 29

Slika 20: Srednje mesečne hitrosti vetra za Jezersko, Ajdovščino in Ljubljano ......... 31

Slika 21: Urejeni letni diagram za srednje urne hitrosti vetra za Ajdovščino za ......... 32

Slika 22: Gostota moči vetra v odvisnosti od hitrosti in primerjava z Beaufortovo skalo

.................................................................................................................................. 34

Slika 23: Izkoristki nekaterih značilnih vrst vetrnic v odvisnosti od razmerja ............. 35

Slika 24: Sončna vzgonska elektrarna Manzanares, Španija .................................... 36

Slika 25: Sončni kolektor elektrarne Manzanares ...................................................... 38

Slika 26: Načelni prikaz toplotnih tokov in temperaturnih razmer v zbiralniku ........... 39

Slika 27: Vetrna turbina sončne vzgonske elektrarne ................................................ 40

Slika 28: Karta povprečnega sončnega sevanja ........................................................ 41

Slika 29: Lega naselja Otlica ..................................................................................... 42

Slika 30: Topografski pogled na področje dimnika - črna črta označena s puščico ... 42

7

Slika 31: Ortofotografski pogled na področje dimnika ............................................... 43

Slika 32: Pogled na pobočje ...................................................................................... 43

Slika 33: Območje kolektorja ..................................................................................... 44

Slika 34: Kolektor energije ......................................................................................... 46

Slika 35: Dimnik in vetrnica ....................................................................................... 49

Slika 36: Slika opisuje volumenski pretok zraka skozi Venturijevo cev ..................... 50

Slika 37: Faktor Cp v odvisnosti od hitrosti vetra ....................................................... 51

Slika 38: Radiator Apollo Tip 33 ................................................................................ 51

Slika 39: Prestop toplote skozi steno ......................................................................... 55

Slika 40: Zanesljive povprečne vrednosti toplotne prestopnosti 𝛼 ............................. 55

Slika 41: Večstopenjska centrifugalna črpalka .......................................................... 56

Diplomsko delo: Sončna vzgonska elektrarna

8

1 ELEKTRIČNA ENERGIJA TER PODNEBNE SPREMEMBE

Gonilna sila človeškega razvoja, od začetka industrijske dobe do današnje dobe

konstantnega razvoja in napredka, v veliki meri temelji na izkoriščanju fosilnih virov

energije za proizvodnjo električne energije in toplote.

Slika 1: Učinek tople grede

Elektronski vir, Nasa, 2017

Posledica izkoriščanja fosilnih goriv so toplogredni plini. Namesto, da se določen

delež prejetega sončnega sevanja odbije nazaj v vesolje, se zaradi toplogrednih

plinov – učinka tople grede pretvori v toploto, ki segreva ozračje, površje in oceane

(slika 1). Segrevanje ozračja, oceanov in s tem povezano taljenje ledenikov in ledu

na severnem in južnem polu po mnenju mnogih vpliva na podnebne spremembe.

Zemeljska atmosfera trenutno vsebuje 800 milijard ton CO2, pri čemer ji na račun

rabe fosilnih goriv vsako leto dodamo 8 milijard ton CO2. Skozi naravne procese se

približno 50 odstotkov letno proizvedenih izpustov absorbira v površje oceanov in na

kopnem v gozdove. (Hotinski, 2015).


9

Toplogredni plini in z njimi povezane podnebne spremembe že povzročajo nastanek

vse silovitejših vremenskih pojavov kot so toča, suše, poplave, orkani. Govorim o

naravnih katastrofah, ki za seboj pustijo ogromno okoljsko, gospodarsko in

ekonomsko škodo. Posledično to privede do:

razvoja nevarnih bolezni,

lakote,

revščine,

naraščanja števila smrti

masovnih migracij.

Na podlagi študije ameriškega Nacionalnega centra za raziskovanje atmosfere

(NCAR) iz leta 2010 je bil izdelan model (sliki 2 in 3), ki v nekaj desetletjih predvideva

resen porast suše na svetovni ravni. (Owens, 2012).

Slika 2: Porast suše 2030 - 2039

Elektronski vir, Treehugger, 2018


10

Slika 3: Porast suše 2060 - 2069

Elektronski vir, Treehugger, 2018

V primeru, da se bo delež CO2 še povečeval, bodo že čez 40 let v Sloveniji in širše

vladale take vremenske razmere, kot jih danes poznamo v puščavah. Če se

uresničijo najbolj črnoglede napovedi je ogrožen obstoj narodov in držav celega

sveta. Glede na to, da so podnebne spremembe tu in njihove posledice že čutimo, je

potrebna celovita rešitev na nivoju celega planeta.

1.1 NARAVNI IN ČLOVEŠKI VZROKI PODNEBNIH SPREMEMB IN POSLEDICE

Znanstveniki s področja geologije so z raziskovanjem in preučevanjem različnih

zemeljskih plasti ugotovili, da je nenaden porast globalne temperature pred 250

milijoni leti povzročil masovno izumrtje. Glavno vlogo pri tem izumrtju je imel

velikanski izbruh magme na področju današnje Sibirije. Poleg izbruha magme so se

hkrati izločale ogromne količine toplogrednih plinov in žveplovega dioksida, ki so

povzročili:

porast temperature,

zakisanost oceanov in

pomanjkanje kisika v oceanih.


11

Tako je v tem obdobju izumrlo 96 odstotkov življenja v oceanih in 70 odstotkov na

kopnem. (Dunne, 2017).

Današnje podnebne spremembe bi lahko pripisali tudi v spremembi sončne energije.

Sonce je temeljni vir, ki poganja naš podnebni sistem. Študije dejansko kažejo, da je

imela sončna spremenljivost bistveno vlogo pri preteklih podnebnih spremembah.

Tako je zmanjšanje sončne aktivnosti sprožilo majhno ledeno dobo v obdobju dveh

stoletij, med približno leti 1650 in 1850. Vendar danes več vrst dokazov kaže, da

trenutnega globalnega segrevanja, ni mogoče pojasniti s spremembami energije iz

sonca:

od leta 1750 je povprečna količina energije, ki prihaja iz sonca ostala

nespremenjena ali pa se je rahlo povečala,

če je segrevanje povzročilo aktivnejše sonce, bi znanstveniki pričakovali, da bodo

v vseh slojih ozračja izmerili višje temperature. Namesto tega so izmerili padec

temperature v zgornji atmosferi in segrevanje na površini ter v spodnjih delih

ozračja. To so povzročili toplogredni plini, ki zajemajo toploto v nižjih plasteh

atmosfere,

podnebni modeli, ki vključujejo spremembe sončne obsevanosti, ne morejo

reproducirati opazovanega temperaturnega trenda v preteklem stoletju ali več, ne

da bi pri tem prišlo do povečanja toplogrednih plinov. (NASA, 2017 (2)).

Vzeti vzorci ledu iz Grenlandije, Antarktike in ledenikov kažejo, da se podnebje

odziva glede na spremembo deleža CO2 v ozračju. (NASA, 2018).


12

Slika 4: Delež CO2 v ppm skozi tisočletja

Elektronski vir, Nasa, 2017 (1)

Opis gibanja deleža CO2 skozi čas ponazarja krivulja v sliki 4, ko se je od obdobja

pred 400.000 let do 0, gibala med spodnjo 180 ppm in zgornjo 300 ppm mejo

normalnega deleža CO2 v ozračju. V tem obdobju delež ni presegel 300 ppm. Letnica

0 ponazarja obdobje po Ledeni dobi do danes, ko je delež CO2 skozi obdobje od

spodnje meje normale 180 ppm postopoma narastel do 260 ppm. Na tej točki je iz

grafa (rdeča puščica) razviden manjši odklon navzdol, kateremu sledi hiter in strm

obrat navzgor izven področja normale, do trenutne vrednosti 400 ppm. Iz grafikona je

tudi razvidno, da sta bila v obdobju 0 ustvarjena dva pogoja za podnebne

spremembe:

v tem obdobju (modra puščica) je bil izpolnjen prvi pogoj, ko se je zaradi naravnih

procesov pričel povečevati delež CO2 od 180 ppm proti 260 ppm. V tem delu je

temperatura ozračja postopoma naraščala, ledene površine so nadomestile

celine in oceani, življenje se je začelo prebujati. Ugodni podnebni pogoji so

omogočili razvoj in vzpon človeka,

vrednost deleža CO2 pri 260 ppm, sovpada z začetkom industrijske revolucije, ko

je delež CO2 strmo narastel od 260 ppm na 300 ppm do letnice 1950 (zelena


13

puščica). Od tu naprej se je delež CO2 v času 70 let povzpel do današnje

vrednosti 400 ppm. V območju od 300 ppm in 400 ppm je človek izpolnil pogoj za

drugo vrsto podnebja.


14

2 UKREPI ZA ZMANJŠANJE UČINKOV PODNEBNIH SPREMEMB

Ker je v odnosu do okolja potreben premik tudi v človeški zavesti, je primerno, da na

tem mestu spomnim in se zahvalim za dobro delo ljudi, od katerih se učijo

generacije. Tako se tudi naši otroci (in mi z njimi) od malih nog učijo pravilnega

odnosa do okolja (slika 5). Zato šteje vsakršna podpora in izobraževanje generacij na

področju odnosa do okolja kot učinkovit ukrep in investicijo vnaprej.

Slika 5: Odnos do okolja se začne v vrtcih

Elektronski vir, Kostak, 2017

Ker posledice podnebnih sprememb že čutimo, moramo nujno zmanjšati delež CO2 v

ozračju. Najti moramo ustrezno podlago, ki omogoča uspešen boj proti klimatskim

spremembam. Pri tem je ključnega pomena hitrost, dobro načrtovanje in merljivost

ukrepov. S tem lahko dosežemo cilj zmanjšanje deleža CO2 v atmosferi iz trenutne

vrednosti 400 ppm na 300 ppm.

Ukrep v svetovnem merilu znan kot Pariški podnebni sporazum je bil s strani 195

držav sprejet 12. decembra 2015 v Parizu. Vključuje akcijski načrt s katerim bi omejili

povprečni globalni dvig temperature za manj kot 2°C. Na podlagi sporazuma so

države predložile celovite nacionalne načrte za zmanjšanje emisij do leta 2020.

Istega leta bodo na ponovnem srečanju ocenile skupen napredek in zastavile dosego

novih ciljev. Med tem časom se bodo medsebojno obveščale o napredku, razvijale

dodatne rešitve, solidarno nudile finančno pomoč za podnebne ukrepe. (Evropski

svet in Svet Evropske unije, 2017).


15

Na področju zmanjšanja izpustov toplogrednih plinov je Vlada Republike Slovenije 17.

12. 2014 sprejela Operativni program ukrepov za zmanjšanje emisij toplogrednih

plinov do leta 2020. Na podlagi tega programa Slovenija podpira mednarodno vizijo

preprečiti nevarne posledice podnebnih sprememb in zadržati rast globalne

temperature pod mejo 2°C. Aktivno bo prispevala k uresničevanju te vizije s

prehodom na gospodarstvo, katerega rast ne bo temeljila na povečani rabi naravnih

virov in energije, ampak bo z učinkovitostjo in inovacijami zmanjševala emisije

toplogrednih plinov, izboljševala konkurenčnost ter spodbujala rast in zaposlenost.

Operativni program ukrepov za zmanjšanje emisij toplogrednih plinov zajema

področja:

emisije iz rabe goriv v gospodinjstvih in storitvenem sektorju,

emisije iz rabe goriv v prometu,

emisije iz rabe goriv (v malih in srednje velikih podjetjih v industriji in energetiki),

procesne emisije iz industrijskih postopkov,

raba topil in drugih proizvodov,

emisije iz kmetijstva in

emisije iz ravnanja z odpadki. (Vlada RS, 2014).

V skladu z nacionalnim programom ukrepov kot dober primer iz prakse navajam

podjetje Energetika Ljubljana d.o.o. Podjetje se je odločilo za investicijo s katero bo

zamenjalo premogovne tehnologije s plinsko do decembra 2020 in je vredna 128

milijonov EUR. K temu je treba dodati, da je Energetika Ljubljana d.o.o. trenutno

največji porabnik biomase v energetske namene v Sloveniji. (Energetika Ljubljana,

2017).

Za zmanjševanje izpustov toplogrednih plinov in k povečanju kakovosti zraka na

področju Mestne občine Ljubljana je Mestni svet na 16. seji dne 23. 5. 2016 sprejel

Odlok o prioritetni rabi energentov za potrebe ogrevanja stavb. Prioritetna uporaba

energentov za ogrevanje je tista uporaba energentov, pri kateri je, glede na

komunalno opremljenost stavbnega zemljišča in tehnične karakteristike stavbe,


16

končna energija za ogrevanje stavbe, pripravo tople vode in/ali proizvodnjo toplote v

proizvodnih procesih končnih uporabnikov energije, pridobljena na enega ali več

načinov po naslednjem vrstnem redu:

iz sončnega obsevanja,

iz odpadne toplote z rekuperacijo toplote ali iz plinaste biomase,

iz sistema daljinskega ogrevanja,

iz geotermalne in hidrotermalne energije s toplotnimi črpalkami izven območja

sistema daljinskega ogrevanja, če je umestitev in obratovanje toplotnih črpalk v

skladu s predpisi, ki urejajo rabo voda in vodovarstvena območja na območju

Mestne občine Ljubljana,

iz sistema oskrbe z zemeljskim plinom izven območja sistema daljinskega

ogrevanja,

iz energije zraka s toplotnimi črpalkami izven območja sistema daljinskega

ogrevanja in sistema oskrbe z zemeljskim plinom,

z uporabo trdne biomase izven območja sistema daljinskega ogrevanja in

sistema oskrbe z zemeljskim plinom, če se energent sežiga v kurilni napravi, ki

izpolnjuje glede emisije snovi v zrak pogoje za nove kurilne naprave v skladu s

predpisom, ki ureja emisijo snovi v zrak iz malih in srednjih kurilnih naprav,

z uporabo utekočinjenega zemeljskega plina ali utekočinjenega naftnega plina

izven območja sistema daljinskega ogrevanja in sistema oskrbe z zemeljskim

plinom,

z uporabo kurilnega olja (ELKO) izven območja sistema daljinskega ogrevanja in

sistema oskrbe z zemeljskim plinom. (Odlok o prioritetni rabi energentov za

ogrevanje na področju Mestne Občine Ljubljana, 2016).

2.1 REŠITVE

Da bi na podlagi sprejetih ukrepov učinkovito preprečili dramatične podnebne

spremembe, je izbira pravilnega pristopa oziroma orodja ključnega pomena. Ni

razloga, da na tem področju čakamo na odkritje nove tehnologije, ki bi obrnila trend

gibanja deleža CO2 navzdol. Dejstvo je, da nam sedanja stopnja razvoja ponuja


17

ustrezne rešitve. Pri tem moramo vseeno iskati nove rešitve in tehnologije za

prihodnost, saj je potreba po električni energiji iz leta v leto večja, časa za

stabilizacijo podnebja pa čedalje manj.

Največja nevarnost, ki lahko prizadene večji del sveta je dolgotrajna suša. V tem

primeru je lahko onemogočena proizvodnja električne energije, v hidroelektrarnah

zaradi prenizkega vodostaja, v termoelektrarnah in jedrskih elektrarnah zaradi

pomanjkanja vode, ki jo potrebujejo za hlajenje. Da preprečimo najhuje lahko

uporabimo metodo stabilizacijskega trikotnika (slika 6). Stabilizacijski trikotnik nudi

tudi vizualizacijo rešitev na podlagi obstoječih tehnologij.

Slika 6: Stabilizacijski trikotnik

Koncept Stabilizacijski trikotnik ali The wedges game je iznašel profesor Stephen

Pacala iz Univerze Princeton, New Jersey, ZDA. Gre za pravokotni trikotnik (slika 6),

ki je razdeljen na osem delov:

priležna kateta je zgornja meja normale 300 ppm v obdobju od leta 2000 do

2050,

nasprotna kateta meri trenutno količino CO2 v ozračju,


18

osmina ali klin (slika 7) predstavlja rešitev za zmanjšanje deleža CO2 v

ozračju.

Slika 7: Stabilizacijski trikotnik in klini

Barve klinov v sliki 7 predstavljajo rešitve iz področij:

učinkovite rabe energije (modra),

rabe fosilnih goriv (oranžna),

jedrske tehnologije (rdeča) in

obnovljivih virov energije (zelena).

Vsaka osmina pri tem predstavlja prazno polje v katerega vstavimo rešitev v obliki

klina. Vsak dodan klin predstavlja zmanjšanje izpusta toplogrednega plina CO2 za 1


19

milijardo ton na leto do leta 2050. Smiselno je, da se rešitve ne iščejo v okviru ene

same strategije. Trenutni tehnološki razvoj nam omogoča rešitve na mnogih

področjih. Na primer: za zmanjševanje C02 ne smemo iskati rešitve samo v

zniževanju porabe fosilnih goriv. Prav bi bilo, da to zmanjševanje povežemo še z

uvajanjem motorjev, ki imajo boljše izkoristke goriva in cenejšim javnim prevozom;

javni prevoz pa mora že temeljiti na plinu ali elektriki. Pomembno je, da med seboj

kombiniramo več vrst strategij in tako tudi dejansko vizualiziramo rešitev. Tako vemo

kako ukrepati.

Rešitve iz področji niso enoznačne. Znotraj posamezne rešitve lahko določimo

podpodročja, ki bi ustrezala naši strategiji za dosego cilja – zmanjševanje CO2. Za

primer navajam (slika 8) naslednja podpodročja: 4 za učinkovito rabo energije

(modra), 4 za učinkovito rabo fosilnih goriv (oranžna) in 5 za učinkovito rabo

obnovljivih virov energije (zelena). Pri jedrski energiji (rdeče) trenutno ni drugih izbir.

Slika 8: Rešitve znotraj področij


20

V nadaljevanju diplomske naloge sem iskal možne rešitve iz področja obnovljivih

virov energije (zeleni klini v sliki 8). V okviru obstoječih tehnologij iz področja

obnovljivih virov energije predstavljam kot možno rešitev idejo, v obliki sončne

vzgonske elektrarne ter rabe novih tehnologij, ki so v razvoju.

2.1.1 FUZIJA

Jedrsko zlivanje ali fuzija je proces v katerem se lahka jedra vodika zlivajo v težje

elemente. Zlivanje jeder je vir energije zvezd, hkrati pa lahko postane tudi

potencialen vir energije človeštvu. (Wikipedija, 2017).

Iz tega področja v kraju Cadarach v Provansi na jugu Francije že od leta 2010 gradijo

eksperimentalni fuzijski reaktor ITER (International Thermonuclear Experimental

Reaktor). S to napravo naj bi dokazali, da je na zdajšnji stopnji tehnološkega razvoja

možno dlje časa vzdrževati pogoje, ki omogočajo fuzijsko reakcijo. Tako naj bi ITER

(slika 9) ob vloženih 50 MW električne energije, ki je potrebna za začetek fuzijske

reakcije, proizvedel 500 MW.

V primeru, da se bo izkazalo, da je mogoče s fuzijo, to je z zlivanjem lahkih jeder

dveh izotopov vodika (tritija in devterija) pridobivati velike količine energije in s tem

dalj časa vzdrževati pogoje, ki omogočajo fuzijsko reakcijo, bo sledila izgradnja

operativnega fuzijskega reaktorja. (Pucelj, 2013).

Največ težav predstavlja področje zadrževanja plazme in z njo povezanih ekstremnih

temperatur, ki v njenem središču znašajo 100.000.000 °C. To je rešljivo z

vzpostavitvijo močnega magnetnega polja. Magnetno polje ustvarjajo super prevodni

magneti, s katerimi se vroči plazmi prepreči stik s steno vakuumske reaktorske

posode. Za vzdrževanje magnetnega polja morajo biti magneti ohlajeni na -265 °C in

nameščeni v kriostat – posebno ohišje, ki deluje kot ogromen hladilnik na tekoči helij.

(Pucelj, 2013).

V procesu fuzije nastajajo razmeroma majhne količine nizko in srednje radioaktivnih

odpadkov, ki po sto letih niso več radioaktivni. To je neprimerljivo s klasičnimi


21

fisijskimi jedrskimi reaktorji, kjer je v enem samem gorivnem ciklu v reaktorski posodi

več ton visoko radioaktivnega jedrskega goriva. (Pucelj, 2013).

Slika 9: Fuzijski reaktor

Elektronski vir, Delo, 2013

Investicija je ocenjena na približno 14 milijard evrov. V začetku projekta novembra

2006 se je povezalo sedem partneric – EU, Kitajska, Indija, Japonska, Južna Koreja,

Ruska federacija in ZDA. Pomembno vlogo je odigral tudi takratni evropski komisar

za znanost in raziskovanje Janez Potočnik. (Pucelj, 2013).

2.1.2 ODPADEK KOT ENERGENT

Veliko odprtega prostora je tudi na področju ponovne uporabe vseh vrst odpadkov

(slika 10). Namesto, da odpadke kopičimo na smetiščih jih uporabimo kot vir energije.


22

Po podatkih Statističnega urada Republike Slovenija smo prebivalci v letu 2016

skupno proizvedli 981.687 ton komunalnih odpadkov oziroma 2700 ton

komunalnih odpadkov na dan. (SURS, 2016). Slika 10 ponazarja odpadno plastično

embalažo, ki je lahko potencialen vir energije.

Slika 10: Odvržene plastenke je možno predelati v gorivo

Elektronski vir, Komunala Trbovlje d.o.o., 2003

Rešitev na tem področju lahko predstavlja razvoj in uvedba plazemske tehnologije. S

to tehnologijo lahko proizvajamo sintetičen plin. Kot energent je poznan pod imenom

syngas, s katerim proizvajamo električno energijo in toploto.

Plazma je v fiziki in kemiji eno od agregatnih stanj snovi. Če snovi v plinastem

agregatnem stanju povečujemo energijo, začne prihajati do ionizacije. Od atoma

oziroma molekule se odcepijo posamezni elektroni. Če energijo povečamo še

dodatno, pride do razpada atomskih jeder. (Wikipedija, 2017).

Slika 11: Plazemsko postrojenje Ottawa, Kanada

Elektronski vir, Syngas, 2017

https://sl.wikipedia.org/wiki/Fizika

https://sl.wikipedia.org/wiki/Kemija

https://sl.wikipedia.org/wiki/Agregatno_stanje

https://sl.wikipedia.org/wiki/Snov

https://sl.wikipedia.org/wiki/Plin

https://sl.wikipedia.org/wiki/Energija

https://sl.wikipedia.org/w/index.php?title=Ionizacija&action=edit&redlink=1

https://sl.wikipedia.org/wiki/Atom

https://sl.wikipedia.org/wiki/Molekula

https://sl.wikipedia.org/wiki/Elektron


23

Tehnologijo plazme se uporablja že preko 30 let v različnih panogah na področju

ponovne rabe odpadkov pa v zadnjem desetletju. Trenutno delujoča postrojenja

delujejo na Japonskem, Kanadi (slika 11) in Indiji.

Pri tem uporabljajo komunalne odpadke, biomaso, nevarne odpadke, odpadke iz

drobilnikov. Proces je koristen tudi zato, ker lahko te odpadke uplinjamo naenkrat

(slika 12). (GSTC, 2018).

V primerjavi s sežigalnicami odpadkov, kjer prihaja do zgorevanja odpadkov, gre v

tem primeru za pirolizo, proces v katerem ni oksidacije. Pri procesu pirolize so

prisotne zelo visoko temperature, ki so višje kot na površini sonca. Pri teh

temperaturah molekularne vezi določenega odpadka razpadejo na elementarne

gradnike; v primeru metana CH4 dobimo atome ogljika in vodika. (Strickland, 2018).

Slika 12: Proces plazemskega uplinjanja odpadkov

Elektronski vir, Syngas, 2017

Ekonomska upravičenost postavitve plazemskega postroja v prvi vrsti sloni na

proizvodnji in prodaji električne energije in toplote; v prihodnosti pa bo tudi s prodajo

tekočih goriv, vodika in sintetičnega zemeljskega plina. Dodaten prihodek je dosežen

tudi s prodajo:

http://www.gasification-syngas.org/technology/plasma-gasification/


24

v procesu izločenih kovin,

žlindre – steklokeramike, ki ima potencial za uporabo pri številnih gradbenih

izdelkih, kot so kamena volna, opeke in arhitekturne ploščice,

žvepla kot dodatek gnojilom ter

solne kisline za potrebe industrije.

Investicija v plazemski postroj (slika 13), ki bi ustrezala mestu ali regiji bi stala

približno 108 milijonov evrov. S tem bi lahko predelali 680 ton komunalnih odpadkov

na dan. (Dodge, 2013).

Slika 13: Plazemski postroj

Elektronski vir, The Prophet of Garbage, 2007

2.1.3 UČINKOVITA REŠITEV SO OBNOVLJIVI VIRI

Učinkovita in hitra rešitev v pravi smeri predstavlja področje rabe obnovljivih virov

energije. Na tem področju so znanost, tehnologija in tehnika že dovolj razvite, da

omogočajo prehod na popolno rabo obnovljivih virov pri proizvodnji električne

energije in toplote. Glavni vir energije na tem področju predstavlja Sonce (slika 14).

(Wikipedija, 2017) energijska moč sonca izvira iz fuzije, ki poteka v njegovi sredici.

Po izračunih naj bi imelo sonce dovolj goriva za nadaljnjih 5 milijard let.


25

Slika 14: Sonce je fuzijski reaktor

Elektronski vir, Nasa, 2017 (1)

Tuma M. in Sekavčnik M., (2004, 220) navajata, da je na površini Sonca gostota

sevanja 62 MW/m2. Gostoto sevanja na robu zemeljske atmosfere pa dobimo, če

integriramo sevanje čez vse valovne dolžine. Tako izračunana konstanta, ki je

potrjena z meritvami, je 1353 W/m2, pri tem je natančnost meritev ± 1,6 % (± 3,4 %

zaradi letno spreminjajoče se razdalje med Zemljo in Soncem). Pod ugodnimi pogoji

doseže gostota sončnega sevanja na površini Zemlje vrednosti okoli 1000 W/m2.

Dejansko je sončno sevanje porazdeljeno po zemeljski površini zelo neenakomerno

in je močno odvisno od zemljepisne širine, oblačnosti, čistoče zraka itd.

Tuma M. in Sekavčnik M., Energetski sistemi (2004, 217) omenjata kakšne so

načelne možnosti izkoriščanja obnovljivih energijskih virov - slika 15. Nekatere

možnosti, na primer vodne elektrarne, izkorišča človeštvo že stoletja druge so

postale zanimive šele v zadnjem času.


26

Slika 15: Možnost izkoriščanja obnovljivih energijskih virov

Vir: Tuma M. in Sekavčnik M., 2004, 218

Na način kot ga prikazuje slika 15, lahko gradimo različna postrojenja s katerimi

pretvarjamo energijo Sonca. Vpliv sončne energije povzroča gibanje atmosfere kar

občutimo kot veter. Energijo vetra so v preteklosti izkoriščale jadrnice in mlini na

veter v novejšem času pa jo izkoriščajo vetrne turbine za proizvodnjo čiste električne

energije. Primer rabe vetrne energije so vetrna polja ali farme. Gre za velike površine

na kopnem in na morju. V primeru kopnega je dobrodošla možnost postavitve tudi na

kmetijskih površinah, saj je zemljišče na poljih vetrnic še vedno uporabno. Imajo pa

vetrne turbine na morju boljši izkoristek vetra, ker ni naravnih ovir.


27

Slika 16: Vetrno polje elektrarne Walney

Elektronski vir, Wikipedia, 2018

Vetrna elektrarna Walney (slika 16) s proizvodno kapaciteto 367 MW sodi med

največje vetrne elektrarne na svetu. Postavljena je 14 km zahodno od otoka Walney

v Irskem morju, Anglija. Njena površina zavzema 73 km2 v globinah morja od 19m do

23m. (Wikipedija, 2018).

Kakšne so možnosti izkoriščanja vetra v Sloveniji, kažeta sliki 17 in 18. Glede na

meritve so vrednosti v Vipavski dolini podcenjene. (ARSO, 2018).

Njihovo bolj razširjeno uporabo pri nas ovirajo predvsem težave z umeščanjem v

prostor. Poleg tega v Sloveniji povprečne hitrosti vetra le na redkih območjih

presegajo hitrosti od 3 do 5 m/s (rdeče). V Sloveniji imamo trenutno le eno večjo

vetrno elektrarno (vetrna elektrarna z močjo 2,3 MW pri Dolenji vasi). (GEN energija,

2014).


28

Slika 17: Karta hitrosti vetra 10 m nad tlemi

Elektronski vir, ARSO, 2018

Slika 18: Karta hitrosti vetra 50 m nad tlemi


V primeru da Slovenijo doleti huda suša, je lahko v prihodnosti resno ogrožena tudi

trenutna proizvodna struktura električne energije (slika 19). Posledično bo zaradi

nizkega vodostaja onemogočeno pridobivanje električne energije iz hidroelektrarn ter

oteženo delovanje termoelektrarn in jedrskih elektrarn, ki za hlajenje potrebujejo

vodo.


29

Slika 19: Neto proizvodnja električne energije, Slovenija, december 2016

Elektronski vir, SURS, 2018


30

3 HITRA IN TRAJNA REŠITEV JE KORIŠČENJE ENERGIJE SONCA

Tuma in Sekavčnik (2004, 228) del razpoložljive energije sončnega sevanja se v

zemeljski atmosferi spreminja v notranjo in kinetično energijo zračnih mas; ta

energija, ki je posledica segrevanja zraka, izhlapevanja in kondenzacije vode ter

vrtenja zemlje okoli lastne osi, pa ni porazdeljena enakomerno po zemeljski obli,

odvisna je od sončnega sevanja ,odboja, absorpcije, konvektivnega in latentnega

prenosa toplote. Zaradi tega nastajajo v troposferi, to je v spodnjem delu zemeljske

atmosfere, tlačne razlike, ki se izenačujejo z zračnimi tokovi. Pojem 'veter' označuje

gibanje zračnih mas glede na površino Zemlje. Hitrost vetra je torej hitrost zračnih

mas glede na Zemljino površino. V nižjih plasteh se zračne mase gibljejo (piha veter)

zaradi lokalnih razlik atmosferskega tlaka, nad ≈1000 m višine (na morju se pri

manjših višinah) sledi tok zraka linijam konstantnega tlaka (enakomerno gibanje

zračnih mas relativno glede na površino Zemlje). Večanje hitrosti vetra z naraščajočo

oddaljenostjo od zemeljske površine je torej vezano tudi s spremembo smeri vetra.

Za izkoriščanje energije vetra so zanimive predvsem nižje zračne plasti ob zemeljski

površini. Debelina mejne plasti zračnega toka (vetra) je odvisna od zemeljske

površine: pri gladkih površinah (voda, sneg, puščava) je debela nekaj milimetrov, pri

gozdovih približno 10 m.

Tuma in Sekavčnik (2004, 228) za določitev kinetične energije vetra za neki izbrani

kraj niso potrebne samo meritve povprečnih vrednosti za daljše časovno obdobje,

ampak tudi meritve urnih in dnevnih vrednosti; od tod je mogoče dobiti povprečne

dnevne in povprečne mesečne vrednosti. Pri tem je treba upoštevati, da je hitrost

vetra vektor: ima smer in velikost, kar je najpogosteje prikazano s t. i. ''vetrnimi

rožami''. To so grafi, ki so za določen kraj za glavne nebesne smeri narisane

povprečne letne hitrosti vetra te povprečne vrednosti vetra se od leta do leta lahko

razlikujejo tudi za 20 %. Vedeti je namreč treba, da povprečne vrednosti zakrivajo

trenutni pojavi: brezvetrje, majhne hitrosti vetra, ki so za izkoriščanje energije

neuporabne, in velike hitrosti vetra, ki so zaradi mogočih poškodb stroja zopet

neuporabne. Hitrost vetra je naključna funkcija, njeno porazdelitev je mogoče opisati

s statistično matematiko pogosto pa z Weibullovo porazdelitveno funkcijo.


31

Tuma in Sekavčnik (2004, 229) potek hitrosti v turbulentni, stacionarni in izotermni

mejni plasti na zemeljski površini ne sledi popolnoma klasični teoriji mejnih plasti.

Dobro jo opisuje enačba:

𝑣𝑛 = 𝑣𝑥 ∗ (𝐻

𝐻𝑥)

𝑛

pri tem je Vx znana hitrost vetra na znani višini HX, vH hitrost vetra na višini H, n pa

izkustveno določen eksponent. Njegova vrednost je od 0,10 do 0,24, pri tem veljajo

nižje vrednosti eksponenta za ravne površine. Če predpostavimo, da so meritve vetra

večinoma opravljene na višini 10 m nad tlemi, potem je ocenjena vrednost za

Slovenijo:

𝑣𝑛 = 𝑣10 ∗ (𝐻

10)

0,17

Po tej enačbi se podvoji energija vetra pri višini 39 m nad tlemi. Prvi pogoj za gradnjo

energetskih postrojev, ki bi izkoriščali kinetično energijo vetra, so seveda dovolj

velike hitrosti, v0 ≥ 3 m/s.

Slika 20: Srednje mesečne hitrosti vetra za Jezersko, Ajdovščino in Ljubljano

za obdobje od 1956 do 1975

Vir: Tuma in Sekavčnik, 2004


32

Slika 21: Urejeni letni diagram za srednje urne hitrosti vetra za Ajdovščino za

obdobje od 1975 do 1984


Tuma in Sekavčnik (2004, 230) Srednje mesečne hitrosti vetra za nekatere kraje v

Sloveniji prikazuje slika 20. Ker gre za povprečne vrednosti v enem mesecu,

močnejši sunki vetra niso vidni, prav tako ne brezvetrje; mogoče pa je razbrati, da so

hitrosti vetra v zimskem času večje kot v letnem, kar velja predvsem za primorske in

hribovite kraje. Slika 21 pa prikazuje primer za urejeni letni diagram za povprečne

urne hitrosti vetra. Ne gre več za povprečne mesečne vrednosti, ampak za

povprečne urne, razen tega so izmerjene vrednosti urejene po velikosti. Potek hitrosti

na sliki je neugoden: le nekaj sto ur na leto piha močan veter (burja!), večji del leta pa

so hitrosti vetra nizke.

Tuma in Sekavčnik (2004, 230) vzemimo, da se celotna kinetična energija vetra

spremeni v mehansko delo, kar seveda ni mogoče, saj bi v tem primeru morala biti

hitrost vetra za vetrnico enaka nič. Velja:

𝑊𝑚𝑎𝑥 = 𝑚 ∗𝑣0

2

2


33

Z upoštevanjem kontinuitetne enačbe dobimo za celotni energijski tok zraka skozi

vetrnico:

𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝜌 ∗ 𝐴1 ∗ 𝑣0 ∗𝑣0

2

2

pri tem je ρ gostota zraka, A1 površina vetrnice, pravokotno na smer vetra, in v0

hitrost vetra pred vetrnico. Pri povprečni gostoti zraka ρ ≈ 1,22 kg/m3 glede na tlak in

temperaturo okolice je gostota moči vetra:

𝑃𝑚𝑎𝑥

𝐴1= 𝜌 ∗

𝑣03

2≈ 0,61 ∗ 𝑣0

3

Hitrost vetra je torej odločujoča veličina. Kot je znano, je od celotne moči vetra

mogoče teoretično izkoristiti največ:

𝑃 = 𝜂𝑎 ∗ 𝑃𝑚𝑎𝑥 =16

27∗ 𝑃𝑚𝑎𝑥

kjer je ηa = 16/27 = 0,593 aerodinamični izkoristek, poznan tudi pod imenom Betzovo

število, upošteva pa preprosto dejstvo, da kinetična energija vetra zaradi

kontinuitetne zakonitosti ni poljubno pretvorljiva. Teoretično je torej mogoče z

vetrnico spremeniti v mehansko delo le 59 % kinetične energije vetra:

𝑃

𝐴1≈ 0,36 ∗ 𝑣0

3

ki je izvrednotena na sliki 22. Dodana je Beaufortova skala za veter. Dejanska moč

vetrnice Pe je manjša, saj je treba upoštevati notranji izkoristek vetrnice ƞi, mehanski

izkoristek ƞm, izkoristek zobniškega reduktorja ηR in izkoristek generatorja ƞG:

𝑃𝑒 = 𝜂𝑎 ∗ 𝜂𝑖 ∗ 𝜂𝑚 ∗ 𝜂𝑅 ∗ 𝜂𝐺 ∗ 𝑃𝑚𝑎𝑥


34

Tuma in Sekavčnik (2004, 231) kot vsi turbinski stroji ima tudi vetrnica najboljši

notranji izkoristek samo pri imenski hitrosti vetra, pri vseh drugih hitrostih je izkoristek

manjši. Ker nima vodilnika ampak samo gonilnik, notranji izkoristek vetrnice ni prav

posebno velik, boljši je pri večjih strojih.

Slika 22: Gostota moči vetra v odvisnosti od hitrosti in primerjava z Beaufortovo skalo


Tuma in Sekavčnik (2004, 232) iz teorije turbinskih strojev je znano, da je notranji

izkoristek stroja ηi odvisen predvsem od razmerja (u/v0), pri vetrnici od razmerja med

obodno hitrostjo na vrhu lopate u in absolutno hitrostjo vetra pred vetrnico v0.

Različne konstrukcije vetrnic z več ali manj lopaticami in njihove dejanske izkoristke

je tako mogoče medsebojno primerjati. Poznanih je mnogo različnih konstrukcij

vetrnic, največkrat so ti stroji aksialni in nadtlačni.

Tuma in Sekavčnik (2004, 232) vetrnice, ki so namenjene za pretvorbo kinetične

energije vetra v mehansko in naprej v električno, so doživele v zadnjih letih izreden

razvoj. Tako silovit razmah teh turbinskih strojev je mogoče pričakovati tudi v

naslednjih letih, predvsem vetrnic s tremi lopatami. Imenska moč vetrnic v

obratovanju je presegla 32.000 MW. V poskusnem obratovanju je vetrnica s

premakljivimi lopatami in spremenljivo vrtilno frekvenco ter za večje hitrosti vetra.

Primerna je za postavitev na morju, njena električna moč je 4,5 MW. V ugodnih

razmerah obratujejo vetrne elektrarne, ki so postavljene na kopnem, letno od 1'800

do 2'200 ur in elektrarne, ki so postavljene v bližini obale v plitvem morju, od 3'500 do


35

4'000 ur. Slovenija ni vetrovna dežela, zato nima veliko krajev, ki bi bili primerni za

postavitev vetrnih elektrarn.

Tuma in Sekavčnik (2004, 232) dejanske izkoristke nekaterih vrst vetrnic v odvisnosti

od razmerja (u/v0) prikazuje slika 23. Vetrnice, ki imajo majhne vrednosti za (u/v0),

imajo velik moment in so zato primerne na primer za pogon batnih črpalk. Vetrnicam,

ki imajo velike vrednosti za (u/v0), je pri zagonu potrebno spremeniti smer lopat ali pa

vetrnico zagnati z elektromotorjem. Strme karakteristike so značilne za počasne

stroje z nepremakljivimi lopatami, položne karakteristike pa za hitre stroje z

vodoravno osjo in premakljivimi lopatami. Te vrste turbinskih strojev so

najobetavnejše. Priporočljivo je, da je vrtilna frekvenca vetrnice premo sorazmerna s

hitrostjo vetra. Tako se izboljša letno povprečje proizvodnje energije posebno tam,

kjer se hitrosti vetra močno spreminjajo.

Slika 23: Izkoristki nekaterih značilnih vrst vetrnic v odvisnosti od razmerja

hitrosti (u/v0): A – ηa = 16/27, B – ameriška vetrnica z ve~ lopaticami, C –

Savoniusova vetrnica, Č – sodobna vetrnica s tremi lopaticami, D – vetrnica

klasičnega mlina na veter, E – sodobna vetrnica z dvema lopaticama, F –

Darrieusova vetrnica



36

3.1 SONČNA VZGONSKA ELEKTRARNA MANZANARES

Sončna vzgonska elektrarna Manzanares, poimenovana po kraju v Španiji, je

izkoriščala učinek dimnika, tople grede in vetrnice. Zgrajena je bila leta 1982 z višino

kovinskega dimnika 200 m in premera 10 m, v katerega je bila vgrajena vetrna

turbina moči 50 kW. Topla greda - kolektor toplega zraka višine 2 m nameščen okoli

dimnika je imel površino 45.000 m² in premera 240 m. Elektrarno sta zasnovala

Joerg Schlaich in Rudolf Bergermann. Elektrarna je delovala 7 let. Porušil jo je vihar.

Solar updraft tower (Wikipedia, 2015).

Slika 24: Sončna vzgonska elektrarna Manzanares, Španija


Iz slike 24 sta razvidna okrogli kolektor toplega zraka – topla greda in visok kovinski

dimnik, ki je nameščen v središču kolektorja. Kolektor toplega zraka prekriva

prozorna streha skozi katero prehaja sončno sevanje. Zrak se pod površino prozorne

strehe segreva in ustvari močan zračni tok, ki se giblje proti dimniku v katerem

dosega visoke hitrosti. Kinetična energija segretega zraka v dimniku se v turbinskem


37

stroju spremeni v električno energijo. Enostavna zasnova in princip delovanja vidim

kot prednosti sončne vzgonske elektrarne.

3.1.1 Dimnik

(Kuštrin in Tuma 1985) V dimniku nastane vzgon zaradi razlike gostote zraka v

dimniku in tistega zunaj dimnika. Arhimedov zakon pravi, da je sila, ki nasprotuje teži

izpodrinjenega potopljenega telesa, enaka teži izpodrinjene tekočine. Zaradi majhnih

tlačnih in temperaturnih razlik ter domneve, da gre za idealni plin, je razliko statičnih

tlakov v dimniku možno izračunati s formulo:

𝛥𝑝𝑠𝑡 = 𝑔 ∗ 𝜌𝐷 ∗ (𝑇𝐷 − 𝑇0

𝑇0) ∗ 𝐻𝐷

3.1.2 Topla greda

Kuštrin in Tuma (1985) naloga tople grede ali sončnega zbiralnika (slika 25) je, da

segreva zrak na temperaturo, ki omogoča zadosten vlek v dimniku. Prozorna streha

zbiralnika mora biti narejena iz materiala, ki prepušča kratkovalovno sevanje sonca

ter hkrati zadržuje dolgovalovno sevanje podlage.

Kuštrin in Tuma (1985) podlaga absorbira toplotni tok (slika 26), ki pade nanjo v

skladu s svojo absorpcijsko zmožnostjo. Če je podlaga črna, na primer zemljišče

prekrito z asfaltom, potem je absorpcijski koeficient visok in znaša 0,93. Skoraj vsa

sevalna energija se absorbira in se spremeni v toploto. Podlagi se ustrezno zviša

temperatura. Ta podlaga zopet seva v skladu s Stefan-Boltzmannovim zakonom

��𝑃𝑜 = 휀𝑃𝑜 ∗ 𝜎 ∗ 𝑇𝑃𝑜4. Zaradi razmeroma nizke temperature 𝑇𝑃𝑜 gre za dolgovalovno

sevanje, ki ga streha zelo malo prepušča - za izbrano ponjavo iz poliestra znašajo te

izgube ≈ 8%.


38

Slika 25: Sončni kolektor elektrarne Manzanares

Elektronski vir, Renewable Energy World, 2008

Kuštrin in Tuma (1985) namesto črne in gole površine podlage je mogoče imeti

posebej negovano zeleno površino (»toplo gredo«); v tem primeru se absorpcijski

koeficient zniža 0,71 do 0,79, investicije povečajo, vendar so tla izkoriščena. Kakšna

je najboljša rešitev za tla zbiralnika, bo pokazala prihodnost.

Kuštrin in Tuma (1985) za učinkovito delovanje elektrarne ključnega pomena, da je

material za streho pravilno izbran in sicer tako, da prepušča čim več sončne energije;

predvsem v območju valovnih dolžin, kjer je sončno sevanje najmočnejše ter:

biti mora poceni, saj gre za površino več sto kvadratnih metrov;

biti mora obstojen proti vetru in dežju;

mora se dobro čistiti, saj prah na strehi močno zmanjšuje prepustnost sevanja.

http://www.google.si/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjbopPb7-jXAhUJEewKHdZoDFQQjRwIBw&url=http://www.renewableenergyworld.com/articles/2008/10/solar-updraft-towers-variations-and-research-53742.html&psig=AOvVaw3sEnxJV9ziQl5a1Cq-_UNv&ust=1512219658986146


39

Slika 26: Načelni prikaz toplotnih tokov in temperaturnih razmer v zbiralniku

1 – streha, 2 – od strehe odbiti delež sončnega sevanja, 3 – dolgovalovno sevanje podlage, 4 –

kratkovalovno sevanje sonca, 5 – podlaga, 6 – od podlage odbiti delež sončnega sevanja, 7 –

absorbirani delež sončnega sevanja, 8 – talna voda, 9 – konvekcijski tok s podlage v zrak, 10 –

prevod toplote v globino.

Vir: Kuštrin in Tuma (1985)

Kuštrin in Tuma (1985), večina sevalne energije se od strehe odbije in vrne do

podlage, ki jo zopet absorbira (slika 26). Ta proces se nenehno ponavlja.

Podlaga torej v vsakem naslednjem trenutku sprejema poleg sončne energije še

svojo lastno emitirano in od strehe odbito energijo.

3.1.3 Vetrnica

Kuštrin in Tuma (1985), za izbiro vetrnice potrebujemo optimalni padec tlaka skozi

vetrnico 𝛥𝑝𝑜𝑝𝑡 in optimalno hitrost zraka 𝑣𝐷𝑜𝑝𝑡. Od tod je mogoče določiti premer

dimnika in s tem premer rotorja vetrnice. Ker so masni pretoki veliki, tlačne razlike pa

majhne, pride v poštev aksialna vetrnica z nastavljivim naklonskim kotom lopatic

(slika 27). Zaradi velike vrtilne hitrosti, spremenljive hitrosti zraka glede na dnevno

uro in letni čas je optimalna moč turbine:

𝑃𝑜𝑝𝑡 = 𝜂𝑇 ∗ ��𝐷 ∗ 𝛥𝑝𝑜𝑝𝑡


40

Slika 27: Vetrna turbina sončne vzgonske elektrarne

Vir: Kuštrin in Tuma (1985)


41

4 SONČNA VZGONSKA ELEKTRARNA Z ZBIRALNIKOM TOPLOTE

IN PROTITOČNIM PRENOSNIKOM TOPLOTE

V tem poglavju diplomske naloge je predstavljen cilj kot prispevek k rešitvi vprašanja

podnebnih sprememb. Sončna vzgonska elektrarna, ki lahko ob idealnih pogojih -

umestitvi v prostor proizvaja električno energijo iz toplote, sončne svetlobe, vetrne in

geotermalne energije. Tako se kombinacija naštetih energij pretvori v električno

energijo na enem mestu, kar lahko zagotavlja neprekinjeno proizvodnjo električne

energije.

4.1 IZBIRANJE PODROČJA ZA POSTAVITEV

Za potrebe diplomske naloge sem iskal področje, kjer je veliko sonca in vetra.

Slovenija je različno osončena glede na letne čase. Iz kart osončenja na Agenciji RS

za okolje pa sem izbiral področja, ki imajo zagotovljeno najvišje število ur osončenja

skozi celo leto. Opiral sem se na karto povprečnega trajanja sončnega obsevanja v

letih 1981 – 2010 (slika 28) ter se odločil za naselje Otlica.

Slika 28: Karta povprečnega sončnega sevanja



42

Naselje Otlica, v okolici Ajdovščine leži na obrobju Trnovskega gozda (slika 29), z

nadmorsko višino med 800 m in 1.100 m (slika 30). Področje Otlice izpolnjuje pogoje

za postavitev sončne vzgonske elektrarne. Naselje leži na terenu, ki je zaradi

svojega naklona primeren za postavitev kolektorja toplote z naklonom. Naselje leži

ob vzpetini na katero se bi lahko vpel visok dimnik (slike 30, 31 in 32).

Slika 29: Lega naselja Otlica

Elektronski vir, Geopedia, 2018

Slika 30: Topografski pogled na področje dimnika - črna črta označena s puščico



43

Slika 31: Ortofotografski pogled na področje dimnika


4.2 SONČNA VZGONSKA ELEKTRARNA V OTLICI

Spodnji notranji premer dimnika je 10 m, notranji premer pri vrhu dimnika je 6 m.

Višinska razlika med dnom in vrhom dimnika je 300 m. Zaradi vpetja dimnika ob

vzpetino je njegova približna dolžina 500 m. V dimniku se nahajata vetrnica (slika 35)

z generatorjem in izmenjevalec toplote, ki je nameščen za vetrnico. Namen

izmenjevalca toplote je v povečevanju tlačne razlike med dnom in vrhom dimnika.

Prednost vpetja v vzpetino je v odpornosti proti močnim vetrovom.

Slika 32: Pogled na pobočje


44

Elektronski vir, Google Earth, 2018

Slika 33: Območje kolektorja


Območje kolektorja energije (slika 33) obsega 10 ha ali 100.000 m2. Novost pri

kolektorju energije je tudi proizvodnja električne energije. Namreč, kolektor energije

sestavljata element za shranjevanje toplote ter prozorna streha, na katero je nanešen

fotovoltaični premaz. Na ta način dobim soproizvodnjo električne energije in toplote.

Element za shranjevanje toplote je lahko izdelan kot zemeljski kolektor toplote ali pa

na način kot so zgrajeni solarni kolektorji toplote za pripravo sanitarne tople vode. V

vsakem primeru je vse skupaj obdano in prekrito za svetlobo prepustnimi površinami.

Delovanje elektrarne je odvisno predvsem od vremenskih pogojev. Iz tega sledi, da

lahko zaradi nihanja v proizvodnji električne energije to povzroča motnje v

električnem omrežju. Za ta primer bi postavil energetski modul v katerem bi se

hranila proizvedena električna energija, ki se jo koristi kasneje.

Ob podpori prebivalstva, naravovarstvene in ostale stroke bi naselje Otlica s

tovrstnim načinom proizvodnje lahko pridobila lasten trajnosten vir toplotne in


45

električne energije. S tem bi bila lahko Otlica z okolico poznana ne samo po svojem

nahajališču fosilov ter Otliškem oknu temveč tudi kot prvo naselje, ki bi bilo

energetsko neodvisno.

4.3 SOPROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE IN TOPLOTE

Kolektor energije je postavljen na območju kot ga prikazuje slika 33. Namen

elementa je pretvarjanje teoretične gostote sončnega sevanja 1000 W/m2 - Tuma M

in Sekavčnik M., Energetski sistemi (2004, 220) za proizvodnjo električne energije in

toplote. Nazivna moč elementa pri znani površini in teoretični gostoti sončnega

sevanja je 100 MW.

Namen prozorne fotovoltaične strehe je pretvorba sončnega sevanja v električno

energijo, ki jo lahko takoj pošljemo v distribucijsko omrežje. Neizkoriščen delež

sončnega sevanja pa se znotraj elementa v kolektorju energije (slika 34) pretvori in

hrani v toploti. Shranjeno toploto bi lahko koristili za ogrevanje prostorov ali priprave

sanitarne tople vode v stavbah, v tem primeru pa jo bom uporabil za segrevanje

zraka pri proizvodnji električne energije.

Glede na površino kolektorja 100.000 m2, 3 % izkoristkom fotovoltaičnega premaza

in ob teoretični gostoti sončnega sevanja 1000 W/m2 v času ene ure bi površina

fotovoltaične strehe proizvedla 3 MWh električne energije. Podatek o izkoristku sem

pridobil direktno od proizvajalca Brite Solar Inc., 24020 Summit Woods Dr.,Los

Gatos, CA 95033, USA.

Količina shranjene sončne energije v elementu za hranjenje toplote je odvisna tudi od

njegovega izkoristka, časa prejemanja sončne energije, mase ter toplotne kapacitete

snovi in njene začetne ter končne temperature. Za ta primer je element za

shranjevanje toplote voda.


46

Slika 34: Kolektor energije

Ob teoretični gostoti sončnega sevanja φ 1000 W/m2 in μ 85 % izkoristku kolektorja,

ki jo v času 8 h prejema površina zemeljskega kolektorja toplote A 100.000 m2 me

zanima, kakšna bi morala biti njegova višina H in masa m, če se kolektor v tem času

segreje iz t1 20 °C na t2 90 °C, pri toplotni kapacitete vode Cp = 4,2 kJ/kg K, gostoti

ρ = 998 kg/m3 (KSP, 2011, str. 239). Količina toplotnega toka enačba (1):

𝜑 = 𝛷

𝐴= 𝑊/𝑚²

(1)

𝛷 = 𝜑 ∗ 𝐴 = 1000 ∗ 100.000 = 100.000.000 𝑊 = 100.000 𝑘𝑊

(2)


47

Prejeta energija, ki jo prejme površina kolektorja ob 85 odstotnem izkoristku

kolektorja toplote v času osmih ur. Enačba (3):

𝑄 = 𝛷 ∗ 𝑡 ∗ 𝜇 = 𝑘𝐽

(3)

𝑄 = 100.000 ∗ 28800 ∗ 0,85 = 2.448.000.000 𝑘𝐽

Količina mase vodnega dela kolektorja, glede na prejeto energijo sem izračunal na

podlagi enačbe (4):

𝑄 = 𝑚 ∗ 𝐶𝑝 ∗ 𝛥𝑡 = 𝑘𝐽

(4)

𝑚 = 2.448.000.000

4,182 ∗ 70 = 8.362.369,3 𝑘𝑔

Volumen vodnega dela kolektorja:

𝜌 =𝑚

𝑉= 𝑘𝑔/𝑚ᶟ

(5)

𝑉 =8.362.369,3

998 = 8.379,13 𝑚ᶟ

Višina vodnega dela kolektorja:

𝐻 =𝑉

𝐴= 𝑚

(6)

𝐻 =8.379,13

100.000 = 0,084 𝑚


48

4.4 DIMNIK IN PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE

Glavni namen dimnika (slika 35) ali tlačne cevi je zagotavljanje tlačne razlike med

dnom in vrhom dimnika, ki je odvisna od višine dimnika. Ker v mojem primeru

dovajam toploto zraku znotraj dimnika, je tlačna razlika odvisna tudi od temperature

zraka v dimniku in tistega zunaj njega.

V tem primeru sem za potrebe izračuna tlačne razlike upošteval temperaturo zraka v

dimniku 40 °C z gostoto 1,092 kg/m3 in temperaturo zraka okolice 20 °C. Segrevanje

zraka povzroči spremembo gostote - vzgon, posledica vzgona pa je nastanek vetra

skozi dimnik. Kuštrin in Tuma (1985) navajata, da zaradi majhnih tlačnih in

temperaturnih razlik in ker je zrak idealen plin, sem tlačno razliko izračunal po enačbi

(7):

𝛥𝑝 = 𝑔 ∗ 𝜌𝐷 ∗ (𝑇𝐷 − 𝑇0

𝑇0) ∗ 𝐻𝐷 = 𝑃𝑎

(7)

𝛥𝑝 = 9,81 ∗ 1,092 ∗ (313 − 293

293) ∗ 300 = 219,37 𝑃𝑎

Kuštrin in Tuma (1985), pri tem se del te tlačne energije v dimniku spremeni v

kinetično energijo – gibanje zraka skozi dimnik, del pa za premagovanje trenja.

Hitrost vetra sem določil na podlagi spodnje enačbe:

𝛥𝑝 = (1 + 𝜆 ∗ 𝐻𝐷

2 ∗ 𝑟𝐷) ∗

𝜌𝐷 ∗ 𝑣𝐷2

2

(8)


49

Slika 35: Dimnik in vetrnica

Pri izračunu hitrosti nisem upošteval trenja, zato sem hitrost izračunal iz dela enačbe

(8), ki opisuje spremembo tlačne sile v kinetično energijo. Hitrost zraka skozi dimnik

je pomembna predvsem za delovanje vetrne turbine pri proizvodnji električne

energije.

𝛥𝑝 = 𝜌𝐷 ∗ 𝑣𝐷

2

2= 𝑃𝑎


50

(9)

𝑣𝐷 = √2 ∗ ∆𝑝

𝜌𝐷= 𝑚/𝑠

(10)

𝑣𝐷 = √2 ∗ 219,37

1,092= 20,04 𝑚/𝑠

Dimnik je zamišljen kot Venturijeva cev (slika 36) z dvema različnima presekoma.

Izračunana hitrost vetra v dimniku po enačbi 10 velja za vrhnji presek. Izračunati sem

moral hitrost vetra v spodnjem delu dimnika. V primeru stacionarnega volumenskega

toka brez upoštevanja trenja v dimniku in trenja v izmenjevalcu toplote sem hitrost

vetra pri dnu dimnika določil po spodnji enačbi in po sliki 36.

Slika 36: Slika opisuje volumenski pretok zraka skozi Venturijevo cev

Elektronski vir, OpenProf.com, 2018

𝑆1 ∗ 𝑣1 = 𝑆2 ∗ 𝑣2

(11)

𝑣1 =36 ∗ 20,04

78,54= 9,18 𝑚/𝑠

Glede na podatke lahko moč vetrne turbine izračunam po enačbi (12). V enačbo sem

vstavil dobljeno hitrost vetra pri dnu dimnika ter gostoto zraka okolice, koeficient

izkoristka Cp pa sem odčital iz slike 37:

𝑃 = 𝐶𝑝 ∗𝜌1 ∗ 𝑆1 ∗ 𝑣1

3

2= 𝑊

(12)


51

𝑃 = 0, 35 ∗1,164 ∗ 78,54 ∗ 9,183

2= 12.376,84 𝑊

Slika 37: Faktor Cp v odvisnosti od hitrosti vetra


4.5 PROTITOČNI IZMENJEVALEC TOPLOTE V DIMNIKU

Namen izmenjevalca toplote je dovajanje dela - toplotne energije zraku v dimniku, ki

se preko vetrne turbine pretvori v električno. Da sem lahko v dimniku ustvaril pogoje

za delovanje, sem moral določiti tudi ustrezno površino za segrevanje zraka. V

izračunih sem upošteval, da sta temperaturi zraka znotraj dimnika in tistega zunaj

konstantni, prav tako tudi ostale v nadaljevanju navedene vrednosti. V izračunih

nisem upošteval toplotnih izgub in izgub zaradi trenja v ceveh in stenah, prav tako

nisem upošteval potrebne električne energije za delovanje črpalk.

Idejo za izgled protitočnega prenosnik toplote sem si zamislil po vzoru radiatorjev

(slika 38), ki jih uporabljamo za ogrevanje prostorov. Pri tem se ravne površine

sklene v krožnico tako, da dobim obliko valja.

Slika 38: Radiator Apollo Tip 33

Elektronski vir, Lontech, 2018


52

Aluminijasti izmenjevalec toplote je nameščen za vetrno turbino pri vznožju dimnika.

V to izvedbo aluminijastega izmenjevalca toplote z debelino sten 3 mm vstopa 350

m3/h vode iz hranilnika toplote s temperaturo 90 °C.

Skupni presek površin skozi katere se giblje voda je 0,25 m2, presek površine skozi

katero se giblje zrak pa je 36 m2. V prenosnik toplote vstopa zrak s temperaturo

okolice 20 °C, ki ga želim ogreti na temperaturo 40 °C. Glede na dimnik je premer

izmenjevalca omejen glede na premere v dimniku. Po enačbi (13) Herr (1997) sem

izračunal površino za prenos toplote:

𝛷 = 𝑘 ∗ 𝐴 ∗ 𝛥𝑇𝑚 = 𝑊

(13)

𝐴 = 𝛷

𝑘 ∗ 𝛥𝑇𝑚= 𝑚2

(14)

Pri tem pomenijo:

Φ – toplotni tok v W;

k – koeficient toplotne prehodnosti v W/m2 K;

A – površina za prenos toplote v m2;

ΔTm – srednja temperaturna razlika v °C.

Podatki za izračun:

KSP (2011), toplotna kapaciteta vode pri 90 °C Cp2 = 4,2 kJ/kg;

- KSP (2011), gostota vode pri 90 °C ρv = 965 kg/m3;

KSP (2011), Cp1 zraka pri 40 °C = 1,013 kJ/kg K;

- KSP (2011), Gostota zraka pri 40 °C ρz = 1,092 kg/m3;

Vstopna temperatura vode tv1 = 90 °C;

Vstopna temperatura zraka tz1 = 20 °C

Izstopna temperatura vode tv2 = 25 °C;

Željena izstopna temperatura zraka iz izmenjevalca toplote tz2 = 40 °C;

KSP (2011), Toplotna prevodnost aluminija λ = 229 W/m . K.


53

Ker se v prenosniku toplote v času ene ure voda z maso m2 = 241.250 kg ohladi

iz temperature tv1 = 90 °C na tv2 = 25 °C sem po enačbi Herr (1997) izračunal

količino toplotnega toka 𝛷, ki se v prenosniku toplote prenese na zrak z vstopno

temperaturo tz1 = 20 °C, pri čemer se ta segreje na tz2 = 40 °C. Pred tem sem moral

izračunati masni pretok vode mv in masni pretok zraka mz skozi izmenjevalec toplote;

𝑚𝑣 = 𝑄𝑣 ∗ 𝜌𝑣 = 𝑘𝑔/𝑠

(15)

𝑚𝑣 = 250 ∗ 965 = 241.250 𝑘𝑔/ℎ = 67,014 𝑘𝑔/𝑠

��𝑧 = 𝜌𝑧 ∗ 𝑆𝑧 ∗ 𝑣𝑧 = 𝑘𝑔/𝑠

(16)

��𝑧 = 1,092 ∗ 36 ∗ 9,18 = 787,81 𝑘𝑔/𝑠

Izračun toplotnega toka 𝛷:

𝛷 = 𝑚𝑣 ∗ 𝐶𝑝𝑣 ∗ 𝛥𝑇𝑣

𝛷 = 67,04 ∗ 4.200 ∗ 65 = 18.294.791,67 𝑊

Izračun temperaturne razlike za zrak ∆Tz:

𝛷𝑣 = 𝛷𝑧

(17)

𝑚𝑣 ∗ 𝐶𝑝𝑣 ∗ 𝛥𝑇𝑣 = 𝑚𝑧 ∗ 𝐶𝑝𝑧 ∗ 𝛥𝑇𝑧

𝛥𝑇𝑧 = 67,014 ∗ 4.200 ∗ 65

787,81 ∗ 1.013 = 22,92 °𝐶

Izračun izstopne temperature zraka:

𝛥𝑇𝑧 = 𝑇𝑧2 − 𝑇𝑧1 = 𝐾

(18)


54

Tz1 = 20 + 22,92 = 42,92 °C

Ker se temperaturna razlika v prenosniku toplote spreminja, sem toplotni tok

izračunal s srednjo temperaturno razliko 𝛥𝑇𝑚 po enačbah (19, 20, 21) Herr (1997):

𝛥𝑇𝑚𝑎𝑥 = 𝑡𝑣1 − 𝑡𝑧2

(19)

𝛥𝑇𝑚𝑎𝑥 = 90 − 42,92 = 47,08 °𝐶

𝛥𝑇𝑚𝑖𝑛 = 𝑡𝑣2 − 𝑡𝑧1

(20)

𝛥𝑇𝑚𝑖𝑛 = 25 − 20 = 5 °𝐶

𝛥𝑇𝑚 = 𝛥𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝛥𝑇𝑚𝑖𝑛

𝑙𝑛𝛥𝑇𝑚𝑎𝑥𝛥𝑇𝑚𝑖𝑛

(21)

𝛥𝑇𝑚 =47,08 − 5

𝑙𝑛47,08

5

= 18,76 °𝐶

Določitev toplotne prehodnosti k je v tem primeru odvisna od koeficienta toplotne

prestopnosti za vodo 𝛼𝑣, debeline stene 𝛿 ter njene toplotne prevodnosti 𝜆 in toplotne

prestopnosti zraka 𝛼𝑧. Toplotno prehodnost sem izračunal po enačbi (22) Herr

(1997):

𝑘 = 1

1𝛼𝑣

+ 𝛿𝜆

+ 1

𝛼𝑧

= 𝑊/𝑚2 ∗ 𝐾

(22)


55

Slika 39: Prestop toplote skozi steno

Vir: Herr. H, Nauk o toploti (1997, 199)

Slika 39 ponazarja prehod toplote iz tekočine 1 – vode na površino notranje stene

izmenjevalca toplote, prevoda toplote skozi debelino stene ter prestopa toplote iz

površine zunanje stene na tekočino 2 – zrak.

Za določitev toplotne prestopnosti zraka in vode sem uporabil približno izkustveno

metodo, pri čemer sem moral določiti pretočne hitrosti vode v izmenjevalcu toplote in

hitrost vetra skozi izmenjevalec toplote.

Natančnejše vrednosti toplotnih prestopnosti se določi s poskusom ali z empiričnimi

formulami. V primeru uporabe empiričnih formul se toplotna prestopnost določa na

podlagi Nusseltovega števila. Pretočne veličine za izračun Nusseltovega števila so

odvisne od vrste toplotnih izmenjevalcev in, če je prestop toplote potekal z ali brez

spremembe agregatnega stanja. Pretočne veličine za izračun Nusseltovega števila

so Reynoldsovo, Pecletovo, Prandtlovo in Grashofovo število. Herr (1997).

Slika 40: Zanesljive povprečne vrednosti toplotne prestopnosti 𝛼

Vir: Herr. H, Nauk o toploti (1997, 194)


56

Črka w v enačbah na sliki 40 pomeni pretočno hitrost tekočine v m/s. Pri določanju

toplotne prestopnosti 𝛼𝑣 iz vode na aluminijaste stene izmenjevalca toplote sem

uporabil količino vodne mase 250 m3/h, ki jo skozi izmenjevalec toplote prečrpa

večstopenjska centrifugalna črpalka skozi cev DN 250. Ta isti podatek sem uporabil

tudi pri količini segrete vode v izračunu količine toplotne energije Φ v času ene ure.

Številka 250 označuje notranji premer cevi v mm. Črpalka (slika 41) ima dvižno višino

do 550 m.

Slika 41: Večstopenjska centrifugalna črpalka

Elektronski vir, VIP TEHNIKA d.o.o.,2018

Pri izračunu hitrosti vode w skozi izmenjevalec sem uporabil spletni preračun za

izračun hitrosti vode v cevi pri dimenziji DN 250. Pri tem nisem upošteval izgub

zaradi trenja v ceveh in prenosniku toplote. Dobljeni rezultat je 1.27831 m/s. (TVL,

2018).

Po enačbi iz slike 40 je izračun za toplotno prestopnost iz vode na stene

izmenjevalca:

𝛼𝑣 = 580 + 2.100 ∗ √𝑤 = 𝑊/𝑚2 ∗ 𝐾

(23)

𝛼𝑣 = 580 + 2.100 ∗ √1,27831 = 580 + 2100 = 2.954,31 𝑊/𝑚2 ∗ 𝐾

Za določitev toplotne prestopnosti iz sten izmenjevalca toplote na zrak znotraj

dimnika sem moral najprej izračunati tlačno razliko med dnom in vrhom dimnika, ter

hitrost . Enačba za toplotno prestopnost iz sten na zrak pa sem izračunal na podlagi

hitrosti vetra v dimniku ter po enačbi (24) iz slike 40:


57

𝛼𝑧 = 2 + 12 ∗ √𝑤 = 𝑊/𝑚2 ∗ 𝐾

(24)

𝛼𝑧 = 2 + 12 ∗ √9,18 = 38,35 𝑊/𝑚2 ∗ 𝐾

Skupna toplotna prehodnost:

𝑘 = 1

1𝛼𝑣

+ 𝛿𝜆

+ 1

𝛼𝑧

𝑘 = 1

1𝛼𝑣

+ 𝛿𝜆

+ 1

𝛼𝑧

= 1

13.151,96

+ 0,003229

+ 1

38,35

= 37,83 𝑊/𝑚2 ∗ 𝐾

Potrebna površina A izmenjevalca toplote na podlagi dobljenih rezultatov bi bila:

𝐴 = 𝛷

𝑘 ∗ 𝛥𝑇𝑚=

18.294.791,67

37,83 ∗ 18,76 = 25.778,54 𝑚2


58

5 ZAKLJUČEK

Vzroki podnebnih sprememb v Zemljini zgodovini so posledica naravnih zemeljskih

procesov (izbruhi super vulkanov) in vplivov iz vesolja (sprememba sončnega

sevanja, trk asteroida). V današnjem obdobju zemljine zgodovine pa so trenutne

podnebne spremembe posledica človeških izpustov toplogrednih plinov, ki zadržujejo

toploto na zemeljskem površju. V primeru, da ne storimo dovolj bo Zemljina

povprečna temperatura zaradi deleža toplogrednih plinov v ozračju v prihodnje še

naraščala. V skrajnem primeru bi lahko učinek tople grede povzročil nastanek

podnebja kot ga ima danes planet Venera.

Za omilitev in preprečitev podnebnih sprememb potrebujemo svetovni sporazum, ki

znotraj različnih področij proizvodnje in učinkovite rabe energije omogoča postopen

prehod iz neobnovljivih virov energije na obnovljive vire energije. Pri tem je uspeh

sporazuma odvisen od zastavljenih ciljev in do doslednega spoštovanja ukrepov v

svetovnem merilu brez odstopanj. Vzporedno s tem je mogoč tudi razvoj

revolucionarnih tehnologij. Ena izmed takšnih je lahko zajemanje CO2 na podlagi

poustvarjanja umetne fotosinteze ali pa področje uporabe fuzije.

Tehnologija na trenutni stopnji razvoja nam omogoča proizvodnjo električne energije

in toplote brez izpustov toplogrednih plinov z uporabo obnovljivih virov energije

predvsem sončnega sevanja. Možne obstoječe tehnološke rešitve na tem področju

že predstavljajo fotovoltaični paneli ter fotovoltaični premazi, toplotni kolektorji in

vetrne turbine.

V diplomski nalogi sem tako združil učinke fotovoltaike, tople grede, vetrnice in

dimnika v en postroj (sončna vzgonska elektrarna), ki kot rešitev v danih pogojih

omogoča čisto proizvodnjo električne energije in toplote. Uporabljena glavna

sestavna dela dimnik z vetrnico ter kolektor energije s fotovoltaičnim premazom in

kolektorjem toplote lahko delujeta tudi ločeno, v tem primeru pa ju združuje v dimnik

vgrajen izmenjevalec toplote preko katerega se segreva zrak v dimniku.

Pri izračunu proizvedene količine energije sem upošteval teoretične podatke o

količini prejetega sončnega sevanja, ki sem jih pridobil iz literature.


59

Glede na izračune in predvidevanju, da sončna vzgonska elektrarna deluje osem ur

dnevno, bi skozi celo leto proizvedla približno 8,796 GWh električne energije.

Pri dejanski izvedbi tovrstne elektrarne bi bilo potrebno na podlagi meritev in drugih

podatkov v ekonomski analizi upoštevati tudi: Dejansko količino prejetega sončnega

sevanja, izračun z upoštevanjem izkoristkov, ceno zemljišča ter določitev materialov

za gradnjo.


60

6 LITERATURA

1. ARSO, 2018. Statistične informacije. Elektronski vir, http://meteo.arso.gov.si/met/sl/climate/maps/

description/wind/, dostop 12.11.2017.

2. Brite Solar Inc., 2018. Interni vir podjetja. Summit Woods Dr., Los Gatos, CA 95033, USA, Brite

Solar Inc.

3. Dodge, E., 2013. Plasma gasification: Clean renewable fuel through vaporization

of waste. Elektronski vir, http://www.syngas.gr/en/thermo-chemical-

%20processes/gasification/plasma-gasification-clean-renewable-fuel-through-%20vaporization-of-

waste/, dostop 20.11.2017.

4. Dunne, D., 2017. Will global warming lead to the APOCALYPSE? Elektronski vir,

http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4346276/Earth-s-worst-mass-extinction-caused-

global-warming.html, dostop 1.12.2017.

5. Energetika Ljubljana, 2017. Ljubljana zmanjšuje uporabo premoga. Elektronski vir,

http://www.energetika-lj.si/aktualno/ljubljana-zmanjsuje-uporabo-premoga, dostop 15.12.2017.

6. Evropski svet in Svet Evropske unije, 2017. Pariški sporazum o podnebnih spremembah 2015

Elektronski vir, http://www.consilium.europa.eu/sl/policies/climate-change/timeline/, dostop

14.12.2017.

7. GEN energija, 2014. Pomen vetrne energije. Elektronski vir, http://www.esvet.si/drugi-viri-

energije/vetrna-energija, dostop 7. 1. 2018.

8. GSTC, 2018. Plasma Gasification. Elektronski vir, https://www.globalsyngas.org/technology/plasm

a-gasification/, dostop 20.11.2017.

9. Herr, H., 1997. Nauk o toploti. Ljubljana, Tehniška založba Slovenije.

10. Hotinski, R., 2015. Stabilization Wedges. Elektronski vir,

http://cmi.princeton.edu/wedges/pdfs/teachers_guide.pdf, dostop 15.12.2017.

11. Kuštrin, I., in Tuma, M., 1985. Strojniški vestnik. V: Sončni dimnik, 309-314.

12. NASA, 2017 (1). Climate change: How do we know? Elektronski vir,

https://climate.nasa.gov/evidence/, dostop 28.10.2017.

13. NASA, 2017. A blanket around the Earth. Elektronski vir, https://climate.nasa.gov/causes/, dostop

28.10.2017.

14. Odlok o prioritetni rabi energentov za ogrevanje na področju Mestne Občine Ljubljana, 2016).

Elektronski vir, https://www.uradni-list.si/glasilo-uradni-list-rs/vsebina/2016-01-1817/odlok-o-

prioritetni-uporabi-energentov-za-ogrevanje-na-obmocju-mestne-obcine-ljubljana dostop

1.12.2017.

15. Owens, M., 2012. Elevated temperatures and diminished rainfall are establishing an ominous

pattern; could we be in the first days of another "climate surprise?" Elektronski vir,

http://www.fairfaxclimatewatch.com/blog/2012/12/north-american-drought-2012-to-____.html,

dostop 30.10.2017.

http://meteo.arso.gov.si/met/sl/climate/maps/description/wind/

http://meteo.arso.gov.si/met/sl/climate/maps/description/wind/

http://www.syngas.gr/en/thermo-chemical-%20processes/gasification/plasma-gasification-clean-renewable-fuel-through-%20vaporization-of-waste/



http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4346276/Earth-s-worst-mass-extinction-caused-global-warming.html

http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4346276/Earth-s-worst-mass-extinction-caused-global-warming.html

http://www.energetika-lj.si/aktualno/ljubljana-zmanjsuje-uporabo-premoga

http://www.consilium.europa.eu/sl/policies/climate-change/timeline/

http://www.esvet.si/drugi-viri-energije/vetrna-energija

http://www.esvet.si/drugi-viri-energije/vetrna-energija

https://www.globalsyngas.org/technology/plasma-gasification/

https://www.globalsyngas.org/technology/plasma-gasification/

http://cmi.princeton.edu/wedges/pdfs/teachers_guide.pdf

https://climate.nasa.gov/evidence/

https://climate.nasa.gov/causes/

https://www.uradni-list.si/glasilo-uradni-list-rs/vsebina/2016-01-1817/odlok-o-prioritetni-uporabi-energentov-za-ogrevanje-na-obmocju-mestne-obcine-ljubljana

https://www.uradni-list.si/glasilo-uradni-list-rs/vsebina/2016-01-1817/odlok-o-prioritetni-uporabi-energentov-za-ogrevanje-na-obmocju-mestne-obcine-ljubljana

http://www.fairfaxclimatewatch.com/blog/2012/12/north-american-drought-2012-to-____.html


61

16. Pucelj, G., 2013. Supervroča peč v hladilniku. Elektronski vir, http://www.delo.si/druzba/znanost/su

pervroca-pec-v-hladilniku.html, dostop 22.1.2018.

17. Delo, 2013. Fuzijski reaktor. Elektronski vir, http://www.delo.si/druzba/znanost/supervroca-pec-v-

hladilniku.html, dostop 22.1.2018.

18. Puhar, J., in Stropnik, J., 2011. Krautov strojniški priročnik (KSP). V: Toplotne lastnosti snovi, 237-

242.

19. SURS, 2018. Statistične informacije. Elektronski vir, www.stat.si dostop 22.3.2018.

20. SURS, 2016. Statistične Informacije. Elektronski vir, http://pxweb.stat.si/pxweb/Dialog/varval.asp?

ma=2706104S&ti=&path=../Database/Okolje/27_okolje/02_Odpadki/01_27061_odvoz_odpadkov/

&lang=2, dostop 29.10.2017.

21. TLV, 2018. Calculator: Water Velocity through Piping. Elektronski vir,

https://www.tlv.com/global/TI/calculator/water-velocity-through-piping.html, dostop 4. 2. 2018.

22. Tuma, M. in Sekavčnik, M., 2004. Energetski sistemi. Ljubljana, Fakulteta za strojništvo.

23. Vlada RS, 2014.Opreativni program ukrepov zmanjšanja emisij toplogrednih plinov

do leta 2020. Elektronski vir, http://www.mop.gov.si/fileadmin/mop.gov.si/pageuploads/zakonodaja

/varstvo_okolja/operativni_programi/optgp2020.pdf, dostop17.12.2017.

24. Wikipedia, 2015. Solar updraft tower. Elektronski vir, https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_updraft_to

wer, dostop 16. 08. 2016.

25. Wikipedija, 2017. Jedrsko zlivanje. Elektronski vir, https://sl.wikipedia.org/wiki/Jedrsko_zlivanje,

dostop 8.1.2018.

26. Wikipedija, 2017. Plazma. Elektronski vir, https://sl.wikipedia.org/wiki/Plazma_(fizika), dostop

8.1.2017.

27. Wikipedija, 2018. Walney Wind Farm. Elektronski vir, https://en.wikipedia.org/wiki/Walney_Wind_F

arm, dostop 1.12.2017.

28. Kostak, 2017. Programi za predšolske otroke. Elektronski vir, https://www.kostak.si/program-

aktivnosti.html, dostop 3.12.2017.

29. Komunala Trbovlje d.o.o., 2003. Nekaj več o ločenem zbiranju odpadkov. Elektronski vir,

http://www.komunala-trbovlje.si/old/zanimivosti.php?status=SHOW&id=92, dostop 3.2.2018.

30. Syngas, 2017. Plasma gasification. Elektronski vir, http://www.syngas.gr/en/news/150000-tpa-

plasma-arc-gasification-waste-to-energy-plant-for-ottawa/, dostop 16.10.2017.

31. Syngas, 2017. Plasma gasification, inputs and outputs. Elektronski vir,

http://www.syngas.gr/en/thermo-chemical-processes/gasification/plasma-gasification-clean-

renewable-fuel-through-vaporization-of-waste/, dostop 16.10.2017.

32. The Prophet of Garbage, 2007. How it works. Elektronski vir,

https://www.popsci.com/scitech/article/2007-03/prophet-garbage, dostop 17.12.2017.

33. Nasa, 2017. Space weather. Elektronski vir,

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/scientists-propose-mechanism-to-describe-solar-

eruptions-of-all-sizes, dostop 28.10.2017.

http://www.delo.si/druzba/znanost/supervroca-pec-v-hladilniku.html




http://www.stat.si/

http://pxweb.stat.si/pxweb/Dialog/varval.asp?ma=2706104S&ti=&path=../Database/Okolje/27_okolje/02_Odpadki/01_27061_odvoz_odpadkov/&lang=2



https://www.tlv.com/global/TI/calculator/water-velocity-through-piping.html

http://www.mop.gov.si/fileadmin/mop.gov.si/pageuploads/zakonodaja/varstvo_okolja/operativni_programi/optgp2020.pdf

http://www.mop.gov.si/fileadmin/mop.gov.si/pageuploads/zakonodaja/varstvo_okolja/operativni_programi/optgp2020.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_updraft_tower

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_updraft_tower

https://sl.wikipedia.org/wiki/Jedrsko_zlivanje

https://sl.wikipedia.org/wiki/Plazma_(fizika)

https://en.wikipedia.org/wiki/Walney_Wind_Farm

https://en.wikipedia.org/wiki/Walney_Wind_Farm

https://www.kostak.si/program-aktivnosti.html

https://www.kostak.si/program-aktivnosti.html

http://www.komunala-trbovlje.si/old/zanimivosti.php?status=SHOW&id=92

http://www.syngas.gr/en/news/150000-tpa-plasma-arc-gasification-waste-to-energy-plant-for-ottawa/

http://www.syngas.gr/en/news/150000-tpa-plasma-arc-gasification-waste-to-energy-plant-for-ottawa/

http://www.syngas.gr/en/thermo-chemical-processes/gasification/plasma-gasification-clean-renewable-fuel-through-vaporization-of-waste/

http://www.syngas.gr/en/thermo-chemical-processes/gasification/plasma-gasification-clean-renewable-fuel-through-vaporization-of-waste/

https://www.popsci.com/scitech/article/2007-03/prophet-garbage

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/scientists-propose-mechanism-to-describe-solar-eruptions-of-all-sizes

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2017/scientists-propose-mechanism-to-describe-solar-eruptions-of-all-sizes


62

34. Renewable Energy World, 2008. The Collector. Elektronski vir,

https://www.renewableenergyworld.com/articles/2008/10/solar-updraft-towers-variations-and-

research-53742.html, dostop 29.12.2015.

35. Geopedia, 2018. Otlica. Elektronski vir,

http://geopedia.si/lite.jsp?locale=en#T105_F1173:60434_x459474.7216796875_y87327.6796875

_s10_b4, dostop 10.01.2018.

36. Geopedia, 2018. Otlica, Topografski pogled na področje dimnika. Elektronski vir,


9687_s16_b2, dostop 10.01.2018.

37. Geopedia, 2018. Otlica, Ortofotografski pogled na področje dimnika. Elektronski vir,


9687_s16_b2, dostop 10.01.2018.

38. Geopedia, 2018. Otlica, Ortofotografski pogled na področje dimnika. Elektronski vir,


9687_s16_b2, dostop 10.01.2018.

39. Geopedia, 2018. Otlica, Območje kolektorja. Elektronski vir,


9687_s16_b2, dostop 10.01.2018.

40. Google Earth, 2018. Otlica, pogled na pobočje. Elektronski vir,

https://www.instantstreetview.com/@45.925439,13.914933,34.9h,-6.69p,0.17z,

dostop 10.01.2018.

41. Wikipedia, 2017. Faktor Cp v odvisnosti od hitrosti vetra. Elektronski vir,

https://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina, dostop 10.9.2017.

42. OpenProf.com, 2018. Stacionarni tok. Elektronski vir,

https://si.openprof.com/wb/sila_curka?ch=441#Volumenski_tok, dostop 23.01.2018.

43. Lontech, 2018. Radiator Apollo Tip 33. Elektronski vir,

http://www.lontech.si/radiator_apollo_klasik_tip_33_805, dostop 02.02.2018.

44. VIP TEHNIKA d.o.o., 2018. Večstopenjska centrifugalna črpalka. Elektronski vir, http://www.vip-

tehnika.si/industrijski-program/crpalke/vogel, dostop 03.02.2018.

45. Treehugger.com, 2018. Porast suše 2030 – 2039. Elektronski vir,

https://www.treehugger.com/natural-sciences/drought-could-overtake-much-of-world-by-2030-rise-

to-unprecedented-levels-by-2100.html, dostop 23.04.2018.

46. Treehugger, 2018. Porast suše 2060 – 2069. Elektronski vir, https://www.treehugger.com/natural-

sciences/drought-could-overtake-much-of-world-by-2030-rise-to-unprecedented-levels-by-

2100.html, dostop 23.04.2018.

https://www.renewableenergyworld.com/articles/2008/10/solar-updraft-towers-variations-and-research-53742.html

https://www.renewableenergyworld.com/articles/2008/10/solar-updraft-towers-variations-and-research-53742.html

http://geopedia.si/lite.jsp?locale=en#T105_F1173:60434_x459474.7216796875_y87327.6796875_s10_b4










https://www.instantstreetview.com/@45.925439,13.914933,34.9h,-6.69p,0.17z

https://sl.wikipedia.org/wiki/Vetrna_turbina

https://si.openprof.com/wb/sila_curka?ch=441#Volumenski_tok

http://www.lontech.si/radiator_apollo_klasik_tip_33_805

http://www.vip-tehnika.si/industrijski-program/crpalke/vogel

http://www.vip-tehnika.si/industrijski-program/crpalke/vogel

https://www.treehugger.com/natural-sciences/drought-could-overtake-much-of-world-by-2030-rise-to-unprecedented-levels-by-2100.html





IZJAVA O AVTORSTVU IN SOGLASJE K OBJAVI DIPLOMSKEGA DELA Študent Boštjan Kanceljak izjavljam, da sem avtor diplomskega dela z naslovom

Sončna vzgonska elektrarna, ki sem ga napisala pod mentorstvom g. Franceta

Sajeta in dovolim objavo diplomskega dela v knjižnici Litija in na internetni strani šole.

V Litiji, 20. 04. 2018 Boštjan Kanceljak

izobraŽevalni center geoss d.o.o. višja strokovna šola

Documents