Wykorzystanie energii słonecznej

Transkrypt

Wykorzystanie energii
słonecznej
Instalacje słonecznego ogrzewania
Część 3
Zdzisław Kusto
Politechnika Gdańska
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
INSTALACJISŁONECZNEGO
SŁONECZNEGOOGRZEWANIA
OGRZEWANIA
WODY
WODY
Sprawność energetyczna baterii kolektorów: (retrospekcja)
η = ηkol =
q&u
F [ S − U L (Tin − Ta )]
= R
IT
IT
Przykłady funkcji empirycznych opisujących sprawność baterii
kolektorów słonecznych
1) Kolektor wodny z selektywnym absorberem, pojedyncza szyba:
ηkol = 0,756 − [3,70 + 0,0223 ⋅ (Tin − Ta )]⋅ ς
Tin − Ta
ς=
IT
2) Kolektor wodny, absorber stalowy wytłaczany pod ciśnieniem,
pokryty elektrolitycznie czarnym chromem (warstwa selektywna:
α = 0,84, ε = 0,15), izolowany 8 cm warstwą pianki poliuretanowej,
podwójna szyba szklana:
ηkol = 0,842 − 0,660 ⋅ ς 1 − 0,1050 ⋅ ς 1
2
ς1 =
Tin − Ta
⋅U L
IT
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
BILANS CIEPLNY BATERII KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH
Użyteczna moc cieplna - uzyskana z baterii kolektorów słonecznych :
Q& u = q&u ⋅ Fk = FR ⋅ [ S − U L ⋅ (Tin − Ta )] ⋅ Fk
Q& u ≡ Q& kol
Lub:
Q& kol = Q& u = q&u ⋅ Fk = I T ⋅ Fk ⋅ηkol
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
SKŁADNIKI
SKŁADNIKIBILANSU
BILANSUCIEPLNEGO
CIEPLNEGOINSTALACJI
INSTALACJIHYBRYDOWEJ
HYBRYDOWEJ
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
W bilansie całej – hybrydowej - wodnej instalacji ogrzewania słonecznego przyjęty jest,
jako bazowy, bilans cieplny zbiornika akumulacyjnego, w którym wyjściowo oblicza się
zmienną w czasie temperaturę wody w zbiorniku. Zawiera on:
- użyteczną moc cieplną doprowadzoną do zbiornika - Q& kol , [W],
- moc cieplną pobrana z akumulatora przez odbiorcę - Q& sol (t ), [W],
(Uwaga! Jeśli Tsol ≥ 450C, wówczas: Q& sol (t ) = L(t ) , gdzie L(t) jest
aktualnym zapotrzebowaniem na ciepło przez odbiorcę),
- straty ciepła (mocy cieplnej) w instalacji ogrzewania - Q& str (t ) , [W]
sprowadzone do strat ciepła w zbiorniku akumulacyjnym
Q& sol (t ) = m& ⋅ c ⋅ (Ts − Two )
- pobór ciepłej wody ze zbiornika akumulacyjnego
Q& str (t ) = U ⋅ A ⋅ (Ts − Tsa )
- straty ciepła z akumulatora przez ścianki
zbiornika do otoczenia
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
RÓWNANIE
RÓWNANIEBILANSOWE
BILANSOWEINSTALACJI
INSTALACJIOGRZEWANIA
OGRZEWANIA
wwchwili
t
chwili - t
dTs
= Q& kol (t ) − Q& sol (t ) − Q& str (t )
M ⋅c ⋅
dt
Ts, Tsa, Tin Two, IT, ηkol m
&, -
M = V ⋅ρ
są zmienne w czasie,
W obliczeniach numerycznych symulujących pracę instalacji hybrydowej
pochodną w czasie temperatury wody zbiornika akumulacyjnego
zamienimy
na skończony przyrost tej temperatury w skończonym przedziale czasowym
dTs
dt
→
∆Ts
∆t
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
RÓWNANIE
RÓWNANIEBILANSOWE
BILANSOWEINSTALACJI
OGRZEWANIA
Algorytm
rekurencyjny
Algorytm rekurencyjny
Długość przedziałów czasowych można przyjąć dowolnie,
ale tak,
aby uzyskane wyniki obliczenia bilansu energetycznego
były dostatecznie dokładne *).
Do obliczeń przyjęto jednogodzinny przedział czasowy
- ∆tj - = 1 h,
( j = 1, 2, 3, ... ).
Wielkości zmienne w czasie będą w obliczeniach przyjmować wartości
skokowo zmienne
*) Problem dokładności obliczeniowego modelu matematycznego jest poważnym zagadnieniem zarówno
badawczym jak też praktycznym
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
RÓWNANIE
RÓWNANIEBILANSOWE
BILANSOWEINSTALACJI
OGRZEWANIA
Algorytm
rekurencyjny
Rekurencyjne równanie bilansowe pozwala wyznaczyć
przyrost temperatury wody w zbiorniku akumulacyjnym -∆Ts j
w zadanym przedziale czasowym - ∆tj
przy założeniu,
że jest znana temperatura – Ts (j-1)
w końcu poprzedniego przedziału czasowego - ∆t
(j-1)
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
RÓWNANIE
RÓWNANIEBILANSOWE
BILANSOWEINSTALACJI
OGRZEWANIA
Algorytm
rekurencyjny
Przedziały czasowe wypełniają rozpatrywany okres obliczeniowy - Tdo,
np.: okres jednej doby.
W takim okresie obliczeniowym jest n przedziałów czasowych:
∆t1, ∆t2, ... ∆tj, ,... ∆tn,
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
RÓWNANIE
RÓWNANIEBILANSOWE
BILANSOWEINSTALACJI
OGRZEWANIA
Algorytm
Algorytmrekurencyjny
rekurencyjny
Równanie bilansujące w postaci numerycznej:
M ⋅c⋅
∆Tsj
∆t j
= Fk ⋅ I Tj ⋅ηkol j − m& j ⋅ c ⋅ (Ts ( j −1) − Two j ) − U ⋅ A ⋅ (Ts ( j −1) − Tsa j )
Po przekształceniach - równanie rekurencyjne temperatury wody
w zbiorniku akumulacyjnym
- uzyskanej w końcu j-tego przedziału czasowego.
Tsj = Ts ( j −1)
⎡ Fk ⋅ I Tj ⋅ηkol j m& j
⎤
U⋅A
+⎢
−
⋅ (Ts ( j −1) − Two j ) −
⋅ (Ts ( j −1) − Tsa j ) ⎥ ⋅ ∆t j
M ⋅c
M
M ⋅c
⎣
⎦
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
OBLICZENIA
OBLICZENIASYMULACYJNE
SYMULACYJNEBILANSU
BILANSUCIEPŁA
CIEPŁA
ZMIENNOŚĆ
ZMIENNOŚĆNASŁONECZNIENIA
NASŁONECZNIENIAW
WCIĄGU
CIĄGUDNIA
DNIA
IT =
π ⋅ HT
2d h
⎛ t ⎞
⎟⎟
sin ⎜⎜ π
⎝ dh ⎠
HT - dobowe (dzienne)
nasłonecznienie powierzchni
nachylonej, kJ/doba*m2
dh - długość dnia dla kolektorów
słonecznych, h
t - czas, h
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
OBLICZENIA
SYMULACYJNEBILANSU
BILANSUCIEPŁA
CIEPŁA- -STUDIUM
STUDIUMPARAMETRYCZNE
PARAMETRYCZNE
Odbiorca:
Dobowe zużycie ciepłej wody - Mk = 300 dm3/d
tcwu = 45 0C
two = 10 0C
Instalacja słonecznego ogrzewania wody
Fk = 5,1 m2
M = 400 kg
(V = 400 dm3)
BILANS
BILANSCIEPLNY
CIEPLNYINSTALACJI
OGRZEWANIA
WODY
WODY
OBLICZENIA
SYMULACYJNEBILANSU
BILANSUCIEPŁA
CIEPŁA- -STUDIUM
STUDIUMPARAMETRYCZNE
PARAMETRYCZNE
Trzy serie obliczeń:
1) Proces ustalania się dobowych danych eksploatacyjnych instalacji
słonecznego ogrzewania wody
Fk = 5,1 m2, M = 400 kg (V = 400 dm3)
2) Zmiana dobowych danych eksploatacyjnych w ustalonych
warunkach pracy dobowej
przy zmianie powierzchni czynnej baterii kolektorów
Fk = 1,7 - 10,2 m2, M = 400 kg
3) Zmiana dobowych danych eksploatacyjnych w ustalonych
warunkach pracy dobowej
przy zmianie pojemności zbiornika akumulacyjnego
M = 100 - 800 kg, Fk = 5,1 m2
I Seria: Proces ustalania się dobowych danych eksploatacyjnych
instalacji słonecznego ogrzewania wody
DANE PRZYJĘTE DO OBLICZEŃ:
DANE DO OBLICZEŃ
WYNIKI OBLICZEŃ:
Zmienność temperatury wody w zbiorniku akumulacyjnym w kolejnych
dobach. Nagrzewanie wody - od stanu zimnego
Sprawność instalacji słonecznej
0,8
100
0,6
0,4
2
0,3
3
4
0,2
5
0,1
temperatura [ 0C]
6
0
70
80
10
31,41
38,9
42,09
43,43
43,99
45
31,41
38,9
42,09
43,43
43,99
45
45
2
68,94
87,98
95,13
96,81
97,52
97,81
498,34
dzień
0,718
0,597
0,56
0,54
0,537
0,534
0,529
6
0,718
0,586
0,547
0,53
0,523
0,52
0,515
8
Temperatura wody w akumulatorze
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
2
4
dzień
6
60
40
20
0
0
2
4
dzień
6
Warunki pracy instalacji słonecznego ogrzewania wody
w pojedynczej dobie w czerwcu
Przykład 1
Rozruch instalacji ze stanu "zimnego" (od temperatury wody
w akumulatorze = 10 0C)
W końcu doby
Na początku doby
0
udział [%]
sprawność [ - ]
0,7
0,5
1
Udział energii słonecznej w pokryciu
zapotrzebowania na ciepło
8
Fk = 5,1 m2
M = 400 kg
HT = 23 300 kJ/m2 doba
Mk = 300 dm3/dobę
Warunki pracy ustalają się
po siedmiu dniach
8
II Seria: Zmiana powierzchni czynnej baterii kolektorów w ustalonych
warunkach pracy dobowej instalacji słonecznego ogrzewania wody
1,7
3,4
0,6
5,1
0,5
6,8
0,4
8,5
0,3
10,2
22,66
31,8
45
54,57
61,84
66,49
sprawność [ - ]
0,7
48,2
80,51
98,34
100
100
100
0,657
0,597
0,515
0,446
0,389
0,351
Przykład 2
Zmiany parametrów w warunkach pracy ustalonej
w funkcji zmiany powierzchni baterii kolektorów
0,2
0,1
0
0
2
4
6
8
10
12
2
Mk = 300 dm3/dobę
Powierzchnia kolektorów [m ]
Tpocz = Tkon
70
60
50
40
30
20
10
0
100
80
udział [%]
temperatura [ 0C]
Fk = n*1,7 m2
M = 400 kg
60
40
20
0
0
2
4
6
8
Powierzchnia kolektorów [m 2]
10
12
0
2
4
6
8
2
10
Powierzchnia kolektorów [m ]
12
IIA Seria: Zmiana sprawności baterii kolektorów i instalacji słonecznej
w ustalonych warunkach pracy dobowej instalacji słonecznego
ogrzewania wody
Fk = 1,7 m2
M = 400 kg
U = 0,3 W/m2K
Sprawność
Sprawność baterii kolektorów i instalacji słonecznej
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Sprawność kolektorów
Nasłonecznienie
Sprawność instalacji
słonecznej
0
2
4
6
8
10
12
Godzina
14
16
18
20
22
24
ogrzewania wody
Fk = 1,7 m2
M = 400 kg
U = 1,0 W/m2K
Sprawność
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Nasłonecznienie
Sprawność instalacji
słonecznej
0
2
4
6
8
10
12
Godzina
14
16
18
20
22
24
ogrzewania wody
Fk = 10,2 m2
M = 400 kg
U = 0,3 W/m2K
0,50
Nasłonecznienie
0,45
Sprawność
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0
2
4
6
8
10
12
Godzina
14
16
18
20
22
24
ogrzewania wody
Fk = 10,2 m2
M = 400 kg
U = 1,0 W/m2K
0,50
0,45
Nasłonecznienie
Sprawność
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0
2
4
6
8
10
12
Godzina
14
16
18
20
22
24
sprawność [ - ]
III Seria: Zmiana pojemności zbiornika akumulacyjnego w ustalonych
warunkach pracy dobowej instalacji słonecznego ogrzewania wody
100
0,8
200
0,7
300
0,6
400
0,5
500
0,4
600
0,3
700
0,2
0,1
0
0
13,07
36,77
42,24
45
45,24
45,6
45,68
100
68,26
93
96,46
98,34
98,73
99,08
99,24
200
300
0,676
0,551
0,526
0,515
0,515
0,516
0,517
400
Przykład 3
Zmiany parametrów w warunkach pracy ustalonej
w funkcji zmiany masy wody w zbiorniku akumulacyjnym
500
600
700
Masa wody w akumulatorze [kg]
Mk = 300 dm3/dobę
Tpocz = Tkon
50
100
40
udział [%]
temperatura [ 0C]
Fk = 5,1 m2
M = n*100 kg
30
20
10
80
60
40
20
0
0
0
100
200
300
400
500
Masa w ody w akum ulatorze [kg]
600
700
0
100
200
300
400
500
600
Masa wody w akumulatorze [kg]
700
IIIA Seria: Zmiana sprawności baterii kolektorów i instalacji słonecznej
ogrzewania wody
Fk = 5,1 m2 M = 100 kg
U = 0,3 W/m2K
Sprawność
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Nasłonecznienie
0
2
4
6
8
10
12
Godzina
14
16
18
20
22
24
IIIA Seria: Zmiana sprawności baterii kolektorów i instalacji słonecznej
ogrzewania wody
Fk = 5,1 m2 M = 100 kg
U = 1,0 W/m2K
Sprawność
0,75
0,70
0,65
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
Nasłonecznienie
0
2
4
6
8
10
12
Godzina
14
16
18
20
22
24

Wykorzystanie energii słonecznej

Transkrypt

Podobne dokumenty

Panele słoneczne w domu i ogrodzie : prąd ze Słońca dla ogrodu

pobierz PDF - encompassme.com

22_Energia SÃ…Â‚oÃ…Â„ca

W ciągu dekady ceny energii słonecznej mogą

Kolektory słoneczne i fotoogniwa w Twoim domu

Wywiad z dyrektorem technicznym na temat - Wolf

Odnawialne źródła energii

panel dyskusyjny na temat określenia znaczącej roli energetyki