WYKORZYSTANIE ENERGII SŁONECZNEJ W MIKROGENERACJI

Transkrypt

Wojciech MAZUREK
Tymoteusz ŚWIEBODA
WYKORZYSTANIE ENERGII SŁONECZNEJ
W MIKROGENERACJI SKOJARZONEJ
STRESZCZENIE Opracowanie przedstawia aktualny stan prac, prowadzonych we wrocławskim Oddziale Instytutu Elektrotechniki, dotyczących systemu mikrogeneracyjnego zasilanego energią słoneczną.
W założeniu układ ten przewidziany został do praktycznego sprawdzenia możliwości wytwarzania energii skojarzonej na potrzeby
niewielkich budynków mieszkalnych, biurowych lub użyteczności
publicznej. W każdej z wymienionych aplikacji potrzebna jest energia
cieplna dla zapewnienia komfortu cieplnego w budynkach, rozumiana
tutaj jako ciepło i chłód, ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz energia elektryczna.
Energia słoneczna ma być pozyskiwana za pomocą kolektorów
słonecznych i ogniw fotowoltaicznych. Te z kolei będą zasilać w różnych wariantach absorpcyjne urządzenie chłodnicze, sprężarkowe
urządzenie chłodnicze, niskotemperaturowy obieg Clausiusa-Rankine’a
oraz układ przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Słowa kluczowe: energetyka skojarzona, mikrogeneracja, kolektory
słoneczne, ORC, absorpcyjne urządzenie chłodnicze
dr inż. Wojciech MAZUREK1, 2)
e-mail: [email protected]
mgr inż. Tymoteusz ŚWIEBODA1)
e-mail: [email protected]
1)
Pracownia Niekonwencjonalnych Źródeł Energii, Instytut Elektrotechniki,
Oddział Technologii i Materiałoznawstwa Elektrotechnicznego we Wrocławiu
2)
Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 243, 2009
80
W. Mazurek, T. Świeboda
1. WSTĘP
Obecnie kraje uprzemysłowione zaspokajają większą część zapotrzebowania na energię dzięki dużym, zcentralizowanym ośrodkom, takim jak:
elektrownie konwencjonalne i jądrowe, elektrociepłownie czy elektrownie
wodne. W odniesieniu do mocy mają one bardzo dobre wskaźniki ekonomiczne.
Jednak ze względów praktycznych podlegają one pewnym ograniczeniom, jeśli
chodzi o możliwości lokalizacji. Elektrownie konwencjonalne muszą być zlokalizowane niedaleko kopalni węgla, jądrowe – z dala od osiedli ludzkich, by
ograniczyć ryzyko zanieczyszczeń czy skażeń, czy wreszcie, w przypadku hydroelektrowni, na ciekach wodnych o dostatecznie dużym przepływie i w terenie
o odpowiedniej topografii. W efekcie wytwarzaną w nich energię należy przesyłać na znaczne odległości. Odmienne podejście stosuje się w przypadku generacji rozproszonej, czy inaczej: mikrogeneracji.
Pojęciem mikrogeneracja określane jest rozproszone wytwarzanie energii w miejscu jej wykorzystania, w czasie i w ilości dostosowanej do potrzeb
konkretnego odbiorcy. Takie podejście ma szereg zalet. Przede wszystkim unika się
strat energii podczas jej przesyłania. Po drugie, duże, scentralizowane systemy
charakteryzują się przypadkowością rozbioru energii, która musi zostać uwzględniona przy określeniu mocy źródła, tak by pokryć szczytowe zapotrzebowania.
Jednocześnie bloki energetyczne wielkich mocy – dotyczy to przede wszystkim
systemów konwencjonalnych – ze względu na złożoność procesu rozruchu
i wynikające stąd opóźnienia, nie mogą być załączane i odstawiane stosownie
do chwilowego zapotrzebowania, a konieczność utrzymywania ich w tak zwanej
„gorącej rezerwie” powoduje powstawanie dalszych strat.
Poza tym większość, szeroko rozumianych, systemów technicznych
wymaga do prawidłowego funkcjonowania różnych form energii. Najczęściej,
zależnie od aplikacji, wykorzystuje się w pewnych proporcjach energie: cieplną
(w tym również chłód), elektryczną, mechaniczną. Tak więc, dostosowując
źródła mikrogeneracyjne do potrzeb odbiorców, byłoby słusznym uwzględniać
nie tylko ich moce, ale również potrzebne formy energii. W ten sposób dochodzi
się do pojęcia mikrogeneracji skojarzonej. Skojarzone wytwarzanie energii nie
jest oczywiście zagadnieniem nowym. Źródłami energii skojarzonej są elektrociepłownie konwencjonalne, jak i bloki siłowniano-ciepłownicze zarówno z turbinami gazowymi, jak i silnikami spalinowymi oraz kombinowane układy gazowoparowe. Jednak stosowanie rozproszonych układów kogeneracyjnych jest
zagadnieniem stosunkowo nowym i wymaga przeprowadzenia badań mających
na celu określenie możliwości stosowania różnych rozwiązań konstrukcyjnych
oraz optymalizację ich pod względem wydajności i rachunku ekonomicznego.
Wykorzystanie energii słonecznej w mikrogeneracji skojarzonej
81
We wrocławskim Oddziale Instytutu Elektrotechniki obecnie realizowany
jest projekt rozwojowy, którego idea dotyczy opracowania systemu służącego
do produkcji energii cieplnej, do chłodzenia i ogrzewania oraz produkcji
elektrycznej na potrzeby niewielkich budynków. Projekt ten w założeniu ma
posłużyć do zweryfikowania różnych koncepcji skojarzonego wytwarzania
energii i określić kierunki dalszych badań. Niniejsze opracowanie przedstawia
ogólne założenia przyjęte w projekcie oraz aktualny stan prowadzonych prac.
2. PORÓWNAWCZE OBIEGI KONWERSJI ENERGII
Cechą wspólną źródeł energii skojarzonej jest to, że w czasie pracy
realizują pewien zamknięty ciąg przemian termodynamicznych, nazywany
obiegiem termodynamicznym, który umożliwia zrealizowanie określonych procesów konwersji energii. W ten sposób możliwe jest uzyskanie energii mechanicznej (elektrycznej) czy też cieplnej o pożądanych parametrach.
Obiegi termodynamiczne realizuje się w zespołach maszyn cieplnych.
Obiegi prawobieżne to obiegi silników cieplnych, które wykonują dodatnią pracę
kosztem ciepła pobieranego ze źródła o temperaturze wyższej od temperatury
otoczenia (tzw. źródła górnego). Natomiast obiegi lewobieżne są obiegami systemów chłodniczych lub pomp ciepła. Systemy chłodnicze służą do pobierania
ciepła ze źródła o temperaturze niższej od temperatury otoczenia (źródło dolne), kosztem ciepła lub pracy doprowadzanej do systemu. Zadaniem pompy
ciepła jest przekazywanie ciepła z otoczenia do źródła o temperaturze wyższej
od temperatury otoczenia, kosztem doprowadzonej pracy.
a)
b)
Rys. 1. Obiegi porównawcze Carnota:
a) prawobieżny – silnikowy, b) lewobieżny – chłodniczy
82
Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, odwracalny obieg Carnota jest
granicą doskonałości obiegów prawobieżnych, jak i lewobieżnych. Obieg taki
można zrealizować, mając dwa źródła o stałych temperaturach T i T0. Przekazywanie ciepła między tymi źródłami i czynnikiem odbywa się podczas odwracalnych przemian izotermicznych, a przejście z jednego poziomu temperatury
na drugi odbywa się na drodze przemian izentropowych (bez wymiany ciepła
i przyrostu entropii).
W silnikowym obiegu Carnota (rys. 1a) czynnik jest sprężany izentropowo (przemiana 1–2) aż do osiągnięcia temperatury górnego źródła T, a następnie pobiera z tego źródła odwracalnie ciepło qd wzdłuż przemiany 2–3, przy
nieskończenie małej różnicy temperatur. W kolejnej fazie cyklu czynnik wykonuje pracę lob, rozprężając się izentropowo do stanu 4 i osiągając przy tym
temperaturę dolnego źródła T0. Wreszcie przekazuje odwracalnie ciepło do
dolnego źródła wzdłuż przemiany izotermicznej. Sprawność prawobieżnego
obiegu Carnota wyraża się zależnością:
ηC =
T − T0 lob
=
T
qd
(1)
W teoretycznym obiegu lewobieżnym możliwe jest przekazywanie ciepła
ze źródła o temperaturze niższej do źródła o temperaturze wyższej – rysunek 1b.
Czynnik w stanie 1 sprężany jest izentropowo do stanu 2 dzięki pracy doprowadzonej do układu, przy czym jego temperatura wzrasta do wartości temperatury
górnego źródła ciepła T. Przejście 2–3 jest przemianą izotermiczną, w której
czynnik przekazuje odwracalnie ciepło do źródła górnego. W przemianie 3–4
temperatura czynnika obniża się do wartości T0, ponieważ wykonanie dodatniej
pracy, podczas rozprężania izentropowego, odbywa się kosztem spadku energii
wewnętrznej. Dzięki temu możliwe jest pobieranie odwracalne ciepła qd ze
źródła dolnego o temperaturze T0 niższej od temperatury T. Aby to ciepło mogło
być przekazywane w ilości qd należy doprowadzić do obiegu pracę lob. Współczynnik wydajności chłodzenia lewobieżnego obiegu Carnota wyraża się zależnością:
εC =
q
T
= d
T − T0 l ob
(2)
Aby w rzeczywistych urządzeniach silnikowych i chłodniczych uzyskać
jak największą sprawność, dąży się do tego, by realizowane w nich obiegi były
jak najbardziej zbliżone do obiegu Carnota. Najtrudniejsze do zrealizowania są
83
przemiany izotermiczne, podczas których jednocześnie z wymianą ciepła
z zewnętrznymi źródłami, odbywa się ekspansja lub kompresja czynnika. Takie
przemiany można uzyskać stosunkowo łatwo w układzie dwufazowym: para –
– ciecz. Wynika to stąd, że w obszarze pary nasyconej mokrej przemiana izotermiczna pokrywa się z izobaryczną. Dlatego też urządzenia, w których czynnikiem obiegowym jest para podlegająca przemianom fazowym, najlepiej nadają
się do wykorzystania zarówno jako urządzenia silnikowe, jak i chłodnicze.
3. PODSYSTEMY UKŁADU MIKROGENERACYJNEGO
Prezentowany układ został zaprojektowany z myślą o testowaniu różnych
wariantów skojarzonego wytwarzania energii na potrzeby budynków mieszkalnych, biurowych i użyteczności publicznej. Przewiduje się sprawdzenie
różnych możliwości współpracy poszczególnych podsystemów przetwarzających energię. Badania te mają pozwolić na wybór rozwiązań dających najlepsze
rezultaty pod względem wydajności i rachunku ekonomicznego.
Jak wynika z treści poprzedniego rozdziału, podstawowymi elementami
budowanego systemu są termodynamiczne obiegi prawo- i lewobieżne uzupełnione niezbędnymi układami pomocniczymi: górnego i dolnego źródła ciepła,
przygotowania ciepłej wody oraz układ sterowania i regulacji.
Rys. 2. Schemat blokowy systemu mikrogeneracyjnego:
GZC – górne źródło ciepła, DZC – dolne źródło ciepła, ORC – obieg
Clausiusa-Rankine’a, SPR – sprężarkowy obieg chłodniczy, ABS – absorpcyjny obieg chłodniczy, CWU – układ przygotowania ciepłej wody, PV – ogniwa
fotowoltaiczne, SH – sprzęgło hydrauliczne, CW – centrala wentylacyjna
84
3.1. Górne źródło ciepła
Kolektory słoneczne są urządzeniami, które zamieniają energię promieniowania słonecznego na energię cieplną. Najprostszym kolektorem jest płyta,
jedną stroną wystawiona na oddziaływanie promieniowania słonecznego, zdolna do tego, by pochłaniać je w jak największym stopniu, a z drugiej strony
omywana przez czynnik odbierający pochłonięte ciepło. Płyta pochłaniająca
ciepło, zwana absorberem, jest zasadniczym elementem kolektora słonecznego. Tylko ta część promieniowania słonecznego, padającego na absorber,
która zostanie przezeń zaabsorbowana, jest zamieniana na ciepło i powoduje
wzrost temperatury – reszta zostaje odbita lub przepuszczona. Jednocześnie
każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego, emituje energię na
drodze promieniowania elektromagnetycznego. Zatem w absorberze jednocześnie zachodzą zjawiska pochłaniania i emisji energii, i po pewnym czasie
ustala się stan równowagi – temperatura stagnacji, w której intensywność emisji
promieniowania równoważona jest dopływem energii ze Słońca.
W warunkach rzeczywistych opisany mechanizm zakłócony jest przez
dodatkowe zjawiska. Pierwszym z nich jest oddawanie energii cieplnej do
otoczenia na drodze konwekcji naturalnej. Natomiast drugim – absorpcja promieniowania rozproszonego i odbitego przez chmury i pyły w atmosferze oraz
promieniowanie odbite od powierzchni ziemi i obiektów w otoczeniu.
W celu podwyższenia sprawności absorpcji energii stosuje się dodatkowe zabiegi. Dąży się do zwiększenia wartości stosunku współczynników
absorpcji i emisji promieniowania materiału płyty α/ε, wykorzystując do budowy
absorbera materiały selektywne oraz osłaniając absorber płytami szklanymi,
które dodatkowo zatrzymują promieniowanie podczerwone i ograniczają straty
ciepła. Kolejnym sposobem jest skupianie wiązki światła padającego na
absorber. Jednak kolektory skupiające działają prawidłowo jedynie wtedy, gdy
są ustawione prostopadle do kierunku promieniowania bezpośredniego. Przy
zachmurzonym niebie kolektory te nie pracują. W warunkach klimatycznych
takich jak w Polsce, promieniowanie rozproszone stanowi około 50% całkowitej
energii promieniowania docierającego do powierzchni terenu i najbardziej
racjonalnym jest stosowanie kolektorów płaskich.
Omawiany układ mikrogeneracyjny zasilany jest ciepłem z płaskich
kolektorów słonecznych, które pozwalają na osiąganie temperatury czynnika
roboczego rzędu 90 ÷ 100°C. Spośród dostępnych na rynku, wybrano kolektory
próżniowe Watt CPC9. Powierzchnia czynna tych kolektorów wynosi 1,9 m2.
Powłoka selektywna wykonana jest w oparciu o azotan III glinu, dla którego
współczynniki absorpcji i emisji wynoszą odpowiednio: α = 0,95 i ε = 0,05.
Kolektory zbudowane są z dziewięciu szklanych rur próżniowych o podwójnych
ściankach. Pod każdą z rur umieszczone zostało wysokorefleksyjne zwierciadło
85
paraboliczne. Dwadzieścia kolektorów CPC9 połączono w układ szeregowo-równoległy: baterie pięciu połączonych szeregowo kolektorów pracują w układzie równoległym. Ponadto w celu podwyższenia końcowej temperatury
czynnika możliwe jest połączenie szeregowe baterii po dwie lub cztery.
Kolektory słoneczne są głównym elementem górnego źródła ciepła dla
wszystkich obiegów termodynamicznych systemu. Uzupełnieniem obiegu jest
pompa Wilo Stratos ECO o regulowanej wydajności, sprzęgło hydrauliczne oraz
układ zabezpieczeń składający się z naczynia wzbiorczego i zaworu bezpieczeństwa. Pompa o zmiennej wydajności pozwala w pewnym stopniu regulować temperaturę górnego źródła, oczywiście z zachowaniem minimalnego
przepływu przez kolektory. Sprzęgło hydrauliczne pozwala z kolei na hydrauliczne odseparowanie obiegu kolektorów od obiegów wtórnych tak, by ograniczyć oddziaływanie na siebie obiegu pierwotnego z kolektorami od obiegów
wtórnych z odbiornikami ciepła.
Rys. 3. Schemat obiegu górnego źródła ciepła:
1 – bateria pięciu kolektorów CPC9 połączonych szeregowo; 2 – sprzęgło
hydrauliczne; 3 – pompa; 4 – naczynie wzbiorcze; 5 – zawór bezpieczeństwa; 6 – rozdzielacz
Nośnikiem ciepła w obiegu górnego źródła ciepła jest substancja o nazwie Tyfocor. Jest to ciecz na bazie 1,2 glikolu propylenowego zawierająca również: biocydy i inhibitory korozji. Biocydy są to środki biobójcze, zapobiegające
rozwojowi bakterii, grzybów i glonów, które mogą powodować powstawanie
korozji mikrobiologicznej, degradacji właściwości czynnika oraz rozwojowi
bakterii chorobotwórczych. Natomiast inhibitory korozji chronią elementy instalacji przed korozją chemiczną i elektrochemiczną.
3.2. Dolne źródło ciepła
Jako dolne źródło ciepła, do którego rozpraszane jest ciepło pobierane
ze skraplacza, wykorzystuje się otoczenie. W tym celu zbudowano instalację
86
pracującą z tym samym czynnikiem roboczym, co w układzie górnego źródła,
który ciepło przekazuje w suchej chłodnicy powietrznej z konwekcją wymuszoną. Zastosowano chłodnicę wentylacyjną o mocy 30 kW współpracującą
z wentylatorem kanałowym.
Rys. 4. Schemat obiegu dolnego źródła ciepła:
1 – chłodnica powietrzna z konwekcją wymuszoną; 2 – sprzęgło hydrauliczne; 3 – pompa
Obieg dolnego źródła pracuje również jako odbiornik awaryjny, zapobiegający nadmiernemu wzrostowi temperatury czynnika w układzie, gdy pobór
mocy cieplnej przez przyłączone odbiorniki jest mniejszy, niż chwilowa moc
cieplna uzyskiwana na kolektorach słonecznych.
3.3. Obieg ORC
Obieg Clausiusa-Rankine’a jest próbą zrealizowania silnikowego obiegu
Carnota. Jednak ze względu na właściwości czynników roboczych oraz brak
możliwości zrealizowania w praktyce niektórych przemian powodują, że obieg
C-R pokrywa się z obiegiem idealnym tylko częściowo. W praktyce można
zrealizować procesy izotermicznego doprowadzania ciepła w obszarze pary
mokrej (przemiana 2A–3), rozprężania izentropowego (przemiana 3–4) i izotermicznego odprowadzania ciepła w skraplaczu (przemiana 4–1). Natomiast nie
ma technicznych możliwości, by przeprowadzić izentropowe sprężenie czynnika
roboczego w przedziale temperatur T1 do T2A. Zastępczo realizuje się ten proces dwuetapowo – rysunek 5a. Najpierw w pompie odbywa się podwyższanie
ciśnienia, od ciśnienia p1 = p4 do ciśnienia p2 = p3, równemu ciśnieniu nasycenia
na górnej izotermie T2A = T3 (przemiana 1–2). Następnie ciecz o podwyższonym
ciśnieniu podgrzewana jest do temperatury wrzenia T2A (przemiana 2–2A),
a następnie odparowywana – stan 3. Kolejne odstępstwo od obiegu Carnota
wynika z możliwości podwyższenia sprawności obiegu oraz przedłużenia trwałości rozprężarek (wyeliminowanie erozji łopatek turbin). Polega ono na przegrzewaniu pary – przemiany jakim podlega czynnik przestawiono na rysunku 5b.
a)
87
b)
Rys. 5. Obieg Clausiusa-Rankine’a we współrzędnych T-s:
a) obieg mokry; b) obieg C-R z przegrzewem pary
W tym przypadku dostarczanie ciepła, dzięki podwyższeniu temperatury górnego źródła, prowadzi się nie do krzywej x = 1, ale dalej na prawo od tej krzywej,
i w konsekwencji cały proces rozprężania (przemiana 3–4) zachodzi w obszarze
pary przegrzanej.
Sprawność obiegu Clausiusa-Rankine’a oblicza się z zależności:
ηC −R =
l ob q d − q w
=
qd
qd
(4)
W energetyce zawodowej, w układach C-R, powszechnie stosowanym
czynnikiem roboczym jest woda. W przypadku siłowni wykorzystujących niskotemperaturową energię cieplną, użycie wody jako czynnika roboczego nie jest
korzystne. Konieczne jest więc znalezienie substancji o właściwościach lepiej
dopasowanych do takiego zakresu temperatur pracy. Najczęściej wybierane są
freony, których współczynnik kierunkowy krzywej x = 1, dT/ds > 0 – czyli tzw.
czynniki suche [3, 5].
Rys. 6. Regeneracja ciepła w obiegu ClausiusaRankine’a we współrzędnych T-s
88
W konsekwencji zmodyfikować trzeba również konstrukcję siłowni,
dopasowując ją do właściwości tego rodzaju czynników. Problem ten dotyczy
zwłaszcza możliwych do zastosowania metod podwyższania sprawności.
Okazuje się bowiem, że jedyną możliwą do zastosowania i mogącą przynieść
zadowalające rezultaty metodą jest regeneracja ciepła. Analiza obiegu na
wykresie T-s dla suchego czynnika roboczego wskazuje, że para przegrzana
wypływająca z rozprężarki ma temperaturę znacznie wyższą od temperatury
kondensacji przy danym ciśnieniu (T4 > T1). Zatem, możliwe jest wykorzystanie
ciepła przegrzania (odcinek 4–4R na rys. 6) do wstępnego podgrzania czynnika
(2–2R).
Sprawność podstawowego obiegu można wyrazić zależnością:
ηC −R =
lt − l p
qd
=
(i3 − i4 ) − (i2 − i1 )
i3 − i 2
(5)
Po zastosowaniu wymiennika regeneracyjnego, ilość ciepła doprowadzanego do układu zmniejszy się o ciepło regeneracji: qR = i2R – i2, zatem sprawność zmodyfikowanego obiegu wyniesie:
ηC −R =
(i3 − i4 ) − (i2 − i1 )
i3 − i 2 R
(6)
Obieg ORC przewidziany do badań systemu mikrogeneracyjnego zbudowany został w wersji z regeneracją. Jego schemat przedstawiono na rysunku 7.
Rys. 7. Schemat obiegu ORC:
1 – parowacz; 2 – rozprężarka z generatorem; 3 – skraplacz; 4 – pompa
obiegowa; 5 – wymiennik regeneracyjny; 6 – sprzęgło hydrauliczne; 7 – kocioł
elektryczny; 8 – chłodnica powietrzna z konwekcją wymuszoną; 9 – pompa;
10 – naczynie wzbiorcze; 11 – zawór bezpieczeństwa
89
Funkcję parowacza spełnia wymiennik płaszczowo-rurowy typu JAD 6.50
o powierzchni wymiany ciepła 5,7 m2. Wymiennik zamontowano w pozycji
pionowej, a poziom zwierciadła ciekłego czynnika jest monitorowany, aby
zapewnić powierzchnię wymiany ciepła wystarczającą do dokładnego osuszenia pary czynnika roboczego. Parowacz zasilany jest przeciwprądowo z opisanego powyżej górnego źródła ciepła. Uzupełniającym źródłem ciepła jest kocioł
elektryczny włączony szeregowo z obiegiem górnego źródła. Kocioł spełnia
w układzie dwie ważne funkcje. Po pierwsze, umożliwia prowadzenie badań
układu siłowni niezależnie od warunków atmosferycznych. Po drugie, pozwala
na zniwelowanie wahań mocy cieplnej uzyskiwanej z kolektorów i badanie
układu siłowni w warunkach ustalonych. Możliwość zapewnienia stabilnych
warunków pracy układu ORC jest szczególnie istotna w fazie opracowywania
algorytmu regulacji i sterowania. Kocioł wyposażony jest w trzy niezależnie
sterowane grzałki, każda o mocy 3 kW. Takie rozwiązanie pozwala na regulację
mocy kotła w szerokim zakresie.
Dolne źródło ciepła odbiera ciepło ze skraplacza. Funkcję tę pełnią
połączone równolegle wymienniki płytowe AC20 o sumarycznej powierzchni
wymiany ciepła 1 m2. Rozwiązanie to ma na celu minimalizację oporów
hydraulicznych po stronie czynnika roboczego oraz ograniczenie ryzyka
wystąpienia stanu, w którym do pompy kondensatu zasysany będzie czynnik
z korkami gazowymi.
Przy mniejszych mocach, od kilku do kilkudziesięciu kilowatów, jako
rozprężarek używa się maszyn objętościowych. W omawianym zastosowaniu
mają one szereg zalet w odniesieniu do maszyn przepływowych: mogą pracować przy niewielkim stopniu rozprężania, mają prostą konstrukcję, kompaktową
budowę, charakteryzują się dużą niezawodnością. Pracują przy niewielkich
prędkościach obrotowych oraz niskim poziomie hałasu i wibracji. Ponadto maszyny objętościowe mają dużą sprawność izentropową, możliwy jest samoczynny rozruch pod obciążeniem, a także można je stosować dla różnych
czynników roboczych. W literaturze spotyka się opisy układów z maszynami
jedno- i wielołopatkowymi, śrubowymi, silnikami Wankla. W układzie modelowym zastosowano silnik pneumatyczny Archimedes 2M37. Jest to wielołopatkowa maszyna rotacyjna.
3.4. Sprężarkowy obieg chłodniczy
Jak wspomniano wcześniej, w lewobieżnym obiegu Carnota, dzięki dostarczonej z zewnątrz energii, możliwe jest wymuszenie przepływu ciepła z dolnego źródła, o temperaturze niższej od temperatury otoczenia i przekazywanie
go do otoczenia. Urządzenia, które realizują taki obieg, nazywa się chłodni-
90
czymi, a w zależności od sposobu doprowadzania energii do sytemu, dzieli się
je na: sprężarkowe i absorpcyjne. Zasadniczym elementem chłodziarek sprężarkowych jest sprężarka, w której czynnik chłodniczy podlega sprężaniu przez
doprowadzenie pracy do systemu. Natomiast chłodziarki absorpcyjne działają
dzięki doprowadzeniu do nich ciepła ze źródła o temperaturze wyższej od
temperatury otoczenia.
Rzeczywiste parowe urządzenia chłodnicze działają według obiegu
Lindego w układzie para – ciecz (rysunek 8a). Czynnik chłodniczy odparowuje
w przemianie izobaryczno-termicznej 4–1 obiegu, pobierając ciepło qd z przestrzeni chłodniczej i utrzymując w ten sposób stałą temperaturę T0 tej przestrzeni.
Sprężarka spręża czynnik w procesie adiabatyczno-izentropowym do stanu 2.
Skroplenie par zachodzi podczas przemiany izobaryczno-izotermicznej 2–3
dzięki odprowadzeniu ciepła qw do otoczenia o temperaturze T. Skropliny o stanie opisanym punktem 3 rozprężane są izentropowo w maszynie rozprężnej
do ciśnienia p0, osiągając stan 4. Możliwości techniczne, również i w tym
przypadku, nie pozwalają na wierną realizację opisanego cyklu.
O ile możliwe jest zrealizowanie przemian izobaryczno-izotermicznych
zachodzących w parowniku i skraplaczu, to izentropowe rozprężanie czynnika,
w pożądanym zakresie ciśnień, już nie. Problem polega na tym też przemiana
3–4, wymaga przeprowadzenia rozprężania cieczy połączonego z jej częściowym odparowaniem. W tym momencie, w obiegach rzeczywistych, dopuszcza
się odstępstwo od obiegu teoretycznego (rysunek 8b): ze względu na niewielką
wartość pracy rozprężania, rezygnuje się z rozprężarki i odzyskiwania w niej
pracy. W zastępstwie czynnik dławi się izentalpowo w zaworze regulacyjnym,
jednocześnie redukując ciśnienie i obniżając temperaturę z T do T0. Skutkiem
tego, że i3 = i4, maleje wydajność chłodnicza rzeczywistego obiegu Lindego
w stosunku do obiegu Carnota o Δqd, a praca obiegu Lindego jest równa pracy
sprężania.
a)
b)
c)
Rys. 8. Modyfikacje obiegu Lindego we współrzędnych T-s:
a) obieg mokry; b) obieg z rozprężaniem pary w zaworze; c) suchy obieg Lindego ze sprężaniem w obszarze pary suchej
91
Dodatkowa trudność wynika stąd, że by zrealizować taki ciąg przemian,
stan pary na wlocie do sprężarki powinien być dobrany tak, by po jej izentropowym sprężeniu uzyskać parę nasyconą suchą (o stanie leżącym na linii
x = 1). W rzeczywistych układach dopuszcza się odstępstwo od obiegu teoretycznego i przesuwa początek sprężania do stanu pary nasyconej suchej,
a w konsekwencji stan 2 w obszar pary przegrzanej (rys. 8c). Ponieważ w skraplaczu trzeba odprowadzić ciepło przegrzania, proces ten najpierw odbywa się
izobarycznie i nieizotermicznie, a izotermicznie dopiero w obszarze pary mokrej. W efekcie rośnie ilość ciepła odbieranego przez parujący czynnik w przemianie 4–1, ale rośnie również praca napędu sprężarki.
Współczynnik wydajności chłodniczej obiegu Lindego po uwzględnieniu
powyższych modyfikacji można wyrazić równaniem:
εL =
q d i1 − i4
=
l ob i2 − i1
(7)
Czynniki obiegowe sprężarkowych urządzeń chłodniczych muszą charakteryzować się określonymi właściwościami. Przede wszystkim powinny mieć
duże ciepło parowania przy małej objętości właściwej pary. Pozwala to na
ograniczenie ilości czynnika w układzie oraz na zastosowanie niewielkiej sprężarki. Ponadto czynnik obiegowy powinien mieć niską temperaturę krzepnięcia
w zakresie ciśnień stosowanych w chłodnictwie, powinien być nietoksyczny, tani
i niekorodujący. Dobrymi właściwościami chłodniczymi charakteryzuje się amoniak, który jednak nie spełnia wszystkich wymagań – jest toksyczny i korozyjny
(dla stopów miedzi) oraz jest wybuchowy w roztworze z powietrzem. Mimo to
jest często stosowany w urządzeniach przemysłowych. Wad amoniaku pozbawione są freony. Najczęściej używa się ich w urządzeniach o niewielkich
mocach: chłodziarkach domowych czy klimatyzatorach typu split.
Do zastosowania w systemie mikrogeneracyjnym przewidziano użycie
fabrycznego klimatyzatora sprężarkowego Fujitsu ASYA07LGC o wydajności
chłodniczej 2,1 kW. Czynnikiem roboczym jest freon R410A. Przy obciążeniu
znamionowym, pobór energii elektrycznej wynosi 0,47 kW.
3.5. Absorpcyjny obieg chłodniczy
Działanie chłodziarek absorpcyjnych jest analogiczne do chłodziarek
sprężarkowych. Stąd też wynikają znaczące podobieństwa, jeśli chodzi o elementy składowe tych urządzeń. Oba rodzaje urządzeń mają wymiennik ciepła
zwany skraplaczem, zadaniem którego jest przekazywanie ciepła do otoczenia,
92
zawór dławiący i parownik, czyli wymiennik ciepła, który odbiera ciepło z przestrzeni chłodzonej. Pozostałe elementy agregatu absorpcyjnego zastępują sprężarkę i umożliwiają realizację obiegu lewobieżnego dzięki energii cieplnej
dostarczanej do warnika. Warnik, absorber, zawór regulujący i pompa tworzą
swego rodzaju wtórny obieg czynnika, który dostarcza do podstawowego obiegu chłodniczego czynnika o odpowiednim stężeniu oraz zapewnia jego cyrkulację.
Na rysunku 9 przedstawiono schemat ideowy absorpcyjnego urządzenia
chłodniczego. Czynnik roboczy, którym zwykle jest wodny roztwór amoniaku,
odparowuje pod wpływem ciepła qd doprowadzonego do warnika, dostarczając
do obiegu parę o dużym stężeniu amoniaku i niewielkiej domieszce rozpuszczalnika (pary wodnej). Dzięki ciągłemu pompowaniu roztworu wzbogaconego
w amoniak z absorbera do warnika, utrzymuje się jego stałe stężenie i w ten
sposób zachowuje ciągłość procesu otrzymywania bezwodnych par amoniaku.
Wytworzona para amoniaku przepływa do skraplacza, w którym oddaje ciepło
i skrapla się. W zaworze dławiącym skropliny zostają rozprężone do ciśnienia
określonego wymaganą temperaturą nasycenia. Ciekły amoniak o niskiej temperaturze wrzenia i niskim ciśnieniu przepływa do parownika i odparowując,
pobiera ciepło z dolnego źródła. Pary amoniaku wprowadzane są do absorbera,
w którym łączą się ze zubożonym roztworem spływającym poprzez zawór regulacyjny z warnika. Proces absorpcji jest silnie egzotermiczny i aby nie dopuścić
do nadmiernego wzrostu temperatury i ciśnienia, z absorbera należy odprowadzać ciepło. Obieg czynnika w układzie zamyka się, pompując wzbogacony
roztwór amoniaku do warnika.
Rys. 9. Absorpcyjny obieg chłodniczy:
1 – warnik; 2 – skraplacz; 3 – zawór rozprężny; 4 – parowacz; 5 – absorber; 6 – zawór regulacyjny; 7 – pompa
Efektywność tego procesu można poprawić dzięki wykorzystaniu różnic
temperatur czynnika w różnych częściach obiegu. Wiąże się to z koniecznością
zastosowania dodatkowych wymienników ciepła. Ponieważ temperatura pary
wpływającej do absorbera nie wpływa na sprawność systemu, można ją wy-
93
korzystać w pierwszym z wymienników regeneracyjnych, by dodatkowo ochłodzić ciecz wypływającą ze skraplacza. Drugi wymiennik regeneracyjny wykorzystuje ciepło zubożonego roztworu spływającego z warnika do ogrzania bogatego pompowanego z absorbera.
Najbardziej rozpowszechnionym czynnikiem obiegowym w chłodniczych
urządzeniach absorpcyjnych jest roztwór amoniak – woda. Spotyka się również
urządzenia pracujące na roztworach takich jak: amoniak – chlorek wapniowy,
woda – bromek litu, woda – chlorek litu, alkohol metylowy – bromek litu. Obecnie coraz szersze zastosowanie, zwłaszcza w klimatyzacji, znajduje roztwór
woda – bromek litu. Z punktu widzenia opisywanej aplikacji, wszystkie popularne czynniki robocze, zarówno roztwór amoniaku, jak i bromku litu, nie nadają
się do wykorzystania ze względu na wymaganą wysoką temperaturę górnego
źródła, wynoszącą minimum 120 – 130°C. Z tego powodu koniecznym było
znalezienie innego czynnika roboczego oraz opracowanie konstrukcji urządzenia, które mogłoby pracować zasilane z górnego źródła o temperaturze
rzędu 80 – 90°C. Wybrano roztwór metyloamina – woda. Dla tego czynnika
zaprojektowano agregat absorpcyjny w konwencjonalnym układzie z dwoma
wymiennikami regeneracyjnymi (rys. 10).
Rys. 10. Absorpcyjny obieg chłodniczy z regeneracją
ciepła: 1 – warnik; 2 – skraplacz; 3 – zawór rozprężny;
4 – parowacz; 5 – absorber; 6 – zawór regulacyjny; 7 – pompa; 8 – wymienniki regeneracyjne; 9 – sprzęgło hydrauliczne; 10 – chłodnica powietrzna
Obliczeniowa temperatura w warniku wynosi 86,7°C, a temperatura
czynnika na wlocie do parowacza –1°C. Moc chłodnicza agregatu sięga 0,7 kW.
94
Wszystkie wymienniki ciepła zaprojektowano jako płaszczowo-rurowe ze stali
nierdzewnej. Ze względu na niewielki strumień masy (około 36 kg/h), do przetłaczania czynnika w obiegu zastosowano pompę membranową Grundfos DME 60-10.
Wydajność pompy może być regulowana płynnie w zakresie od 0 do 60 dm3/h,
a maksymalne ciśnienie tłoczenia 10 barów.
3.6. Układ przygotowania
ciepłej wody
Nadwyżki energii cieplnej, pozyskiwanej w kolektorach słonecznych oraz
ciepło o temperaturze zbyt niskiej do zasilania układu ORC czy chłodziarki
absorpcyjnej, można wykorzystać do przygotowania ciepłej wody na potrzeby
bytowo-gospodarcze. Do zrealizowania tego zadania przewidziano oddzielny
obieg włączony do systemu.
W przyjętym rozwiązaniu pompa cyrkulacyjna stale przetłacza wodę
między zasobnikiem a wymiennikiem. Algorytm sterowania reguluje jej wydatek
tak, by ładować zasobnik wodą o temperaturze maksymalnie 60°C. Jednocześnie, na skutek rozbioru wody w budynku, zachodzi rozładowanie zasobnika:
zimna woda z sieci wodociągowej wpływa do zasobnika, a wstępnie podgrzana
z zasobnika płynie dalej, do węzła cieplnego. Dodatkowo takie rozwiązanie
pozwala, przy minimalnej ingerencji w istniejącą instalację, na ewentualne
dogrzewanie do wymaganej temperatury ciepłej wody w węźle cieplnym. Układ
wyposażony został w system zabezpieczeń niwelujący zmiany objętości wody
w wyniku zmian temperatury oraz zapobiegający uszkodzeniu elementów
instalacji na skutek gwałtownych zmian ciśnienia w sieci wodociągowej.
Rys. 11. Układ przygotowania ciepłej wody:
1 – wymiennik ciepła; 2 – sprzęgło hydrauliczne; 3 – pompa;
4 – naczynie wzbiorcze; 5 – zawór bezpieczeństwa; 6 – zasobnik ciepłej wody
95
3.7. Ogniwa fotowoltaiczne
Energia elektryczna na potrzeby własne systemu – czyli do zasilania
układu sterowania, pomp, wentylatorów itp. – pochodzi z ogniw fotowoltaicznych. Zainstalowano baterię ośmiu ogniw monokrystalicznych o łącznej mocy
1 kW. Ogniwa współpracują w systemie kontroli rozdziału mocy i nadzoru
ładowania firmy Steca. Centralną jednostką jest programowalny regulator
ładowania Tarom 440. Nadwyżki energii gromadzone są w baterii akumulatorów
o pojemności 800 Ah. Algorytm regulatora traktuje priorytetowo procedury
mające na celu przedłużanie trwałości akumulatorów. Aktualna wartość stopnia
naładowania (State Of Charge) wyliczana jest przez algorytm na podstawie
bilansu energii, a nie napięcia na zaciskach akumulatora. Zależnie od stopnia
ich naładowania i chwilowego obciążenia, energia elektryczna z fotoogniw kierowana jest do odbiorników lub doładowuje akumulatory. Jeżeli moc chwilowa
ogniw jest mniejsza od aktualnego zapotrzebowania, deficyt uzupełniany jest
z instalacji energetycznej budynku za pośrednictwem inwertera (Steca XPC
2200). Najważniejsze parametry pracy układu są archiwizowane przez oddzielny moduł (Tarom Datalogger).
3.8. Układ sterowania i regulacji
Sterowanie, regulacja i rejestracja parametrów pracy systemu mikrogeneracyjnego odbywa się dzięki urządzeniom Compact Field Point firmy National
Instruments. Podstawowym elementem systemu jest kontroler z systemem
czasu rzeczywistego, na którym działa program z algorytmem regulacji. Kontroler ma możliwość komunikowania się z komputerem lub z innymi kontrolerami
za pośrednictwem sieci Ethernet. Konfigurację wejść i wyjść można dostosowywać do potrzeb, podłączając do niego odpowiednie karty wejścia-wyjścia.
W prezentowanym układzie wykorzystano kilka rodzajów kart: do czujników
temperatury rezystancyjnych i termoparowych, wejść analogowych napięciowych i prądowych, wyjść analogowych, wejść i wyjść cyfrowych. Wszystkie
umożliwiają sprzętową kalibrację, filtrowanie i konwersję sygnałów na wielkości
inżynierskie. Współpracują one z czujnikami temperatury, ciśnienia i przepływu:
do pomiaru temperatur zastosowano czteroprzewodowe czujniki Pt100 firmy
Omega, do pomiaru ciśnień przetworniki PC-28 firmy Aplisens. Pomiar
strumienia objętości zrealizowano na przepływomierzach turbinkowych serii
FTB-900 firmy Omega oraz wodomierzach JS1.5 firmy PoWoGaz.
96
4. AKTUALNY STAN PRAC
Dotychczas zbudowano większość podsystemów. Uruchomione i działające są obiegi górnego i dolnego źródła ciepła oraz układ przygotowania ciepłej
wody. Obieg C-R jest gotowy do uruchomienia, a urządzenie absorpcyjne jest
w końcowej fazie montażu.
Przeprowadzone zostały badania wstępne z podstawowym obiegiem
Clausiusa-Rankine’a – bez wymiennika regeneracyjnego. Dzięki danym pomiarowym, uzyskanym w trakcie tych badań, możliwa jest analiza przemian termodynamicznych czynnika obiegowego. Na rysunku 12 przedstawiono przykładowy obieg termodynamiczny zachodzący w przebadanym układzie.
Uzyskana sprawność termodynamiczna sięga 8% i jest zbliżona do wyznaczanej w modelach teoretycznych opisywanych w literaturze. Model z [1],
w zależności od użytego czynnika roboczego, osiąga sprawność 12 ÷ 16%.
Jednak wartości te wyznaczono przy ΔT = 65 ÷ 90 K. Z kolei w modelu
opisanym w [9] sprawności termodynamiczne obiegu wynoszą 2 ÷ 12%, ale
zbudowany na podstawie modelu układ rzeczywisty, osiągał sprawności o ponad połowę niższe. Ponadto, opisywane w literaturze modele matematyczne
tworzone są w oparciu o szereg założeń upraszczających, np. stała, niezależnie
od mocy, sprawność rozprężarki, czy pominięcie strat ciśnienia w obiegu.
Rys. 12. Przemiany czynnika w obiegu ORC z wstępnej fazy badań, bez regeneracji ciepła, we współrzędnych T-s
97
Rys. 13. Sprawność termodynamiczna
obiegu ORC oraz przewidywany jej wzrost
po zastosowaniu regeneracji ciepła,
w funkcji różnicy temperatur źródeł górnego i dolnego
Na wykresie przedstawiającym obieg we współrzędnych T-s widać, że
temperatura pary opuszczającej rozprężarkę (punkt 4) jest o 18,5 K wyższa niż
temperatura cieczy wpływającej do parownika (punkt 2). Możliwe jest więc
wykorzystanie ciepła przegrzania pary do wstępnego podgrzania cieczy przed
odparowaniem. Przewidywany wzrost sprawności obiegu w badanym układzie
po zastosowaniu regeneracji ciepła przedstawiono na wykresie na rysunku 13.
Zaprojektowany i wykonany we wrocławskim Oddziale Instytutu Elektrotechniki system, składający się z kolektorów słonecznych, układu ORC i układu
chłodzenia, pozwala na prowadzenie badań nad wykorzystaniem energii słonecznej do produkcji prądu elektrycznego. Planowane dalsze prace badawcze
będą dotyczyły między innymi: wyboru optymalnego zespołu rozprężarka-generator oraz prób z różnymi czynnikami roboczymi, w celu zwiększenia
sprawności układu.
LITERATURA
1. Borsukiewicz-Gozdur A., Nowak W.: Comparative analysis of natural and synthetic refrigerants in application to low temperature Clausius-Rankine cycle. Energy, 32, 344–352, 2007.
2. Bryszewska-Mazurek A., Mazurek W.: Ekologiczna siłownia słoneczna – problemy związane
z doborem maszyny ekspansyjnej. V Konferencja Naukowa Postępy w Elektrotechnologii,
Jamrozowa Polana, Oficyna Wydawnicza PWr., Wrocław, 203–208, 2003.
3. Devotta S., Holland F.: Comparison of theoretical Rankine power cycle performance data for
24 working fluids. Heat Recovery Systems & CHP, 5 (6), 503–510, 1995.
4. Srikhirin P., Aphornratana S., Chungpaibulpatana S.: A review of absorption refrigeration
Technologies. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 5, 343–372, 2001.
5. Saleh B., Koglbauer G., Wendland M., Fisher J.: Working fluids for low-temperature organic
Rankine cycles. Energy, 32, 1210–1221, 2007.
98
6. Tierney M. J.: Options for solar-assisted refrigeration – Trough collectors and double-effects
chillers. Renewable Energy, 32, 183–199, 2007.
7. Werszko D.: Wybrane zagadnienia z techniki cieplnej. Oficyna Wydawnicza Politechniki
Wrocławskiej, Wrocław, 1999.
8. Zhai X. Q., Wang R. Z., Wu J. Y., Dai Y. J., Ma Q.: Design and performance of a solarpowered air conditioning system In a Green building. Applied Energy, 85, 297–311, 2008.
9. Yamamoto T., Furuhata T., Arai N., Mori K.: Design and testing of the Organic Rankine Cycle.
Energy, 26, 239–251, 2001.
Rękopis dostarczono dnia 27.10.2009 r.
Opiniował: dr hab. inż. Wojciech Jarzyna
UTILIZATION OF SOLAR ENERGY
FOR MICRO-CHP
W. MAZUREK, T. ŚWIEBODA
ABSTRACT
This paper presents current state of work, carried
out at Electrotechnical Institute – Wroclaw Division, referred to
a microge-neration system supplied with solar energy.
The whole setup was designed to investigate the possibilities
of combined heat and power generation for low power consumers
e.g. small flat buildings, office or public service buildings. Each
of mentioned application areas require supply of thermal energy (heat
and cool) to provide thermal comfort conditions, heat energy to domestic
water heating and electric power.
Sunlight can be converted to energy using solar thermal collectors
or photovoltaic panels. Obtained energy can be utilized, depending
on chosen variant, to supply cooling absorption unit, vaporcompression unit, organic Rankine cycle and water heating system.
Dr inż. Wojciech MAZUREK w roku 1994 ukończył studia na Wydziale
Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej. Jest adiunktem w Instytucie Klimatyzacji i Ogrzewnictwa Politechniki Wrocławskiej oraz we Wrocławskim Oddziale
Instytutu Elektrotechniki. Specjalizuje się w zagadnieniach związanych z wymianą
ciepła i masy oraz pozyskiwaniem energii ze źródeł odnawialnych.
Mgr inż. Tymoteusz ŚWIEBODA w 2002 r. ukończył studia na Wydziale
Inżynierii Środowiska, a w 2005 r. na Wydziale Mechaniczno-Energetycznym Politechniki Wrocławskiej. Jest zatrudniony na stanowisku inżyniera technologa w Instytucie Elektrotechniki we Wrocławiu. Specjalność: technika cieplna.
99
100

WYKORZYSTANIE ENERGII SŁONECZNEJ W MIKROGENERACJI

Transkrypt

Podobne dokumenty

Chłodziarki -

Elektroniczny obieg dokumentów

INSTYTUCJA: Politechnika Gdańska, Dział Obiegu i

Elektroniczny System Obiegu Dokumentów dla Firm

wykład V: Elektrownie z turbinami gazowymi

Mam na myśli systemy, nie tylko infrastrukturę w sensie nowych

Dietrisol Quadro DU 500

Scenariusz - DRUGIE DNO H2O… - Ośrodek Działań Ekologicznych