analysis of power flow in cogeneration system with a stirling engine

analysis of power flow in cogeneration system with a stirling engine

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(98)/2014
Adrian Chmielewski1, Stanisław Radkowski2, Krzysztof Szczurowski3
ANALIZA ROZPŁYWU MOCY W UKŁADZIE KOGENERACYJNYM
Z SILNIKIEM STIRLINGA
1. Wstęp
Obecnie w UE oraz na świecie rozwijane są układy kogeneracyjne i trigeneracyjne
[1] wykorzystujące zarówno ciepło odpadowe jak również energię słoneczną [2, 3, 4, 5].
Unia europejska narzuca na Państwa członkowskie "co narzuca" poprzez pakiet
europejski, który zawiera: zmniejszenie zużycia energii końcowej (20%), wzrost udziału
odnawialnych źródeł energii w politykach energetycznych Państw członkowskich
(20%), redukcję emisji gazów cieplarnianych (20%) oraz zwiększenie efektywności
wykorzystania i przetworzenia energii z paliw kopalnych [6]. Polskie prawo
energetyczne [7] definiuje kogenerację jako równoczesne wytwarzanie ciepła i energii
elektrycznej bądź mechanicznej podczas tego samego procesu technologicznego.
Literatura anglojęzyczna nazywa w skrócie kogenerację jako CHP (Combined heat and
Power). W Polskim prawie energetycznym istnieje jeszcze dodatkowe pojęcie
wysokosprawnej kogeneracji. Należy ją rozumieć jako wytwarzanie energii elektrycznej
bądź mechanicznej, która zapewnia oszczędność energii pierwotnej [8, 9] nie mniejszej
niż 10% w odniesieniu do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w układach
rozdzielonych. W odniesieniu do lokalnych grup odbiorców (producentów energii)
wprowadza się pojęcie mikrokogeneracji, która zgodnie z zapisami dyrektywy
2004/8/EC oznacza produkcję skojarzoną energii elektrycznej z maksymalną
wydajnością poniżej 50 kW. Dedykowana jest ona zatem do prywatnych
przedsiębiorstw, małych fabryk oraz gospodarstw domowych. Mikrokogeneracja
zawiera się w generacji rozproszonej rozumianej jako zdecentralizowane wytwarzanie
energii elektrycznej. Ideą generacji rozproszonej jest zwiększenie niezawodności
przesyłu energii i wyeliminowanie przerw w dostawach do odbiorców tzw. blackout, (i
strat przesyłu). W budownictwie [10, 11] a szczególnie w bussines parkach spotyka się
inną odmianę kogeneracji tzw. trigenerację (zintegrowane wytwarzanie z odpadowego
strumienia cieplnego bądź źródeł alternatywnych ciepła, chłodu oraz energii
elektrycznej) [12].
Układy kogeneracyjne i trigeneracyjne bardzo silnie rozwijane są w Państwach
Europy zachodniej (m.in: Niemcy, Belgia, Holandia, Austria oraz Państwach
skandynawskich). Według raportu PolySMART [13] oraz prowadzonych projektów w
Austrii (schemat funkcjonalny układu trigeneracyjnego przedstawiono na rysunku 1)
osiąga się efektywne ogrzewanie budynku przy jednoczesnej produkcji energii
elektrycznej do zasilania budynku. Badania prowadzone były na dwóch domach
mieszkalnych w Austrii.
Mgr inż. Adrian Chmielewski, doktorant na wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych.
Prof. dr hab. inż. Stanisław Radkowski, profesor, dziekan na wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych.
3
Dr inż.Krzysztof Szczurowski, kierownik Zintegrowanego Środowiskowego Laboratorium Systemów
Mechatronicznych Pojazdów i Maszyn Roboczych
1
2
73
W układzie trigeneracyjnym (rysunek 1), który jednocześnie ogrzewa wodę i
wytwarza energię elektryczną) użyto silnik Stirlinga. Ciepła woda kierowana jest do
chillera absorpcyjnego gdzie wykorzystywana jest do odparowania czynnika
chłodniczego, który służy do chłodzenia pomieszczenia jeżeli zaistnieje taka potrzeba.
Do podgrzewania wody w instalacji (rysunek 1) służą również kolektory słoneczne.
Energia słońca jest wykorzystywana do podgrzewania wody (ciepła woda użytkowa w
skrócie CWU).
Rys.1. Schemat funkcjonalny układu trigeneracyjnego [13]
Źródłem ciepła dla układu trigeneracyjnego (rysunek 1 i 2) jest spalanie zrębków
drewna w kotle grzewczym. Należy pamiętać, że ogólnie źródłem ciepła dla silnika
Stirlinga może być spalanie dowolnego paliwa (stałego, ciekłego oraz gazowego).
Rys. 2. Trigeneracyjny układ odzysku energii (firmy Pink Ges.m.b.H 8665) – po lewej,
po prawej silnik Stirlinga [13, 14]
74
W niniejszej pracy, w kolejnych rozdziałach przedstawiono analizę rozpływu mocy
w układzie kogeneracyjnym z silnikiem Stirlinga obciążonym maszyną elektryczną.
2. Analiza rozpływu mocy w układzie kogeneracyjnym
Analizę rozpływu mocy w układzie kogeneracyjnym przeprowadzono przy użyciu
diagramu Sankey'a– przedstawionego na rysunku 3.
Rys. 3. Diagram Sankey'a – przepływu mocy w układzie kogeneracyjnym z silnikiem
Stirlinga [15]
Moc wejściowa do układu kogeneracyjnego (rysunek 3) wynika z wartości opałowej
gazu propan – butan oraz wydatku godzinowego, które są pomniejszone o straty
wylotowe, straty w wyniku konwekcji cieplnej przez ścianki osłony bilansowej na
nagrzewnicy oraz straty w wyniku ogrzewania objętości powietrza od elementów
stalowych.
Pwej
G Wu ( Pwyl
Pkon
Pair )
(1)
gdzie:
G Wu – iloczyn wartości opałowej oraz godzinowego zużycia paliwa (dla LPG
Wu
46MJ / kg ),
Pwyl – Straty wylotowe, szczegółowo opracowane w [15],
Pkon – Straty wynikające z przewodzenia przez ścianki rury [15],
Pair – strata w wyniku ogrzewania objętości powietrza od elementów konstrukcyjnych
oraz gazu, LPG wynosi dla palenisk gazowych według [15] od 0,5 – 0,8% wartości
strumienia GWu.
Moc termodynamiczna gazu roboczego uwzględnia straty wynikające z konwekcji
cieplnej w nagrzewnicy, regeneratorze, chłodnicy oraz bilansu dla Silnika Stirlinga,
którą można zapisać zależnością:
Pterm
term
term
Pwej
(2)
– sprawność silnika Stirlinga (w przypadku sprawności teoretycznej silnika Stirlinga
bez strat
term
1 qe / qc dla modelu I rzędu [16, 17]). Na potrzeby pracy [15] zbudowany
został model silnika Stirlinga, który był rozbudowany i w konsekwencji posłużył do
75
budowy modelu II rzędu. Dla modelu II rzędu z uwzględnieniem bilansu strat sprawność
użyteczna silnika Stirlinga wynosi [15, 16, 18]:
Ne
term
N t1 Q wym Q reg Q nag N f
N th
N tc
(3)
e
Qe
Pwej Q rh Q w Q ts Q p Q its (Q wym 0.5 Q reg Q nag N v )
gdzie na podstawie [16, 18, 19, 20]:
N t1 – moc obliczona na podstawie porównawczego obiegu cieplnego,
Q reg – strata strumienia energii wskutek oporów przepływu na regeneratorze,
Q nag – strata strumienia energii wskutek oporów przepływu na nagrzewnicy,
Q wym – strata strumienia energii wskutek oporów przepływu na chłodnicy,
N f – strata strumienia energii w wyniku tarcia,
N th – strata strumienia energii w przestrzeni rozprężania,
N tc – strata strumienia energii w przestrzeni sprężania,
Q rh – strata strumienia ciepła wskutek niedoskonałości regeneracji,
Q w – strata strumienia ciepła wskutek ruchu tłoka w przestrzeni gorącej,
Nv – strata strumienia energii w wyniku histerezy wymiany ciepła w cylindrach,
Q ts – strata strumienia ciepła na skutek zmienności temperatury wkładu regeneratora,
Q its – strata strumienia ciepła na skutek zmienności amplitudy temperatury wkładu
regeneratora na jego długości.
Moc mechaniczna to moc termodynamiczna pomniejszona o sprawność przekładni
pasowej, którą możemy opisać zależnością:
Pmech
term
mech
Pwej
(4)
gdzie:
– sprawność przekładni pasowej, którą można wyrazić zależnością [21]:
mech
mech
M 2n2
100%
M1n1
(5)
gdzie:
M 2 – moment na wyjściu z przekładni,
M1 – moment na wejściu do przekładni,
n1 – prędkość obrotowa na wejściu do przekładni,
n2 – prędkość obrotowa na wyjściu z przekładni.
Moc elektryczna to moc mechaniczna pomniejszona o straty silnika elektrycznego
(spadek napięcia na maszynie elektrycznej – uwzględniana jest sprawność silnika
elektrycznego).
76
Pel
term
mech
(6)
Pwej
el
gdzie:
Pel
Pmech
el
Us I
M
(7)
gdzie:
Us– napięcie na silniku elektrycznym,
I – prąd na silniku elektrycznym,
M– moment na wale silnika Stirlinga,
ω– prędkość obrotowa wału silnika Stirlinga.
Moc rzeczywista (kogenerowana) jest to moc elektryczna uwzględniająca straty
układu sterowania.
Przecz
term
mech
el
rzecz
(8)
Pwej
gdzie na podstawie [22]:
– sprawność przesyłu i sterowania na elementach elektronicznych (
rzecz
rzecz
1)
Moc wyjściowa to moc kogenerowana pomniejszona o straty w ogniwie
elektrochemicznym (spadek napięcia na zaciskach akumulatora, rezystancji wewnętrznej
ogniwa– elektrod i elektrolitu).
Pkog
term
mech
el
rzecz
ak
(9)
Pwej
gdzie:
ia (t )
In
ak
(10)
gdzie:
ia(t)– prąd ładowania bądź wyładowania ogniwa,
In– prąd znamionowy akumulatora,
β– stała określana na podstawie równania Peukerta [22].
Moc wyjściowa do ponownego wykorzystania- wtórna (uwzględnia możliwość
magazynowania ładunku elektrycznego w ogniwie elektrochemicznym). Odnosi się ona
do zależności Peukerta [22]:
Pwtórna
Pwyj
Na rysunku 4 przedstawiono
kogeneracyjnym z silnikiem Stirlinga.
term
mech
el
interpretację
77
rzecz
2
ak
(11)
Pwej
rozpływu
mocy
w
układzie
Rys. 4. Interpretacja rozpływu mocy na układzie kogeneracyjnym z silnikiem Stirlinga
(model bryłowy)
Sprawność kogeneracji z uwzględnieniem magazynowania energii w akumulatorze
elektrochemicznym (rysunek 5b) określamy zależnością:
kog
wyj
term
mech
el
rzecz
Pwyj
Pwej
ak
(13)
Sprawność kogeneracji z uwzględnieniem ponownego wydatkowania energii
zmagazynowanej w akumulatorze elektrochemicznym (rysunek 5c) określamy
zależnością:
kogw
term
mech
el
2
ak
rzecz
a)
Pwtórna
Pwej
Pwyj
(14)
Pwej
b)
c)
Rys. 5. Moce wyjściowe z układu kogeneracyjnego a) moc wyjściowa zużywana na
bieżąco (zasilanie innej maszyny), b) Moc wyjściowa– magazynowanie w baterii, c)
moc wyjściowa do powtórnego wykorzystania przy magazynowaniu w baterii.
Jeżeli w układzie kogeneracyjnym nie występuje akumulator elektrochmiczny– moc
elektryczna wykorzystywana na bieżąco - rysunek 5a (można wtedy przyjąć ηak≈1)
wówczas moc kogeneracji wyniesie:
Pwyj
Pkog
Pel
term
78
mech
el
Pwej
(15)
Natomiast sprawność kogeneracji wyniesie:
kog
wyj
term
mech
el
Pwyj
Pwej
(16)
3. Magazynowanie energii w akumulatorze elektrochemicznym
W układzie kogeneracyjnym akumulator elektrochemiczny jest wtórnym źródłem
energii. Cechuje go praca odwracalna oraz możliwość magazynowania energii i
ponownego jej wydatkowania gdy nastąpi zapotrzebowanie na dodatkową moc.
Przykładem może być użycie stacjonarne układu np: zasilanie hal produkcyjnych.
Akumulator elektrochemiczny jest ładowany gdy nie ma zapotrzebowania na moc, zaś
moc jest wydatkowana z niego gdy nastąpi wzmożony pobór mocy elektrycznej (szczyt
pracy). Dodatkowo może być wykorzystywany do rozruchu układu kogeneracyjnego
przy użyciu silnika elektrycznego.
Akumulator elektrochemiczny powinien charakteryzować się:
wysoką sprawnością energetyczną na wejściu,
małymi stratami wewnętrznymi we wtórnym źródle energii podczas jej
magazynowania przez dostatecznie długi czas – zależny od warunku pracy
układu kogeneracyjnego,
dużą mocą chwilową przepływu energii z dużą sprawnością energetyczną
na wyjściu z ogniwa odwracalnego drugiego rzędu.
Obecnie najczęściej stosowanymi akumulatorami elektrochemicznymi są:
akumulatory kwasowo – ołowiowe, Niklowo – wodorkowe, Litowo – jonowe (matryca
katodowa z siarczku tytanu, Litowo – kobaltowa, litowo – nanofosfatowa, litowo–
manganowa czy też litowo – tytanowa) oraz Litowo–polimerowe [23]. Jeżeli w układzie
kogeneracyjnym podejmie się decyzję o stosowalności ogniwa odwracalnego drugiego
rodzaju należy zwrócić uwagę na odpowiedni dobór tego ogniwa aby praca układu
kogeneracyjnego była optymalna. Do wymagań przy doborze akumulatorów
elektrochemicznych należy zaliczyć:
warunki pracy ogniwa (zakres temperatur), pamiętając, że według [23]
zarówno zbyt wysoka jak i też niska temperatura otoczenia pogarsza
sprawność ogniwa i wpływa na zmniejszenie pojemności użytecznej,
obciążalność ogniwa odniesioną do warunków pracy,
dobór odpowiedniego sterownika do systemu zarządzania energią baterii
(obecnie producenci w oparciu o informację przekazaną przez klienta sami
sugerują układ zarządzania energią akumulatora). Zaliczyć do nich należy
warunki stopu/wyłączenia (gdy stopień naładowania akumulatora jest niższy
od dopuszczalnego bądź też nadmiernego przeładowywania gdy stopień
naładowania jest wyższy od dopuszczalnego). Optymalny poziom
naładowania ogniwa– podczas pracy dynamicznej powinien zawierać się w
zakresie od SOC min 0,2 do SOCmax 0,9 . Wówczas osiągane jest
kilkukrotne wydłużenie żywotności ogniwa [22].
4. Podsumowanie
W pracy przedstawiono analizę rozpływu mocy na diagramie Sankey'a z
wykorzystaniem układu kogeneracyjnego z silnikiem Stirlinga. Uwzględniono i
przeanalizowano zmiany postaci energii w układzie z możliwością magazynowania jej
nadmiaru w akumulatorze elektrochemicznym. Opisano wymagania stawiane
79
akumulatorom elektrochemicznym. Przeanalizowano również sposoby odbioru mocy
elektrycznej z układu kogeneracyjnego.
Literatura:
[1] Lin L., Wang Y., Al– Shemmeri T., Ruxton T., Turner S., Zeng S., Huang J., He
Y., Huang X. ,,An experimental investigation of a household size trigeneration'',
Applied Thermal Engineering, No. 20, pp–576–585, 2007.
[2] Puig–Arnavat M., Bruno J. C., Coronas A., ,,Modeling of trigeneration
configurations based on biomass gasification and comparison of performance'',
Applied Energy, Vol. 114, pp.845–856, 2014.
[3] Tora E. A., El–Halwagi Mahmoud M., ,,Integrated conceptual design of solar–
assisted trigeneration systems'', Computers and Chemical Engineering, Vol. 35,
pp1807–1814, 2011.
[4] Calise F., d'Accadia M. D., Vanoli L., ,,Design and dynamic simulation of a novel
solar trigeneration system based on hybrid photovoltaic/thermal collectors (PVT)'',
Energy Conversion and Management, Vol. 60, pp. 214–225, 2012.
[5] Chabane F., Noureddine M., Benramache S., ,,Experimental analysis on thermal
performance of a solar air collector with longitudinal fins in a region of Biskra,
Algeria", Journal of Power Technologies Vol. 93, No 1, pp. 52-58, 2013.
[6] http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_en.htm – aktualizacja 2014.
[7] Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997r. Prawo Energetyczne. Tekst ujednolicony w
Departamencie Prawnym i Rozstrzygania Sporów URE na dzień 1 stycznia 2014.
[8] Piętak A, Radkowski S.: Methane – a Fuel for Agriculture. Journal of KONES
Powertrain and Transport, Vol. 18, No. 4, 2011, pp 357–368.
[9] Piętak A., Radkowski S.: Biofuels – Opportunities and Vhallenges. Journal of
KONES Powertrain and Transport, Vol. 18, No. 3, 2011, pp 347–358.
[10] Huang Y., Wang Y D., Rezvani S., Mcllveen–Wright D. R., Anderson M., Hewitt
N. J., ,,Biomass fuelled trigeneration system in selected buildings'', Energy
Conversion and Management, Vol. 52, pp. 2448–2454, 2011.
[11] Entchev E., Yang L., Szadkowski F., Armstrong M., Swinton M., ,,Application of
hybrid micro–cogeneration system—Thermal and power energy solutions for
Canadian residences", Energy and Buildings, Vol. 60, pp.345–354, 2013.
[12] Kong X. Q., Wang R.Z., Wu J.Y., Huang X. H., Huangfu Y., Wu D.W., Xu Y.X.,
,,Experimental investigation of a micro–combined cooling, heating and power
system driven by a gas engine", International Journal of Refrigeration, Vol. 28, pp.
977–987, 2005.
[13] Information on http://www.polysmart.org/ (2013).
[14] Piętak A. Radkowski S., ,,Studium możliwości wykorzystania silników o obiegu
Stirlinga do kogeneracyjnych agregatów zasilanych biopaliwami'', wyd. IMP PAN,
tom 33 Gdańsk 2013.
[15] Chmielewski, A. , Modelowanie procesu kogeneracji energii z wykorzystaniem
badań stanowiskowych na silniku Stirlinga, Praca Magisterska, Warszawa 2013.
[16] Żmudzki S. ,Silniki Stirlinga, wyd. WNT,1993.
[17] Chmielewski A., Gumiński R., Mydłowski T., Radkowski S., ,,Modelowanie
Silnika Stirlinga typu Alfa w programie Matlab Simulink'', Zeszyty Naukowe
Instytutu Pojazdów 2(93)/2013, pp. 27–38.
[18] Walter G. ,,Stirling engines'', Oxford University Press, 1980.
[19] Urieli I. ,,A computer simulation of Stirling cycle machines'', Johannesburg,
80
February 1977.
[20] Shoureshi R. ,,Analysis and design of Stirling Engines for waste–heat recovery'',
Massachusetts Institute of Technology, 1981.
[21] Żółtowski, J. ,Podstawy konstrukcji maszyn– przekładnie, Oficyna wydawnicza
PW, Warszawa 2004.
[22] Szumanowski A. ,Energy storage in vehicles'', wyd. WKiŁ, Warsaw 1984.
[23] Czerwiński A. ,,Akumulatory, baterie, ogniwa'', wyd. WKiŁ, Warszawa 2005.
Streszczenie
W pracy przedstawiono analizę rozpływu mocy w układzie kogeneracyjnym z
silnikiem Stirlinga jednostronnego działania. Zobrazowane zostały straty występujące w
układzie kogeneracyjnym. Na modelu bryłowym stanowiska przedstawione zostały
straty wejściowe (strumienia ciepła, straty w wyniku konwekcji oraz straty ogrzewania
powietrza), straty na wymiennikach ciepła, na przekładni pasowej, przesyłu,
magazynowania energii w akumulatorze elektrochemicznym. Autorzy przeanalizowali
również możliwość odbioru energii elektrycznej z układu kogeneracyjnego. Niniejsza
analiza jest wstępnym etapem, który poprzedza modelowanie procesu kogeneracji
energii w układach z silnikiem Stirlinga. Zwrócono także uwagę na wymagania stawiane
doborowi
akumulatora
elektrochemicznego
współpracującego
z
układem
kogeneracyjnym. Akumulator jest wtórnym źródłem mocy, które cechuje praca
odwracalna (magazynuje energię elektryczną).
Słowa kluczowe: Mikrokogeneracja, Diagram Sankey'a, silnik Stirlinga, akumulator
elektrochemiczny.
ANALYSIS OF POWER FLOW IN COGENERATION SYSTEM WITH
A STIRLING ENGINE
Abstract
The paper presents analysis of power flow in a cogeneration system with a singleacting Stirling engine. The paper shown losses occurring in the cogeneration system. At
solid model is presented input loss (heat flux losses, losses due to convection air
heating), loss on heat exchangers for the transmission belt, losses on electric motor and
storage losses of energy in an electrochemical battery. The authors also analyzed the
possibility of receiving electricity from the cogeneration system. This analysis is initial
stage which precedes the modelling process of cogeneration systems with the Stirling
engine. Attention was also drawn to the requirements of the electrochemical battery
selection cooperating with cogeneration system. The battery is a secondary source of
power, which is characterized by reversible work (stores electrical energy).
Keywords: Micro–cogeneration, Sankey diagram, Stirling engine, electrochemical
battery.
81