MŰSZAKI TUDOMÁNYI DOKTORI ISKOLA Napkollektorok üzem jellemzőnek modellezése Doktor (PhD) értekezés tézse Péter Szabó István Gödöllő 015
A doktor skola megnevezése: Műszak Tudomány Doktor Iskola tudományága: Agrárműszak tudomány vezetője: Prof. Dr. Farkas István DSc. SZIE Műszak Tudomány Doktor Iskola vezetője témavezető: Prof. Dr. Szendrő Péter DSc SZIE Gépészmérnök Kar Mechanka és Géptan - Gépszerkezettan Tanszék társtémavezető: Prof. Dr. Keszthely- Szabó Gábor DSc SZTE Mérnök Kar Folyamatmérnök Intézet az skolavezető jóváhagyása a témavezető jóváhagyása
TARTALOMJEGYZÉK 1. BEEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK... 4. ANYAG ÉS MÓDSZER... 5.1. A kísérlet berendezés smertetése, a részegységek jellemzése... 5.. Az adatfeldolgozás és a mérés hbák javításának módszere, a mérés eredmények értékelése... 7 3. EREDMÉNYEK... 8 3.1. Matematka modell a kmaradó mpulzusjelek okozta hbák javítására... 8 3.. Matematka módszer a felhőmentes dőszakok azonosítására... 9 3.3. A hatásfok változása soros kapcsolásban... 10 3.4. Eltérő csövezésű kollektorok párhuzamos kapcsolása... 11 3.5. Tranzens jelenségek vzsgálata... 11 3.6. Hatásfok-függvények meghatározása... 1 3.7. A kollektorok üzemeltetése polkarbonát borítással és borítás nélkül... 15 3.8. Ismert hatásfokú kollektor vzsgálata... 15 3.9. A várható éves hatásfok és éves energahozam... 16 3.10.Kollektor matematka modellezése... 18 4. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK... 5. KÖETKEZTETÉSEK ÉS JAASLATOK... 6 6. ÖSSZEFOGLALÁS... 7 7. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ KIEMELT PUBLIKÁCIÓK... 8 3
1. Bevezetés, célktűzések 1. BEEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK A megújuló energaforrást hasznosító eszközök alkalmazásával a fosszls energaforrások kmerülésének deje meghosszabbítható. Megújuló energaforrást alkalmazó rendszerek telepítésekor fontos szempont annak várható megtérülés deje, amelyet számos műszak-gazdaság tényező befolyásol. A megtérülés dő jelenleg gen hosszúnak mondható, amely nagyban gátolja ezen rendszerek széleskörű elterjedését. A megtérülés dőt a rendszer ára mellett többek közt a kollektorok különböző dőjárás, üzemvtel körülménye között hatásfok-függvénye határozza meg, így ennek pontos smerete elsődleges. Ks sorozatban gyártott kollektorok hatásfok-függvényének laboratórumban végzett meghatározása jelentős mértékben emelhet a fejlesztés költségeket. Indokolt tehát egy olyan, üzem körülmények közt végzett méréseken alapuló hatásfok-függvény meghatározás módszer kutatása-fejlesztése, mely bztonságos, és a laboratórum vzsgálatokhoz képest költséghatékonyabb. Ennek segítségével ezen kollektorok ára alacsonyabb, fejlesztés, megtérülés dejük rövdebb lehet. Az értekezésben smertetett kutatásom célja a kollektorok üzem jelenségenek vzsgálata, valamnt a természetes körülmények közt végzett mérésekkel történő hatásfok-vzsgálat lehetőségenek és korlátanak feltárása. Korlátot jelenthet, hogy a napsugárzás ntenztásának ngadozása pontatlanná tehet a méréseket. Igazoln kívánom ezen zavaró tényező hatását. Meg kívánom határozn a pontos, számszerű krtérumokat a mérésre alkalmas dőszakok napsugárzás ntenztását lletően. Le kívánom ellenőrzn a kísérletekhez szükséges, általam kfejlesztett mérőberendezés műszerenek megfelelő működését, különös tekntettel az mpulzus alapú térfogatáram-mérésre. Meg kívánom határozn a hatásfok görbe felvételének pontos, valdált módszerét a mérés adatbázs megfelelő szűrésével. zsgáln kívánom a kollektorokban lejátszódó tranzens jelenségeket. Meg kívánom határozn a vzsgált kollektorok várható éves energahozamát. Egyszerű eljárást kívánok kdolgozn smert éghajlat vszonyok mellett, a kollektorok optmáls éves hőmérséklet dnamkájának előzetes meghatározására. 4
. Anyag és módszer. ANYAG ÉS MÓDSZER Az értekezés szakrodalm áttekntésének elemző értékelésében smertetett szempontok szernt új mérő-adatgyűjtő berendezést fejlesztettem k, mely lehetőséget bztosít tetszőleges, folyadékkal üzemelő kollektor hatásfokfüggvényének felvételére és a kollektorok üzem jelenségenek tanulmányozására. Ezen fejezetben smertetem a berendezés részegységet, működését, a mérő- és adatgyűjtő eszközöket, a mérés módszert és az adatfeldolgozás lépéset..1. A kísérlet berendezés smertetése, a részegységek jellemzése Kutatásomhoz a.1. ábrán látható kísérlet mérő-adatgyűjtő berendezést fejlesztettem k. A kollektor hatásfok-függvényét általánosan számos paraméter befolyásolja. Egy konkrét kollektor típus esetén ezen paraméterek rögzítettek. Tudományos kutatóntézetek elfogadott gyakorlata szernt a vzsgált kollektor hatásfok-függvényének két független változója van, nevezetesen: a napsugárzás ntenztása (G, Wm - ), a kollektor és a levegő közt hőmérséklet-különbség (t koll -t lev, C). A mérésekkel a kollektor hatásfok függvényét a két független változó mnél nagyobb értéktartományán belül kívánom defnáln. A méréseket természetes körülmények közt végeztem, mesterséges fényforrást nem alkalmaztam, így a napsugárzás ntenztását nem befolyásolhattam. A másk változó, a környezethez vszonyított hőmérséklet-különbség hatékonyan szabályozható a rendszerbe kötött termoventlátor (4) segítségével, melyen keresztül a kollektorok által termelt hő a környezetbe távozk. A termoventlátor fordulatszáma fokozatmentesen szabályozható, lletve egy szabályozószeleppel ellátott megkerülő ággal hűtőteljesítménye tovább csökkenthető. Lehetőség van a termoventlátor áramlásból való kzárására s. Ezzel a megoldással a kollektorokba érkező folyadék hőmérséklete változtatható: a termoventlátor hűtőteljesítményének csökkentésével a kollektorba érkező folyadék hőmérséklete emelkedk. Ez lehetővé tesz a kollektorok környezethez vszonyított hőmérséklet-különbségének gyors változtatását. A berendezés alkalmas soros és párhuzamos kapcsolású kollektorok vzsgálatára. 5
. Anyag és módszer.1. ábra: Kollektorok hatásfokanak meghatározására alkalmas kísérlet mérő-adatgyűjtő berendezés 1 kollektor csőkígyós abszorberrel (CSK), kollektor osztó-gyűjtős abszorberrel (OGY), 3 kerngtető szvattyúk (szv1: szabályozott, szv: szabályozás nélkül), 4 termoventlátor, 5 tágulás tartály, 6 hőmérők (t1 t t3 t4), 7 térfogatáram-mérők, 8 bztonság nyomáshatároló szelep, 9 légtelenítő szelepek (lsz1 lsz4), 10 motoros szelep a hűtőteljesítmény szabályozására (msz), 11 fojtószelepek a térfogatáram szabályozására (sz1, sz), cs1 cs14: csapok a kapcsolás változtatására, cs15: feltöltő csap 6
. Anyag és módszer.. Az adatfeldolgozás és a mérés hbák javításának módszere, a mérés eredmények értékelése Az egynapos mérések feldolgozásához Excel táblázatot készítettem. A táblázat az adatgyűjtőkből származó 5 másodpercenként mérés eredmények alapján a következő mennységeket határozza meg: napsugárzás ntenztás: G, [Wm - ], a fagyálló folyadék térfogatárama az egyes kollektorokon: OGY, CSK, [m 3 s -1 ; l mn -1 ] a fagyálló folyadék sűrűsége a hőmérséklet függvényében: f t [kgm -3 ; kg l -1 ] a fagyálló folyadék tömegárama: m OGY, m CSK, [kg s -1 ] a kollektorok hőteljesítménye: OGY, CSK, [W] a kollektorok hatásfoka, OGY, CSK a kollektorok közepes hőmérséklete: t koll OGY, t koll CSK, [ C], a közepes kollektor hőmérsékletek és a levegő hőmérséklete közt eltérés értéke: t koll - t lev, [ C] a mért és számított jellemzők öt- és tízperces dőntervallumokra vett átlagértéke, a pllanatny értékek és az átlageredmények közt eltérések. a teljes nap mérésre vonatkozó összegek és átlagok. 7
q. [W/m]. [l/h] 3. Eredmények 3. EREDMÉNYEK Ezen fejezetben smertetem a végzett mérésem során tapasztalt hbajelenségeket, azok javítására kdolgozott módszeremet, a mérések korlátat. Leírom a kísérletek során tapasztalt üzem jelenségeket és a hatásfok-függvények felvételére, valamnt a várható éves energahozam meghatározására kdolgozott eljárás algortmust. 3.1. Matematka modell a kmaradó mpulzusjelek okozta hbák javítására Matematka algortmust hoztam létre az mpulzus adatgyűjtők jelenek kmaradásából adódó mérés hbák (3.1. ábra) automatkus javítására, majd a javított térfogatáram-görbék smítására. 1800 1600 1400 100 1000 800 600 400 00 70 60 50 40 30 0 10 q. CSK [W/m]. CSK [l/h] 0 11 1 13 14 15 16 17 18 19 dő [h] 3.1. ábra: Egy nap mérés nyers térfogatáram-adata, 010.08.-e mérés Amennyben egy térfogatáram-adatnak, valamnt a megelőző és következő két adat átlagának hányadosa /3 vagy annál ksebb, mpulzus-kmaradást tételezek fel, és a hbás adatot ezen megelőző kettő és következő kettő adat átlagával helyettesítem (3.1 és 3. egyenletek): 1 1 4 1 3 1 1 1 3 4 4 0 (3.1) (3.) 8
. [l/h]. [l/h] 3. Eredmények A térfogatáram-görbe smítása Tovább növeltem a mérés pontosságát a korrgált térfogatáram-görbe smításával. Mnden számolt adatot az egyes dőpllanatokban a megelőző két és a következő két adat átlagával helyettesítettem. 1 1 (3.3) 4 A 3.. ábra az lyen módon smított görbét hasonlítja össze a korrgált görbével: Korrgált és smított térfogatáram-adatok 70 60 50 40 30 0 10 0 6 61 60 59 58 57 56 55 54 53 5 Korrgált és smított térfogatáram-adatok 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 dő [h] 10 11 1 13 14 15 16 17 18 19 dő [h].' korrgált [l/h].'' korrgált és smított [l/h].' korrgált [l/h].'' korrgált és smított [l/h] 3.. ábra: Korrgált és smított térfogatáram-görbék, 010.08.-e mérés Kdolgozott módszerem tudományos újdonsága abban foglalható össze, hogy nem csupán a napkollektorok vzsgálatánál, lletve térfogatáram-méréseknél alkalmazható, hanem bármely, mpulzusjelek gyűjtésén alapuló mérés eljárásnál. 3.. Matematka módszer a felhőmentes dőszakok azonosítására Kutatásam bzonyítják, hogy a felhős dőszakok a napkollektorok pllanatny hatásfok értékének meghatározásakor hbát eredményeznek. Logka függvényt fejlesztettem k, mely a méréseket felhőmentes és felhős dőntervallumokra bontja, ezzel kszűrhetővé válnak a mérés pontatlanságot eredményező felhős dőszakok. Előállítottam azt a három krtérumot, melyek együttes teljesülése esetén a vzsgált dőpont felhőmentesnek jelölhető. Az adott dőpont felhőmentes, ha a logka függvény által előírt három feltétel (3.4, 3.5, 3.6), egy adott dőpontra nézve a megelőző ötperces dőszakok alatt teljesül: 9
G [Wm - ] 3. Eredmények G G fajl max G G G G mn 10 1 0,05 W 50 m W Gmn 100 m (3.4) (3.5) (3.6) A logka függvény értéke 1, ha az dőpont felhőmentes, és 0, ha az dőpont felhős. Működését a 3.3. ábra szemléltet: 100 1000 800 600 400 00 0 Felhőmentes dőszakok kjelölése G mn, DG fajl és G max - G mn alapján 9:00 10:00 11:00 1:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Idő felhőmentes felhős G - napsugárzás ntenztás felhőmentes dőszakok 3.3. ábra: Felhőmentes dőszakok kjelölése saját fejlesztésű logka függvénnyel (010.08.11-e mérés alapján) 3.3. A hatásfok változása soros kapcsolásban Kmutattam a soros kapcsolású napkollektorok üzemeltetése során az egyes kollektorok pllanatny hatásfoka közt eltérést. Soros kapcsolás esetén megállapítható, hogy a soros ágon előrehaladva az egyes kollektorok pllanatny hatásfoka csökkenő értéket mutat. A jelenséget a másodk kollektor magasabb átlaghőmérséklete okozza. A jelenségre vonatkozó mérésemet felcserélt sorrendű soros kapcsolással s elvégeztem (3.4. ábra). Mnt látható, a sorrend felcserélésekor a kollektorok hatásfokanak vszonya s megváltozk, mndg a másodk kollektor hatásfoka alacsonyabb. (A tranzens jelenségekből adódó kugró értékek a cserék dőpontjat jelzk.)
3. Eredmények 010.08.1. - soros kapcsolás, a kapcsolás sorrend változtatásával 70 60 50 [%] 40 30 eta OGY [%] eta CSK [%] 0 10 0 1 13 14 15 16 17 dő [h] 3.4. ábra: áltoztatott sorrendű soros kapcsolás. 13:00-g osztógyűjtős-csőkígyós, 13:00-13:45: csőkígyós-osztógyűjtős, 13:45-15:45: osztógyűjtős-csőkígyós, 15:45-től csőkígyós-osztógyűjtős sorrend, 010.08.1-e mérés 3.4. Eltérő csövezésű kollektorok párhuzamos kapcsolása Megállapítottam, hogy az eltérő áramlástan tulajdonságokkal rendelkező, vszkózus folyadékkal feltöltött kollektorok térfogatáram-vszonya nem állandó érték, az a folyadék hőmérsékletének függvényében változk. A jelenségre a folyadék vszkoztásának hőmérséklet-függése a magyarázat. 3.5. Tranzens jelenségek vzsgálata Megállapítottam, hogy soros kapcsolásban az első kollektor gyorsabban reagál a belépő hőmérséklet csökkenésére. Megállapítottam továbbá azt s, hogy a másodk kollektor reakcója nem csak később jelentkezk, hanem lassabb s az elsőénél. A termoventlátor teljesítményének változására tett reakcó az első kollektor esetében korábban jelentkezk és rövdebb dőt vesz génybe. A napsugárzás ngadozásakor hasonló jelenséget fgyeltem meg. A 3.5. ábra görbesereg lefutásan a jelenség jól érzékelhető. 11
t [ C]. [l/h] 3. Eredmények 010.10.03. 80 70 60 50 40 30 0 10 0 11 1 dő [h] 90 80 70 60 50 40 30 0 10 0 t be OGY [ C] t k CSK [ C] t k OGY [ C] t be CSK [ C]. 3.5. ábra: Kollektorok belépő és klépő hőmérséklete csőkígyósosztógyűjtős (CSK-OGY) sorrendű soros kapcsolásban Kísérletem eredményét fordított sorrendű osztógyűjtős-csőkígyós soros kapcsolással s gazoltam. A különböző típusú kollektorok közül a sorban első kollektoron korábban jelentkezk a tranzens jelenség, és annak lefutása gyorsabb. Megállapításam jól hasznosíthatók nagy kollektor telepek szabályozásánál. 3.6. Hatásfok-függvények meghatározása Eljárást dolgoztam k az üzem körülmények közt végzett mérések eredményenek feldolgozására és a hatásfok függvények felvételére. A hatásfok függvények előállításához a következő lekérdezést használtam a mérés adatbázsban: 3.1. táblázat: Az adatbázs szűrés paramétere az 1000 Wm - -es napsugárzás ntenztáshoz tartozó hatásfok-függvények előállításához G maxmáls eltérése ± 10 Wm - t k t be > 5 C felhőmentes dő borítás napsugárzás beesés szög függőleges síkban gen Makrolon mu 10-es borítás tetszőleges A mérés adatbázsból kgyűjtött 1803 értéket a környezet hőmérséklettől való eltérés szernt C-os sávokra osztottam. Az így kapott tartományokra eső adatokra meghatároztam azok átlagértékét, medánját, mnmumát és 1
hatásfok [%] 3. Eredmények maxmumát, valamnt az adatok mennységét. Ezen eredményeket a 3.. táblázat mutatja be: 3.. táblázat: Az osztógyűjtős kollektor 1000 Wm - sugárzás ntenztáshoz tartozó mért hatásfok értékenek jellemző t koll - t körny 14-16 0- -4 4-6 6-8 8-30 34-36 36-38 15 1 3 5 7 9 35 37 átlag 44,3 5,87 51,46 5,7 5,00 50,83 39,49 39,30 medán 43,43 5,7 51,91 5,8 51,66 51,09 39,86 39,11 maxmum 46,75 54,00 54,44 56,15 55,59 51,97 40,60 4,3 mnmum 4,90 51,109 47,36 48,80 49,51 45,97 37,56 36,6 szórás 1,481 0,943 1,77 1,551 1,698 1,16 0,801 1,098 darab 18 30 471 6 348 110 79 15 A kapott eredményeket a C-os tartományok középértékehez rendeltem. Ehhez hasonlóan kgyűjtöttem a csőkígyós kollektor mérés eredményet s. A 3.6. ábra az osztógyűjtős kollektor hatásfokának alakulását mutatja 1000 Wm - napsugárzás ntenztás esetén, a közepes kollektor hőmérséklet és a levegő hőmérséklet különbségének függvényében: Az osztógyűjtős kollektor 1000 W/m napsugárzás ntenztáshoz tartozó hatásfok-függvénye 100 80 y = -0,477x + 59,141 60 40 0 átlag Lneárs (átlag) 0 0 10 0 30 40 50 60 t koll - t körny [ C] 3.6. ábra: 1000 Wm - napsugárzás ntenztáshoz tartozó hatásfok-függvény osztógyűjtős abszorberrel szerelt kollektor Tovább lekérdezésekkel meghatároztam a két kollektor hatásfok-függvényét 800 Wm - és 600 Wm - napsugárzás ntenztásra s, így előállítottam a különböző napsugárzás ntenztás értékek szernt görbesereget (3.7. ábra). Hasonlóképpen előállítottam a csőkígyós kollektor megfelelő dagramját (3.8. ábra). 13
3. Eredmények 3.7. ábra: Az osztógyűjtős kollektor hatásfok-függvénye különböző napsugárzás ntenztás értékekre 3.8. ábra: A csőkígyós kollektor hatásfok-függvénye különböző napsugárzás ntenztás értékekre Az 3.7. és az 3.8. ábra görbesereget a redukált hőmérséklet-különbség függvényében egy-egy görbévé alakítva a kollektorok hatásfok-függvényet mutatja a 3.9. ábra: 14
3. Eredmények 3.9. ábra: Az osztógyűjtős és a csőkígyós kollektor hatásfoka a redukált hőmérséklet-különbség függvényében, lneárs közelítéssel A közelítő lneárs függvények pontos lleszkedése jellemző a laboratórum méréseknél használt 1000 Wm - és a szakrodalomban előírt mnmáls 630 Wm - értékek közé eső teljes tartományon. 3.7. A kollektorok üzemeltetése polkarbonát borítással és borítás nélkül Kísérletem során meghatároztam a Makrolon Mult U /10-10,5 polkarbonát lemez kollektor hatásfokra gyakorolt befolyását. A mért eredmények lleszkedésének pontossága még megfelelőnek mondható, de elmarad a borítással ellátott napkollektorok mérés eredményetől. A 95 %-os konfdenca ntervallum az osztógyűjtős kollektor esetében ± 1,466 %, a csőkígyósnál ± 3,116 %. 3.8. Ismert hatásfokú kollektor vzsgálata A hatásfok méréshez kfejlesztett módszerem gazolására a berendezéssel megvzsgáltam egy smert hatásfokú, Buderus SKN 3.0 típusú napkollektort. A berendezéssel végzett mérés a vzsgált tartományon nagy pontossággal követ a katalógusadatok alapján felvett gyár hatásfok-függvényt. Az abszolút hba maxmuma 3,0 %. 15
3. Eredmények 3.9. A várható éves hatásfok és éves energahozam A kísérlet kollektorokra meghatározott hatásfok-függvényekkel megvzsgáltam az éves elérhető energahozam nagyságát. A szmulácóhoz a 01. év tízpercenként regsztrált meteorológa adatat használtam fel. Az előírt krtérumok szernt szmulált kollektorműködésnek megfelelően az év bármely tízperces szakaszára meghatározható a kollektorok hatásfoka és energahozama. Az éves energahozam ezen tízperces dőszakok energahozamanak teljes évre számított összege (MJ): n Q a Q 10 1 (3.7) A fajlagos éves energahozam a kollektor felületére vonatkoztatott éves energahozam (MJm - ): q a Qa A (3.8) Az éves átlagos hatásfok a kollektor fajlagos éves energahozamának és a kollektor egységny hőelnyelő felületére érkező éves besugárzott energának a hányadosa (%): a n 1 q a G t (3.9) Az éves besugárzott energát a mért napsugárzás ntenztás és a két mérés regsztrácó közt eltelt dő szorzatának éves összegzéseként kapjuk meg. A pllanatny hatásfok értékek átlaga az év tízperces dőntervallumara felírható hatásfok értékek átlaga (%): 10 n 1 n 10 (3.10) Értéke nem egyezk meg az éves átlagos hatásfok értékével, hszen nem mnden tízperces dőszak folyamán ugyanakkora a besugárzott energa nagysága. Ha a mnmáls kollektor hőmérsékletet 30 C-ra, a maxmálsat 60 C-ra veszem fel, a függvények a 3.10. ábra szernt alakulnak: 16
fajl. éves energahozam [MJ/m ], üzemórák száma éves átlagos hatásfok hav átlagos hatásfok [%] 3. Eredmények 70 60 50 40 30 0 10 0 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 hónap 0 C 5 C 10 C 15 C 0 C 5 C 30 C 35 C 40 C 45 C 50 C 3.10. ábra: Az osztógyűjtős kollektor hav átlagos hatásfoka a kollektor és a levegő közt hőmérséklet-különbség egyes értékehez tartozóan, 30 C-os mnmáls és 60 C-os maxmáls kollektor hőmérséklet esetén A kollektor és a környező levegő közt hőmérséklet-különbség függvényében az éves paraméterek a 3.11. ábra segítségével meghatározhatóak: 5000 4500 4000 3500 3000 500 000 1500 1000 500 0,400 0,350 0,300 0,50 0,00 0,150 0,100 0,050 fajl. éves energahoza m üzemóra éves átlagos hatásfok 0 0 10 0 30 40 50 t koll - t lev [ C] 0,000 3.11. ábra: Az osztógyűjtős kollektor éves üzem paramétere 30 C-os mnmáls és 60 C-os maxmáls kollektor hőmérséklet esetén 17
3. Eredmények 3.10. Kollektor matematka modellezése Az osztógyűjtős kollektor működésének szmulácójához matematka modellt fejlesztettem Matlab szoftver alkalmazásával (3.1. ábra, 3.13. ábra): 3.1. ábra: Az osztógyűjtős kollektor matematka modelljének Matlab kapcsolás rajza, első részlet 18
3. Eredmények 3.13. ábra: Az osztógyűjtős kollektor matematka modelljének Matlab kapcsolás rajza, másodk részlet A Matlab szoftverben készített modell kapcsolás rajza hőáramhálózatként szmulálja a kollektor működését, megadott üzem paramétereknek 19
hatásfok [%] 3. Eredmények megfelelően. A napsugárzás ntenztás (1) állítható, a borítás fényáteresztő képessége szernt csökkentett sugárzás ntenztás jut tovább az abszorberre, a fényelnyelő képességnek (3) megfelelő hányada a borítást (4) melegít fel, a tovább mennységet a borítás vsszaver. Az abszorberre (5) jutó sugárzásos hőáram egy részét az abszorber vsszaver a borítás felé (6), másk része a felmelegedett abszorberről konvektív úton jut a borításra (7), harmadk része a hőszgetelés (8) felé konduktív hőáramként (9). Az elnyelt hőáram fennmaradó része (10) jut az abszorber csövezésében áramló folyadékba. Beállítható a folyadék belépő hőmérséklete (11) és a környező levegő hőmérséklet (1). A klépő folyadék hőmérséklet (13) és a belépő hőmérséklet átlaga, valamnt a napsugárzás ntenztása meghatározza redukált hőmérséklet-különbséget (14). A napsugárzás ntenztásának (1) és az abszorberből a folyadékba jutó hőáramnak (10) a hányadosa a hatásfok (15). A napsugárzás ntenztásának (1), a környező levegő hőmérsékletének (1), a belépő folyadék hőmérsékletnek (11), a szvattyúval (16) a folyadék térfogatáram változtatásával a kollektor tetszőleges üzemállapotában meghatározható a hatásfok, így felvehető a hatásfok-függvény. A szmulácó eredményét a 3.14. ábra mutatja: Az osztógyűjtős kollektor mért és Matlab szoftverrel szmulált hatásfok-függvénye 70 60 50 40 30 0 10 0 0 0,0 0,04 0,06 0,08 0,1 (t koll - t lev )/G [m C W -1 ] szmulált mért 3.14. ábra: Az osztógyűjtős kollektor mért és szmulált hatásfok-függvénye A modellel vzsgáltam a kollektor hőveszteségének egyes összetevőt. A szmulácó eredményet a redukált hőmérséklet-különbség függvényében a 3.15. ábra mutatja: 0
veszteség [W] 3. Eredmények Hőveszteségek a Matlab szmulácó alapján 300 50 00 150 100 50 abszorber -> hőszgetelés abszorber -> polkarbonát, sugárzásos hőveszteség abszorber -> polkarbonát, konvektív hőveszteség 0 0 0,0 0,04 0,06 0,08 (t koll - t lev )/G [m C W -1 ] 3.15. ábra: Az abszorber számított hővesztesége a redukált hőmérsékletkülönbség függvényében A dagram nem tartalmazza a polkarbonát borítás fényáteresztő képessége szernt kalakuló veszteséget. Az osztógyűjtős kollektor optka hatásfoka 60,1 % (3.9. ábra), ez a szmulácó 1000 Wm - napsugárzás ntenztásnál 399 W veszteséget okoz. A kísérlet kollektor esetében tehát megállapítható, hogy napsugárzásnak a borítás által elnyelt és vsszavert hányada a legnagyobb veszteség. Ezt követ az abszorbertől a borítás felé rányuló konvektív hőveszteség és a hátsó hőszgetelésen keresztül fellépő konduktív hőveszteség, majd az abszorber által a polkarbonátra vsszasugárzott hőáram. A modellezés eredményeből megállapítható, hogy a tovább kísérleteket lletően a kollektor fedésére többféle polkarbonát lemezt, lletve szolárüveget és szgetelt üvegezést érdemes modellezn, és ezen borítások alkalmazásával, mérésekkel felvenn a módosított kollektor hatásfokfüggvényét. 1
4. Új tudományos eredmények 4. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK Az alábbakban összegzem a kísérletem eredményenek feldolgozása során nyert új tudományos eredményeket, melyek részben méréstechnka területen, részben a kollektorok hatásfok-függvényének meghatározásához, valamnt a kollektorok üzemeltetése és szabályozása során jelentenek jól hasznosítható megállapításokat. 1. Matematka modell a kmaradó mpulzusjelek okozta hbák javítására Matematka algortmust hoztam létre az mpulzus adatgyűjtők jelenek kmaradásából adódó mérés hbák automatkus javítására, majd a javított térfogatáram-görbék smítására. A létrehozott algortmus az mpulzus kmaradás hbát automatkusan javítja, így a nagy mennységű adat feldolgozása jelentősen felgyorsul. 1 1 3 4 (4.1) 4 3 4 1 1 1 1 (4.) 4 1 1 (4.3) Kdolgozott módszerem nem csupán a napkollektorok vzsgálatánál, lletve térfogatáram-méréseknél használható, hanem bármely, mpulzusjelek gyűjtésén alapuló mérés eljárásnál.. Matematka módszer a felhőmentes dőszakok azonosítására Logka függvényt dolgoztam k, mely a méréseket felhőmentes és felhős dőntervallumokra bontja. Ezzel kszűrhetővé válnak a mérés pontatlanságot eredményező felhős dőszakok. Megállapítottam, hogy a felhős dőszakok alkalmatlanok a pllanatny hatásfok értékének meghatározására.
4. Új tudományos eredmények Több lehetőséget megvzsgálva előállítottam azt a három krtérumot, melyek együttes teljesülése esetén a vzsgált dőpont felhőmentesnek jelölhető. Az adott dőpont felhőmentes, ha a logka függvény által előírt három feltétel a megelőző öt perc folyamán fennáll: G G fajl max G G G G mn 1 0,05 W 50 m W Gmn 100 m (4.4) (4.5) (4.6) A kdolgozott módszer lehetővé tesz az adatok gyors szűrését, kválogatva a pontatlan értékeket eredményező, a pllanatny hatásfok számítására alkalmatlan mérés dőszakokat. 3. Adatszűrés és hbajavítás módszer a hatásfok-függvények felvételére Kdolgoztam a kezdet hbás, helyenként értelmezhetetlen adatok szűrésének és hbajavításának matematka módszerét: javítottam a térfogatáram függvényeket, kszűrtem a felhős dőszakok okozta hbákat, majd az így módosult adatbázst alkalmazva meghatároztam a hatásfok-függvények felvételének módszerét. A mérés adatbázs eredményenek szűrésénél a következő krtérumokat adtam meg: A görbére jellemző napsugárzás ntenztáshoz képest a mért értékek eltérése nem lehet nagyobb ± 10 Wm - -nél. A kollektor klépő és belépő folyadék hőmérséklete közt különbség mnmum 5 C. Kzárólag a felhőmentes dőszakok adata szerepelhetnek a kgyűjtésben. A kdolgozott módszert a kísérlet síkkollektorokon valdáltam, meghatároztam azok hatásfok-függvényet a 600 1000 Wm - napsugárzás ntenztás ntervallumra. Az 1000 Wm - napsugárzás ntenztáshoz tartozóan a 95 %-os konfdenca ntervallum az osztógyűjtős kollektorra ± 1,315 %, a csőkígyós kollektorra ± 0,84 %. 800 Wm - sugárzás ntenztás esetén ± 3
4. Új tudományos eredmények 1,378 %, lletve ± 1,378 %, 600 Wm - sugárzás ntenztás esetén ± 1,131 % és ± 1,05 %. 4. Tranzens üzem jelenségek leírása Megállapítottam, hogy soros kapcsolásban az első kollektor gyorsabban reagál a belépő hőmérséklet csökkenésére. Megállapítottam továbbá azt s, hogy a másodk kollektor reakcója nem csak később jelentkezk, hanem lassabb s az elsőénél. Megállapítható, hogy a tranzens jelenségek a sorban másodk kollektor klépő csonkján átlagosan,4 %-kal hosszabb dő alatt játszódnak le, mnt az első kollektor belépő csonkjánál. A hőmérséklet csökkenésének sebessége a másodk kollektor klépő csonkján átlagosan 48, %-a az első kollektor belépő csonkján mért értéknek. Kísérletem eredményét fordított sorrendű soros kapcsolással s gazoltam. A különböző típusú kollektorok sorrendjétől függetlenül a sorban első kollektoron korábban jelentkezk a tranzens jelenség, és annak lefutása gyorsabb. Megállapításam jól hasznosíthatók nagy kollektor telepek szabályozásánál. 5. Az éves energahozam és az optmáls kollektor hőmérséklet dnamka Defnáltam a kollektorok éves átlagos hatásfokát és a fajlagos éves energahozamot a környező levegőhöz képest állandó hőmérsékletkülönbség, valamnt a kollektor hőmérséklet-tartományának smeretében. A szmulácóval ezen paraméterek megadásával, valamnt az éghajlat jellemzők smeretében meghatározható a kollektorok várható éves energahozama. Eljárást dolgoztam k a várható éves energahozam maxmáls elérhető értékének meghatározására. A rögzített paraméterek a mnmáls és maxmáls kollektor hőmérséklet. Ezen paraméterekhez tartozóan tetszőleges, smert hatásfok-függvényű kollektor várható éves energahozama megállapítható. Meghatározható a kollektor és a levegő közt hőmérséklet-különbség azon értéke, melyhez a maxmáls éves energahozam és így a maxmáls éves átlagos hatásfok tartozk. 6. A kísérlet kollektor matematka modellje a veszteségek vzsgálatára Kdolgoztam az osztógyűjtős abszorberrel szerelt kísérlet kollektor matematka modelljét. A modell segítségével a veszteség egyes összetevő 4
4. Új tudományos eredmények külön-külön számíthatóak. Megállapítottam, hogy a kísérlet kollektor veszteségének legjelentősebb összetevője a borítás által elnyelt és vsszavert sugárzás. A modell segítségével meghatározható a kollektoron a jobb hatásfok elérése érdekében elvégzendő tovább módosítások várható hatása. A modell síkkollektorok fzka jellemzőnek smeretében meghatározza azok hatásfok-függvényet, lletve a veszteség egyes összetevőnek értéket, ezzel hatékony eszköze lehet más kollektorok vzsgálatának. 5
5. Következtetések és javaslatok 5. KÖETKEZTETÉSEK ÉS JAASLATOK Kutatásom célja a napkollektorok üzem jelenségenek tanulmányozása, a hatásfok-függvény természetes körülmények közt végzett mérésekkel való felvétele, valamnt ezen mérés módszer részletes kdolgozása és korlátanak feltárása volt. Kutatásamhoz mérő-adatgyűjtő berendezést fejlesztettem k. A kollektorok vzsgálatának folyamán több üzem jelenséget s tanulmányoztam. A természetes körülmények között folytatott mérések során a fő probléma a napsugárzás ntenztásának, valamnt a környező levegő hőmérsékletének változása. A vonatkozó szabványok említést tesznek arra, hogy a sugárzás ntenztásnak amennyre lehetséges, állandó értékűnek kell lenne a mérés folyamán, de számszerű megállapítások erre vonatkozóan eddg nem voltak elérhetők. Mérésem során megállapítottam, hogy a bárányfelhők hatására ngadozó napsugárzás ntenztás a pllanatny kollektor hatásfok mérését ellehetetlenít. A mérések adatbázsanak tanulmányozásával olyan krtérumokat határoztam meg, melyekkel a vzsgált dőszakról egyértelműen megállapítható, hogy az felhőmentesnek teknthető-e, így alkalmas-e a kollektorok pllanatny hatásfokának mérésére. A térfogatáram mérését mpulzusjeladókkal ellátott térfogatáram-mérőkkel végeztem. A mérés dagramokon jól látható, mpulzuskmaradás okozta hbák automatzált kküszöbölésére matematka algortmust dolgoztam k. A mérésem adatbázsának tanulmányozása során megállapításokat tettem a kollektorok tranzens üzem jelenségere vonatkozóan. A vzsgált kísérlet kollektorok abszorber-csövezése eltérő. Párhuzamos kapcsolású mérésem alapján megállapítható, hogy a vszkózus fagyálló folyadékkal feltöltött rendszer alacsony hőmérsékleten beállított térfogatáram-egyensúlya a hőmérséklet emelkedésével a vszkoztás csökkenésével felborul. A jelenség alapján kjelenthető, hogy két, eltérő hdrodnamka tulajdonságokkal rendelkező kollektor vagy kollektorsor párhuzamos kapcsolása esetén az azonos térfogatáramok tartása szabályzást gényel a hőmérséklet változása során. Tovább tervezett fejlesztésként javasolható albedométer alkalmazása, így nem csak a kollektorfelületre érkező teljes sugárzás, hanem külön a szórt, a kettő különbségeként pedg a drekt sugárzás s mérhető lenne. Ennek elsősorban koncentrátoros kollektorok vzsgálatánál lehet majd jelentősége. 6
6. Összefoglalás 6. ÖSSZEFOGLALÁS A Szeged Tudományegyetem Mérnök Karán 005 óta folytatunk kutatásokat a szolárs energa hasznosításának területén. 006-ban kerültek kereskedelm forgalomba első napkollektorank, melyek tervezésénél elsődleges szempontunk a gyártás költségek alacsony értéken tartása volt. A mérések során szerzett kutatás tapasztalatamat felhasználva 009-ben kezdtem meg a jelen értekezésben smertetett kutatásokhoz egy új, kollektorok természetes körülmények között tesztelésére szolgáló mérőberendezés tervezését, kvtelezését. Kutatás eredményem alapján kdolgoztam a mérő-adatgyűjtő berendezés üzemeltetés algortmusát, így az automatzált mérőberendezés alkalmas természetes körülmények között tesztelhető napkollektor hatásfokfüggvényenek felvételére, a különböző típusú kollektorok üzem paraméterenek összehasonlító vzsgálatára, a gyártott termék szabványosítható mnősítésére. A berendezéssel végzett mérések eredményenek kértékelésével számos megállapítást tettem nem csak a hatásfok mérésének módszerét lletően, hanem a napkollektorok üzem jelenségevel kapcsolatban s. Munkám során tanulmányoztam a természetes körülmények közt végzett hatásfok-mérések korlátat és hbajelenséget. A mérések kértékelését követően kdolgoztam a napsütés sugárzás ntenztásával kapcsolatos krtérumokat. Az algortmus alapján a felhős és felhőmentes dőszakok megjelölése automatkussá válk, ezáltal a hbás mérés eredményeket adó felhős dőszakok kszűrése sokkal gyorsabb. Kdolgoztam a hatásfokfüggvény felvételének lépéset, pontosítottam a berendezés működését, és több megállapítást tettem a napkollektorok üzemeltetésével kapcsolatban. Leírtam a soros és párhuzamos kapcsolásokban tapasztalható üzem jelenségeket. Meghatároztam a kísérlet kollektorokon alkalmazott polkarbonát borítás hatásfok-függvényre gyakorolt befolyását. Tanulmányoztam a tranzens jelenségek lefutását, módszert dolgoztam k az éves energahozam és az éves hatásfok becslésére, valamnt a maxmáls éves hatásfok eléréséhez szükséges optmáls kollektor hőmérséklet dnamka megállapítására. 7
7. Kemelt publkácók 7. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ KIEMELT PUBLIKÁCIÓK Lektorált ckk degen nyelven: 1. Péter Szabó, I. Szabó, G. (010): Desgn of an expermental PCM solar tank. Analecta Technca Szegedensa, Unversty of Szeged Faculty of Engneerng. 010/-3 pp. 00-05. ISSN 1788-639. Péter Szabó, I. (010): Effcent energy storage n PCM solar tank. Annals of Faculty Engneerng Hunedoara, 010/1 pp. 143-146. ISSN: 1584-665 3. Péter Szabó, I. Szabó, G. (011): Transent effects n solar collector systems. Annals of Faculty Engneerng Hunedoara, 011/3 pp. 111-114. ISSN 1584-673 4. Péter Szabó, I. éha, A. Szabó, G. (01): Research and educaton of the applcaton of renewable resources at the Faculty of Engneerng Unversty of Szeged. Analecta Technca Szegedensa, 01/1-, pp. 19-5. ISSN: 1788-639 5. Péter Szabó, I. Szabó, G. (011): Research of solar energy at the Faculty Of Engneerng Agrár és dékfejlesztés Szemle (Revew on Agrculture and Rural Development), pp. 38-386. ISSN 1788-5345 6. Péter Szabó, I. Szabó, G. (01): Development of data processng algorythm for the recognton and correcton of measurng errors occured durng the test of solar collectors. Annals of Faculty Engneerng Hunedoara, 01/. pp. 161-166. ISSN 1584-665 7. Péter Szabó, I. Szabó, G. (013): Study of the effcency and other workng parameters of solar collectors. Acta Technca Corvnenss, Bulletn of Engneerng, 013/1 pp. 143-145. ISSN 067-3809 8. Péter Szabó, I. Szendrő, P. Szabó, G. (014): Effcency measurement and energy yeld estmaton of solar collectors. Internatonal Journal of Engneerng and Techncal Research (IJETR), olume-, Issue-10, October 014. pp. 174-178. ISSN: 31-0869 8
7. Kemelt publkácók Lektorált ckk magyar nyelven: 9. Péter Szabó I. (005): Rövd megtérülés dejű napkollektorok tervezése és hatásfokuk vzsgálata. Műszak Tudományos Füzetek 005, Kolozsvár, Erdély Múzeum-Egyesület, Műszak Tudományok Szakosztálya, X. Fatal Műszakak Tudományos Ülésszaka, 97-100. o., ISBN 973-831-44-10. Péter Szabó I., Szendrő P., Szabó G. (013): Berendezés kfejlesztése napkollektorok üzem jellemzőnek mérésére. Analecta Technca Szegedensa, 013 Specal Issue, Unversty of Szeged Faculty of Engneerng. ISSN 1788-639, 59-64. o. 11. Péter Szabó I., Szendrő P., Szabó G. (014): Kísérlet berendezés kfejlesztése napkollektorok hatásfokának mérésére. Energagazdálkodás folyórat, Energagazdálkodás Tudományos Egyesület, 014. október, 0-3. o., ISSN 001-0757. 1. Péter Szabó I., Szendrő P., Szabó G. (014): Napkollektorok várható éves energahozamának becslése. Magyar Épületgépészet, Épületgépészet Kadó Kft., 014.10., 3-6. o. 9