SZEN ISVÁN EGYEEM Napekoros rendszer energeikai alapú szabályozása Dokori (PhD) érekezés Kicsiny Richárd Gödöllı 2012
A dokori iskola egnevezése: Mőszaki udoányi Dokori Iskola udoányága: Agrárőszaki udoányok vezeıje: Prof. Dr. Farkas Isván egyeei anár, DSc SZIE, Gépészérnöki Kar éavezeı: Prof. Dr. Farkas Isván egyeei anár, DSc SZIE, Gépészérnöki Kar, Környezeipari Rendszerek Inéze az iskolavezeı jóváhagyása a éavezeı jóváhagyása
ARALOMJEGYZÉK JELÖLÉSJEGYZÉK.....5 1. BEVEZEÉS, CÉLKIŐZÉSEK.......12 1.1. A válaszo éakör jelenısége.........12 1.2. Célkiőzések.......12 2. SZAKIRODALMI ÁEKINÉS.......14 2.1. A napenergiá hasznosíó berendezések energiaviszonyai......14 2.2. A napekoros rendszer eleei.....16 2.2.1. Napekor.........16 2.2.2. Szolár ároló........30 2.2.3. Hıcserélı........35 2.2.4. A napekoros rendszer irányíása....... 37 3. ANYAG ÉS MÓDSZER.....50 3.1. Az opializál hagyoányos és az energeikai alapú szabályozások........50 3.1.1. Az opializál hagyoányos szabályozás.......55 3.1.2. Az energeikai alapú szabályozás......56 3.1.3. A szabályozások válószeleppel való kiegészíése......59 3.2. A vizsgálaokhoz felhasznál eszközök.....60 3.2.1. A fizikai alapú odell......60 3.2.2. A kibıvíe napekoros rendszer...62 3.3. A szabályozások és a odell idenifikálása.........66 3.3.1. A napekoros rendszer paraéerérékeinek a szabályozásokhoz való idenifikálása...66 3.3.2. A napekoros rendszer paraéerérékeinek odellbeli idenifikálása, a odell validálása...69 4. EREDMÉNYEK.....72 4.1. A odellel végze vizsgálaok..... 72 4.1.1. A vizsgálaok beállíásai........72 4.1.2. A vizsgálaok eredényei........74 4.1.2.1. Válószelep nélküli ese.... 74 4.1.2.2. Válószelepes ese.... 80 4.2. Mérési eredények......... 91 4.3. Az eredények érékelése........93 4.4. Új udoányos eredények.........99 5. KÖVEKEZEÉSEK ÉS JAVASLAOK.... 103 6. ÖSSZEFOGLALÁS.......104 3
7. SUMMARY.......105 8. MELLÉKLEEK......106 M1: Irodalojegyzék... 106 M2: A éakörhöz kapcsolódó sajá irodalo...... 113 M3: A ér napekoros rendszer felhasznál érési eredényei...... 115 KÖSZÖNENYILVÁNÍÁS... 121 4
JELÖLÉSJEGYZÉK A a : az abszorber kereszeszeének erülee ( 2 ), A csı : a csı belsı kereszeszeének erülee ( 2 ), A, : a ekorköri csı belsı kereszeszeének erülee ( 2 ), csı A, : a árolóköri csı belsı kereszeszeének erülee ( 2 ), csı A h, eljes : a hıcserélı eljes hıávieli felülee ( 2 ), A : a ekorezı felülee ( 2 ), A, : a ekorfolyadék csıbeli kereszeszeének erülee ( 2 ), foly A : a ároló felülee ( 2 ), A, i : a ároló i. réegének kereszeszeének erülee ( 2 ), C A, a C A, : az abszorber egységnyi ekorfelülere esı hıkapaciása (J/( 2 K)), : a ekorfolyadék egységnyi ekorfelülere esı hıkapaciása (J/( 2 K)), C A, össz, : a napekor egységnyi ekorfelülere esı összesíe hıkapaciása (J/( 2 K)), C A, e : a ekor alai eırész egységnyi ekorfelülere esı hıkapaciása (J/( 2 K)), c a : az abszorber anyagának fajhıje (J/(kgK)), c csı : a csıben lévı folyadék fajhıje (J/(kgK)), c : a ekorfolyadék fajhıje (J/(kgK)), C : a ekorfolyadék hıkapaciása (J/K), c : a árolóban lévı folyadék fajhıje (J/(kgK)), c v : a víz fajhıje (J/(kgK)), d : a ekor csı belsı áérıje (), E L : a ekor síkjára esı hosszúhulláhosszú sugárzás (W/ 2 ), 5
F : a ekor haásfokényezıje (-), hhi deg, be hhi deg, ki : a hidegebb közeg belépési enalpiája (J/kg), : a hidegebb közeg kilépési enalpiája (J/kg), h eleg, be : a elegebb közeg belépési enalpiája (J/kg), h, : a elegebb közeg kilépési enalpiája (J/kg), eleg ki I b : a direk napsugárzás inenziása (W/ 2 ), I d : a diffúz napsugárzás inenziása (W/ 2 ), I g : globális napsugárzási eljesíény a ekorok felüleén (W/ 2 ), I p : a (parabola kereszeszeő) napekor egységnyi hosszúságú eleére esı napsugárzási inenziás (W/), k csı csı : a csı hıveszeség ényezıje (W/(K)), k, : a ekorkör csöveinek hıveszeség ényezıje (W/(K)), k csı, : a árolókör csöveinek hıveszeség ényezıje (W/(K)), K g : a gázenergia kölsége (F/MJ), k h : a hıcserélı hıávieli ényezıje (W/( 2 K)), k sz : a ároló szoszédos réegei közö éreleze hıvezeési ényezı (W/(K)), k : a ároló hıveszeség ényezıje (W/ 2 K), K v : a villaos energia kölsége (F/MJ), K Θb( Θ) : a direk napsugárzásra vonakozó ódosíó ényezı, a beesési szög függvénye (-), K Θ d : a diffúz napsugárzásra vonakozó ódosíó ényezı (-), k 1 : a ekor lineáris hıveszeség ényezıje (W/ 2 K), k 2 : a ekor ásodfokú hıveszeség ényezıje (W/ 2 K 2 ), k 3 : a hıveszeségek szélsebesség-függésé kifejezı konsans (J/ 3 K), k 5 : a napsugárzás hasznosíásának szélsebesség-függésé kifejezı ényezı (s/) 6
L, : a ekorok és a hıcserélı közöi ávolság az összeköı csı enén (), csı L csı L, : a hıcserélı és a szolár ároló közöi ávolság az összeköı csı enén (), : a ekorban lévı csövek hossza (), & fogy : a HMV fogyaszás öegáraa (kg/s), & hi deg : a hidegebb közeg öegáraa (kg/s), & : a ekorfolyadék öegáraa (kg/s), & eleg : a elegebb közeg öegáraa (kg/s), : a árolóban lévı folyadék öege (kg),, i : a ároló i. réegének öege (kg), & : az i-1. csoóponól az i.-be örénı eredı érfogaára (kg/s),, i &, el : a ároló elegíésé szolgáló folyadék öegáraa (kg/s), N : a ároló réegeinek száa (-), P sz : a ekor- és a árolóköri szivayúk együes villaos fogyaszása (W), P sz, : a ekorköri szivayú villaos fogyaszása (W), P sz, : a árolóköri szivayú villaos fogyaszása (W), P vill, kieg : a főıparonok együes villaos fogyaszása a szolár árolóban (W), Q & : a ekorezıbıl kinyer hıeljesíény (W/ 2 ), Q& : a ekor felıl a árolóba juó hıára (W), S : elnyel napsugárzási inenziás (W/ 2 ), S * : eljes elnyel napsugárzási hıeljesíény (W/ 2 ), : idı (s), : hıérsékle ( C), a : az abszorber hıérséklee ( C), csı csı : a csıben lévı folyadék hıérséklee ( C),, : a folyadék áralási ideje a ekor és a hıcserélı közö (egy irányban) (s), 7
, : a csı környezeének hıérséklee ( C), csı körny csı, : a folyadék áralási ideje a hıcserélı és a ároló közö (egy irányban) (s), d : hálózai hidegvíz hıérsékle ( C), ég : az égbol egyenérékő hıérséklee a sugárzásos hıcsere szeponjából ( C), fogy, ig : a fogyaszó álal igényel HMV hıérsékle ( C),, : feléeleze alajhıérsékle ( C), föld fel hi deg : a hidegebb közeg hıérséklee ( C), : a ekorfolyadék hıérséklee ( C),, be : a ekorezı belépı hıérséklee ( C), h, be h, ki ki, : a hıcserélıbe belépı, ekorköri hıérsékle ( C),, : a hıcserélıbıl kilépı, ekorköri hıérsékle ( C),, : a ekorezı kilépı hıérséklee ( C), ki,, : a ekorezı ér kilépı hıérséklee ( C),, : a ekor környezeének hıérséklee ( C), körny körny, fel, : a ekor feléeleze környezei hıérséklee ( C), körny, K, : a ekor környezei hıérséklee (K), körny,, : a ekor környezeének ér hıérséklee ( C),, : a ekorfolyadék közepes hıérséklee (geoeriai éreleben) ( C), köz : ér hıérsékle ( C), eleg : a elegebb közeg hıérséklee ( C), szá : száío hıérsékle ( C), sz, : a ekorköri szivayú üzeideje (s), sz, : a árolóköri szivayú üzeideje (s), : szolár ároló hıérsékle (a ároló egfelelı részén) ( C), 8
, á, fel h, be : a szolár ároló geoeriai éreleben ve álagos hıérséklee ( C), : feléeleze ároló hıérsékle ( C),, : a hıcserélıbe belépı, árolóköri hıérsékle ( C), h, ki, : a hıcserélıbıl kilépı, árolóköri hıérsékle ( C),, i : a szolár ároló i. réegének hıérséklee ( C),, körny,, el, be : a ároló környezeének hıérséklee ( C), : a szolár ároló ér hıérséklee ( C), : a ároló elegíésé szolgáló folyadékára hıérséklee ( C),, : a szolár árolóba belépı, árolóköri hıérsékle ( C),, be,, : a szolár árolóba belépı, árolóköri ér hıérsékle ( C), u : a ekor felüleével párhuzaos szélsebesség-koponens (/s), U a körny : az abszorber és a környeze közöi eredı hıávieli ényezı (W/ 2 K), U a : a ekorfolyadék és az abszorber közöi eredı hıávieli ényezı (W/ 2 K), U : a ekorfolyadék és a környeze közöi eredı hıávieli ényezı körny (W/ 2 K), U : a ekorfolyadék és a eı közöi eredı hıávieli ényezı (W/ 2 K), e U konv : konvekív hıávieli ényezı a környeze és az abszorber felülee közö (W/( 2 K)), U L : a ekor eredı hıveszeség ényezıje (W/ 2 K), U e körny : a ekor alai eırész és a környeze közöi eredı hıávieli ényezı (W/ 2 K), V & csı : a csıben lévı folyadék érfogaáraa ( 3 /s), V & fogy : használaielegvíz-fogyaszás ( 3 /s), v : a ekorfolyadék áralási sebessége (/s), V : a ekor érfogaa ( 3 ), 9
V & : ekorköri érfogaára ( 3 /s), V & : árolóköri érfogaára ( 3 /s), w : a ekor szélessége (), W hi deg : a hidegebb közeg hıkapaciás-áraa (W/K), W eleg : a elegebb közeg hıkapaciás-áraa (W/K), x : helykoordináa (), α n : norális irányú abszorpciós ényezı (-), k sz : a ároló szoszédos réegei közi keveredés és az oldalfal eni hıvezeés egjeleníı fikív hıvezeési ényezı (W/(K)), : bekapcsolási hıérsékle-különbség az energeikai alapú szabályozás a/ be, en, a eljárásában ( C), : bekapcsolási hıérsékle-különbség az energeikai alapú szabályozás b/ be, en, b eljárásában ( C), be, hagy : bekapcsolási hıérsékle-különbség az opializál hagyoányos szabályozásban ( C), : kikapcsolási hıérsékle-különbség az energeikai alapú szabályozás a/ en, a eljárásában, a szivayúk villaos fogyaszásának elhanyagolásával ( C), hagy : kikapcsolási hıérsékle-különbség az opializál hagyoányos szabályozásban, a szivayúk villaos fogyaszásának elhanyagolásával ( C), hisz : hiszerézis az opializál hagyoányos szabályozásban és az energeikai alapú szabályozás a/ eljárásában ( C), hisz, en, b ki, en, a : hiszerézis az energeikai alapú szabályozás b/ eljárásában ( C), : kikapcsolási hıérsékle-különbség az energeikai alapú szabályozás a/ eljárásában ( C), : kikapcsolási hıérsékle-különbség az energeikai alapú szabályozás b/ ki, en, b eljárásában ( C), ki, hagy : kikapcsolási hıérsékle-különbség az opializál hagyoányos szabályozásban ( C), x i 1, i : a ároló i-1. és i. réegének súlyponja közi ávolság (), 10
ε eff : az abszorber effekív eissziós ényezıje az infravörös aroányban (-), Φ : a hıcserélı Bošnjakovič-ényezıje (-), η : a ekor haásfoka (-), η 0 : a ekor opikai haásfoka (-), η 0n : a ekor opikai haásfoka a norális irányú napsugárzásra vonakozóan (-), Θ : a napsugárzás beesési szöge (-), ρ a : az abszorber anyagának sőrősége (kg/ 3 ), ρ csı : a csıben lévı folyadék sőrősége (kg/ 3 ), ρ : a ekorköri folyadék sőrősége (kg/ 3 ), ρ v : a víz sőrősége (kg/ 3 ), σ : Sefan-Bolzann állandó (W/( 2 K 4 )), ( ) en τα : a ekor norális irányú napsugárzásra vonakozó, egyenérékő ranszissziós-abszorpciós ényezıje (-). 11
1. Bevezeés, célkiőzések 1. BEVEZEÉS, CÉLKIŐZÉSEK Ebben a fejezeben a válaszo éakör idıszerőségére uaok rá és a dolgoza célkiőzései fogalazo eg. 1.1. A válaszo éakör jelenısége A egújuló energiaforrások, in a napenergia, inél jobb haásfokkal örénı kihasználása ársadalunk energiaprobléáinak egoldásában kulcsjelenıségő, a fosszilis készleek fogyása és az álaluk okozo környezeszennyezés ia. Ezen örekvés része az akív napekoros vízelegíı rendszerek (ebben a unkában röviden napekoros rendszerek) szabályozási haékonyságának javíása, aelynek speciális esee a kobinál, uszodai és használai elegvíz készíı, napekoros rendszerek szabályozásának fejleszésére vonakozik. Bárely napekoros rendszer vizsgálaára egzak, eléleileg alááaszo ódszer a fizikai alapú aeaikai odellezés. A validál aeaikai odell felhasználhaó a napekoros rendszer eleeinek, például szabályozásának, a fejleszésére. Dokori unká során ez a unkaenee kövee. 1.2. Célkiőzések Munká során olyan napekoros rendszerekre vonakozó aeaikai odell összeállíásá őze ki célul, aely az összes eghaározó energiaag figyelebevéelén úl, azok fizikai alapú kirészleezésé is aralazza. Az elélei fizikai háere áfogóan aralazza a (Duffie, Beckan, 2006) forrás. A fenieken kívül, legyen a odell érésekkel ellenırizheı, idenifikálhaó, fel udjon dolgozni akár érésekbıl, akár eeorológiai odellekbıl, vagy a éreezési szeponból célszerő inaadaokból szárazó beenı adaoka. Legyen flexibilis, azaz a napekoros rendszerek inél szélesebb körének odellezéséhez könnyen és precízen áalakíhaó. Célo a kidolgozo odell illeszeni a Szen Isván Egyee (SZIE) capusán lévı srand-óvodai rendszerre (SZIE-rendszer) és felhasználni egy új, energeikai alapú szabályozás kifejleszéséhez. Ez hozzájárulha a napekoros berendezések rendszer-kihasználsági fokának (ai a kövekezı hányados: fogyaszó száára hasznosío napenergia/ekorfelülere besugárzo eljes napenergia) növeléséhez. Az elélei eredények ellenırzése céljából ovábbi feladao vol a SZIErendszer eglévı érı-szabályozó rendszerének bıvíése, hogy a kidolgozo szabályozás alkalazni, haékonyságá pedig érni udja. A feni célok, ponokba szedve és részleezve, az alábbiak. 12
1. Bevezeés, célkiőzések 1. A vizsgál napekoros rendszerípus fizikai alapú aeaikai odelljének kidolgozása, a szakerüleen álalánosan elfogado és alkalazo száíógépes (RNSYS (Klein e al., 2005)) környezeben. 2. A aeaikai odell illeszése a rendelkezésre álló SZIE-rendszerhez. A odell érési adaokon alapuló validálása. 3. Új, energeikai alapú szabályozás kifejleszése, aely a napekoros berendezések rendszer-kihasználsági fokának növeléséhez járul hozzá. 4. A gyakorlaban álalánosan alkalazo hagyoányos szabályozás, aely elıre rögzíe ki- és bekapcsolási hıérsékle-különbségekkel dolgozik, rendszer-kihasználsági fokának axializálása, a ki- és bekapcsolási hıérsékle-különbségek inializálásával. 5. A SZIE-rendszer eglévı érı-szabályozó rendszerének olyan bıvíése, aely segíségével a kidolgozo energeikai alapú és, a feni pon szerin opializál, hagyoányos szabályozásoka alkalazni, haékonyságuka pedig érni lehe. 6. Az energeikai alapú szabályozás haékonyságának összehasonlíása az opializál hagyoányos szabályozáséval. Az összehasonlíás ind odellel sziulál, ind érési adaokon alapuljon. 7. A hagyoányos és az energeikai alapú szabályozások haékonyságának odellen alapuló vizsgálaa ároló elıi válószeleppel kiegészíe rendszer eseén. A vizsgálaok eredényeinek összeveése a ár vizsgál, válószelep nélküli eredényekkel. A 6. ponban az energeikai alapú szabályozás azér kell a hagyoányos szabályozás opializál válozaával összeveni, er ekkor lesz a hagyoányos szabályozás rendszer-kihasználsági foka axiális, vagyis a hagyoányos szabályozás szeponjából ez a legkedvezıbb ese. Ahhoz pedig, hogy az energeikai alapú szabályozás eseleges (alapveı elvi) elınyé a hagyoányoshoz képes egbízhaóan kiuahassuk, ez uóbbi legjobb válozaá kell figyelebe venni. A 7. ponhoz kapcsolódik, hogy viszonylag nagy rendszereknél (hosszú csövek esee) szóba jöhe, a szolár ároló visszahőésének egakadályozása céljából, egy válószelep beépíése a ároló elé, aely csak akkor engedi a árolóba a belépı csıben áraló folyadéko, ha annak hıérséklee eléri a egfelelı árolóbeli éréke. Ezér az erre a egoldásra vonakozó egállapíások ind a hagyoányos, ind az új, energeikai alapú szabályozás elle, érdekesek a gyakorla száára is. 13
2. Szakirodali áekinés 2. SZAKIRODALMI ÁEKINÉS 2.1. A napenergiá hasznosíó berendezések energiaviszonyai A napenergiá hasznosíó berendezéseke (beleérve a napekoros rendszereke is) alapveıen hı vagy fizikai unka erelésére használhajuk, bár ez uóbbi eseben egleheısen alacsony, eléleben kb. 5%-os (Badescu, 1991), gyakorlaban 1-4%-os (Badescu, 2007), (orres Reyes a al., 1998), (Chaabene, Annabi, 1997) haásfokra száíhaunk. A egújuló energiaforrások alkalazásának elsıdleges érelé a környeze védelében jelenkezı poziív haásukban láo. erészeesen ez a ársadalo száára léfonosságú hasznosság annál nagyobb, inél jobb haásfokkal üzeel a napenergiával őködı berendezés. A napenergiával őködı berendezések haásfokának elélei vizsgálaára vonakozó egfonolásoka aralaz a (Mészáros e al., 2004) forrás. A 2.1. ábra a különféle hıerıgépek haásfokának, így a szoláris energiával üzeelı gépek haásfokának is, a árgyalásá segíi. 2.1. ábra: Napenergiával őködı gépek energiaviszonyai (Mészáros e al., 2004) A szokásos jelölésódnak egfelelıen a vizsgál rendszer álal a környezeıl (idıegységenkén) felve eljes energiá hívjuk ulajdonképpeni energiának (E), a hıerıgép álal a környezenek visszaado energia szokásos neve anergia (A), íg a keı különbsége (ehá a hıerıgép álal elvégze hasznos unka) az úgyneveze exergia (E x ). Az exergiá és az energiá a haásfok (η ) kapcsolja össze: E x = ηe. A szoláris energia felhasználása szeponjából különösképpen fonos az alábbi összefüggés részlees elezése (a felülponozás szokásosan az idı szerini deriválás őveleének a jele): ahol Q s, abs Q0, abs, Qa, e Q& + Q& = Q& + Q& + &, (2.1) s, abs 0, abs a, e vk, vesz Q &, & & rendre az idıegységenkén elnyel napenergiá, a környezeıl idıegységenkén felve ovábbi energiafaják összegé, valain a rendszer abszorberelee álal idıegységenkén visszasugárzo energiaennyisége 14
2. Szakirodali áekinés jelölik. & a hıvezeésıl és a a konvekcióól szárazó idıegységenkéni Q vk, vesz energiaveszeség. ehá a korábban ár elíe (E-vel jelöl) energiának a Q & ag felel eg, aely a száunkra hasznos unkára (E x, exergia) és a ár szinén elíe (A-val jelöl) anergiára válik szé. Az irreverzibiliás alapveıen figyelebe vevı neegyensúlyi erodinaika köveelényeivel összhangban, a (szoláris) hıerıgép eljes ciklusára vonakozó axiális haásfok: 2 η = 1, (2.2) 1, 2, a Carno-féle körfolyaaból iser, a unkaközeg hıérsékleéıl elérı hıérsékleő, a környezei és perefeléelek álal eghaározo, eroszáok hıérséklee. A feni folyaa szerin őködı elélei hıerıgépe szokás Chabadal-Novikov- Curzon-Ahlborn (CNCA)-féle gépnek is nevezni. Az összefüggés álalánosíva (Badescu, 1984) a kövekezı írhaó: 1 n 2 η = 1. (2.3) 1 Ezeknek egfelelıen a közudoásúan reverzibilis Carno-gép eseén n = 1, a CNCA-gépnél pedig n = ½. Ennek egfelelıen az idıegységenkéni exergiaerelés: n 2 W & = 1 ( Q& s, abs + Q& 0, abs Q& a, e Q& vk, vesz ), (2.4) 1 ahonnan a haásfok közvelenül kifejezheı. I W & = E & x az egységnyi idı ala végze fizikai unka szokásos jelölése. A feni összefüggés szerin a napekoros rendszerek unkavégzı képessége, lévén viszonylag alacsony hıérsékleen dolgozó rendszerek, egleheısen csekély. Ezér használauk nagyrész a közvelen hıerelésre irányul. A hıerelés haásfokára is igaz, hogy alapveıen úgy növelheı, hogy a elegíendı közeg hıérsékleé inél alacsonyabban arjuk a rendszer hıerelıjének, a napekornak, a hıérsékleéhez képes (Schweiger e al., 2007). Ezér szokák szolár árolók főése eseén a ároló alsó, leghidegebb haradá főeni a napenergia segíségével. 15
2. Szakirodali áekinés 2.2. A napekoros rendszer eleei Az álala vizsgál napekoros rendszer legfıbb eleei használai elegvíz (HMV) erelı üzeben hıerelı oldalon a napekorezı, fogyaszói oldalon pedig a szoláris használai elegvízároló. A fogyaszó szinén egy fonosabb rendszerele, egy (az én eseeben leezes) folyadék-folyadék hıcserélı kapcsolja a hıerelı napekorokhoz. Az alábbiakban ezek a fonosabb rendszereleek kerülnek külön-külön árgyalásra, különbözı szakirodali források alapján. Valaennyi rendszereleel kapcsolaban fonos szepon az elélei háér részleezése, száos eseben aeaikai odellek beuaása, bizonyos odellek alkalazhaóságának árgyalása sziulációs, ill. érési adaok felhasználásával. A odell és a érési adaok összeveése álal örénik a odell validálása, aennyiben a odellel száío érékek jó, a cél szeponjából kielégíı egyezés uanak a ér adaokkal. 2.2.1. Napekor A napekorok várhaó energiahozaának és erikus viselkedésének elırejelzésére száos egközelíés és ódszer alakul ki, elyek közül öbbe, a jelöl források alapján, az alábbiakban áekinek. Farkas, Géczy-Víg (2003) szerin a ekorok hıérsékle-eloszlásának leírására egyszerő összefüggés nyúj a Hoel-Whillier-Bliss odell (Hoel, Woerz, 1942): ( x, ) = A U a körny, körny I g ( ) I g ( ) U + + környwx, körny ( ), be( ), körny( ) exp. U a körny U a körny c&, (2.5) U, ekorra jellezı hıávieli ényezık eghaározása a fizikai alapokon nyugvó érésechnikai eljárással egleheısen nehézkes, de a feni aeaikai odell alapul véve, e ké ényezı paraéer idenifikáció úján eghaározhaó. Ekkor éréssel kell rögzíeni a kerese hıérsékleéréke valaely elıre eghaározo őködési idıinervalluban, és az alábbi inegrál éréké kell inializálni. Az ekkor érvényes U a körny, U körny érékek szolgálaják a paraéerek figyelebeveendı éréké. A eljes ér üzeidı a 1 idıponól a 2 idıponig ar: 2 J ( U a körny, U körny ) = szá ( τ ) ( τ ) d. (2.6) 1 Az idenifikáció és a ódszer inısíése (validálás) függelen érési adahalazokon kell, hogy alapuljanak. A (Molineaux e al., 1994a) unka üvegezelen napekorok haékonyságával és hıeljesíényével foglalkozik. Az alábbi összefüggéseke használják fel: 16
2. Szakirodali áekinés η = η U ) / I, (2.7) 0 (, köz, körny η = F α K = K, (2.8) 0 n η0n 1 K = 1 b0 ( 1), (2.9) cosθ ahol b 0 konsans (-), éréke ipikusan 0,1-0,2, U : a ekor egyenérékő hıveszeség ényezıje (W/ 2 K): g U = F U L. (2.10) U a kövekezı összefüggéssel is közelíheı Harrison e al. (1989) szerin: U = A + B v, (2.11) ahol v szélsebesség 15 c-rel a ekor síkja fölö érve (/s). A, B : egfelelı érékő és dienziójú konsansok. Az U ényezı a ekornak a sugárzásos és a konvekív hıveszeségei is figyelebe veszi. A vizsgál ekorezık 5 különbözı helyszínen üzeelnek, küléri uszodák főésé szolgálva (l. (Molineaux e al., 1994b)). A ekor haásfoka a kövekezı jeleni: Q & η =. (2.12) I g A A (Hiler e al., 1999) cikkben beuaásra kerülnek különbözı, üvegezelen napekorok dinaikus viselkedésére vonakozó, aeaikai odellek. Az isereésre kerülı legösszeeebb odell, a részlees odellnek neveze és D2-vel jelöl aeaikai odell, aely érben eloszo jellezıkkel dolgozik. A ekorfolyadék egyelen rendszerelee képez, egyelen hıkapaciással és ( y, ) -vel jelöl, hıérsékleel. y a helykoordináa az áralási iránynak egfelelıen, az idı. A ásik nagy összefoglaló ele a eıfelülenek neveze rendszerrész, e ( y, ) hıérsékleel. A rendszer elei egysége, aelyre az energiaegyensúly felírása örénik, a 2.2. ábrán láhaó. 17
2. Szakirodali áekinés folyadék 2.2. ábra: Napekor elei egysége (Hiler e al., 1999) A feni ellenırzı érfogara, aely abszorber- folyadék- és eıeleeke aralaz, való energiaegyensúlyból adódik az alábbi parciális differenciálegyenle-rendszer, néhány egyszerősíı feléel figyelebevéelével. Ilyen például, hogy az abszorber és a folyadék közö állandósul állapoú hıáviel feléelezünk. Ebbıl száíhaó a a ( y, ) -vel jelöl hıérsékle, aely az abszorber felüleének közepes hıérséklee az ellenırzı érfogara: 0 = eff ég a konv, körny a a 4 4 S + ε σ ( ) + U ( ) + U ( ), (2.13) ( C A C A, a ) + C, y, + A v = U C = U a ( a ) + U e ( e ), a (2.14) e( e ) + Ue körny (, körny ). (2.15) e A, e e A parciális differenciálegyenle-rendszer egoldása nuerikus úon örénik egy egyszerősíı eszközzel, az ún. fizikai karakeriszikák ódszerével. Ennek során a függelen válozók síkján egfelelı görbeserege jelölnek ki, aely enén, egfelelı ódon kiválaszo diszkré ponokban (os -y koordináák), kiszáíják a kérdéses hıérsékleérékeke. A árgyal irodali forrásban a kövekezı egyenleel elıír, -y síkon eghaározo y = ϕ() görbékrıl van szó: 18
2. Szakirodali áekinés dϕ = veff ( ϕ, ), ϕ = ϕ(). (2.16 a, b) d Az y = ϕ() görbe olyan folyadékele helyé írja le az idı függvényében, aely a v eff, ún. effekív sebességgel (/s) ozog az áralás irányában. A feni öleel az (2.13), (2.14), (2.15) parciális differenciálegyenle-rendszer közönséges differenciálegyenle-rendszerré alakul, ai leheıvé eszi a nuerikus egoldás: v eff C = v. (2.17) ) A, ( C A, + C A, a Az egyenlerendszerben a kövekezı áírás eheı, ely a közönséges differenciálegyenle-rendszerhez veze: ( y, ) = ( ϕ( ), ). (2.18) f A forrásban egyszerősíe odellek is beuaásra kerülnek. Az egyik egyszerősíe odell (jele D1) abban különbözik a részlees odellıl, hogy egyelen hıkapaciással jelleezheı hıérsékleel, ( y, ) -vel száol a keı helye. A parciális differenciálegyenle az alábbi alako öli a egfelelı egyenlerendszerben: C + C v y 19 f f = F [ S * U L (, A,, össz A, körny )]. (2.19) Egy SC jelő odell is isereésre kerül, ai az elızı odellbıl (D1) szárazahaó azzal a ovábbi egyszerősíéssel, hogy a hıérsékle csak az idııl függ, a helyıl ne. Ezzel a feni parciális differenciálegyenle közönséges differenciálegyenleé alakul: ki C d C + v (,, ) = F [ S * U (,,, köz A, A,, össz ki be L köz körny d L, a hıérsékle uólagos, érbeli lefuására e feléelezésbıl adódik. )]. (2.20) Egy állandósul állapoú odell is elíésre kerül, aely a C A,, össz =0 (J/( 2 K)) helyeesíéssel szárazahaó a feni egyenlebıl, ovábbi egyszerősíések elle. A D2 odell validálása a száío eredényeknek egy arburgi napekoros rendszeren végze érésekkel való összeveésébıl szárazik. A cikk végén a szerzık a kövekezı egállapíásoka eszik (fedelen ekorokra): a D2 odell jól alkalazhaó a ekorezı hıérsékleeloszlásának odellezésére ég erısen válozó érfogaára eseén is, ovábbá gyakorlai szeponból az SC odell is egfelelı lehe, akár órás idıarara álagol beenı érési adaok eseén is, bár a ízpercenkéni érések ajánloak.
2. Szakirodali áekinés Konsans érfogaáraú eseben az állandósul állapoú odell is egfelelı ponosságra veze a gyakorlai alkalazás szeponjából. Fede síkekorokra is elvégezheı hasonló odellek felépíése és validálása. (Nayak, Aer, 2000): Az ASHRAE 93-86 szabvány síkekorok jellezıinek érésérıl és a érési adaok elezésérıl rendelkezik. A cél, hogy a szabvány egfelelı ódszer adjon különbözı gyárányú síkekorok eljesíényének, haásfokának az objekív összehasonlíására. A probléa az, hogy az így elıír érési eljárás a gyakorlaban nehezen kivielezheı, illeve kölséges, ivel az egész érés ala állandósul, illeve jó közelíéssel állandósul, nagyon szők haárok közö elıír, környezei állapoo kell bizosíani. Ezek az elıírások szabadéri vizsgálaok során csak nagyon rikán bizosíhaók, ezér száos egyéb eszelési eljárás dolgozak ki. Az alábbiakban kilenc különbözı ún. dinaikus eljárás összeveése kövekezik. Az egyes dinaikus eljárások eredényé az ASHRAE szabvány szerini eljárás eredényeihez, in referenciához viszonyíják. Ez azonban ne olyan egyszerő, ivel az egyes eszek eredényekén, közvelenül ne ugyanazon ekor paraéereke kapjuk kézhez. Mivel az ASHRAE szabvány a vizsgál ekor kövekezı jellezıi adja F τα τα a ekor egyenérékő ranszissziós-abszorpciós eredényül: ( ) e ( ( ) e ényezıje), F U L, c e (a ekor egyenérékő fajlagos hıkapaciása), ezér a közvelen összehasonlíás ia ind a kilenc dinaikus eljárás eredényeibıl, ahol az közvelenül ne adódik is, ki kell száíani a feni jellezıke. Az egyes odellek elérısége az azok kidolgozásánál alkalazo elélei egfonolásokig nyúlik vissza. A 2.1. ábláza uaja az egyes eljárások nevé, vagy nevének rövidíésé, az eljárások alapjául szolgáló aeaikai odell egyenleeke, a vizsgál ekor jellezı paraéereke és az uolsó oszlopban a vizsgála ala elıír környezei feléeleke. Bár inden jelölés jelenésé ne részleeze (ezek a szakirodaloban egalálhaók), a ábláza arra jó, hogy nagyjából érzékeljük az egyes eljárások eléréseinek éréké a leíró egyenleek, a jellezı paraéerek és a eszelés során bizosíandó feléelek vonakozásában. 20
2. Szakirodali áekinés 2.1. ábláza: Napekorok idenifikálására szolgáló eljárások (Nayak, Aer, 2000) Módszer Modell egyenle Jellezı paraéerek Feléelek lassan válozó nagy A C kényszeríe, állandósul állapo konsans 21
2. Szakirodali áekinés Az uolsó oszlopból láhaó, hogy az ASHRAE-eljárás köveeli eg a legszigorúbb, állandó érési feléeleke. A öbbi esznél válozó környezei feléelek egengedeek, ezér azok inkább felhasználóbará, a gyakorlaban (pl. gyárók álal) is öbbé-kevésbé alkalazhaó eljárások. Az egyes eszek közö necsak az elélei háérben és a kapo paraéerekben alálhaunk különbsége, hane az elıír érések száában, a érés során alkalazo segédberendezésekben vagy a inavéeli idıben, de az eredények kiérékelésének echnikájában is. A Filer-ódszer pl. lineáris regresszióval dolgozik, a DSC ( Dynaic Solar Collecor : dinaikus napekor) eljárás paraéer idenifikációval, a QD ( Quick Dynaic esing : gyors dinaikus eszelés) eljárás pedig a legkisebb négyzeek ódszerével, hibainializálás alkalaz, sb. A részlees érések és elezések eredénye ké különbözı síkekorra (különbözı gyárókól) a 2.2. áblázaban láhaók. 2.2. ábláza: Napekorok érési eredényei (Nayak, Aer, 2000) Módszer Kollekor Kollekor Láhaó, hogy az eredényeke az ASHRAE szerini érékekhez viszonyíoák. Az eıl való elérések és az eredények reprodukálhaósága, szórása (ne csak egy, hane öbb érés elvégzésé írják elı az egyes eszekben) alapján haározzák eg az ado odellek jóságá. A 2.2. áblázaban a zárójelben közöl %-érékek az állandósul állapobeli (ASHRAE) esz eredényéıl való elérés uaják. 22
2. Szakirodali áekinés A anulány egállapíja, hogy a Perers-ódszer álal nyer álagos érék jól egközelíi az ASHRAE-éréke, az elvégze vizsgálaban azonban a ódszer akkora szórással dolgozik, hogy az eredények gyakorlailag ne ekinheıek reprodukálhaóaknak. A 2.3., 2.4. ábrák grafikusan is uaják néhány kieel eljárás összehasonlíásá egyással és a helyesnek veheı, közvelenül ér adaokkal. HŐNYERESÉG (W) MÉRÉS IDŐ (h) 2.3. ábra: Napekorok érési eredényei (Nayak, Aer, 2000) HŐNYERESÉG (W) MÉRÉS IDŐ (h) 2.4. ábra: Napekorok érési eredényei (Nayak, Aer, 2000) A 2.3. és 2.4. ábrák ké különbözı napra vonakoznak egy konkré, vizsgál síkekor eseében. A ér referenciaadaok eli körrel kerülek ábrázolásra. A szerzık kijelenik, hogy az NDM ( New Dynaic Mehod : új dinaikus ódszer) eljárás kifejezeen ponosnak ondhaó az ábrák alapján és hogy ez az 23
2. Szakirodali áekinés eljárás reprodukálhaóság szeponjából is kedvezı, az eredényeke ekinve, 5-6%-os szórással dolgozik. A anulányban egfogalazo ovábbi konklúziók: az NDM ódszer igen egbízhaó összeveés bizosí a különbözı síkekorok közö a hıeljesíény szeponjából. A QD ódszer a legegyszerőbb ódszer a vizsgálaok közül, ezér valószínőleg jól alkalazhaó az egyes gyárók fejleszési unkái során. A ódszer a szolgálao álagos eredények és szórások alapján is gyakorlailag elfogadhaó. Bár a Perers-ódszer ad száo a legöbb fizikai effekusról, elyek egy síkekorra hanak, az eredények szórásuk nagysága ia ne nevezheıek reprodukálhaónak. A napekorok erikus viselkedésének leírására eghonosodo, klasszikusnak ondhaó eljárások uán ekinsünk egy újszerő egközelíés, a neurális hálóval (NN) örénı odellezés. Ennek részei a srukúraervezés (az ún. reje réegek és az egyes réegekben alkalazo neuronok száának egválaszása, az ún. anuló algorius és az ávieli függvények egválaszása), a aníás és végül az ellenırzés, validálás. Napekorokra vonakozó NN odell dolgozo ki Géczyné Víg a (Géczyné Víg, 2007) unkában. A neurális hálózaokkal részleesen egiserkedheünk a (Horváh, 1998) forrásból: Neurális hálónak nevezzük az a hardver, vagy szofver egvalósíású párhuzaos, eloszo őködésre képes inforációfeldolgozó eszköz, aely: azonos, vagy hasonló ípusú, lokális feldolgozás végzı ővelei eleek, neuronok (processing eleen, neuron) álalában rendeze opológiájú, nagyérékben összekapcsol rendszerébıl áll, rendelkezik anulási algoriussal (learning algorih), ely álalában ina alapján való anulás jelen, és az inforációfeldolgozás ódjá haározza eg, rendelkezik a eganul inforáció felhasználásá leheıvé evı inforáció elıhívási, vagy röviden elıhívási algoriussal (recall algorih). 24
2. Szakirodali áekinés A neuron álalános, elvi felépíése: 2.5. ábra: Neuron álalános felépíése (Horváh, 1998) A ővelei eleek legegyszerőbb és legelerjedebb válozaa az egyenrangú beeneekkel rendelkezı eória nélküli neuron: 2.6. ábra: Meória nélküli neuron álalános felépíése (Horváh, 1998) A beuao neuron eseén az x i skalár beeneek w i (i=0, 1,, N) súlyozással kerülnek összegzésre, ajd a súlyozo összeg egy f(.) nelineáris elere kerül. A neurális hálóza opológiáján a neuronok összekapcsolási rendszeré és a hálóza beeneeinek és kieneeinek helyé érjük, és álalában irányío gráffal reprezenáljuk. A csoóponjai a neuronoknak felelnek eg, íg a kapcsolaoka a kieneek és beeneek köz a gráf élei reprezenálják, a neuron beene felé irányíva. Az élekhez egfelelı w ij beenei súlyényezık hozzárendelheıek. 25
2. Szakirodali áekinés Példakén a 2.7. ábrán a legegyszerőbb, eória nélküli neuronból felépíe, egy processzáló réegő (a processzáló réeg olyan réeg, aely akív, jelfeldolgozás is végez) hálózao láhajuk. A szokásos beenei, réeg elle egy processzáló réeg is alálhaó, aely egyben a kienei réeg is. 2.7. ábra: Neurális hálóza álalános felépíése (Horváh, 1998) A (Géczyné Víg, Farkas, 2002) unkában síkekorokra vonakozó neurális háló dolgozak ki. A vizsgál ekor hossza 1,91, szélessége 0,95, a öegára 0,057 kg/s. Az egyszerő alapsrukúrá, elyhez a szerzık az opiális neurális háló keresék, a 2.8. ábra uaja: I g körny,be,ki 2.8. ábra: Síkekor odellezése neurális hálóval (Géczyné Víg, Farkas, 2002) Beenı adaok: I g, körny,, be, kienei ada:, ki. Ávieli függvénykén a an-sigoid (ansig), anuló algoriuskén a Levenberg- Marquard algorius bizonyul jónak, egfelelı ponosságo szolgálava. Opiálisnak ekinheı neurális hálónak nyolc processzáló és egy kienei neuronnal rendelkezı szerkeze adódo. Különbözı üzeódok elle, az NN álal generál és ér, vagy érések hiányában Hoel-Whillier-Bliss-féle odellel száol adaok alapján, a kövekezeések közö elíésre kerül, hogy a validálás során az NN álal generál 26
2. Szakirodali áekinés érékek jól közelíeék a ér érékeke, ovábbá elondhaó, hogy neurális háló alkalazása egfelelı eszköz síkkolekorok odellezésére. A 2001-ben bevezee, ekorok eszelésérıl rendelkezı szabvány isereésérıl szól a (Fischer e al., 2004) forrás. A napekorok jellezı paraéereinek eghaározására és a különbözı ekor ípusok eljesíényének összehasonlíására öbbféle ódszer léezik. 2001 áprilisáól azonban Európában a sokféle szabvány helyé hivaalosan az új EN 12975 (CEN 12975, 1997) szabvány vee á, ely kvázidinaikus eszkörülényeke is egenged, szeben a korábban használ és iser, állandósul állapoo elıíró szabványokkal (ISO 9806-1, ISO 9806-3, ASHRAE 93-77). A 2.9. ábra az uaja (egy ponosan eg ne neveze ekor példáján), hogy a korábban elfogado állandósul állapoú esz eredényei és az új szabvány szerini kvázidinaikus esz eredényei jó közelíéssel egegyeznek, ehá az újabb szabvány szerini esz jó eredényeke szolgála. Haásfok álland. áll. kvázidin. 2.9. ábra: Napekor haásfokgörbéje (Fischer e al., 2004) A kvázidinaikus esz jóval enyhébb környezei és beállíási feléeleke ír elı a érések során, in a régi állandósul állapoú eszek, ezér a érések kivielezése egyszerőbb, gyorsabb és olcsóbb. Egy példakén felhozo konkré, felhılen napon a régi szabványok száára csak inegy ásfél-, kéórás eszelési idıara egfelelı, a 2001-es EN 12975 vizsgálaai viszon inegy kilenc órán á végezheık az ado napon. Buzás (Buzás, 2007), (Buzás, 2009) napekorok ávieli függvényé írja fel a kienı jelkén kezel kilépı folyadékhıérsékle (, ki ( ) ( C)) és külön-külön az egyes beenı jelek közö, aelyek a napsugárzási inenziás ( I g ( ) (W/ 2 )), a belépı folyadékhıérsékle ( ( ), be ( C)) és a környezei hıérsékle, körny ( C)). ual az egyes jelek idıfüggésére. Az ávieli függvény alkalas ( ( ) (,köz -,körny )/I g [ 2 K/W] 27
2. Szakirodali áekinés annak vizsgálaára, hogy a beenı jelekben bekövekezı ranziens folyaaok ilyen haás gyakorolnak a kienı jelekre. A W ávieli függvény a kienı jel ( y ( ) ) Laplace-ranszforáljának és a beenı jel ( ( ) x ) Laplaceranszforáljának a hányadosa: W á ( s) ( s) ( s) á y =. (2.21) x ˆˆ A és az s válozó jelöli, hogy az ado jel Laplace-aroánybeli ranszforáljá vesszük. f függvény Laplace-ranszforáljá a kövekezıképpen állíjuk elı: Valaely ( ) fˆ 0 s ( s) = e f ( ) d, (2.22) ahol s koplex szá. A érfogaára állandóságá feléelezve, lineáris aeaikai odellbıl kiindulva, Buzás (2009) felírja az egyes beenı jelekre vonakozó ávieli függvényeke. W á1 s a ekor napsugárzási inenziásra vonakozó ávieli függvénye: ( ) W á1 ( s) ˆ = Iˆ g, ki ( s) τ Aη 0 / = ( s) τ s + 1 C. (2.23) W á2 ( s) a ekorba belépı folyadék hıérsékleére vonakozó ávieli függvény: W á2 ( s) ˆ = ˆ, ki, be ( s) τ ( ) V& U L A = s τ s + 1 V 2C. (2.24) W á3 ( s) a ekor környezei hıérséklere vonakozó ávieli függvénye: W á3 ( s) ˆ = ˆ, ki, körny τ a ekor úgyneveze idıállandója: ( s) τ U L A / = ( s) τ s + 1 C. (2.25) 1 τ =. (2.26) U L A V& + 2C V A fenieken úl a szerzı a kilépı folyadékhıérsékle és annak kezdei érékére 0 W á0 s is egadja, aely a kezdei éréknek ( ) vonakozó ávieli függvény ( ),ki a kilépı hıérséklere gyakorol haásá foglalja agában: 28
2. Szakirodali áekinés W á0 ( s) τ =. (2.27) τ s + 1 A feniekkel felírhaó a kilépı folyadékhıérsékle Laplace-ranszforálja a kövekezıképpen: ( s) = W ( s) ( 0) + W ( s) Iˆ + W ( s) ˆ ( s) W ( s) ˆ ( s) ˆ +, ki á0, ki á1 g á2, be á3, körny. (2.28) A feni algebrai kifejezés is érzékelei, hogy a Laplace-ranszforálal sok eseben könnyebb száíásoka végezni, in a egfelelı idıfüggvénnyel. Kedvezı eseben a Laplace-ranszforál isereében a egfelelı idıfüggvény is felírhaó az ún. inverz Laplace-ranszforáció őveleével. Idıaroánybeli, ehá közvelenül hasznosíhaó, eredény ad az áenei függvények vizsgálaa is, azaz hogy a napekor kilépı hıérséklee hogyan válozik az egyes beenı jelek egységugrás függvényeinek haására. (A kezdei érék kivéel, o ne egységugrás függvény, hane 0 C-ról 0,2 C-ra ugró függvény szerepel a vizgálaban.) Az egységugrás függvény éréke a 0 idıpon elı zérus, onnan kezdve pedig 1 az ado beenenek egfelelı érékegységben. Ezeke a vizsgálaoka is a Laplace-ranszforál felhasználásával lehe elvégezni. A vizsgál napekorra vonakozó eredényeke, ( 0) 0 elle, a 2.10. ábra uaja., ki = Kollekor kilépı hıszállíóközeg hıérsékle,,ki, C ekor kilépı hıérsékle,,ki, az egyes válaszfüggvények összegzésével,ki válasza a belépı hıszállíó közeg hıérsékle,,be, egységugrás függvényére,ki, válasza a,ki (0)=0,2 C kezdei érékre,ki, válasza a körny. hıérsékle,,körny, egységugrás függvényére,ki, válasza a napsugárzási inenziás, I g, egységugrás függvényére 2.10. ábra: Napekor áenei függvényei (Buzás, 2009) Perers, Bales (2002) az EN 12975 szabványban leír kvázidinaikus napekorodell fejleszik ovább. A javío dinaikus odell validál napekorodelleken (in a síkekorokra kidolgozo Hoel-Whillier-Bliss odell) és álalános hıávieli odelleken alapul. A javío odellben olyan korrekciós kifejezések leek beépíve, aelyek kierjeszik annak használaá 29
2. Szakirodali áekinés ajd inden ekor ípusra, ovábbá dinaikus őködési- és idıjárási körülényekre. A szóban forgó aeaikai odell, aelye a RNSYS-ban 832-es száal jelölnek, ill. a közvelen elızényé, a kisérékben különbözı 132-es odell, széles körben alkalazzák az IEA (Inernaional Energy Agency: Nezeközi Energiaügynökség) 26. száú, kobinál napekoros rendszerek fejleszésére irányuló, áfogó projekjében (IEA ask 26, 2012). A eljes aeaikai odell validálása érési adaok alapján örén, konrollál őködési feléelek elle, különbözı napekoros rendszerek eseében, ind küléri, ind napsziuláorok segíségével végrehajo beléri kísérleek úján. A aeaikai odell a kövekezı: Q& A F ( τα ) K ( Θ) I + F ( τα ) K I k ui k ( ) = en Θb b en Θd d 5 g 1, köz, körny 2 4 d, köz k2(, köz, körny ) k3u(, köz, körny ) + k4( EL σ, körny, K ) CA,. d (2.29) A hosszú hulláhosszú sugárzásól való függés hasonló ódon lehe eghaározni in az ide vonakozóan alapveı, ISO 9806-3 (ISO, 1995) szabványban fedelen ekorok eseén, azzal a különbséggel, hogy i a 4 k4( E L σ, körny, K ) kifejezés hıveszeségkén szerepel. A K Θb( Θ) függvény bizonyos ekorípusoknál egyelen konsans ( b 0 ) segíségével eg lehe adni a kövekezıképpen (l. pl. (ASHRAE, 1978)): 1 KΘ b ( Θ) = 1 b0 1. (2.30) cosθ Álalános eseben azonban öbb, akár íz darab, különbözı függvényre van szükség, aelyek különbözı beesési szögaroányokban érvényesek. A ovábbfejlesze 832-es odellben leheıség van ilyen függvényekre vonakozó, íz különbözı konsans egadására. 2.2.2. Szolár ároló ökéleesen kever, egyelen hıérsékleel jelleezheı szolár ároló hıegyensúlyára a (Duffie, Beckan, 2006) forrás a kövekezı összefüggés adja eg: d c d ( ) + c & ( ) + A k ( ) &. (2.31) = c fogy d, el, körny A kever ároló odell a legegyszerőbb ároló leírás, aelyben indenkor hoogén hıérsékle-eloszlás éelezünk fel. Ez a odell rendszerin 30
2. Szakirodali áekinés ponalanabbul írja le a ároló viselkedésé, in az összeeebb réegze ároló odell. Réegze ároló leíró aeaikai odell ad eg Duffie, Beckan (2006) a 2.11. ábra szerin. hıveszeség fogyaszó felé &, el ekor felıl, el,1 F & F fogy & 1, el 1 fogy,1 & fogy F 1 &, el fogy fogy ( F 2 + F3 ) & fogy F & 2, el,2 F & fogy 2 fogy ( & F 1 + F2 ), el F & fogy 3 fogy &, el ekor felé,3 F 3 &, el,3 fogy d 3 fogy fogy 2.11. ábra: Réegze szolár ároló odell (Duffie, Beckan, 2006) A ekor felıl (vagy éreleszerően a hıcserélııl) érkezı folyadék abba a csoóponba lép be a odell szerin, aelyiknek a hıérséklee a belépı folyadékénál kisebb, de ahhoz a leheı legközelebbi érékő. c Definiálunk N db ún. ekor-kapcsolófüggvény ( F i ), aelyek eghaározzák, hogy elyik csoópon fogadja a ekor felıl érkezı folyadéko: F 1 ha i = 1 és, el >, i, 1 ha, i 1, el >, i, Fi = (2.32) 0 ha i = 0, vagy i = N + 1, 0 egyébkén. & fogyaszó felıl hıveszeség & 31
2. Szakirodali áekinés Ha a ekor felıli folyadéko keringeı szivayú jár, akkor ponosan egy kapcsolófüggvény éréke különbözhe nulláól. A csoóponoka felülrıl lefelé haladva száozzuk, azaz a agasabb hıérsékleő réegek kisebb sorszáo kapnak a hidegebbeknél. A feni konsrukciónak egfelelıen egy eszıleges, de kellıen agas, 0 hıérsékleő (pl. 100 C-os) fikív 0. réege, ovábbá a forula álalános használhaósága érdekében, egy fikív, N+1. réege is bevezeünk. Hasonlóan bevezeünk N db, a HMV fogyaszásnak egfelelı 32 F fogyaszási kapcsolófüggvény is, aelyek a feniekhez hasonló ódon eghaározzák, hogy elyik csoópon fogadja a HMV fogyaszásnak egfelelı hálózai hidegvíz érfogaárao: 1 ha i = 1 és d >, N, fogy 1 ha, i 1 d >, i, Fi = (2.33) 0 ha i = 0, vagy i = N + 1, 0 egyébkén. Az i-1. csoóponól az i.-be örénı eredı öegára, nagyságá a ekor felıl érkezı érfogaára,, el, i L i & (kg/s), irányá és & (kg/s), és a HMV fogyaszási érfogaára, & fogy (kg/s), nagyságai, valain a kapcsolófüggvények érékei haározzák eg a kövekezıképpen:, i d d k A c & 0, (2.34), 1 = i 1 N i = & el Fj &,, fogy j= 1 j= i+ 1 & F, (2.35) i fogy j & 0, (2.36), N + 1 = fogy ( ) + F & ( ) + F & ( )+, i =, körny, i i, el, el, i i fogy d, i & + &, i (, i 1, i ) ( ), i+ 1, i, i+ 1 if if &, i & > 0,, i+ 1 < 0. (2.37) A szolár árolók haékonyságának fonos feléele a egfelelı hıérséklei réegzıdés a hıároló rendszeren belül. Ez a jelenség egyelen réegze árolónál is egjelenik, öbb árolós rendszereknél pedig kifejezeen jelenıs (Maher e al., 2002), ivel az egyes árolók jól elhaárol vízérfogao jelenenek. A (Zachár, 2003) és (Zachár e al., 2003) források foglalkoznak a kövekezıkkel: egy kör alakú leez án a legolcsóbb és legegyszerőbb ódja, hogy jelenıs hıérséklei réegzıdés arsunk fenn egy szolár árolóban ég viszonylag agas elvéeli érfogaára elle is.
2. Szakirodali áekinés A vizsgál ároló érfogaa 100 lier, a erelıleez áérıje 0,3, aely a ároló áérıjének inegy ¾-e, a 2.12. ábrának egfelelıen. ki kilépés ki leez be belépés 2.12. ábra: ároló erelıleezzel (Zachár e al., 2003) A ároló indulási hıérséklee inden eseben valaivel 40 C fölö vol, a belépı víz hıérséklee pedig 20 C ala. A erelıleez alkalazása és a ároló 40%-ának véelezése (kisüése) elle a ároló felsı részének jelenıs hányada zavaralan arad, ai a hıréegzıdés és így a kinyerheı hıeljesíény szeponjából kedvezı. A zavaralan rész szine ugyanakkora a különbözı érfogaáraú véelezéseknél (1,6-10 l/in), ai a gyakorla szeponjából, a fogyaszói érfogaáraok ingadozása ia fonos. A (Jordan, Furbo, 2005) forrás éája és eredényei a (Zachár, 2003; Zachár e al., 2003) unkákéhoz igen hasonlóak. A leír unka során kéféle beölési áraláserelıvel elláo kiséreő szolár árolók réegzıdésének és eljesíényének alakulásá vizsgálák. A kéféle kialakíásnak egfelelı arályok a 2.13. és a 2.14. ábrákon láhaóak. be 2.13. ábra: ároló beölési áraláserelıvel, I arály (Jordan, Furbo, 2005) 33
2. Szakirodali áekinés 2.14. ábra: ároló beölési áraláserelıvel, II arály (Jordan, Furbo, 2005) A 144 lieres I jelő arály (2.13. ábra) hidegvíz beölı csonkja fölé kb. 10 -es ávolságra a csı végéıl, egy félgöbhéj alakú erelıele kerül. A 182 lieres II jelő arály (2.14. ábra) belépı nyílása fölé, kb. 30 -es ávolságra kb. 110 áérıjő síklap kerül. 18-50 lier HMV 4-6 l/in érfogaáraal örénı elvéelei alapján adódo, hogy kedvezıbb a II kialakíás, egy db nagyéreő lapos erelıleezzel, ai jobban egfelel a (Zachár, 2003; Zachár e al., 2003) cikkekben árgyalaknak. Ebben az eseben ugyanis alacsonyabban jelenkezik a egzavar és a zavaralan ároló érfoga haára, ai végül is jobb ároló eljesíény jelen. Egy RNSYS-ban lefuao sziuláció 2,5 2, ill. 1,5 2 ekor felülere és 100 lier/nap, ill. 200 lier/nap HMV igény eseére (helyszín: Zürich) az az eredény adja, hogy a kiegészíı-főési eljesíényigény 3-7%-al is csökkenhe éves szinen, ha viszonylag nagy, lapos ányérszerő erelıelee használunk a belépıcsonk fölö. Glebin, Rockendorf (2011) eguaja, hogy a árolók réegzıdésének fennarása szeponjából necsak a napekoról/hıcserélııl érkezı elegvíz hozzávezeésének, hane a HMV árolóból való elvezeése ódjának is kulcsszerepe van. A szerzık négyuú szelepe javasolnak a arály kisüésére, a ároló réegzıdésének fennarása céljából. A RNSYS-beli 60-as száú ároló odellnek lényegében a 2.11. ábra réegze odellje felel eg, azzal a kiegészíéssel, hogy leheıség van kiegészíı főés figyelebe véelére az egyes réegekben, ovábbá réegzıdés ronó hıani folyaaok odellezésére is. Ez uóbbi haás a szoszédos réegek közöi közvelen hıvezeés, a haáruknál fellépı keveredés és az oldalfal enén lejászódó hıvezeés eredénye. A RNSYS-ban a kövekezı kifejezés írja le ez a réegzıdés ronó hıárao az i-1. és az i. réegek közö: 34
2. Szakirodali áekinés ksz + k x i 1, i sz A, i ( ), i 1, i. (2.38) 2.2.3. Hıcserélı A hıcserélıkben ké vagy öbb közeg közö energia- (hı-) csere valósul eg. A hıcserélıknek öbb ípusa léezik. Az olyan készülékek, elyekben a hıhordozók egyásól egy szilárd fallal elválaszva áraolnak, felülei hıcserélık vagy rekuperáorok. Ezekben a készülékekben az áraló közegek közö, az elválaszó falon kereszül, hıáviel zajlik le. Az egyes közegek közvelenül az ıke haároló falakkal vannak hıechnikai, azon belül konvekciós vagy hıáadásos kölcsönhaásban. eszıleges közeg-válaszfelüle párosíásakor ehá hıáadás valósul eg. Az a hıára, aely a válaszfal egyik oldalán áadódik, (kéoldalú válaszfal eseén) a ásik oldalon is eg kell hogy jelenjen ellenkezı elıjellel, állandósul (sacionárius) állapo esén. Ugyanez a hıára kell, hogy ávándoroljon hıvezeéssel a válaszfalon belül. Ha a közegek az elválaszó fal enén párhuzaosan, de ellene irányban áraolnak, ellenáraú hıcserélırıl beszélünk. Konkré felülei hıcserélıkben lejászódó hıáviel vizsgálaa örénhe odellkísérleek, vagy közvelen érések álal, illeve analiikus vagy nuerikus úon, száíógépes sziuláció segíségével. A odellkísérleeke válaszva alapveı eszköz a hasonlóságeléle in a odellvizsgálaok elélee (Mihejev, 1990), (M. Csizadia, Nándori, 2003). Ekkor elkészíjük a vizsgálni kíván rendszer álalában kicsinyíe, fizikai ( kisina ) odelljé. A közvelen érés, ahogy az elnevezés is uaja, az jeleni, hogy agán az élesben beépíendı berendezésen végzünk éréseke és az eredényeke érékeljük. Ha figyelebe vesszük, hogy az egyes hıcserélı ípusok hıérsékle-eloszlásá ilyen nehezen egoldhaó differenciálegyenle-rendszerek írják le, akkor láhajuk, hogy ennyire alapveı a érések szerepe száos konkré vizsgálai eseben. Az analiikus ódszer álalában a felada perefeléeleinek (gazdasági-, idıbeli-, sb. perefeléelek) egyszerősíése uán valósíhaó eg analiikus összefüggések, képleek felállíása és egoldása úján. Nuerikus ódszeren az analiikus összefüggések, fıleg differenciálegyenleek áírásá szokuk éreni aeaikailag kezelheıbb forára, azok (közelíı) egoldásával együ. A nuerikus eljárás nagy száíási igénnyel jár, így alapveıen száíógépes felada. Ma ár az analiikus eljárás is valailyen szofver segíségével célszerő alkalazni (Maple), (Maheaica), sb.. A hıcserélık jellezéséhez szükséges adaok a 35 k h, az ε, vagy a Φ ényezık (részleezésük alább) és a hıávivı felüle nagysága. Ezek isereében eghaározhajuk a szolgálao hıeljesíény. (Az alábbiak (Környey, 1999) szeriniek.) Ennek da nagyságú részén ávi hıára a kövekezı: h
2. Szakirodali áekinés h h ( eleg hi deg ) dah dq & = k. (2.39) k h, eleg, hi deg a hely függvényei. A eljes hıávivı felülere vonakozó inegrálással nyerjük a készülék hıeljesíényé: h Ah, A = 0 h ( eleg hi deg ) dah eljes Q& = k. (2.40) A k h közepes hıávieli ényezı a kövekezıképpen definiáljuk: k h h 1 = A Ah, eljes Ah = 0 h, eljes k h da h. (2.41) A hıcserélı közegei közöi közepes hıérsékle-különbsége a kövekezıképpen definiáljuk: köz A kh ( eleg hi ) h, eljes = da = deg h Ah 0 k h A h, eljes. (2.42) A feni inegrál száíása zár alakban a legöbb eseben ne leheséges, vagy úlságosan bonyolul. Ezér a közepes hıérsékle-különbsége a kövekezı alakban szokás egadni: köz = ε ln, (2.43) ahol ln olyan ellenáraú hıcserélı logariikus közepes hıérséklekülönbsége, elynek be- és kilépı hıérsékleei a vizsgál hıcserélıével azonosak. ε : korrekciós ényezı ( 1). A feniek uán a hıeljesíény a kövekezıképpen írhaó fel: Q &. (2.44) h = kh Ah, eljes Elekinve a készülék és a külsı környezee közöi hıforgaloól, a ké közeg közö, azok enalpiájának felhasználásával, a kövekezı összefüggés írhaó fel: h eleg ( h h ) = ( h h ) köz Q& = & &. (2.45) eleg, be eleg, ki hi deg hi deg, ki hi deg, be h : enalpia (J/kg). A h = c p egyszerősíéssel élve, ahol c p az egyes közegek be- és kilépı hıérsékleeire vonakozó közepes fajhı, a kövekezı összefüggés írhaó: ahol & eleg ( eleg, be eleg, ki ) = h c p, hi deg ( hi deg, ki hi deg, be )= ( ) = W ( ) c p eleg = W &, (2.46), & eleg eleg, be eleg, ki hi deg hi deg, ki hi deg, be W & a eleg, W & h pedig a hideg közeg hıkapaciás-áraa. 36
2. Szakirodali áekinés A kisebb hıkapaciás-árao jelöljük 1 W & W& hi W& 1 = in deg, eleg. Az eléleileg leheséges axiális hıeljesíény, aikor a kisebb hıkapaciásáraú közeg a leheı legjobban felelegszik, a kövekezıképpen fejezheı ki: 37 W & -gyel: ( ) ( ) Q & = &. (2.47) h, ax W1 eleg, be hi deg, ki A valóságban a hıeljesíény ( Q & h ) ennél kisebb. A hıcserélı haékonyságá fejezi ki a valós és az eléleileg axiális hıeljesíények hányadosa, ai a hıcserélı (Bošnjakovič-féle) haásosságának nevezünk: Q& Q& h Φ =. (2.48) Ellenáraú hıcserélık eseében Φ, k h és ε közö a kövekezı összefüggés írhaó fel, aennyiben W & 1 W&, ahol ( ) 2 W & W& hi W& 2 = ax deg, eleg : h,ax khεah, 1 exp Φ = W& 1 W& k A 1 1 exp hε h W& 2 W& 2.2.4. A napekoros rendszer irányíása eljes, eljes 1 W& 1 1 W& 2. (2.49) W& 1 1 W& 2 A szakirodaloban ind klasszikus, ind újabb, ovábbfejlesze irányíásokra és azok opializálására vonakozó unka alálhaó napekoros rendszerek vonakozásában. A napekoros rendszerek irányíására álalában igaz, hogy az irányíás célja a hıároló axiális felelegíése. Mivel a ekor(ok) hıérséklee a rendszer legagasabb hıérséklee és ez elegíi a ároló, a cél érdekében a ekor hıérsékleé kell egcélozni a árolóban elérendı hıérsékle szeponjából. Ez az irányíásechnikai elv fedezheı fel az alábbi irányíások öbbségénél. A (Löf, 1993) unka alapján, az irányíásechnikai gyakorlaban széles körben alkalazo, klasszikusnak nevezheı ki-bekapcsolásos (vagy állásos), arányos, differenciáló, inegráló és arányos inegráló differenciáló szabályozások rövid leírása a kövekezı. Ki-bekapcsolásos szabályozás: a napekor ( ) és a ároló ( ) hıérsékleének a különbségé érjük. A beavakozó jel, u ( ), egy poziív konsans éréke u ax, vagy nullá vehe fel, azaz a szivayúk érfogaáraa konsans (axiális), vagy nulla, aól függıen, hogy a ér hıérséklekülönbség egy elıre eghaározo bekapcsolási ( be ) és kikapcsolási ( ki )