SZENT ISTVÁN EGYETEM NAPENERGIÁS MELEGVÍZKÉSZÍTŐ ÉS TÁROLÓ RENDSZEREK BLOKKORIENTÁLT MODELLEZÉSE Doktori értekezé téziei Buzá Jáno Gödöllő 2009
A doktori ikola megnevezée: Műzaki Tudományi Doktori Ikola tudományága: Agrárműzaki tudományok vezetője: Dr. Farka Itván egyetemi tanár, a műzaki tudományok doktora SZIE, Gépézmérnöki Kar témavezető: Dr. Farka Itván egyetemi tanár, a műzaki tudományok doktora SZIE, Gépézmérnöki Kar Környezetipari Rendzerek Intézet.. Az ikolavezető jóváhagyáa.. A témavezető jóváhagyáa
TARTALOMJEGYZÉK JELÖLÉSEK, RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE... 4 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK... 5 1.1. A válaztott témakör jelentőége... 5 1.2. Célkitűzéek... 6 2. ANYAG ÉS MÓDSZER... 7 2.1. A ík-kollektor fizikai alapú modellje... 7 2.2. Napenergiá haználati melegvíztároló modellje... 8 2.2.1. Belő hőerélővel ellátott melegvíztároló modellje... 8 2.2.2. Belő hőerélő nélküli melegvíztároló modellje... 9 2.3. Melegvíztárolón kívüli, külő hőerélő modellje... 9 2.4. Az ellenőrző méréek napkollektoro rendzerei... 10 3. EREDMÉNYEK... 11 3.1. A kollektor átviteli függvényének meghatározáa... 11 3.2. A kollektor modell megoldáa blokkorientált zimuláióval... 12 3.3. A kollektor modell telje hővezteég tényezőjének identifikáiója... 12 3.4. Tárolóba beépített hőerélő napkollektoro rendzer zimuláiója... 13 3.5. Külő hőerélővel kialakított napkollektoro rendzer zimuláiója... 14 3.6. Napkollektoro rendzerek zabályozó modelljei... 16 3.7. Az uzodai napkollektoro rendzer monitorozáa é zimuláiója... 17 4. ÚJ TUDOMÁNYOS ERDMÉNYEK... 20 5. KÖVETKEZTETÉSEK ÉS JAVASLATOK... 22 6. ÖSSZEFOGLALÁS... 24 7. AZ ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ PUBLIKÁCIÓK... 25 3
JELÖLÉSEK, RÖVIDÍTÉSEK JEGYZÉKE A - kollektor abzorber felület (m 2 ) A - a tároló külő (hőátadó) határoló felülete (m 2 ) - kollektoron átáramló folyadék fajhője (J kg -1 K -1 ) - folyadék fajhő a tárolóban é a külő hőerélő tároló oldalán (J kg -1 K -1 ) C - kollektorban lévő folyadék hőkapaitáa (J K -1 ) F' - kollektor abzorber hőzállítái (hatáfok) tényező, (dimenzió nélküli) k - a tároló hővezteég tényezője (W m -2 K -1 ) I - kollektor felületre érkező napugárzá (W m -2 ) m& - kollektoron átáramló folyadék tömegáram (kg -1 ) T 1 - hőerélő őkígyóból kilépő hőzállítóközeg hőméréklet ( C) T ab - kollektor abzorber hőméréklet ( C) T av - kollektoron átáramló hőzállító közeg átlago hőméréklet ( C) T a - kollektor környezeti levegő hőméréklet ( C) T i - kollektorba belépő folyadék hőméréklet ( C) T o - kollektorból kilépő folyadék hőméréklet ( C) T d - tárolóba belépő hálózati hidegvíz hőméréklet ( C) T ha - a külő hőerélő környezeti hőméréklete ( C) T hi - a tárolóból kilépő a külő hőerélőbe belépő víz hőméréklet ( C) T ho - a külő hőerélőből kilépő a tárolóbba vizatérő víz hőméréklet ( C) T hhi - a kollektor felől a hőerélő primer oldali belépő hőméréklete ( C) T hho - a hőerélő primer kilépő, kollektorhoz vizatérő hőméréklete ( C) T - tárolóban lévő é abból elvett haználati melegvíz hőméréklet ( C) T a - tároló környezeti hőméréklet ( C) T i - hőerélő őkígyóba belépő hőzállítóközeg hőméréklet ( C) U - kollektor hővezteégi tényező (W m -2 K -1 ) U L - kollektor telje hővezteégi tényező (W m -2 C -1 ) v& - a kollektor é a beépített hőerélő őkígyó térfogatárama (m 3-1 ) v& l - tárolóból felhaznált haználati melegvíz térfogatáram (m 3-1 ) v& - a tárolót a külő hőerélővel özekötő kör térfogatárama (m 3-1 ) V - kollektor folyadék átvezető járatainak a térfogata (m 3 ) V - tároló térfogat (m 3 ) η 0 Görög zimbólumok - kollektor optikai hatáfok (dimenzió nélküli) ρ - a kollektoron átáramló folyadék űrűége (kg m -3 ) ρ - folyadék űrűég a tárolóban é a külő hőerélő tároló oldalán (kg m -3 ) τ - kollektorra jellemző időállandó () 4
1.1. A válaztott témakör jelentőége 1. BEVEZETÉS, CÉLKITŰZÉSEK Az energia áralakulá tendeniáját vizgálva megállapítható, hogy az eddig bekövetkezett é a jövőben várható árnövekedé mindinkább előtérbe helyezi a takaréko energiafelhaználát, valamint ezzel párhuzamoan a fejlett orzágokhoz haonlóan hazánkban i növekedni fog a deentralizált, a fogyaztók zámára rézlege autonómiát biztoító energiatermelő egyégek alkalmazáa. E mellett egyre inkább fonto zempont a hagyományo fozili energiahordozók elégetéekor keletkező a környezetre káro zennyezőanyag kiboátát ökkentő, illetve környezetbarát energiatermelét biztoító tehnológiai megoldáok elterjeztée i. Az említett zempontoknak megfelelő, egyik lehetége megoldá a megújuló energiaforráok növekvő mértékű haznoítáa. Ennek egyik formája a napenergia aktív termiku haznoítáa. A mai termiku napenergia haznoítái tehnológiák jó hatáfokkal é megbízhatóan biztoítják a napugárzából termelt hőt az alkalmazáok zéle körében, így a haználati melegvízkézítéhez, az épületfűtéhez, úzómedenék fűtééhez, napenergiá hűtére, távfűtére, ipari hőtermeléhez é ótalanítához. Az Európai Unió tagorzágaiban 2007 végén 15,4 GW th (22 millió m 2 kollektor felület) termiku napenergia haznoító kapaitá volt üzemben. Hazánk termiku napenergia haznoítái adottágai kedvezőbbek, mint ok európai orzágé. Jelenleg Magyarorzágon a napenergia termiku haznoítáára beépített működő, é az évenként telepített kollektor felületre vonatkozóan az egye forráok eltérő adatokat tartalmaznak. Egy publikáió 2005-ben a hazai öze telepített kollektor felületet 40 ezer m 2 -re beülte, míg az Európai Szolár Termiku Ipari Szövetég által közétett tatiztika a 2006 évben üzemben lévő kollektor felületet 6.250 m 2 re beülte, míg az egy évvel kéőbbi kimutatában már 14.250 m 2 zerepel. Özehaonlítáként Auztriában, a 2007-ben üzemben lévő kollektor felület mintegy 2.892.627 m 2 volt. A folyadék munkaközegű napkollektoro rendzerek jövőbeni nagyobb arányú hazai elterjedée főként a haználati-, é tehnológiai melegvíz kézítében, uzodák, trandok vizének fűtéében, valamint kiebb mértékben épületfűtéi élú alkalmazáoknál várható. Egy átlago alád évi öze melegvíz igényének kb. 55-60%-a i előállítható 3-4 m 2 hőelnyelő felülettel rendelkező napkollektorral é a hozzátartozó kb. 150 litere tárolóval. Ezzel fozili, vagy nukleári energiahordozóból termelt energia váltható ki, továbbá az energiatermelét kíérő zennyezőanyag kiboátá i ökkenthető. 5
1.2. Célkitűzéek A kutatái feladat élkitűzéei a napenergiá haználati melegvízkézítő é tároló rendzerek hőátviteli problémáinak modellezéére, zimuláiójára é a rendelkezére álló napenergia-haznoító rendzereken - a modell eredmények ellenőrzée éljából - méréi é monitorozái feladatok végzéére irányultak. A folyadék munkaközegű napkollektoro berendezéek hőtermelő egyége a napkollektor. A zakirodalmat felhaználva él olyan fizikai alapú modell kidolgozáa, ami alkalma a folyadék munkaközegű ík-kollektor hőegyenúlyának leíráára, a napugárzá, a környezeti hőméréklet, a kollektorba belépő folyadék hőméréklet é tömegáram figyelembevételével. A napkollektorban előállított hőt a kéőbbi felhaználá éljából a tárolóba kell juttatni. Kétkörö rendzer eetén ezt a feladatot a kollektor kör é a tároló közötti hőzállítái feladatot ellátó hőerélő végzi. A napenergiá haználati melegvízkézítő é tároló rendzerekben, a hőerélő vagy a tároló belejében, vagy a tárolón kívül van telepítve. Ezért elengedhetetlen olyan fizikai alapú modell kidolgozáa, ami leírja a kollektor felől a hőerélőbe belépő folyadékárammal zállított hőnek a tároló vízébe, vagy a tárolóból a hőerélő zekunder oldalán átáramló folyadékáramba jutáát. Napenergiá melegvízkézítő rendzerek eetén az energia rendelkezére álláa é a felhaználói energia igény nagyrézt időben elkülönül. Ezért a rendzerekbe beépített tároló feladata az özegyűjtött hő tároláa, illetve a felhaználái igényeknek megfelelő rendelkezére boátáa. Ennek megfelelően fonto olyan fizikai alapú modell kidolgozáa, ami leírja a tárolóba belépő, é az abból távozó hő é folyadékáramokat. A napenergiá melegvízkézítő rendzerekben a hőhaznoítát zabályozó berendezé irányítja. A modellezéhez kapolódóan élzerű olyan, - az ellenőrző méréek elvégzééhez rendelkezére álló rendzerekben alkalmazott zabályozókkal azono működéű - zabályozó modell kidolgozáa, ami a kollektor kilépő hőméréklet é a tároló hőméréklet alapján a rendzer zimuláió orán zabályozza a folyadékáramot. A napkollektoro rendzer egye elemeinek, úgymint kollektor, hőerélő, tároló é a zabályozó berendezé működéét leíró modellek felhaználáával kialakítható a telje rendzer integrált modellje. A végő feladat egy olyan zimuláió modell kidolgozáa, ami a bemenő paraméterek, a napugárzá, a környezeti hőméréklet, a hálózati hidegvíz hőméréklet é a haználati melegvíz felhaználá alapján képe a tárolóban lévő haználati melegvíz hőmérékletének zámítáára, illetve a rendzer energia termeléének beléére. 6
2. ANYAG ÉS MÓDSZER A napkollektoro haználati melegvízkézítő rendzerek működéére tranzien, időben változó folyamatok a jellemezőek. A folyamatok leíráához olyan konentrált paraméterű, a hőátviteli folyamatokat időben kellő pontoággal leíró közönége differeniálegyenleteket alkalmaztam, amelyeket blokkorientált zimuláió zoftver, a MATLAB+Simulink egítégével oldottam meg. A zoftver a konkrét fizikai folyamatok modellezéén kívül alkalma a rendzer irányítái, zabályozái funkióinak modellezéére é vizgálatára i. Európában a napkollektoro rendzereket döntő többégében üvegezett, folyadék munkaközegű, ík-kollektorokkal telepítik. Ez a hazai telepítéek eetére i igaz. Ezért a dolgozatban ennek a kollektor típunak a modellezéével foglalkoztam. A modellezé orán a fizikai alapú megközelítét alkalmaztam. A fizikai alapú matematikai modellek paraméterérzékenyég vizgálatra, zimuláióra é irányítái élokra i haználhatók, továbbá lehetővé tezik az irányítátehnikában alkalmazott rendzervizgálati módzerek alkalmazáát, az átviteli tulajdonágok megítélée éljából. 2.1. A ík-kollektor fizikai alapú modellje Feltételezve az 1. ábra által vázolt ík-kollektort a modell a kollektorból távozó folyadék hőmérékletét T o (t) írja le a bemeneti változók é paraméterek függvényében. A kollektor állandóult állapota eetén a kollektorba érkező hőmennyiég azono a kollektorból távozó hőmennyiéggel. Tehát a kollektorban, átáramlá közben felmelegedő hőzállító közeg által elzállított hő egyenlő a kollektor napugárzából zármazó hőnyereégének é a környezetbe távozó hővezteégének a különbégével. A T a (t) I (t) U T i (t) T o (t) m& (t) 1. ábra A napkollektor vázlata A kollektor állapotegyenlete a kollektorból kilépő folyadék hőméréklet időzerinti előrendű differeniálhányadoára rendezve: dt A η U A v& o 0 L = I ( T T ) + ( T T ( t )), (1) av a i o dt C C V ahol C = ρ V, m& (t) = v& (t) ρ é T av (t) az átlago kollektor hőméréklet: T + T i o T =. (2) av 2 7
2.2. Napenergiá haználati melegvíztároló modellje A haználati melegvíztárolók modellezéére zámo, a zakirodalomban felelhető, egymától igen eltérő módzer alkalmazható. A konentrált paraméterű modell termikuan teljeen kevert tárolóra vonatkozik. A tároló hőmérékletének időbeli változáát leíró matematikai modell egy közönége differeniálegyenlet. Ebben az eetben a modell azon feltételezéel érvénye, hogy a tároló belejében térbeli hőméréklet elozlá ninen, azaz homogénnek tekinthető a hőméréklettér. A munka orán ezt a modellezéi módzert alkalmaztam. 2.2.1. Belő hőerélővel ellátott melegvíztároló modellje A gyakorlatban telepített, kiebb méretű napkollektoro rendzerekben, megközelítőleg 500 l-e tároló méretig, általában belő hőerélő őkígyóval zerelt tárolókat alkalmaznak. Ebben az eetben a tároló úgy épül fel, hogy a kollektorból érkező hőzállítóközeg a tároló aló rézébe beépített hőerélő őkígyón (2. ábra) halad kereztül. A tárolóban egyenlete hőméréklet elozlát, vagyi termiku zempontból teljeen kevert tartályt feltételezve, valamint, T d (t)=t d állandó. A modell a környezet é a tároló közötti hővezteéget nem vezi figyelembe. A beépített hőerélő őkígyóval kialakított tároló blokkorientált zimuláiójához a tároló energia egyenúlyát leíró differeniálegyenletet a tárolóban lévő melegvíz hőméréklet T (t), mint kimeneti változó idő zerinti előrendű differeniálhányadoára rendezve: dt v& l = ( T dt V d v& T ) + ( V T T i (t) T 1 (t), v& (t) T (t), T (t) v& l (t) T d (t) 2. ábra Beépített hőerélő őkígyóval kialakított tároló tartály vázlata i ( t ) T ( t )) 1. (3) A hőerélő őkígyóból kilépő hőzállítóközeg hőmérékletre vonatkozó özefüggé: v& ( t ) ρ ( T T ) e + T ( ) T = t 1 i UA, (4) ahol ρ a hőerélő őkígyóban áramló folyadék űrűége, a hőerélő őkígyóban áramló folyadék fajhője, U a hőerélő őkígyó hőátadái tényezője a tárolóban, A a hőerélő őkígyó felülete. 8
2.2.2. Belő hőerélő nélküli melegvíztároló modellje Nagyobb méretű napkollektoro rendzerek kialakítáánál gyakran külő hőerélőt alkalmaznak, így a tároló tartály nem tartalmaz beépített hőerélőt. A tároló vázlatát a 3. ábra mutatja. A kidolgozott tároló modell nem vezi figyelembe a tároló tartály anyagára é tömegére jellemző hőkapaitát. A tároló energia egyenúlyi egyenletének felíráa orán homogén hőmérékletterű tárolót feltételezve é a tárolóban lévő haználati melegvíz é a külő hőerélő felé a tárolóból kilépő víz hőmérékletét azononak feltételezve T hi (t)=t (t) a tároló állapotegyenlete: dt v& l = ( T dt V d v& T ) + ( T V 2.3. Melegvíztárolón kívüli, külő hőerélő modellje ho T(t) T ho (t), v& (t ) T hi (t) T(t) T a (t) T d (t), & (t) 3. ábra A hőerélő nélküli tároló vázlata A k T ) ( T T ) a. (5) ρ V Nagyobb méretű napkollektoro rendzerek eetén gyakran alkalmazott kontrukió a külő hőerélő kivitel. Az ellenőrző méréek végzéére rendelkezére álló napkollektoro rendzerek között i voltak ilyenek. Ezért kidolgoztam a melegvíztárolón kívüli, ú.n. külő hőerélő modelljét. A hőerélő vázlatát a 4. ábra mutatja. A hőerélő kollektor köri, vagy primer oldali változói é paraméterei: a hőerélő primer oldalában lévő folyadék hőméréklete T 1 (t), a hőerélő primer oldalának térfogata V 1, é a hőerélő primer oldalához atlakozó kollektor köri térfogatáram & (t). A hőerélő tároló köri, vagy zekunder oldali változói é paraméterei: a hőerélő zekunder oldalában lévő folyadék hőméréklete T 2 (t), a hőerélő zekunder oldalának térfogata V 2, végül a hőerélő zekunder oldalához atlakozó tároló köri térfogatáram & (t). v T hhi (t) T hi (t) v ρ,, v& (t), V 1, T 1 (t) ρ,, v& (t), V 2, T 2 (t) Tha(t) T hho (t) v l T ho (t) 4. ábra A tárolón kívül elhelyezett külő hőerélő vázlata A hőerélő mindkét oldalán homogén hőméréklet elozlát feltételezve (termikuan teljeen kevert folyadékot feltételezve) é a következők bevezetée mellett T 1 (t)=t hho (t), T 2 (t)=t ho (t), V 1 =V 2 =V. A hőerélő primer oldali energiamérlegét leíró egyenlet: 9
dthho ρ v& = dt C + ρ V h1 ( T hhi T hho ) C h1 Aa ka / 2 C + ρ V h1 A k ( T + ρ V ( T hho hav T T A hőerélő zekunder oldali energia mérlegét leíró egyenlet: dtho ρ v& A k = ( T T ) + ( T T hi ho hho dt C + ρ V C + ρ V h2 h2 Aa ka / 2 C + ρ V h2 ( T hav ho T ha ho ha ) ). ) ). Az átlago hőerélő hőmérékletre vonatkozó özefüggé: T + T hho ho T =. (8) hav 2 A hőerélő modell további paraméterei a primer é a zekunder oldal közötti hőátadó felület nagyága A, a két oldal közötti hőátadái tényező k, a hőerélő külő (határoló) felülete A a, a hőerélő é a környezeti levegő közötti hőátadái tényező k a. A hőerélő zerkezeti kialakítáából adódó primer é zekunder oldali hőkapaitáok C h1 =C h2 =( h m h )/2, ahol h a hőerélő anyagának fajlago hőkapaitáa, m h pedig a hőerélő üre tömege. 2.4. Az ellenőrző méréek napkollektoro rendzerei A kutató munka orán a modellezéi é zimuláió feladatokhoz kapolódó kíérleteket, méréeket alapvetően két napkollektoro rendzeren végeztem. A Szent Itván Egyetem (SZIE), Fizika é Folyamatirányítái Tanzékén kialakított 1,65 m 2, ík-kollektort é egy 150 l-e hagyományo villamo fűtéű bojlerből átalakított hőtárolót tartalmazó napkollektoro rendzer állt rendelkezére. A hőtároló tartályhoz a kollektor kör - átzerelét követően - vagy belő hőerélő őkígyóval, vagy külő forraztott lemeze hőerélővel kapolódhat. A rendzer környezeti, meteorológiai é üzemi jellemzőinek mérée, valamint a zivattyúk é útváltó zelepek működtetée zámítógép vezérelte mikrokontroller alapú modulári adatgyűjtő rendzerrel történt. A SZIE gödöllői ampuán megépült napkollektoro rendzer kollektor köre 33,3 m 2 felületű, 23,31 kw th termiku teljeítményű kollektormezőt tartalmaz. A rendzernek két lemeze hőerélője van 40-40 kw névlege teljeítménnyel. Az egyik az úzómedene fűtéhez 1 m 2 hőátadó felülettel, a máik pedig az óvodai haználati melegvíz előfűtééhez 2 m 2 hőátadó felülettel. A medene kör a medenei hőerélő é a 700 m 3 -e úzómedene között, míg az óvodai kör az óvodai hőerélő é a 2000 l-e zolár tároló között működik. A berendezéhez egy adatgyűjtő, monitorozó rendzer i ki épült. (6) (7) 10
3. EREDMÉNYEK 3.1. A kollektor átviteli függvényének meghatározáa A Laplae tranzformáió módzerének alkalmazáával meghatároztam a kollektor átviteli függvényét. A kollektor leíró egyenletét (1) az átáramló folyadék térfogatáram & (t) = állandó feltétel mellett lineárinak tekintettem. v A kollektor időállandóját az alábbiak zerint definiáltam: 1 τ = (9) U A v& L + 2C V A vizgált bemenő változókra vonatkozó átviteli függvények meghatározhatók. A kollektort leíró egyenlet a korábban bevezetett feltétel miatt lineárinak tekinthető, ezért érvénye rá a zuperpozíió elve. Mely zerint a rendzer bemenetére kapolt jelek hatáára a kimeneten jelentkező válazjel az egye bemenő jelek hatáára adott rézválazok özegeként zámítható. A kiválaztott bemenő jel átviteli függvényének meghatározáakor a többi bemenő jel zéru, továbbá a kollektor kilépő hőméréklet kezdeti értéke i zéru T o (0)=0. Az időtartománybeli változók Laplae tranzformáltjait operátor-tartományban felülvoná jelöli. Az átviteli függvényt W()-el jelölve a kollektor napugárzára vonatkozó átviteli függvénye: To ( ) ( τ Aη 0 ) / C W1 ( ) = =. (10) I ( ) τ + 1 A kollektorba belépő hőzállítóközeg hőmérékletre vonatkozó átviteli függvény: T ( ) τ v& U A o L W ( ) = = 2. (11) T ( ) τ + 1 i V 2C A kollektor környezeti hőmérékletre vonatkozó átviteli függvénye: To ( ) ( τ U L A ) / C W3( ) = =. (12) T ( ) τ + 1 a Végül vizgálható a kollektorból kilépő hőzállítóközeg hőméréklet kezdeti értékének T o (0) hatáa i. A kezdeti érték, kilépő közeghőmérékletre gyakorolt hatáa az alábbi függvénnyel adható meg: ( τ W ) = 0. (13) τ + 1 A napkollektor kilépő hőzállítóközeg hőmérékletre vonatkozó eredő átviteli függvényét a zuperpozíió elve zerint a (10-13) egyenletek által definiált 11
átviteli függvények együtteen adják. Az egye bemenő jelek a rájuk vonatkozó átviteli függvényeken kereztül fejtik ki a kimenetre gyakorolt hatáukat. A kilépő hőzállítóközeg hőmérékletére vonatkozó özefüggé az átviteli függvényekkel a kollektor kilépő hőméréklet kezdeti értéke T o (0) 0 eetén: T ) = W ( ) T (0) + W ( ) I ( ) + W ( ) T ( ) W ( ) T ( ) (14) o ( 0 o 1 2 i + 3 a 3.2. A kollektor modell megoldáa blokkorientált zimuláióval A napkollektorból kilépő hőzállító közeg hőmérékletének zámítáához a MATLAB program, blokkorientált megoldái tehnikát támogató Simulink zoftver omagját alkalmaztam. A blokkrendzert az (1) é a (2) egyenletek felhaználáával kontruáltam meg. A zimuláió eredményét az 5. ábra zemlélteti. Hőméréklet, C 110 100 90 80 70 60 50 40 30 T o zimulált T o mért 20 10 T a környezeti T i belépő 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Idő, óra 5. ábra A vizgált kollektor hőméréklet elozláának alakuláa A kollektor mért é a modellel zámított kilépő hőmérékletének átlago eltérée 8,6 C, az eltéré minimuma -3,1 C, a maximuma 72,1 C, míg a zórá 16,4 C volt. A hibát több tényező befolyáolja, például a modellben a hőkapaitá (C ) ak a kollektorban lévő folyadék hőkapaitáát tartalmazza, tehát az abzorberlemezek, a folyadékátvezető járatokat alkotó övek é a kollektor további zerkezeteinek a hőkapaitáa nin figyelembe véve. A modellezé orán alkalmazott optikai hatáfok (η 0 ) é a kollektor hővezteég tényezője (U L ) i a zakirodalomból vett érték, ami a gyakorlati tapaztalatok alapján közelítőleg jellemző lehet az ilyen típuú kollektor oportra, de termézeteen nem lehet azono a vizgált kollektorra vonatkozó értékekkel. 3.3. A kollektor modell telje hővezteég tényezőjének identifikáiója A mért é a zámított kollektor kilépő hőméréklet értékek közötti eltéré paraméter identifikáióval ökkenthető. Ebben az eetben a mért kollektor kilépő hőmérékletet felhaználva a modell előzeteen beült paramétereinek értéke pontoítható. Ilyen paraméter például a kollektor hővezteég tényezője (U L ). Az identifikáióhoz többféle élfüggvény kontruálható. Az egyik 12
leggyakrabban alkalmazott függvény a való rendzeren mért é a modellel zámított jellemző eltéréének négyzetözegét zámítja. Az identifikáióhoz ezt a megoldát válaztva a élfüggvény a (15) egyenlettel adható meg. Ílymódon az identifikáió a élfüggvény minimalizáláával végezhető el. J ( U L n ) = ( T i= 1 o ( t ) Tˆ i o ( t )) i 2 min. (15) A (15) egyenletben J a mért é a zámított kollektor kilépő hőméréklet értékek közötti eltéré négyzetözegét jelenti a vizgált tartományon, T o (t i ) az i-edik időpontban mért értéket, Tˆ (t o i) az i-edik méréi időponthoz tartozó zámított értéket, n pedig a méréi adatok zámát jelöli. Az identifikáió eredményeként a kollektor hővezteégi tényezője U L =35,0 W m -2 C -1 értékre adódott. Az ezzel az értékkel végzett zimuláió eredményeként a kollektor mért é zámított kilépő hőméréklet átlago eltérée -0,3 C, a minimum -15,8 C, a maximáli eltéré 14,6 C volt, míg a zórá 3,4 C-ra változott. 3.4. Tárolóba beépített hőerélő napkollektoro rendzer zimuláiója A gyakorlatban alkalmazott napkollektoro rendzer változatok közül a beépített hőerélővel rendelkező tárolókkal kialakított kontrukió az egyik legelterjedtebb. A kidolgozott é bemutatott kollektor é hőerélő őkígyóval ellátott melegvíztároló modell felhaználáával özeállítható a 6. ábra által zemléltetett napkollektoro melegvízkézítő rendzer blokkorientált modellje. T o (t) T (t), & (t) v l T a (t) I (t) T (t) A U L T i (t) T i (t) T 1 (t), v& (t) 6. ábra Napkollektoro melegvízkézítő rendzer vázlata tárolóba beépített hőerélővel A napkollektort é a tárolóba beépített hőerélőt tartalmazó rendzer zimuláióját a korábban bemutatott rézmodellek egítégével, blokkorientált zimuláióval végeztem. A zimuláióhoz méréel meghatározott bemenő változók a kollektor kör térfogatárama v& (t), a kollektor felületére érkező napugárzá intenzitáa I(t), a környezeti hőméréklet T a (t) a tárolóba belépő hálózati hidegvíz hőméréklet T d (t) é a tárolóból felhaznált víz térfogatárama T d (t) 13
v& l (t) voltak. A zimuláió orán a kollektorból kilépő folyadék hőméréklet T o (t) é a tároló hőméréklet T (t) időbeli alakuláa zámítható. 3.5. Külő hőerélővel kialakított napkollektoro rendzer zimuláiója Az előző fejezetben imertetett beépített hőerélővel rendelkező tárolóval kialakított napkollektoro rendzerváltozat mellet, a gyakorlatban a máik leggyakrabban alkalmazott kontrukió a külő hőerélővel kialakított rendzer. Ezt a változatot főként nagyobb kollektor felülettel, nagyméretű- vagy több tárolóval kialakított rendzerhez alkalmazzák. A kollektorból kilépő folyadék hőméréklet zámítáához az (1) é (2) egyenleteket haználtam. A kollektor modell, méréel meghatározott bemenő változói voltak a kollektor felületre érkező napugárzá intenzitá I (t), a kollektor környezeti hőméréklete T a (t), é a kollektoron áthaladó folyadék térfogatárama v& (t). A modell kimenő változója a kollektor kilépő hőméréklet To(t) volt. A hőerélő primer é zekunder oldalára felírt (6) é (7) egyenletek blokkorientált megoldáát a 7. ábra mutatja. A modell a hőerélő primer é zekunder oldali kilépő hőmérékleteit zámítja (T hho (t), T ho (t)). 1 in_2 2 in_1 3 in_3 4 in_4 5 in_5 Thhi v' Tha Thi v' Mux Mux Mux Mux1 f(u) Fn Hõerélõ primer oldal [ C/] Eq. (55) f(u) Fn Hõerélõ zekunder oldal [ C/] Eq. (56) 1/ Integrator Thho(0) [ C] 1/ Integrator Tho(0) [ C] 1 out_1 Thho [ C] 2 out_2 Tho [ C] Mivel a tároló é a hozzá kapolt 7. ábra Blokkorientált hőrélő modell hőerélő egymához közel, ugyanazon helyiégben volt elhelyezve, így a modellezé orán a hőerélő T ha (t) é a tároló környezeti hőméréklete T a (t) megegyezik. A tároló energiamérleg egyenletének (5) blokkorientált megoldáát a 8. ábra mutatja. A tároló modell a tárolóban lévő víz hőmérékletét T (t) zámítja. 14
1 in_1 2 in_2 3 in_3 4 in_4 5 in_5 v'l Td Tho Ta v' Mux Mux1 u[1]/v*(u[2]-u[6])+u[5]/v*(u[3]-u[6])-(a*k)/(ro**v)*(u[6]-u[4]) Fn Tároló [ C/] Eq. (58) 1/ Integrator T(0) [oc] 8. ábra Blokkorientált tároló modell az (5) egyenlet alapján 1 out_1 T [ C] Az elkézített alrendzer modellek egyeítéével létrehoztam a külő hőerélővel kialakított telje napkollektoro rendzer modelljét. A blokkorientált zimuláió tehnika felhaználáával az alrendzerekből özeépített komplett rendzer zimuláió modelljét a 9. ábra mutatja. 1 Inport 2 Inport1 v'l Td 3 Inport2 4 Ta I Cõ Ti To=Thhi [ C] Thho [ C] Inport3 5 Inport4 6 Szivattyú Be/Ki Tha=Ta v' Szivattyú_1 Kollektor kör Kollektor Hõerélõ Tho [ C] Tároló T=Thi [ C] 1 Outport T [ C] Inport5 v' Szivattyú_2 Tároló kör 9. ábra A külő hőerélő napkollektoro rendzer blokkorientált modellje A zimuláió orán a keringtető zivattyúk működéének modellezééhez a mérő rendzer által monitorozott, a zivattyúk ki- é bekapolt állapota került felhaználára mind a kollektor, mind pedig a tároló körben. A méréek orán a kollektor é a tároló körben a keringtető zivattyúk kapoláa a kollektor kilépő onkján T o (t), é a tárolóban T (t) mért hőméréklet különbég alapján történt. A ki-, é a bekapolái hőmérékletkülönbég egyaránt 3 C volt. A kollektor köri térfogatáram zabályozá az alábbiak zerint működött: 5 3 1 2,9 10 m, amikor To T + 3 v& = 3 1 0 m, amikor To T + 3 15
A tároló köri térfogatáram zabályozá működée: 5 3 1 5,9 10 m, amikor To T + 3 v& = 3 1 0 m, amikor To T + 3 3.6. Napkollektoro rendzerek zabályozó modelljei Ebben a fejezetben a napkollektoro rendzerek kollektor köri keringtető zivattyúit működtető, három különböző típuú, a gyakorlatban megvalóított napkollektoro rendzereknél alkalmazott zabályozó berendezé blokkorientált modelljének kidolgozáát mutatom be. Kidolgoztam az azono be- é kikapolái hőmérékletkülönbéggel üzemelő álláo zabályozó modelljét, amelyet a 10. ábra mutat. 1 in_1 2 in_2 To T Mux Mux u[1]>=u[2]+5 Fn 10. ábra Azono be- é kikapolái hőmérékletkülönbéggel üzemelő álláo zabályozó Simulink modellje Az úzómedene vízfűtő é haználati melegvízkézítő napkollektoro rendzer zabályozó berendezéének működéét alapul véve, a rendzer zimuláióhoz kidolgoztam az előzőleg bemutatott álláo zabályozó modelljének tovább fejleztett változatát, ami különböző be-, é kikapolái hőmérékletkülönbéggel üzemelő zabályozá megvalóítáára alkalma. A zabályozó blokkorientált modelljét az 11. ábra mutatja. Sum Relay 1 out_1 1 in_1 Kollektor mező kilépő hőméréklet, To, C 2 in_2 Tároló hőméréklet, T, C Mux Mux u[1]>=u[2]+5 Fn + 1 + Sum Relay out_1 u[1]>=u[2]+2 Be (1) / Ki (0) Fn1 11. ábra Eltérő be-, é kikapolái hőmérékletkülönbéggel üzemelő álláo zabályozó modelljének realizáláa SIMULINK-ben A harmadik kidolgozott zabályozái modell típu a zivattyú ki- é bekapoláán kívül alkalma a kollektor köri zivattyú térfogatáramának működé közbeni változtatáára i. Ez a zabályozá annyiban haonlít az előzőleg imertetett típuhoz, hogy a zivattyú akkor kapol be, ha a kollektor kilépő onkján a hőzállítóközeg hőméréklete T o (t) a beállított értékkel (dte) jelen eetben 20 C meghaladja a tárolóban lévő folyadék hőmérékletét T (t). Üzem közben, ha a ökkenő hőméréklet-különbég eléri 16
az aló beállított értékhatárt (dta) jelen eetben 2 C, akkor a zivattyú kikapol. Az előző zabályozái megoldáokhoz képet az eltéré abban van, hogy a kollektor köri zivattyú folyadékzállítáa a működé alatt folyamatoan változtatható. Ezzel megvalóítható a kollektor kilépő hőmérékletének optimáli értéken tartáa. Ezt az optimáli kollektor hőmérékletet a zabályozó az alábbi özefüggéel zámolja: TKO=T +1/2(dTE+dTA), ahol TKO az optimáli kollektor kilépő hőméréklet. A zabályozó blokkorientált modelljét a 12. ábra zemlélteti. 1 in_1 To, C 2 in_2 T, C Mux Mux u[1]>u[2]+dte 1 out_1 Mux u[2]/u[1] 2 12. ábra Változó térfogatáramú zivattyúvezérlét végző zabályozó Simulink modellje A zabályozó modell által zámított fordulatzám korrekió tényező a 2-e zámú kimeneten jelenik meg. Ez a korrekió tényező a 13. ábra által zemléltetett kollektor köri zivattyú modell in_2 jelű 2-e zámú bemenetére kerül. A zállított térfogatáram végül megjelenik a zivattyú modell kimenetén. A bemutatott zabályozó modellel é a változtatható folyadékzállítáú zivattyúmodellel a napkollektoro rendzerek kollektor körében a zivattyú bekapolt állapotában változó térfogatáramú zivattyú üzemet lehet létrehozni, ami kedvezően befolyáolja a napkollektoro rendzer működéét. 1 in_1 2 in_2 Szivattyú fordulatzám korrekió 3.9603e-5 Contant v, m3/ (Szivattyú Be) 0 Contant v, m3/ (Szivattyú Ki) Fn dte=20 C u[1]>=u[2]+dta Fn1 dta=2 C Swith 13. ábra A változtatható térfogatáramú kollektor köri zivattyú modellje 3.7. Az uzodai napkollektoro rendzer monitorozáa é zimuláiója + Sum A kutatómunka orán a úzómedene vízfűtő é haználati melegvízkézítő napkollektoro rendzeren monitorozái é zimuláió feladatokat végeztem. Relay u[1]+1/2*(dte+dta) Fn1 TKO Mux Mux u[1]/u[2] Fn Mux1 Saturation Fn1 TKO/TK out_2 3 out_3 1 out_1 v, m3/ 17
A kiépített adatgyűjtő rendzer méréi adatainak kiértékelée után a zolári poteniált é az ebből begyűjtött, illetve haznoított hőmennyiégeket a 14. ábra mutatja havonkénti bontában. kwh/hó 4000 A 33,3 m2 kollektor felületre érkező napugárzá Úzómedene fűtére fordított napenergia A kollektorok álatal termelt hőenergia Óvoda HMV tárolóból felhaznált napenergia 3000 2000 1000 0 jan. febr. már. ápr. máj. jún. júl. aug. zept. okt. nov. de. jan. febr. már. ápr. máj. jún. júl. aug. zept. okt. nov. de. jan. febr. már. ápr. máj. jún. júl. 2004 2005 2006 14. ábra A zolári poteniál é a napenergia felhaználá havonkénti megozláa A 2004. január - 2006. júliu közötti monitorozái időzakban a napkollektoro rendzer 3,5 MWh hőenergiával fűtötte az úzómedene vizét, míg az óvoda haználati melegvizének előmelegítéére 7,2 MWh fordítódott. A vizgált időzakban a kollektor mező egyégnyi felületére vonatkoztatott haznoult hőenergia 0,34 kwh/m 2 nap volt. A 15. ábra a telje napenergia-haznoító berendezé blokkorientált modelljét mutatja. Td (tárolóba belépő hidegvíz hőm.) temp.mat From File Mért hőmérékletek, C flow.mat Demux Demux1 Ta (kollektor környezeti hőm.) Tha (hőerélő környezeti hőm.) Ta (tároló környezeti hőméréklet) vi (haználati melegvíz fogyaztá) I (globál ugárzá a kollektor íkban) A telje napkollektoro rendzer modellje T (mért) To (mért) T (zimulált) To (zimulált) Mux Mux reult.mat To File Szimuláió eredmények From File Mért HMV felhaználá vl, m 3 / rad.mat [t x y]=linim('ompll4',[2 86342],[48.5 48.5 12.4 12.4],[1e-3 1 1]); From File Mért napugárzá, I, W/m 2 15. ábra A napenergia-haznoító berendezé blokkorientált modellje 18
A modellel végzett zimuláió valamint a mért é a zámított hőmérékletek özehaonlítáa 2002. máju 14-20. közötti hét napo időzakban mért adatokkal történt. A mért é a zámított kollektor kilépő é zolár tároló hőméréklet lefutáokat a 16. ábra mutatja. 70 a/ Szolár tároló hőméréklet, 2002. máju 14-20. 65 zimulált mért Hőméréklet, o C 60 55 50 45 0 24 48 72 96 120 144 168 Idő, óra b/ Kollektor mező kilépő hőméréklet, 2002. máju 14-20. 80 zimulált mért Hőméréklet, o C 60 40 20 0 0 24 48 72 96 120 144 168 Idő, óra 16. ábra A mért é zámított hőmérékletek özehaonlítáa A kollektor kilépő hőméréklet eetén a mért é a zámított értékek közötti átlago eltéré 4,26 C volt, míg a zolár tároló hőméréklete átlagoan 1,91 C-al tért el. A modell javítáa érdekében további méréeket kell végezni, így az adatok alapján az egye komponenek paraméterei, a hőátadái tényezők pontoabban meghatározhatók, ezzel várhatóan a zimuláió pontoága növelhető. 19
4. ÚJ TUDOMÁNYOS ERDMÉNYEK A napenergiá haználati melegvízkézítő rendzerekkel kapolato kutatómunka orán elért új tudományo eredmények a következőkben foglalhatók öze: 1. A folyadék munkaközegű napkollektoro rendzerek főbb alkotó elemeire, a íkkollektorra, a hőerélőre é a tárolóra fizikai alapú megközelítét alkalmazva, konentrált paraméterű, közönége differeniálegyenletekkel leírható modellt dolgoztam ki. Az egye elemek hő- é anyagtranzport folyamatait leíró energiaegyenúlyi egyenleteket a blokkorientált megoldái tehnika alkalmazáával oldottam meg. A kidolgozott dinamiku modellek a bemeneti változók alapján alkalmaak az egye rézrendzerek termiku zimuláiójára, a kimeneti változók időbeli alakuláának zámítáára. 2. Meghatároztam a íkkollektorok bemeneti változói közül a napugárzá intenzitára, a belépő folyadékhőmérékletre, a környezeti levegőhőmérékletre é a kollektorból kilépő hőhordozóközeg hőméréklet kezdeti értékére vonatkozó átviteli függvényeket. Az egye bemeneti változók átviteli függvényének imerete lehetővé tezi a bemeneti változók kollektor kilépő hőmérékletre gyakorolt hatáának elkülönített vizgálatát. Ily módon a bemeneti változók tekintetében elemezhetők az átviteli tulajdonágokat alapvetően meghatározó, az adott íkkollektorra jellemző kontrukió paraméterek hatáa. A íkkollektorok eredő átviteli függvényét az egye bemeneti változókra vonatkozó átviteli függvények lineári zuperpozíiójaként definiáltam. 3. Síkkollektorok telje hővezteégi tényező értékének meghatározáára kíérleti identifikáió módzert dolgoztam ki. Ennek egítégével méréi adatok felhaználáával meghatároztam a telje hővezteégi tényező értékét folyadék hőhordozó közeggel működő íkkollektorok eetére. 4. A tárolóba beépített őkígyó hőerélő eetére, analitiku megoldáal meghatároztam a őkígyóból kilépő hőhordozó közeg hőmérékletének időbeli változáát leíró özefüggét. A kidolgozott modellben a tárolóban lévő melegvíz hőméréklete, mint állapotváltozó, a hőerélő őkígyóba belépő hőzállítóközeg hőméréklete valamint a hőerélő őkígyón áthaladó hőzállítóközeg térfogatárama zerepelnek bemeneti változóként. 5. A napkollektoro berendezé főbb elemeire kialakított blokkorientált modelleket alrendzerként kezelve, azok özekapoláa, integráláa révén, kidolgoztam a telje zolári rendzer atolt modelljét é annak blokkorientált realizáióját a gyakorlatban i fonto eetekre, mind belő, mind pedig külő hőerélő eetére. 20