MAŠINSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za termoenergetiku, termotehniku i
procesnu tehniku
PROTOTIP PRIJEMNIKA ZA
SREDNJETEMPERATURNU
KONVERZIJU SUNČEVOG ZRAČENJA
U TOPLOTU
Mentor: prof. dr Velimir Stefanović
Saša Pavlović: PhD Student
Niš, Decembar 2011
1
SADRŽAJ RADA
ƒ Uvod
ƒ Osnovne karakteristike fokusirajućih prijemnika
sunčeve energije
ƒ Osnovni koncept srednjetemperaturnog
prijemnika sunčeve energije P2CC
ƒ Opis merne instalacije
ƒ Prikaz rezultata
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
2
2
UVOD
ƒ Visoko kvalitetna sunčeva energija može se koristiti kao energetski
izvor za mnoge radne operacije na temperaturama iznad 100 oC
ƒ Efikasna konverzija sunčevog zračenja u toplotu zahteva korišćenje
fokusirajućih ili fokusirajuće-vakuumiranih prijemnika
ƒ U ovom radu je predstavljen prototipski koncept u oznaci P2CC za
oblast srednjetemperaturne konverzije
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
3
3
UVOD
ƒ Na zemlju dospeva samo 0.5 milijarditog dela izračene sunčeve
energije, što odgovara snazi od 175·109 MW. Ta snaga je reda 105
puta veća od snage svih elektrana na Zemlji kada su u punom
pogonu
ƒ Za razmatranje korišćenja sunčeve energije važni su podaci koji se
tiču trajanja insolacije i energije direktnog i difuzionog sunčevog
zračenja koje pada na horizontalnu, vertikalnu ili površinu pod
nagibom
ƒ Direktna sunčeva energija može da se koristi u praksi njenom
transformacijom u toplotnu, električnu i hemijski energiju
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
4
UVOD
9 Osnovni vidovi obnovljivih izvora energije:
•
•
•
•
•
•
Sunce
Voda
Vetar
Biomasa
Toplota zemljinog jezgra (geotermalna energija)
Energija plime i oseke itd.
9 Prema karakteru transformacije sunčeve energije:
•
•
•
Toplotni prijemnici
Fotonaponski prijemnici
Hemijski prijemnici
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
5
5
PODELA TOPLOTNIH PRIJEMNKA
SUNČEVOG ZRAČENJA
9 Prema temperaturi koja se u kolektoru postiže:
•
•
•
Niskotemperaturni (radne temperature do 100 °C)
Srednjetemperaturne(100 do 400 °C)
Visokotemperaturne (preko 400 °C, paraboloidni koncentratori PDR, postižu
do 1500 °C)
ƒ Tehnološki je najjednostavnija transformacija sunčevog zračenja u
toplotnu energiju niske temperature ispod 90˚C (ravni prijemnici)
ƒ Sistemi srednjih temperatura podobni su za rashladne sisteme i
industrijske procese
ƒ Sistemi visokih temperatura se koriste u industrijskim procesima kao i
za proizvodnju električne energije, proizvodnju pare, u metalurgiji itd.
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
6
OSNOVNE KARAKTERISTIKE
FOKUSIRAJUĆIH PRIJEMNIKA
•
•
Uređaj koji povećava gustinu sunčevih zraka (solarni fluks) na
apsorberu prijemika iznad okolnog nivoa naziva se koncentrator.
Jedna od najvažnijih k-ka fokusirajućih sistema jeste koncentracioni
odnos (CR) koji predstavlja odnos efektivne površine aperture i
površine apsorbera
•
Površinski koncentracioni odnos (Carea): :
CRarea = Aa / Ar
•
Koncentracioni odnos fluksa (Cflux):
CR flux = Ia / Ir
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
7
OSNOVNE KARAKTERISTIKE
FOKUSIRAJUĆIH PRIJEMNIKA
9 U uređaje za srednjetemperaturnu konverziju sa povremenim ili
kontinualnim pomeranjem ubrajamo:
•
•
•
•
•
•
Parabolično-cilindrični koncentrator (Parabolic Trough Concetrator)
– PTC
Cevni vakuumski kolektor (Evacuated Tubular Collector)
Vinstonov parabolični koncentrator (Compound Parabolic
Concetrator) – CPC
Frenelov kolektor sa ogledalima ili sočivima (Fresnel Mirror or Lens
Collector)
Spiralno fokusirajući kolektor (Spiral focusing collector)
Trapezoidno fokusirajući kolektor (Apsorber of the trapezoid
focusing )
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
8
SLOŽENI PARABOLIČNI KOLEKTOR
(CPC)
Slika 1. Šematski prikaz CPC kolektora
sW
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
9
VAKUUMSKI CEVNI
KOLEKTOR (ETC)
Slika 2. Šematski prikaz vakuumskog cevnog kolektora
kolektora
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
10
PARABOLIČNI KOLEKTOR (PTC)
Slika 3. Šematski prikaz PTC kolektora
Postižu se temperature između
50°C i 400°C
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
11
LINEARNI FRESNELOV REFLEKTOR (LFR)
Slika 4. Šematski prikaz Fresnelovog tipa parabolocilindričnog kolektora
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
12
KONCENTRIŠUĆI PRIJEMNICI SUNČEVE
ENERGIJE
Slika 5. Spiralno fokusirajući kolektor:
1. Apsorpciona cev; 2. spiralni reflektor
Slika 6. Apsorber trapezno
fokusirajućeg kolektora: 1.reflektor;
2.apsorber .
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
13
OSNOVNI KONCEPT P2CC PRIJEMNIKA
ƒ Koncept P2CC koncentratora potiče od Vinstona i drugih složenih
parabolocilindričnih koncentratora.
ƒ Sam naziv P2CC govori da se reflektorna kriva sastoji od jedne
parabole i dva kružna luka (delovi cilindara).
ƒ Pri izboru ovog konstruktivnog rešenja prijemnika sunčeve energije
postavljen je jedan opšti princip da uređaj mora zadovoljiti načelni
koncept ''3E'‘, tj. da je uređaj:
¾ Ekološki-funkcionalan i po komponentama;
¾ Efikasan – i onda kada se to od njega ne očekuje;
¾ Ekonomičan - u izradi i eksploataciji
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
14
KONSTRUKCIJA P2CC PRIJEMNIKA
SUNČEVE ENERGIJE
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
15
KONSTRUKCIJA P2CC PRIJEMNIKA
SUNČEVE ENERGIJE
•
Kriva reflektora A’-D se sastoji od tri krive A’B’, B’C’ i C’D. Kriva A’B’
se nalazi na vrhu reflektorne krive, dok krive B’C’ i C’D se nalaze na
dnu reflektora.
•
Ovakvom konstrukcijom prijemnika predviđen je prihvatni ugao
sunčevog zračenja od 2Θmax=110°, što pruža mogućnost prihvata i
difuzionog zračenja, tako da zrak do apsorbera može stići direktno ili
nakon jedne ili više refleksija.
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
16
KONSTRUKCIJA P2CC PRIJEMNIKA
SUNČEVE ENERGIJE
9 Osnovne k-ke i prednosti P2CC prijemnika u odnosu na slične
uređaje proističu iz sledećih zahteva:
ƒ
eliminisanje uređaja za pokretanje kolektora - stacionarnost;
ƒ
omogućeno je linijsko fokusiranje duž cevi apsorbera bez neophodnosti
složenih optičkih instrumenata za definisanje oštrog fokusa
ƒ
maksimalno umanjenje toplotnih gubitaka - omogućeno izborom
adekvatnog selektivnog apsorbera (αa / εa > 4.5) i vakuumiranog staklenog
omotača čime su konduktivni i konvektivni gubici sa površine cevi apsorbera
eliminisani;
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
17
KONSTRUKCIJA P2CC PRIJEMNIKA
SUNČEVE ENERGIJE
Slika 7. Poprečni presek prijemnika za srednjetemperaturnu konverziju
sunčevog zračenja u toplotu P2CC
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
18
KONSTRUKCIJA P2CC PRIJEMNIKA
SUNČEVE ENERGIJE
Slika 8. Poprečni presek jednog
modula P2CC prijemnika:
1.Radni fluid;
2.Absorber;
3.Vakuum;
4.Staklena cev;
5.Transparentni pokrivač;
6.Reflektor
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
19
OPIS MERNE INSTALACIJE
ƒ
Instalacija za eksperimentalna merenja je izrađena i formirana na
Mašinskom fakultetu u Nišu u okviru prostora Laboratorije za termotehniku
ƒ
Predviđena su termotehnička i hidraulička ispitivanja prijemnika sunčeve
energije sa tečnošću kao prenosiocem toplote
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
20
HIDRAULIČKA ISPITIVANJA
9 Hidraulička ispitivanja PSE obuhvataju:
ƒ
Ispitivanje otpornosti prema pritisku (prema SRB M.F5.110, tačka 4.1)
ƒ
Ispitivanje hidrauličkog otpora PSE (prema SRB M.F5.110, tačka 4.2)
Ispitivanje se vrši na liniji za ispitivanje sa zatvorenim strujnim kolom koja je
šematski prikazana na slici 9.
ƒ
Pad pritiska se menja linearno sa masenim protokom fluida (vode)
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
21
HIDRAULIČKA ISPITIVANJA
Slika 9. Ispitna instalacija za
utvrđivanje hidrauličkog
otpora PSE – zatvorena:
10
4
1 i 2. priključna mesta za
diferencijalni manometar
2
1
3 5
6
7
9
q
m
8
3. i 4. merač temperature na
ulazu i izlazu PSE
5. merač protoka
6. regulator temperature
7 .pumpa;
8. ekspanziona posuda;
9. sigurnosni ventil;
10. ventil za odvazdušenje
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
22
HIDRAULIČKA ISPITIVANJA
ƒ
Ispitivanje se vrši na pritisku do 2.5 bar za kolektore koji rade na
atmosferskom pritisku, za kolektore sa pritiskom do 6 bar na dvostruko
većem pritisku od radnog, ali najmanje 2.5 bar i, za kolektore koji rade na
pritisku preko 6 bar, na 50% većem pritisku od radnog, ali najmanje 12bar.
&
Slika 10. Zavisnost pada pritska Δp od masenog protoka fluida m
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
23
TERMOTEHNIČKA ISPITIVANJA
13
16
12
1
18
PS
E
A
PSE
3
qm
5
15
4
7
8
17
11
6
10
9
Slika 11. 1.Solarimetar; 3. Merač temperature na ulazu; 4. Merač protoka; 5. Providna cev; 6. Filter; 7.
Regulator temperature; 8. Ventil; 9. Pumpa; 10. Ekspanziona posuda; 11. Sigurnosni ventil;
12. Ventil za odvazdušenje; 13. Merač temperature na izlazu PSE; 14. Izolacija; 15. Protočni ventil;
16. Anemometar; 17. Temperatura okoline
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
24
MERENJE PROTOKA
ƒ
ƒ
Za merenje protoka radnog fluida i rashladne vode na ulazu korišćeni su
TA-STAD merni ventili.
Merenje se sastoji u utvrđivanju pada pritiska kroz ventil i obradi dobijenih
podataka uz pomoć akvizicionog sistema TA-CBIII (Computerized Balancing
Instrument) (B). Radi dodatne tačnosti, u sistem su ugrađeni i merač
protoka Krohne H250 (C) i kalorimetar Kamstrup Multical 66CDE (A)
A)
BB)
C)
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
25
MERENJE TEMPERATURE
ƒ
ƒ
Merenja temperature se vrše pomoću temperaturskih senzora Pt100, i
prethodno izbaždarenih termoparova hromel-alumel, prečnika 0,2 mm
Za određivanje naponskog stanja termoparova koristi se voltmetar HewlettPackard 3468A. Spoljna temperatura se meri sistemom TESTO 454 i
proverava živinim termometrom
Slika 13. Voltmetar Hewlett Packard 3468A
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
26
MERENJE DOZRAČENE SUNČEVE
ENERGIJE
ƒ
Merenje insolacije se vrši piranometrom Kipp&Zonen CM11, tačnosti 3% i
opsega dozračene energije 0÷1400W/m 2 (max. 4000W/m 2), spektralnog
opsega 305÷2800nm i osetljivosti 4÷6μV/(W/m 2), koji može da meri i
direktno i difuzno sunčevo zračenje
Slika14. Piranometar Kipp&Zonen CM11 i merni sistem TESTO 454 sa
sondom za merenje vlažnosti i temperature
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
27
ISPITIVANJE TERMOGRAFIJOM
ƒ Infracrvena termografija je merenje temperature objekta pomoću
infracrvene kamere čiji princip rada se zasniva na detekciji
infracrvene radijacije objekta
ƒ Ispitivanja su izvedena snimanjem pomoću termovizijske kamere
tipa IK 21 proizvođača Wöhler.
Slika 15. Ispitivanje Infrared kamerom
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
28
REZULTATI
ƒ
Jednačina krive trenutne efikasnosti je dobijena korišćenjem standardne
metode najmanjih kvadrata
ƒ
Stepen koncentracije je naizgled mali CR =1.38, ali je ovde ideja bila da se
što većim prijemnim uglom prihvati difuzno zračenje, što je posebno od
važnosti van letnjih meseci, kada su potrebe za efikasnijim korišćenjem
sunčevog zračenja veće
ƒ
Trenutna efikasnost prijemnika P2CC je u granicama od 58-75% sa
najvećim vrednostima redukovane temperature (tin-ta)/G=-0.0013 m2K/W.
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
29
m2
REZULTATI
η=
Slika 16. Kriva trenutnog toplotnog iskorišćenja koncentrišućeg solarnog
prijemnika P2CC
& ⋅ cp ( tout − tin )
m
Ae ⋅ G
qm = 0.0097
kg
s
t*= (tin-ta)/G - redukovana temperatura
Ae=0,39 m2 – površina aperture
Efikasnost prijemnika P2CC se određuje u funkciji redukovane
temperature t*∗
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
30
ZAKLJUČAK
ƒ Cilj ovog rada je pre svega da se teorijskim i eksperimentalnim
istraživanjem utvrde različite geometrije, razmotre svi uticajni
geometrijski i radni parametri na mehanizam transformacije
sunčeve energije u toplotnu, u uslovima srednjih temperatura, kao i
mogućnosti za povećanje efikasnosti pomenutog prijemnika ( η = 75% )
ƒ Prednost srednjetemperaturnog prijemnika sunčeve energije P2CC
u odnosu na druge prijemnike je da za viši intenzitet zračenja ima
bolju efikasnost, i bolje su performanse kolektora, koji zadržava
visoku efikasnost čak i pri višim ulaznim temperaturama fluida u
kolektor
42. MEĐUNARODNI KONGRES O GREJANJU, HLAĐENJU I KLIMATIZACIJI - KGH
31
HVALA NA PAŽNJI!
32
Download

PDF - kgh