8. СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 22 24 септември Никола Петковски Верка Георгиева Факултет за електротехника и информациски технологии - Скопје СИСТЕМ СО ТОПЛИНСКИ УРЕД КОЈ КОРИСТИ ОБНОВЛИВИ ИЗВОРИ НА ЕНЕРГИЈА КУСА СОДРЖИНА Во поново време e сé понагласена потребата од вклучување на обновливите извори на енергија во енергетското производство. Овој труд опфаќа опис на практично изработен термодинамички систем кој користи обновливи извори на енергија за добивање на механичка работа која се претвора во електрична енергија. Системот за својата работа користи термална енергија од Сонцето и амбиентална топлина. Покрај ова системот може да користи термална енергија која се ослободува при различни процеси и е едноставен за изработка. За ладење системот главно го користи ендотермниот процес на испарување на вода. Меѓу другото, системот може да најде примена за производство на електрична енергија во рурални подрачја каде што нема електродистрибутивна мрежа. Во рамки на трудот е изработен и едноставен соларен колектор и склад кој може да се користи како извор на термална енергија за работа на системот. Клучни зборови: термодинамички систем, термална енергија, Сонце, топлина, електрична енергија, обновливи извори на енергија, колектор, склад 1 ВОВЕД Потребата за вклучување на обновливите извори на енергија во енергетското производство е сé понагласена. Во светот, а во последно време и кај нас, сé повеќе внимание се посветува на употребата на неисцрпните обновливи извори на енергија како замена за нафтата, јагленот и нуклеарната енергија, бидејки опасностите и долгорочните последици предизвикани со нивното користење ги засенуваат бенефитите од истите. Овој труд опфаќа практична изработка и опис на мал систем за производство на електрична енергија од топлинска енергија добиена од Сонцето. Со одредени модификации системот може да се прилагоди да користи геотермална вода, отпадна топлина од индустриски процеси, топлина од биомаса, отпадна топлина од мотори со внатрешно согорување или друга амбиентална топлина и сл. За ладење системот главно го користи ендотермниот процес на испарување на вода. Интересна за испитување е можноста за термално впарување на ваков систем со т.н. соларен базен (кој претставува маса на солена вода загреана од Сонце, кај која е попречен процесот на конвекција) или друг едноставен колектор. Во рамки на овој труд е изработен и едноставен соларен колектор и склад наменет за работа во состав со системот. 2 ЕКСПЕРИМЕНТ 2.1 Опис на системот и принцип на работа Практично изработениот систем со топлински уред принципиелно е сличен со класичен Ранкинов систем, со некои битни разлики. Имено: системот користи органско соединение наместо вода, има специфична изведба на системот за ладење, користи термална енергија со C3-063R 1/6
MAKO CIGRE 2013 C3-063R 2/6 ниска температура, не користи делумно загревање и прегревање на работниот флуид, релативно е едноставен, има можност за изведба со најразличен капацитет и др. Парниот процес во системот наједноставно може да се набљудува како процес кој се извршува помеѓу две изобари и две адијабати (теоретски изентропи). Ваков процес во p V дијаграм е даден на слика 1. Слика 1 Теоретски (идеализиран) циклус претставен преку p V дијаграм. Обликот на граничната крива (означена со k) зависи од работниот флуид што се користи (примерот се однесува на изентропен флуид) На слика 2 е прикажана шема и слика на практично изработениот систем со топлински уред. Системот е составен од котел К, комора со турбина и генератор ТГ, кондензатор КН, резервоари за собирање на работното тело Р1 и Р2, вентили В, црево Ц, манометри за мерење на притисокот во системот, сигурносни вентили и некои помошни елементи како филтер за механичка нечистотија ФМ и филтер за влага ФВ. При тестирањата на системот котелот се потопува во сад со вода загреана на температура од 70 C. Температурата на амбиентот е 20 C, а влажноста на воздухот е 40 %. Котелот и кондензаторот на системот се направени од извиткана бакарна цевка. Врз ѕидот на кондензаторот е нанесен порозен слој од филтер хартија. Намената на филтер хартијата поставена врз кондензаторот е да врши натопување на ѕидовите на кондензаторот со што се овозможува евапоративно ладење на системот. Водата потребна за евапоративното ладење е сместена во мали резервоари поставени водорамно по должина на кондензаторот. За утврдување на важноста на натопувањето на ѕидот, направени се мерења за капацитетот за ладење кај бакарна цевка исполнета со вода со суви надворешните ѕидови и кај иста таква цевка обвиткана со влажна филтер хартија. Мерењата се направени при влажност на воздухот од 40 % и температура на амбиент од 20 C. Истите покажуваат дека ладењето кај бакарната цевка со натопени ѕидови се одвива значително побрзо (во зависност од температурата на амбиентот и цевката) во однос на цевка со суви ѕидови. Површината на кондензаторот изнесува 1 m 2. Првите тестирања на работата на системот беа направени со соединението трихлорофлуорометан како работно тело. Во иднина за работа на системот ќе се користи соединението 1,1,1,3,3-пентафлуоропропан (R-245fa) поради поповолните термодинамички карактеристики како и поради поповолните еколошки карактеристики. Од аспект на безбедност при работа со испарливи соединенија мора да се внимава на можноста за појава на прекумерни опасни притисоци, односно несакана и опасна хемиска реакција.
MAKO CIGRE 2013 C3-063R 3/6 Слика 2 Шема и слика на термодинамичкиот систем со топлински уред. Истиот за тестирање е поставен во затворен простор поради неповолните временски услови (зимски период од годината). Котел К, комора со турбина и генератор ТГ, кондензатор КН, резервоари Р1 и Р2, вентили В, црево Ц, филтер за механичка нечистотија ФМ, филтер за влага ФВ. Термичкиот коефициент на корисно дејство на системите кои искористуваат топлина од извори со помала температура очекувано е помал, но енергијата што ја користат најчесто е бесплатна. Како и кај другите парни циклуси теоретскиот термички коефициент η т е одреден од температурите на кои се доведува и одведува топлина: T η 1 с т =, (1) Tт каде T С e апсолутна температура на студениот резервоар, а T т е апсолутна температура на топлата страна од системот. Добиената корисна работа W T кај експандерот (турбината), за идеален случај на изентропска експанзија, може да се претстави како кај класичен Ранкинов систем, како: T ( ) W = m i i, (2) 1 2 каде m е проток на флуид изразен во kg/s, а со i индекс се означува енталпијата при соодветната состојба. За термичкиот коефициент на корисно дејство во ваков случај важи: WТ i1 i2 i1 i2 ηт = Qд i1 i4 i1 i, (3) 3 каде со Q д е означена доведената топлина во системот. Енталпијата во состојба 3 е речиси иста со енталпијата во состојба 4 (слика 1).
MAKO CIGRE 2013 C3-063R 4/6 За практично одредување на ефикасноста на системот се користи ефективниот степен на корисно дејство η е. Истиот претставува однос помеѓу корисната работа која се предава кон надворешен потрошувач W нп и доведената топлина за реализација на предадената работа [2]: W нп η е =, (4) Qд Ефективнот степен на корисно дејство во предвид го зема термичкиот коефициент на корисно дејство, внатрешните загуби во системот и турбината и останатите загуби во системот (триење во лежишта, загуби во преносниот систем, загуби кај генераторот, загуби на топлина во цевоводите и др.). Во изработениот систем истиот се одредува како однос помеѓу произведен Wh електрична енергија и потрошената топлина за реализација. 2.2 Едноставен соларен колектор и склад на термална енергија Во рамките на овој труд е изработен и едноставен колектор и склад на соларна термална енергија (слика 3). Истиот може да се користи како извор на термална енергија за работа на системот. Колекторот се состои од стаклен сад со вода покриен со стаклен капак. При тестовите садот е полнет со воден слој во висина од околу 25 cm, односно со околу 55 l вода. Абсорбер на соларната радијација претставува самата вода која е темно обоена. За топлинска изолација страните на колекторот по потреба се покриваат со стиропорни плочи обложени со алуминиумска фолија, со дебелина од 5 cm. Стиропорните плочи по потреба, може да се користат за насочување на соларната радијација врз абсорберот. Во лето колекторот постигнува температура од 70 C. Со мали модификации веројатно лесно би се постигнале и повисоки температури. Системот и преку ноќ задржува најголем дел топлината. Дванаесет часа по покривањето температурата на водата се одржува на околу 60 C, при амбиентална температура од околу 25 C. За помасивен колектор загубите, процентуално, ќе бидат уште помали. Слика 3 Колектор и склад на соларна термална енергија 2.3 Перформанси на системот со топлински уред Во литературата се среќаваат различни податоци за проценети ефикасности на Ранкинови системи вообичаено во граници од приближно 8 % при температура на топла страна на систем од 130 C до околу 20 % при температури на топла страна на систем во граници од 200 C до 300 C [3, 4, 5]. Наведените ефикасности се за системи при температури на кондензација од 30 C до 80 C. Голем дел од податоците се добиваат преку симулации и се идеализирани вредности. Mерења на ефикасноста на практично изработен систем на универзитетот Liège во Белгија бележат ефикасност во граници од 2,6 % до 7,4 %. Системот користи R-123 при температура на извор на топлина од 170 C до 190 C. Температурата на водата за ладење е околу 11 C [3]. Друга експериментална студија на мал систем кој користи R-245fa, при температурна разлика помеѓу топлата и ладната страна од 80 C јавува за ефикасност од 4 %. Студијата е од Јапонија и е објавена во International Journal of Civil and Environmental Engineering [6]. Измерениот ефективен коефициент на корисно дејство кај
MAKO CIGRE 2013 C3-063R 5/6 практично изработениот систем во овој труд изнесува 4 %. Со оглед на малата температурна разлика помеѓу топлата и ладната страна на системот ова претставува оптимален резултат. Максималната корисна моќност што може да се добие од системот е проценета во однос на ладилниот капацитет на кондензаторот. Истиот во прв ред зависи од плоштината на активна површина на кондензаторот, температурата на околината и влажноста на воздухот. Мерењата за одредување на капацитетот за ладење на кондензаторот се направени при влажност на воздухот од 40 %, при собна температура од 20 C. При средна температура на кондензаторот од 35 C капацитетот за ладење на кондензаторот изнесува околу 650 W. Тоа значи дека при претпоставена ефикасност од 5 % може да се очекува електрична моќност од околу 34 W. При ефикасност од 10 %, може да се очекува моќност од околу 72 W. При повисоки температури на кондензација капицетот за ладење на кондензаторот драстично се зголемува. При температура на кондензација од 50 C капацитетот за ладење на кондензаторот ќе изнесува дури околу 1600 W. 2.4 Дискусија Интересно е да се забележи дека извршените мерења (без струење на воздух) покажуваат дека натопената филтер хартија поставена врз кондензаторот значително го зголемува капацитетот на ладење во однос на кондензатор со сув ѕид. При помала влажност на воздухот и/или при струење на воздухот се очекува додатно зголемување на капацитетот и ефикасноста на системот. Сите експерименти се направени при температура на топлата страна на системот од 70 C. Ова всушност е ниска температура за добивање на електрична енергија. При повисоки температури ефикасноста на системот забележително би се зголемила, секако доколку системот е соодветно димензиониран за да издржи повисоки притисоци. Се очекува зголемување на ефикасноста на системот при работа со 1,1,1,3,3- пентафлуоропропан поради подобрите термодинамички карактеристики при температурите на работа на системот. Тестирањата се направени со работни модели на радијални турбини наменети за работа со водна пара или компресиран воздух. За да се спречат загуби на работно тело ваквите турбини мора да бидат сместени во делот од системот каде владеат кондензаторски услови. Притоа доаѓа до загуби на топлина од телото на турбината кон кондензаторскиот систем, што се одразува на ефикасноста. Практично изработениот систем е прилагоден за снабдување со термална енергија од соларно загреана вода. Истиот може да се прилагоди и за директно искористување на термална енергија од соларна радијација, искористување на геотермална вода, отпадна топлина од индустриски процеси, топлина од биомаса, топлина од термален ѕид, отпадна топлина од мотори со внатрешно согорување или различна амбиентална топлина и сл. Првата верзија на системот не вклучува пумпа за преод на работниот флуид од резервоарот Р1 кон резервоарот Р2. Во некоја идна верзија истата може да се вклучи. Со додатно усовршување, системот би можел да биде интересен за подрачја со посува и потопла клима и особено во подрачја без електрична мрежа. Се очекува системот да има долг работен век и скромни побарувања за одржување. Системот е релативно едноставен за изработка. Идна верзија на системот лесно би можела да се инсталира на различни локации. 3 ЗАКЛУЧОК Во рамките на овој труд беше изработен и опишан термодинамички систем со топлински уред кој се користи за добивање на електрична енергија. За работа истиот користи обновливи извори на енергија. Евапоративното ладење се покажа како добар избор од аспект на едноставност и од аспект на капацитет за ладење.
MAKO CIGRE 2013 C3-063R 6/6 Системот може да се користи на изолирани локации и истиот нема потреба од присуство на дополнителни извори на енергија како батерии и слично за стартување. Моќноста на системот може да се прилагоди кон потребите. Во овој труд е изработен мал модел на системот. Без посебни потешкотии може да се изработи ваков систем со поголем капацитет, погоден за работа во состав со голем склад на термална енергија. Презентираниот едноставен колектор и склад на термална енергија (или друг сличен соларен термален колектор и склад, како на пример соларен базен) е интересен избор за работа во состав на системот поради големиот капацитет за складирање и можноста за чување на топлина и користење на системот навечер и при облачно време. Ваков соларен термален колектор и склад е особено атрактивен и поради големата колекторска површина по ниска цена. На крај може да се заклучи дека добиените резултати од направените тестирања се ветувачки и отвораат простор за усовршување на системот и отстранување на некои недостатоци. 4 ЛИТЕРАТУРА [1] Sathyajith Mathew. Wind Energy - Fundamentals, Resource Analysis and Economics. Netherlands: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. [2] Добросав Милинчич, Димитрије Вороњец. Термодинамика. Белград: Машински факултет, 1991. [3] Sylvain Quoilin. Experimental Study and Modeling of a Low Temperature Rankine Cycle for Small Scale Cogeneration. Белгија, University of Liège, 2007. (од дипломска работа) [4] Vankeirsbilck I., Vanslambrouck B., Gusev S., De Paepe M. Organic Rankine Cycle as Efficient Alternative to Steam Cycle for Small Scale Power Generation. 8th International Conference on Heat Transfer. 11 13 Јули 2011. [5] Stefano Clemente, Diego Micheli, Mauro Reini, Rodolfo Taccani. Energy efficiency analysis of Organic Rankine Cycles with scroll expanders for cogenerative applications. Applied Energy. 97. [6] Musthafah b. Mohd.Tahir, Noboru Yamada, Tetsuya Hoshino. Efficiency of Compact Organic Rankine Cycle System with Rotary-Vane-Type Expander for Low-Temperature Waste Heat Recovery. International Journal of Civil and Environmental Engineering. Vol. 2 Бр. 1, 2010.