Modelowanie transferu energii elektrycznej i ciepła w małych, autonomicznych układach solarnych

• Autorzy: Knaga J.
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono nowe rozwiązanie konstrukcji solarnej instalacji do wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej, które jest przeznaczone do pracy w autonomii źródła ciepła. Konstrukcja takiej instalacji solarnej będącej połączeniem modułu fotowoltaicznego i płaskiego kolektora słonecznego pozwala na wykorzystanie efektu spójności pracy tych urządzeń w jednym układzie, który zapewnia wspomaganie przygotowania cwu bez potrzeby zasilania energią elektryczną układu wymuszenia wymiany ciepła i sterowania. Rozwiązanie to wpisuje się w potrzeby gospodarstw położonych na obszarach wiejskich, gdzie ciągle jeszcze występują przerwy w zasilaniu energią elektryczną, co dla aktywnych instalacji solarnych jest dużym zagrożeniem prowadzącym do ich uszkodzenia. Na potrzeby implementacji autonomicznych instalacji solarnych w praktyce, została opracowana metodyka dająca podstawy do projektowania i badania tego typu układów solarnych. Opracowana metodyka opiera się na modelach analitycznych, które są uzupełniane zależnościami wyznaczonymi empirycznie. Do opisania mocy generowanej przez moduł PV opracowano zależność analityczną, którą sprowadzono do następujących zmiennych niezależnych, tj. gęstości strumienia promieniowania słonecznego, temperatury pracy, powierzchni modułu i stałej będącej sprawnością eksploatacyjną tego modułu. Sprawność modułu zasilającego pompę obiegową napięcia stałego sprowadzono do zależności wiążącej stałe wyznaczone dla modułu PV w warunkach STC i napięcia stabilizacji zadanego na pompie obiegowej. Moc generowana przez moduł posłużyła do wyjaśnienia natężenia przepływu czynnika roboczego w instalacji solarnej zależnością logarytmiczną, wyznaczoną empirycznie. W opracowaniu do połączenia strumienia energii elektrycznej generowanej przez moduł ze strumieniem ciepła indukowanego w płaskim kolektorze słonecznym wykorzystano bezwymiarowy współczynnik odprowadzenia ciepła z kolektora. W oparciu o tak wyznaczony współczynnik opracowano zestaw modeli opisujących stan energetyczny autonomicznej instalacji solarnej, które rozwiązano w programie Matlab Symuling. Należy podkreślić, że opracowane modele bardzo dobrze opisują procesy zachodzące w autonomicznym układzie solarnym, co zostało zweryfikowane na próbach o różnej zmienności gęstości promieniowania słonecznego. Ponadto na potrzeby weryfikacji modeli przeprowadzono analizę gęstości promieniowania słonecznego, docierającego do powierzchni pochylonej pod kątem 30º i ekspozycji południowej.

EN

The paper presents a new solution of a solar installation structure intended to support warm utility water preparation, which is intended for operation in the autonomy of the heat source. Structure of such solar installation which is a combination of a photovoltaic module and a flat solar collector allows to use the effect of operation coherence of these devices in a one system, which ensures the support of warm utility water preparation with no need to supply the system of heat exchange enforcement and control with electric energy. This solution is adequate for the needs of farms located in rural areas, where stoppages in electric energy supply still occur, which for active solar installations is a considerable threat leading to their damage. For the needs of implementation of autonomous solar installation in practice, a methodology was developed which gives basis for designing and testing this type of solar systems. A developed methodology is based on analytical models, which are completed with dependencies empirically determined. Analytical dependence was developed to describe the power generated by PV module, which was verified for the following independent variables, i.e. density of the solar radiation stream, working temperature, the area of a module and a constant which is an operational efficiency of this module. Efficiency of the module which supplies a circuit pump of the constant voltage was taken down to dependence which binds constants determined for PV module in conditions STC and the stabilization voltage set in the circuit pump. Power generated by a module was used to explain the intensity of operational factor flow in a solar installation with a logarythmic dependence which was set empirically. A dimensionless coefficient of heat removal from a collector was used in the paper for combination of the electric energy stream generated by a module with a stream of induced heat in a flat solar collector. In the paper, the set of models describing an energy conditions of an autonomous solar installation, which were later solved in Matlab Symuling, were developed based on the coefficient which was determined in the above-mentioned way. It should be emphasised that the developed models, describe well the processes occurring in the autonomous solar system, which was verified on tests of various density variability of solar radiation. Moreover, for the needs of verification of models, a density analysis of solar radiation which reaches the surface inclined under the angle 30º and the south exposition, was carried out.

Słowa kluczowe

PL

płaski kolektor słoneczny; moduł PV; instalacja solarna autonomiczna; sterowanie obiegiem czynnika roboczego; modelowanie wymiany energii

EN

flat solar collector; PV module; autonomous solar installation; controlling circulation of operational factor; energy exchange modelling

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Inżynierii Rolniczej
• Czasopismo: Inżynieria Rolnicza
• Rocznik: 2013
• Tom: R. 17, nr 2, t. 2
• Strony: 1--106
• Opis fizyczny: Bibliogr. 96 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Knaga J.

• Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, Wydział Inżynierii Produkcji i Energetyki, Katedra Energetyki i Automatyzacji Procesów Rolniczych, 30-149 Kraków, ul. Balicka 116B, te. (12) 662-46-50

Bibliografia

• Agrawal. S.; Tiwari, A. (2011). Experimental validation of glazed hybrid micro-channel solar cell thermal tile. Solar Energy, 85, 3046-3056.
• Akbaba M.; Qamber I.; Kamal A. (1998). Matching of separately excited DC motors to photovoltaic generators for maximum power output. Solar Energy, 63, 375-385.
• Allen, S.R.; Hammond, G.P.; Harajli, H.A.; McManus, M.C.; Winnett, A.B. (2010). Integrated ap-praisal ofa Solar Ilot Water system. Energy, 35, 1351-1362.
• Amer. E.H.; Nayak, J.K.; Sharma, G.K. (1999). A new dynamie method for testing solar flat-plate collectors under variable weather. Energy Conversion & Management, 40, 803-823.
• Aste, N.; Chiesa, G.; Verri F. (2008). Design, development and performance monitoring ofa photo-voltaic-thermal (PVT) air collector. Renewable Energy, 33, 914-927.
• Badescu. V. (2008). Optimal control of flow in solar collector systems with fully mixed water storage tanks. Energy Conversion and Management, 49, 169-184.
• Baigorria, G. A; Villegas, E. B.; Carlos, J. F.; Guiroz I. (2004). Atmospheric transmissivity: distribu-tion and empirical estimation around the central andes. International Journal of Climatology Int. J. Climatol., 24, 1121-136.
• Bogdańska, B.; Podogrocki J. (2000). Zmienność całkowitego promieniowania słonecznego na obszarze Polski w okresie 1961-1995. Materiały Badawcze IMGW, Seria Meteorologia 30.
• Bzowska, D.; Kossecka, D. (1993). Analiza promieniowania słonecznego w Warszawie w aspekcie energetyki słonecznej. Warszawa, IPPT PAN, ISBN 0208-5658.
• Cardinale. N.; Piccininni, F.; Stefanizzi, P. (2003). Economic optimization of low-flow solar domes-tic hot water plants. Renewable Energy, 28, 1899-1914.
• Chochowski, A.; Czekalski, D. (2005). Badania eksploatacyjne hybrydowego systemu zasilania energią z wykorzystaniem układu archiwizacji, transmisji i przetwarzania danych. Inżynieria Rolnicza 14(74). 45-53.
• Chochowski, A.; Obstawski A. (2005). Model parametryczny baterii kolektorów słonecznych. Inżynieria Rolnicza 14(74), 55-64.
• Chów. T. T. (2010). A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technology. Applied Energy, 87, 365-379.
• Chow, T.T., Hea, W.; Ji, J.; Chan A.L.S. (2007). Performance evaluation of photovoltaic-thermosyphon system for subtropical climate application. Solar Energy, 81, 123-130.
• Chow, T.T.; Pei, G.; Fong, K.F.; Lin, Z.; Chan, A.L.S.; Ji, J. (2009). Energy and exergy analysis of photovoltaic-thermal collector with and without glass cover. Applied Energy, 86, 310-316.
• Chu. CC; Chen, CL. (2008). A variable step maximum power point tracking for photovoltaic power system. J. Chin. Soc. Mech. Eng, 29(3), 225-231.
• Chu, CC; Chen, CL. (2009). Robust maximum power point tracking method for photovoltaic cells: A sliding modę control approach. Solar Energy, 83, 1370-1378.
• Chwieduk, D. (2006). Modelowanie i analiza pozyskiwania oraz konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego w budynku. Warszawa, Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, (praca habilitacyjna).
• Cieśliński, J.; Mikielewicz, J. (1999). Niekonwencjonalne urządzenia i systemy konwersji energii. Wrocław, Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk, ISBN 978-83-0404-51-18.
• Cristofari, C; Notton, G.; Canaletti, J.L. (2009). Thermal behavior of a copolymer PV/Th solar system in Iow flow ratę conditions. Solar Energy, 83, 1123-1138.
• Dondi, D.; Bertacchini, A.; Brunelli, D.; Larcher, L.; Benini, L. (2008). Modeling and optimization of a solar energy harvester system for self- powered wireless sensor networks. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 55, 2759-2766.
• Duffie. J.A.; Beckman, W.A. (1974). Solar Energy Thermal Processes. New York, J.Willey & Soons.
• Duffie, J.A.; Beckman W.A. (1991). Solar Engineering of Thermal Processes. New York, J.Willey &Soons.
• Duffie. J.A.; Beckman, W.A. (2006). Solar Engineering of Thermal Processes, third ed. New York, John Wiley & Sons, Interscience.
• Gluza. A.F. (2000). Charakterystyka usłonecznienia w Lublinie w latach 1952-1991. Acta Agrophys. 34, 43-57.
• Grassie, T.; MacGregor, K.; Muneer, T.; Kubie, J. (2002). Design of a PV driven Iow flow solar domestic hot water system and modeling of the system collector outlet temperaturę. Energy Conversion and Management, 43, 1063-1078.
• Harrison, S.; Cruickshank, C. A. (2012). A review of strategies for the control of high temperature stagnation in solar collectors and systems. Energy Procedia, 30, 793-804.
• Hay. J.E; Davies. J.A. (1985). Calculation of the Solar Radiation Incident on an Inclined Surface. Proceedings First Canadian Solar Radiation Data Workshop, 59. Ministry of Supply and Service Canada.
• He, W.; Chów, T. T.: Ji, J.; Lu, J.; Pei, G.; Chan, L. C. (2006). Hybrid photovoltaic and thermal solar-collector designed for natural circulation of water. Applied Energy, 83, 199-210.
• Herrero, M. R.; Perez-Garcia, J.; Garcia, A.; Garcia-Soto, F.J.; Lopez-Galiana, E. (2011). Simulation of an enhanced flat-plate solar liąuid collector with wire-coil insert devices. Solar Energy, 85, 455-469.
• Islam, M.R., Sumathy, K., Khan, S.U. (2013). Solar water heating systems and their market trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 17, 1-25.
• Islam, M.R.; Sumathy, K.; Khan, S.U. (2013). Solar water heating systems and their market trends. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 17, 1-25.
• Jain S., Agarwal V., (2007). New current control based MPPT techniąue for single stage grid connected PV system. Energy Conversion and Management, 625-644.
• Jarzębski. Z.M. (1990). Energia słoneczna, konwersja fotowoltaiczna. Warszawa, PWN.
• Jaworski, M.; Pluta, Z.; Wnuk, R.; Szypliński, J.; Chwieduk, D. (1990). Czynne wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania i przygotowania cieplej wody użytkowej. Warszawa, Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, ISSN 0208-5658.
• Jezierski, G. (2005). Energia jądrowa wczoraj i dziś. Warszawa, WNT, ISBN 83-204-3038-0.
• Ji, J.: Luo, C; Chów, T. T.; Sun, W.; He, W. (2011). Thermal characteristics of a building-integrated dual-function solar collector in water heating modę with natural circulation. Energy, 36, 566-574.
• Kaiser, H. (1995). Wykorzystanie energii słonecznej. Kraków, Wyd. AGH.
• Kalbarczyk, R.; Kalbarczyk, E.; Błaszkowska, M. (2006). Struktura czasowa usłonecznienia rzeczywistego na Nizinie Szczecińskiej w latach 2000-2004. Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska 7(33), 114-122.
• Kalogirou, S.A.; Tripanagnostopoulos Y. (2006). Hybrid PV/T solar systems for domestic hot water and electricity production. Energy Conversion and Management, 47, 3368-3382.
• Klucher. T.M. (1979). Evaluating models to predict insulation on tilted surfaces. Solar Energy, 23, 1979, 111-145.
• Knaga, J. (2004). Wyniki badań modułu fotowoltaicznego SF 52. Biuletyn Regionalny Zakładu Dworactwa Rolniczego Akademii Rolniczej w Krakowie, 324, 45-46.
• Knaga, J. (2006). Efektywność sterowania modułem fotowoltaicznym. Energetyka, 9, 42-45.
• Knaga. J. (2008). Badanie strat energii w płaskim kolektorze słonecznym. Inżynieria Rolnicza, 4(102;, 367-374.
• Knaga, J. (2009). Wstępna analiza zmienności mocy zaabsorbowanej przez płaski kolektor słoneczny. Konwersja odnawialnych źródeł energii Tom-3. Wieś Jutra, Warszawa, 21-28.
• Koźmiński, C; Michalska, B. (2004). Zmienność usłonecznienia rzeczywistego w Polsce. Acta Agrophys., 3(2), 291-305.
• Koźmiński, C; Michalska, B. (2005). Prawdopodobieństwo usłonecznienia rzeczywistego w Polsce. Acta Agrophys., 5(3), 669-682.
• Kuczmarski, M. (1990). Usłonecznienie Polski i jego przydatność dla helioterapii. Dok. Geogr., 4.
• Kuczmarski, M.; Paszyński, J. (1981). Zmienność dobowa i sezonowa usłonecznienia w Polsce. Przegl. Geogr., 53(4), 779-791.
• Kurpaska, S.; Latała, H.; Knaga J. (2012). Energy efficiency analysis of flat and vacuum solar collector system. TEKA 2012, Vol. 12, No. I, 115-120.
• Langridge, D.; Lawrance, W.; Wichert B. (1996) Development of a photo-voltaic pumping system using a brushless D.C. motor and helical rotor pump. Solar Energy, 56, 151-160.
• Latała, H. (2008a). Wspomaganie ogrzewania tunelu foliowego energią promieniowania słonecznego. Inżynieria Rolnicza, 5(103), 43-49.
• Latała, H. (2008b). Wpływ warunków solarnych na efekt pracy próżniowego i płaskiego kolektora słonecznego. Inżynieria Rolnicza, 9(107), 181-188.
• Latała, H. (2009). Analiza efektów ekologicznych przy wykorzystaniu wody podgrzanej w kolektorach próżniowych do nawadniania warzyw uprawianych w szklarni. Inżynieria Rolnicza, 7(110), 157-165.
• Leukefeld, T. (2007). Reliable heating in spite of power failure-development of a unique emergency package for solar heating systems and storage tanks. Proceedings ofISES Solar World Congress 2007, Voll-V, 1564-1566.
• Lewandowski, M. W. (2012). Proekologiczne odnawialne źródła energii. Warszawa, WNT, ISBN 978-83-63623-12-8.
• Lin, M; Sumathy, K; Dai, Y.J.; Wang, R.Z.; Chen, Y. (2013). Experimental and theoretical analysis on a linear Fresnel reflector solar collector prototype with V-shaped cavity receiver. Applied Thermal Engineering, 51, 963-972.
• Liu, B.Y.; Jordan, R.C. (1960). The Interrelationship and Characteristic Distribution of Direct, Diffuse and Total Solar Radiation. Solar Energy, 4, No. 3.
• Liu, Y.H.; Liu, CL.; Huang, J.W.; Chen, J.H. (2013). Neural-network-based maximum power point tracking methods for photovoltaic systems operating under fast changing environments. Solar Energy, 89, 42-53.
• Metwally, H .M B.; Anis, W. R. (1994). Performance analysis of photovoltaic-powered water-pumping systems using switched reluctance motor drives. Journal of Power Sources, 52,141-147.
• Mishra, R.K.; Tiwari, G.N. (2013). Energy and exergy analysis of hybrid photovoltaic thermal water collector for constant collection temperature mode. Solar Energy, 90, 58-67.
• Myczko, A.; Karłowski, J.; Lenarczyk. J. (2010). Porównanie efektywności zestawu modułów foto-woltaicznych stacjonarnych i pracujących w układzie nadążnym w warunkach gospodarstwa rolnego. Problemy Inżynierii Rolniczej, 4, 91-99.
• Obstawski, P. (2012). Wyznaczenie właściwości dynamicznych płaskiego kolektora słonecznego. Pomiary Automatyka Kontrola, vol. 58, 10, 833-836.
• Obstawski, P.; Chochowski, A.; Czekalski, D. (2010). Właściwości dynamiczne płaskich kolektorów słonecznych. Przegląd Elektrotechniczny, 6, 92-95.
• Obuorowayua, F.; Okoth, M.; Wangoh, J. (2012). Design and performance assessment of a flat-plate solar milk pasteurizer for arid pastorał areas of Kenya. Journal ofFood Processing and Presemation, ISSN 1745-4549.
• Olchowiak, J.M. (2011). Analiza postępu we wdrażaniu fotowoltaiki na świecie i w Polsce. Autobusy: Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 10, 323-328.
• Ordaz-Flores, O.; Garcia-Valladares, V.H.; Gómez. (2012). Findings to improve the performance of a two-phase flat plate solar system, using acetone and methanol as working fluids. Solar Energy, 86, 1089-1098.
• Perez R. (1986). An anisotropic hourly diffuse radiation model for sloped surfaces - Description, performance validation, and site dependency evaluation. Solar Energy, 36, 481-498.
• Pluta, Z. (1998). Słoneczne pasywne instalacje przygotowania ciepłej wody użytkowej. Warszawa, Prace Naukowe Mechanika, 168.
• Pluta, Z. (2006). Słoneczne instalacje grzewcze. Warszawa, Oficyna Wydawnicza PW, ISBN 978-83-7207-672-4.
• Pluta, Z.; Pomierny, W. (1995). The Theoretical and Experimental Investigation of the Phase-Change Solar Thermosyphon. Renewable Energy, 6, 3, 317-321.
• Poulek, V.; Libra M. (2010). Photovoltaics. Prague, ILSA, ISBN 978-80-904311-2-6.
• Radziemska, E. (2002). The Effect of Temperaturę on the Power Drop in Crystalline Solar Cells. Renewable Energy, 28/1, 1.
• Radziemska, E.; Klugmann, E. (2003). Sprawność konwersji modułu fotowoltaicznego i straty energetyczne. Przegląd Elektrotechniczny, 4, 291-295.
• Rajoria, C.S.; Agrawal, S.; Tiwari, G.N. (2012). Overall thermal energy and exergy analysis of hybrid photovoltaic thermal array. Solar .Energy, 86, 1531-1538.
• Rajoria, C.S.; Agrawal, S.; Tiwari, G.N. (2013). Exergetic and enviroeconomic analysis of novel hybrid PVT array. Solar Energy, 88, 110-119.
• Rosillo F.G.; Garcia M. C. A. (2000). On the modeling of a maximum power point traction system. Proc. 16th "European PVSolar Energy Conference" Glasgow, 2512-2514.
• Samborski, A. S.; Kołodziej, J. (2000). Wpływ warunków pogodowych latem na rozwój agroturystyki w okolicach Zamościa. Acta Agrophys., 34, 147-156.
• Santbergen, R.; Rindt, C.C.M.; Zondag, H.A.; Zolingen, R.J.Ch. (2010). Detailed analysis of the energy yield of systems with covered sheet-and-tube PVT collectors. Solar Energy, 84, 867-878.
• Singh, G.; Kumar, S.; Tiwari, G.N. (2011). Design, fabrication and performance evaluation of a hybrid photovoltaic thermal (PVT) double slope active solar still. Desalination, 277,399-406.
• Streicher, W. (2000). Minimising the risk of water hammer and other problems at the beginning of stagnation of solar thermal plants-a theoretical approach. Solar Energy, 69, (Suppi), Nos. 1-6, 187-196.
• Tian, H.; Mancilla-David, F.; Ellis, K.; Muljadi, E.; Jenkins, P. (2012). A cell-to-module-to-array detailed model for photovoltaic panels. Solar Energy, 86, 2695-2706.
• Tomaszewski, R.; Olchowik, J.; Adamczyk J. (2011). Wpływ temperatury na efektywność pracy krzemowych fotomodułów w środowisku południowowschodniej Polski. Autobusy, Technika, Eksploatacja Systemy Transportowe, 10, 431-437.
• Trojanowska, M.; Knaga, J. (2004). Optymalizacja obciążenia modułu fotowoltaicznego SF 52. Inżynieria Rolnicza, 2(57), 66-71.
• Tsai, H. F.; Tsai, H. L. (2012). Implementation and verification of integrated thermal and electrical models for commercial PV modules. Solar Energy, 86, 654-665.
• Tytko, R. (2011). Odnawialne źródła energii. Warszaw, Lotos Poligrafia, ISBN 978-83-928382-2-7.
• Wawikow, W.C.; Galkin G.N.; Magowiecka W.M. (1959). Zjawiska fotoelektryczne i optyczne w półprzewodnikach. Akademia Nauk Ukraińskiej Republiki Radzieckiej.
• Wójcicka-Migasiuk, D. (2001). Zastosowanie metody potencjałów węzłowych do analizy i projektowania instalacji słonecznych ciepłej wody. Lublin, Acta Agrophysica 39, ISBN 83-87385-50-6.
• Yilmaz, T.; Ogulata, R.T. (1990). Influence of the tank height on the efficiency of a two-phase solar water heater. Proc. ofthe lst World Renewable Energy Congress „Energy and the Environment", Reading (UK), 2, 749-755.
• Yousefi, T.; Shojaeizadeh, E.; Veysi, F.; Zinadini, S. (2012). An experimental investigation on the effect of pH variation of MWCNT-H2O nanofluid on the efficiency of a fląt-plate solar collector. Solar Epergy, 86,1,11 -779.
• Żaki, A. M.; Eskander, M.N. (1996). Matching of photovol^aic motor-pump systems for maximum efficicncy openrtion.*Renewable Energy, 7, 279-288.
• Federal Ministry of the Environment Naturę Conservation and Nuclear Safety. Development of re-newable energysources in Germany 2011. Pozyskano z: www.erneuerbare-energien.de/fileadmin/ee-import/files/english/pdf/application/pdf/ee_in_deutschland_graf_tab_en.pdf.
• European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF). Solar Thermal Markets in Europe Trends and Market Statistics 2009, June 2010. Pozyskano z: (www.estif.org). (data wejścia: styczeń 2013)
• Laing Ecocirc Solar. Pozyskano z: www.eastcoastsolarsystems.com/Pumps/Laing/pdf/LTID 5solar.pdf (data wejścia: luty 2012)
• Podogrocki, J. (2008). Warunki klimatyczne i meteorologiczne do wykorzystania energii promieniowania słonecznego w warunkach Polski. Ekologia 1-25. Pozyskano z: http://ekologika.pl/publikacje/46-energia-sloca/1871-warunki;klimatyczne-i-meteorologiczne-do-wykorzystania-energii-promieniowania-slonecznego-w-warunkach-polski.html (data wejścia: styczeń 2013)
• Roczniki statystyczne. Pozyskano z: www.stat.gov.pl/gus/roczniki_PLK_HTML.htm (data wejścia: styczeń 2013)