Розробка автоматизованої системи термоакумаляції
Автор: Кость Василь Іванович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Технології та засоби телекомунікацій
Інститут: Інститут телекомунікацій, радіоелектроніки та електронної техніки
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2022-2023 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Об’єкт дослідження – автоматизована система термоакумуляції. Предмет дослідження – використання термоакумуляторів для накопичення та зберігання тепла одержаного від перетворення електроенергії від сонячних панелей та вітроелектрогенератора. Мета дослідження: вивчення можливості створити технічний засіб – автоматизовану систему термоакумуляції, яка забезпечить теплові режими термоакумулятора: оптимальне використання електроенергії для нагріву теплового носія, дотримання меж нагріву, терморедукція тощо. Основною частиною автоматизованої системи є термоакумулятор. Він має дві секції: верхню – заповнену кварцовим ніском, нижню – заповнену парафіном. Між цими секціями відбувається теповий обмін, який забезпечує теплову редукцію температур (верхньої секції ?500 оС, нижньої секції ?100 оС). Для нагріву кварцового піску використовується система нагрівників з ніхромового дроту. Контролер коммутує нагрівники таким чином, щоб забезпечити оптимальний відбір енергії від сонячних панелей та вітроелектрогенератора. Для наеопичення теплової енергії використовується надлишкова ененргія від сонячних панелей та вітрогенератора. Автоматизована система повинна забезпечувати алгоритм виконання наступних операцій: - перетворення надлишкової енергії від сонячних панелей та вітрогенератора у теплову енергію, - оптимізацянагрівутеплоакумулюючогоматеріалу, - оптимізаціянагрівуматеріалутерморедуктора, - терморедукціядлявикористаннятепла, - контроль температур теплоакумулюючого матеріалу та матеріалу терморедуктора, - автоматизаціяоптимальногопідключеннянагрівників, - автоматизаціяутриманнятемпературтеплоносївуробочихмежах. Термоакумуляція передбачає одержання, зберігання та наступне використання акумульованого тепла. Накопичення тепла буде відбуватися у випадку коли вхідна теплова енергія буде перевищувати вихідну теплову енергію. До вихідної належить корисна теплова енергія , яка використовується споживачем і теплова енергія втрат, зумовлене передаванням та розсіюванням тепла у зовнішньому середовищі. Для одержання тепла найчастіше використовуються нагрівники з ніхромового дроту. Нагрівник може бути виконаний у виді тена, який має корпус, для ізоляції спіралі з ніхромового дроту від корпусу тена 4 використовується ізоляційний матеріал – сухий пісок. Для живлення тена здебільшого використовується мережа змінного струму напругою 220 В. Аналіз видів нагрівників показав що у автоматизованій системі, яка розробляється в магістерській роботі, найбільш доцільно викорстати нагрівник з ніхромового дроту, оскільки вихідна напруга сонячних панелей та вітрогенератора, яка використовується для живлення нагрівників не перевищує межу безпечної напруги постійного струму 42 В. У термоакумуляторі використовується дріт з ніхрому діаметром 1,4 мм. Опір дроту довжиною 1 м складає 0,734 Ом. Для акумуляції тепла часто використовується вода. Наприклад, у термоакумуляторах для твердопаливних котлів. Такі термоакумулятори випускаються серійно. Вода має високу теплоємність (табл. 1), дозволяє ефективно запасати тепло, має низьку собівартість. Табл.1. Теплові властивості речовин Речовина Густина, кг/м3 Питома теплоємність, кДж/ кг• оС Кількість тепла на 1 град С, кДж кДж/ м3• оС Температура Дебая, оС Вода Пісок сухий Парафін 1000 4,18 4180 2400 – 2800 0,8 800 500 – 700 2,72 2720 – 81 (лід) 367 (кремній) – Недоліком використання води є її низький температурний робочий діапазон використання, який умовно перебуває в межах від 0 оС до 100 оС, тобто в межах від точки замерзання до точки кипіння води. Можливе замерзання води створює проблеми транспортування зберігання та експлуатації термоакумулятора в якому у ролі теплоносія використовується вода. Також незважаючи на високу теплоємність води ефективність її використання для накопичення тепла обмежується відноно низькою верхньою температурною межею 100 оС і низькою – мінус 81 оС температурою Дебая. Згідно із законом Дебая кількість тепла (????) до певної межі має кубічну залежність зростання від температури 12??4 ??3 ????(??)= 5 ??????3 (????) стає ізоляційні властивості, при високій температурі не виділяти шкідливих речовин, бути доступним по ціні. Аналіз теплових характеристик різних речовин показав, що відносно високу температуру Дебая має кремній. Для нього температура Дебая становить 367 оС. Найбільш близьким матеріалом у якому вміст діоксиду де, Т – температура Кельвіна, ? – температура Дебая. лінійною. При температурах вищих температури Дебая така залежність Таким чином для термоакумуляції потрібно брати матеріал з високою температурою Дебая. Разом з тим він повинен мати 5 кремнію складає понад 98% є кварцовий пісок. Такий пісок білого кольору, він має високі ізоляційні властивості. Якщо в ньому містяться домішки заліза він набуває жовтого кольору. Аналіз інформаційних джерел показав що для термоакумуляції найбільш доцільно використовувати кварцовий пісок. Максимальний нагрів піску здійснювати до температури 500 оС. В такому разі ефективно використовується кубічна залежність зростання теплоємкості при температурах нижчих від температури Дебая. Для ефективного зберігання тепла корпус термоакумулятора виготовляється у виді термосу з внутрішнім та зовнішнім корпусом виготовленим з нержавіючої сталі марки AISI 304 з температурою плавлення 1400-1450 оС. Між корпусами прокладається мат прошивний негорючий, товщиною 120 мм, наприклад, PAROC Pro Wired Mat 65 на основі камяної вати з максимальною температурою 640 оС. Для нагріву піску у термоакумуляторі передбачається використовувати електричну енергію від двох видів джерел: сонячних панелей та вітроелектрогенератора. Для моделювання, виготовлення та дослідження прототипу автоматизованої системи термоакумуляції можна використати дві сонячні панелі RSM120-8-605M з номінальною потужністю 605 Вт, напругою живлення 35 В максимальним струмом живлення 17,29 А. Габаритні розміри сонячної панелі 2172х1303х35 мм. Для виробництва електроенергії також використовується вітроелектрогенератор [2] з номінальною потужністю 800 Вт, номінальною напругою 12/24 В. Для нагріву піску в термоакумуляторі використовуються 10 нагрівників з ніхромового дроту діаметром діаметром 1,4 мм, довжиною 1 м. Опір одного нагрівника складає 0,734 Ом. При напрузі 12 В струм який проходить через нагрівник становить 16,3 А. В такому разі нагрівник споживає 195,6 Вт. Максимальне споживання всіх нагрівників при напрузі живлення 12 В відповдно становить 1965 Вт, що в межах сумарної потужності сонячних панелей та вітроелектрогенератора. Для оптимального відбору електроенергії від сонячних панелей та вітроелектрогенератора відбувається автоматизоване під’єднання нагрівників таким чином щоб забезпечити максимальну віддачу енергії. Використовується комутація 6-и нагрівників для сонячних панелей та 4-х нагрівників для вітроелектрогенератора. Забір електроенергії для нагріву піску в термоакумуляторі відбувається при її надлишковості, коли вона не використовується для прямих потреб електроспоживання. Прикладом такого режиму може бути енергопостачання заміського будинку. Більшу частину часу при його експлуатації пряе споживання електричної енергії не відбувається. Практично в такі періоди вся енергія, яка виробляється сонячними панелями та вітрелектрогенератора може бути використана для термоакумуляції. 6 При тривалому запасанні теплової енергії температура піску зростає. Допустиме максимальне значення цієї температури становить 500 оС.