Proiectarea sistemului de control și reglare pentru o instalație microcogenerativa solara [308194]

UNIVERSITATEA “PETRU MAIOR”

[anonimizat]:INGINERIA SISTEMELOR ELECTROENERGETICE

LUCRARE DE LICENTĂ

Proiectarea sistemului de control și reglare pentru o instalație microcogenerativa solara

Coordonator ștințific

Prof.univ.Dr.Ing:Dragomir Stanciu Daniel

Absolvent: [anonimizat]

~2017~

Cuprins

Capitolul 1- Introducere

Structura documentului

Capitolul 2- [anonimizat] 3-

Stocarea energiei solare.

Sisteme de stocare a energiei solare cu ceară parafinică

Ciclul Rankine Organic

Capitolul 1- Introducere

Prin sistem microcogenerativ se înțelege producerea simultană a energiei electrice și a energiei termice .Avantajul cogenerării stă în economisirea energiei necesare producerii a celor două tipuri de energii simultan.Sistemele microcogenerative previn pierderile mari de energii.Proiectul are ca și scop crearea unui sistem de producere a [anonimizat] a energiei electrice.[anonimizat], [anonimizat] a căldurii, fluid organic. În perioada de vară radiațiile solare sunt intense iar căldura produsă de panorile solare depășește cantitate necesară pentru o [anonimizat].În această lucrare de diplomă se studiează un sitem de producere a [anonimizat]. Toată instalația se bazează pe un ciclu Rankine clasic la început care este înbunătățit și în acest fel ajungân sa se numeasca ciclu Rankine organic. [anonimizat]. În acest vas se află încă doua circuite (serpentine).Primul circuit are rolul de a transporta agentul termic provenit de la panourile solare și cu ajutorul său să schimbe starea de agregare a materialului care este folosit ca și material de stocare. În al doilea circuit se află un fluid organic amintit mai in sus care la o temperatură mică î-și schimba starea de agregare din fluid în gas. Acest gas este introdus într-o turbină care având o conexiune ax în ax cu un generator sincron producând energie electrică. După ce am trecut de turbină urmeză un condensator unde scazând temperatura fluidului organic el devine din nou fluid iar cu ajutorul unei pompe se face recircularea fluidului organic.

Capitolul 2- [anonimizat].Economia din prezent se bazeaza pe resurse neregenerabile cum ar fii (cărbune,[anonimizat]). [anonimizat], poluarea atmosferei.În momentul de fată singura energie care se consumă în cantități mari este energia provenită din petrol. Populația a [anonimizat] a [anonimizat]ntru transport.Această atenționare a provocat o investiție semnificativă pe plan global pentru a pune în evidență resursele regenerabile de energie. O presiune suplimentară asupra dezvoltări sectorului de energie regenerabilă este cresterea continuă a populației pe plan global și datorită extinderii economiei mondiale, cea ce a provocat si o crestere a necesarului de energie. În momentul de față sursele regenerabile de energie sunt folosite pentru a genera energie electrică, termică, și pentru a produce combustibili folisiți in sectorul de transport.

Clasificarea energiilor regenerabile

Sursele regenerabile de energie se împart în 6 mari categorii: -Solară -Eoliană -Hidraulică -Geotermală -Valurilor -Biomasă

Energia solară

Energia solară este una din sursele de bază ai prezentului fiind una dintre cele mai importante resurse energetice regenerabile si ecologice.Cu ajutorul său putem economisi o cantitate mare de energie din cele conventionale (neregenerabile).Energia solară este o energie gratuită deci nu necesită costuri de exploatare.

Fig.1.Potentialul energetic și radiațiile solare pe teritoriul României și pe teritoriul Uniuni Europene.

Energia solară se utilizează pentru: -încălzirea locuințelor -producerea energiei termice -producerea energiei electrice

Captarea energiei solare este posibilă cu ajutorul panourilor fotovoltaice și cu ajutorul panourilor solare.Panourile fotovoltaice transformă energia solară în energie electrică iar cele solare ajută la prepararea apei calde menajere.

Conversia energiei solare în energie electrică

Cea mai utilizată metodă de conversie a energiei solare în energie electrică se realizează cu ajutorul panourilor fotovoltaice.Panourile fotovoltaice convertesc energia solară în curent continuu.Sistemele fotovoltaice pot fi utilizate la orice scară pornind de la aplicații rezidențiale până la parcuri fotovoltaice.Conversia radiașiilor solare în energie electrică se realizează prin utilizarea unor materilae semiconductoare.

Materiale utilizate la construcția celulelor fotovoltaice.

Materialul cel mai des utilizat în construcția celulelor fotovoltaice este siliciul. Randamentul celulelor fotovoltaice realizate din siliciu ating 25%.

Utilizarea celulelor solare

Pentru a fi utile celulele solare sunt conectate între ele,alcătuind un modul.Un modul este alcătuit din 36 de celule care este capabilă să încarce o baterie de 12V sau poate fi alcătuită din 60 de celule în cazul în care este folosit pentru aplicații rezidențiale.În cazul consumatorilor mari cum ar fi pentru aplicați comerciale de dimensiuni mari modulele pot fi alcătuite din 72 de celule.Odată cu creșterea numărului de celule se crește și tensiune produsă.

Pentru a crește performanța celulelor se utilizează lentile pentru a concentra o cantitate de lumină asupra celulelor solare.Aceste categorii de celule au radamentul ridicat în perioada în care sunt expuse radiațiilor solare directe.

Clasificarea celulelor solare

Celulele solare pot fi clasificate după:

-Grosimea materialului:Aici se face diferența într-e celule cu strat gros sau cu strat subțire.

-În funcție de material:Materiale semiconductoare utilizate la realizarea panourilor fotovoltaice pot fi CdTe,GaAs,dar cel mai utilizat material la realizarea panourilor fotovoltaice este siliciul.

-După structura cristalelor:Acesta poate fi mono crsitalină,policristalină,sau amorfă.

Conversia energiei solare în energie termică.

Pentru conversia energiei solare în energie termică se utilizează panourile solare.Acestea sunt utilizate pentru încălzirea unor spații sau pentru încălzirea apei calde menajere.

Părtile principale al unui sistem de încălzire a apei calde menajere:

1.Colectorul solar: poate fi unul sau mai multe colectoare 2.Sistem de transfer al căldurii,și sistemul de recirculare. 3.Sistem de stocare al apei calde. 4.Sistemul de comandă și de control al instalației.

Sistemele solare care furnizează căldură pot fi împărțite în două mari categorii:active și pasive.

Sistemele active sunt echipate cu sisteme de comandă,control și pompe care au rolul de a permite circulația apei sau a agentului termic în colectorul solar.

Sistemele active pot fii împărțite în doua mari categorii:

-Sistemele solare active directe care pompează apa către colectorul solar pentru utilizare ulterioară.Sistemele soalare active directe sunt recomandate zonelor unde nu există pericolul de îngheț.

-Sisteme solare active indirecte:Acest sistem este unu închis în care circulă un agent termic. Agentul termic poate fi apa cu amestec de antigel.

Sistemele pasive În comparașie cu sistemele active sistemele pasive sunt mai avantajoase deoarece nu au în structura lor componente electrice.Sistemele pasive se caracterizează prin:

-construcție mai simplă

-întreținere ușoară.

Colectoare plane

Colectaoarele plane se utilizează pentru încălzirea unui agent termic ,sau o soluție cu antigel până la o temperatură de 85°C.Colectoarele plane sunt utilizate pentru încălzirea apei menajere, pentru încălzirea locuințelor și a piscinelor în zone rezidențiale,sau comerciale.

Structura unui colector plan:

1-Sticlă

2-Cadru de montare pe acoperiș

3-Conducte pentru apă sau antigel

4-Suprafață de absorbție

5-izolație termică

6-intrare apă rece

7-carcasă etanșă

Colectoare cu tuburi vidate

Aceste colectoare sunt alcătuite din tuburi colectoare montate paralel.Tuburile se realizează din sticlă borosilicat care se caracterizează printr-o bună rezistență mecanică.Tuburile se realizează cu perete dublu iar spațiul este vidat pentru a reduce pierderile de căldură într-e interiorul tubului și mediu.

Energia eoliană

Energia eoliana este una din cele mai vechi surse de energie nepoluantă, este o sursă de energie reînnoiabila generată din puterea vântului. Vântul este rezultatul activitatii energetice a soarelui si se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafetei Pământului.

După constructia axului turbinele se clasifică în doua mari categorii: -ax orizontal -ax vertical

Indiferent de categoria din care fac parte, în constructia sistemului de conversie a energie eoliene în energie electrică intră: -rotorul cu palate -multiplicatorul de turație -frâna -generatorul

La turbinele cu ax orizontal este necesar și un sistem de orentare a rotorului pe direcția vântului.Modelele cu ax orizontal sunt cele mai răspândite și sunt clasificate dupa modul de amplasare in doua mari categorii: -Sistem de amplasare în amonte:În acest caz primul contact cu vântul îl ia paletele rotorului,este necesar montarea sistemului de orientare dupa direcția vântului.Paletele rotorului trebuesc confecționate din materiale cu rigiditate mare pentru a evita încovoierea acestora sub acțiunea vântului. -Sistem de amplasare în aval:În acest caz turnul eolienei are primul contact cu vântul după care urmează paletele rotorului.Paletele pot avea o flexibilitate mai ridicată iar în acest caz nu este necesară montarea sistemului de orientare după direcția vântului fiindcă ansamblul nacelă-rotor se auto-oerientează.Datorită pierderilor de viteză a vântului la interacțiunea cu nacela și turnul, aceste sisteme au un randament mai scăzut.

Paletele turbinei sunt confecționare din fibră de sticlă, lemn, oțel, aluminiu sau titan.Numărul maxim de palete este patru.Există și un model cu o singură paletă și o contragreutate în locul paletei pereche.Această solutie oferă avantajul unui preț mai scăzut.

Turațiile la care ajung rotoarele turbinelor moderne de mare capacitate sunt cuprinse între 5-20 rot/min. În același timp, generatoarele funcționează la 800-3000 rot/min, ceea ce impune existența unei transmisii între generator și rotor care să multiplice turația acestuia.

Turnurile utilizate în prezent la turbinele de mare capacitate sunt construite din beton sau oțel și sunt fixate pe o fundație solidă, cu un diametru mai mare decât cel al turnului.

Cea mai întâlnită soluție o constituie însă turnurile din secțiuni cilindrice metalice îmbinate între ele.

Tipuri de turbine eoliene

1.TURBINE CU AX VERTICAL:

Construcția acestor categorii de turbine este mai simplă, în acest caz transmisia si generatorul pot fi amplasate la nivelul solului.Doua mare avantaj pe care le au aceste turbine este ca întreținerea lor este foarte usoară și ca nu au nevoie de acel sistem de orientare dupa direcția vântului întrucât ele funcționează indiferent de direcția acestuia.Aceasta categorie de turbine se recomanda sa fie folosite în zone cu variație fregventă ale direcției vântului.

2.TURBINE CU AX ORIZONTAL:

Dezvoltă un cuplu redus la pornire iar viteza nominală a vântului se încadrează de obicei între 10-13 m/s.Rotorul, nacela cuprinzând transmisia și generatorul, precum și sistemul de orientare a turbinelor cu ax orizontal după direcția vântului, sunt amplasate la partea superioară a turnului de susținere, provocând greutate la construcția și mentenanța acestora.Acestea sunt predominante pe piața de producție a energiei electrice, pot atinge capacități de producție de circa 3 MW/eoliană.Aceste tipuri de turbine pot fii folosite și pentru aplicații rezidențiale de câțiva KW.

Avantaje și dezavantaje ale centralelor eoliene

Avantaje: -centralele eoliene nu poluează -au o dimnesiune redusă -timpul de instalare este mic -energia electrica produsă cu ajutorul acestora are un preț foarte redus.

Dezavantaje -în present vântul este foarte instabil. -centralele eoliene provoacă foarte mult zgomot. -montate au un aspect nefavorabil in zonele rurale. -dăunează păsărilor

Energia hidraulică

Hidroenergia provine din energia căderilor de apă de la un nivel superior la unu inferior, prin trecerea lui printr-un dispozitiv de conversie a energiei apei in energie mechanică cu ajutorul ueni turbine care la rândul sau interconectat cu un generator produce energie electrică.Hidroenergia este una din cele mai răspândite forme de energie cu ajutorul căruia se poate produce energie electrică. Hidroenergia se poate extrage si din curentii de pe râuri cu un dispozitiv adecvat pentru acest scop.Numele acestui dispozitiv in descrierile tehnice este “turbină de râu”.Singura problema care poate apărea la aceste turbine este că sunt limitați din punc de vedere a producerii energiei electrice. Sistemele hidroenergetice pot varia de la zeci de W la sute de MW.

Clasificarea sistemelor de producere a energiei electrice după dimensiuni:

-Hidrocentrale mari:Capacitate de producuție a acestor centrale este de peste 100 MW. Unul dintr-e cele mai mari hidrocentrale din lume se situează în China.Acesta poartă numele de Three Gorges Dam.Acesta are o capacitate instalată de 18,400 MW.

Three Gorges Dam

-Hidrocentrale medii:Capacitate de producție de minim 20 maxim 100 MW. -Hidrocentrale mici:Capacitate de producție de minim 1 maxim 20 MW. -Mini hidocentrale:Capacitate de producție de 100 kW până la 1 MW. -Micro hidrocentrale:Capacitate de 5 kW . -Pico hidorcentrale:Capacitate de producție 50W până la 5 kW.

Cele mai multe amenajări hidrolectrice sunt pe teritoriul europei și în America de Nord.

La nivelul europei hidroenergia acoperă circa 70%din producția de energie din surse regenerabile. Energia care se produce pe cale hidro anual depășește 2,1 milioane de GWh.Această valoare fiind într-e 16 și 18% din consumul de energie la nivel mondial.

La nivelul româniei se produce energie electrică din hidrocentrale cam 18 TWh adică,35% din consumul de energie electrică la nivelul țării.

Energia hidroelectrică are avantajul faptul că este o sursă de energie curată.În comparație cu alte surse de energii regenerabile hidroenergia poate fi înmagazinată în lacuri de acumlare.Celelalte tipuri de energii sunt dependete de schimbările zilnice sau schimbările vremii.Construcțiile pentru amenajările hidroelectrice de exemplu lacurile de acumlare pot proteja împotriva inundațiilor prin atenuarea viiturilor.Lacurile au o importanță foarte mare deoarece pot alimenta atât populația cât și industria, pot fi folosite si pentru irigații în perioada secetoasă.Caracteristiciile care fac din hidroenergie o energie cu caracteristici superioare sunt legate de modul de acoperire a curbelor de sarcină ale sistemului energetic.

Clasificarea hidrocentralelor după tipul de cădere al apei care iese din turbină:

-Cu cădere mică de apă sub 15 metrii,acestea se caracterizează printr-un debit mare de apă .Turbina care se folosește în acest caz este turbina Kaplan.

-Cu cădere mijlocie de apă de la 15 până la 50 m,turbina utilizată în acest caz poate fi Kaplan sau Francis

-Cu cădere mare de apă 50-2000 m în acest caz apa are un debit mic și se folosesc turbine Francis sau Pelton.

Cea mai mare hidrocentrală din România se află pe cursul Dunării.Porțiile de fier I este cea mai mare hidrocentrală din țară care are o putere instalată de 1080 MW.

Porțiile de fier I este dotat cu două săli de turbine una pe malul românesc al Dunării iar celălalt pe malul Sârb.Fiecare dintr-e aceste turbine au o putere de 195 MW.

Aceste turbine produc circa 15% din energia României.În cazul hidrocentralei Porțiile de fier I are o producție anuală de 5.24 milliarde KWh.

Porțile de fier I

Energia valurilor

Energia termică înmagazinată de straturile de apă de pe suprafața mărilor și a oceanelor sub influența radiației produse de către soare, și a energiei mecanice furnizate de către valuri și curenți marini reprezintă potențialul energetic a mărilor și oceanelor.

Valurile pot fii clasificate:

-Valuri de vânt: se formeză ca urmare a interacțiunii dintre masele de aer aflate în mișcare și straturile de apă de pe suprafața mărilor.

-Valuri gravitaționale: se caracterizează prin lungime mare si prin uniformitate, simetrie, frecvență constantă.Acestea se formează în larg la o distantă mare de mal.Valurile înmagazinează energie eoliană în zona în care se formează și o transportă în zonele în care vântul are o intensitate mai scăzută.

– Valuri staționare: se formează în cazul mărilor parțial sau total inchise si se caracterizează prin miscarea apei între tărmuri.

-Valuri seismice: sunt produse de mișcările seismice și a alunecărilor de teren submarine.Aceste categorii de valuri se caracterizează prin lungimi foarte mari pot avea și 500 de km și pot atinge o viteză de 500 km/h.

– Valuri de navă: se formează la trecerea unei nave.Ca si caracterizare valurile sunt oblice în comparație cu corpul navei.Caracteristicile unor asemenea valuri depind de viteza și mărimea navei de care a fost produs.

Valurile de pe coasta de vest al Europei pot dezvolta o putere medie de 50 Kw pe fiecare metru al țărmului,iar în caz de furtună această valoare poate atinge și 1000 Kw/m.

Caracterizarea valaurilor

Valurile pot fi caracterizate după următoarele proprietăți:

-După lungimea valului

-După lungimea frontului de val: este distanța dintr-e două valuri consecutive.

-După perioadă: se caracterizează prin timpul în care un val parcurge o distanță egală cu lungimea ei.

-După amplitudine: se calculează ca fiind distanța intr-e suprafata apei și vârful (creasta) valului.

Modul de convesia energiei valurilor în energie electrică:

Conversia energiei valurilor în energie electrică se realizează cu ajutorul unor echipamente care pot fi împărțite în două categorii:

1.Cu captarea energiei la suprafața apei.

2.Cu captarea energiei pe baza fluctuațiilor de presiune la adâncime mică.

Convertoarele de energie care se folosesc pot fi flotante sau submersate.

După locul de amplasarea echipamentelor pot fi amplasate pe țărm sau pe fundul mării.

Captatorul oscilant flotant

Aceste captatoare mai poartă numele de atenuatoare.Ca și structură sunt formate din mai multe segmente,care sunt așezate perpendicular pe direcția de deplasare a valului,acestea preiau forma valurilor

Punctele de absorbție axial-simetrice

Sunt niște elemente flotante care sunt fixate de fundul mării.Au o dimensiune mică în raport cu lungimea valurilor.Din cauza dimensiuni mici pot absorbi energia valurilor indiferent de direcția lor de deplasare.Mișcarea dintr-e elementul fix amplasat pe fundul mării și elementul flotant este utilizat pentru antrenarea unui generator electric.

Distribuția resursei energetice a valurilor la nivel mondial

Energia geotermală

Energia geotermală este energia termică emisă din interiorul pământului, de obicei sub formă de apă fierbinte sau abur.Energia geotermală are două surse:

-căldura inițială produsă de formarea pământului prin colaps gravitațional

-căldura produsă prin dezintegrarea radioactivă a diferitelor izotopi.

Energia geotermală pot fi folosite în scopuri de încălzire și de producere a energiei electrice. Resursele cu temperaturi ridicate (150 ° C +) pot fi utilizate pentru generarea de electricitate, în timp ce resursele de temperatură scăzută (50-150 ° C) poate fi utilizat pentru diverse utilizări directe, cum ar fi încălzirea locuintelor și prelucrarea industrială. Deoarece scoarța terestră emite continu căldura către suprafața sa, cu o rată de 40 de milioane de megawați, energia geotermală este o sursă de energie inepuizabilă.

Energia geotermală este utilizată la scară comercială, în special căldura apelor geotermale, sau cea provenită din gheizere, pentru încălzirea locuințelor, sau a unor spații comerciale.

Din punct de vedere al potențialului termic, energia geotermală poate fi clasificată în două

categorii:

– Energie geotermală de potențial termic ridicat;

– Energie geotermală de potențial termic scăzut.

Energie geotermală de potențial termic ridicat:

Acest tip de energie geotermală este caracterizată prin nivelul ridicat al temperaturi la care este extrasa și poate fi transformată direct în energie electrică sau termică.

În țările cum ar fi Filipine, Kenia, Costa Rica, Islanda, SUA, Rusia energia electrică se obține din energie geotermală, în centrale având puteri electrice de 20…50MW.

Din categoria surselor de energie geotermale de potențial termic ridicat, fac parte și gheizerele cu apă fierbinte sau abur,Căldura conținută de asemenea gheizere, ca și de apele geotermale, poate fi captată și utilizată cu ajutorul unor schimbătoare de căldură în placi.

Energia geotermală de potențial termic scăzut:

Acest tip de energie geotermală este caracterizată prin nivelul relativ scăzut al temperaturii

și poate fi utilizată numai pentru încălzire, fiind imposibilă conversia acesteia în energie electrică.

Energia geotermală de acest tip este disponibilă la suprafața scoarței terestre, fiind mult mai ușor de exploatat.

Se observă că începând de la adâncimi foarte reduse, temperatura solului poate fi considerate relativ constantă pe durata întregului an:

– La 1m temperatura solului variază între 5…15°C;

– La 1,5-3m temperatura solului variază între 7…13°C;

– La 4,5m temperatura solului variază între 8…12°C;

– La 6-10m temperatura solului variază între 9…11°C;

– La 10-18m temperatura solului variază cu mai puțin de 1°C în jurul valorii de 10°C;

– La peste 18m temperatura solului este constantă, având valoarea de 10°C.

Exploatarea energiei geotermale de potențial termic scăzut necesită echipamente special concepute pentru ridicarea temperaturii până la un nivel care să permită încălzirea sau prepararea apei calde, ceea ce reprezintă un dezavantaj față de energia geotermală de potențial termic ridicat.

Echipamentele menționate, poartă denumirea de pompe de căldură și au același principiu de funcționare ca al mașinilor frigorifice.

Biomasă

Biomasa se definește ca și un combustibil care derivă din resturi de plante și animale. Biomasa se produce datorită plantelor care folosesc fotosinteza.Datorită fotosintezei plantele transformă energia solară în energie chimică .Acesta din urmă este transformat în energie electrică sau termică.O altă modalitate de a utiliza biomasa este pentru producerea biocombustibililor.Avantajul utilizării biomasei este faptul că în momentul arderi produce mai puțin carbon,și au avantajul faptul că în cazul utilizării rezidurilor din biomasă se reudc emisiile cu gaze cu efect de seră.Biomasa poate fi folosită pentru producerea unor biocombustibili cum ar fi:biogazul,biodiesel,biocombustibil. Biodiesel se poate produce din:uleiuri sau grăsimi animale și din deșeuri și uleiuri vegetale. Bioetanolul se poate produce din semințe din care se produc amidon care după aceea este fermentat în bioetanol.

Exista moduri diferite de a converti biomasa în energie. Cea mai simpla și mai raspândita este de a arde combustibilul într-un cazan și de a folosi caldura produsa, pentru a genera aburi care sa invartă o turbină. Cele mai multe centrale de acest tip sunt mici și relativ ineficiente. Totodata, este posibil si un amestec între biomasa si carbune care să fie ars într-o centrala electrica pe baza de carbune, acest proces fiind numit co-ardere.

Agenția Internaționala pentru Energie a prezis ca utilizarea biomasei pentru producerea de energie electrica s-ar putea dubla între 2010 și 2020 și ca, pâna în 2035 ar putea fi de patru ori mai mare decât în 2010, pe baza condițiilor curente din sectorul energiei electrice.

Peleți

Micro-cogenerare

Cogenerarea reprezintă producerea simultană a energie electrice si termice în aceași instalație cu o sursă primară de eregie(gaz, lemn, etc).Micro-cogenerarea reprezintă acele sisteme de producere a energiei termice și electrice cu o putere de până la 50 kWh.

Micro-cogenerarea este o tehnologie utilizată în producția locală a energiei electrice și termice pentru consumul propriu a locației unde este amplasat (hotel, piscină, casa unifamiliară).Rolul instalației este de a complementa locul de consum și de a acoperii acest consum.Micro-cogenerarea în foarte multe cazuri funționeză în paralel cu sistemele traditionalale/clasice cum ar fii (cazane de producere a apei menajere, rețeaua de alimentare cu energei electrică).

Scopul utilizării acestor sisteme este de a reduce consumul de energie provenită de la furnizor și de a asigura continuitatea în alimentare a consumatorului si asigurând alimentarea cu caldură si electricitate a consumatorului. Acest sistem se conectează direct la rețeaua de JT a consumatorului livrând energie elctrica pentru consum.

Pe partea termică este conectat în paralel cu centrala termica aflată în funcțiune având rolul de sursă suplimentarâ de căldură pentru producerea apei calde menajere sau a încălzirii piscinei sau a imobilului.

Ca și combustibil folosit în aceste sisteme micro-cogenerative putem enumera gazul natural, biomasa(lemn), ulei mineral.

Gazul natural este de 3 ori mai ieftin decât energia eletrică iar in acest fel costul energia termică si electrică produsa prin astfel de sisteme este de 2 ori mai mică decât varianta clasică, cea de a cumpăra energia electrică și termică de la furnizor.

Avantajele micro-cogenerari:

Independență față de reteaua electrică

Emisii de CO scăzute pe kWh produs

Fără pierderi de energie in rețeaua de distribuție

Utilizare eficienta a combustibililor fosili.

Sistem micro-cogenerare

Ciclul Rankine apă-abur.

Denumire ciclului provine de la inginerul scoțian William John Macquorn Rankine, care a realizat diferite experimente în scopul de a maximiza randamentul temic a ciclului pe baza apa-abur.

Este un ciclu termodinamic care transformă căldura în lucru mecanic.Căldura este furnizată din exterior de către un circuit închis. Care folosește ca și fluid de lucru apa.

Apa având următoarele beneficii: – apa este foarte stabilă din punct de vedere chimic ca urmare urmare nu există cerințe speciale pentru materialele instalației -căldura specifică a apei este mare, aceasta valoare reprezintă că apa este un mediu bun pentru transferul energiei termice. -este disponibilă oriunde pe pământ, nu este toxică

Acest model de ciclu stă la baza funcționării termocentralelor, indiferent de combustibilul folosit pentru prepararea fluidului de lucru.Combustibilii folosiți pot fii: -combustibili fosili sau biomasă -energie nucleară -energie solară

Ciclul Rankine pe bază de apă furnizează aproximativ 85% din producția de energie electrică la nivel mondial.

Folosirea apei ca agent de lucru are și anumite dezavantje: – Pentru a realiza un ciclu cu o eficiență mare și pentru a crește producția de energie electrică, aburul este destins la o temperatură apropiată de temperatura ambiantă.La această temperatură presiunea vaporilor și densitatea este foarte scăzută. Acest lucru duce la volume mari de abur la ieșirea din turbină. În consecință, sunt necesare turbine și condensatoare de dimensiuni mari. Căderea de presiune in turbina cu abur este foarte mare. Pentru a destinde aburul de la 30 bar la 0,1 bar este necesar ca turbin să aibă un număr mare de trepte, din cauza căderii de presiune limitate pe o singură etapă. Acest lucru face ca turbina cu abur să fie relativ complexă și costisitoare.

Agentul de lucru folosit se află într-un circuit închis.Apa din starea 1 este comprimat de catre pompa de recirculare până în starea 2 la o presiune necesară sistemului.Apa este introdusă în ciclu unde preia căldura provenită de la sursa de căldură unde este preîncălzită și vaporizată la presiunea constantă în cazan, obținânduse abur saturat în starea 3.Această cantitate de abur este destins în turbină până la presiunea joasă a ciclului starea 4, astfel producând lucru mecanic.Din turbină aburul î-și continuă drupul si ajungân la condensator este consensat până când se schimbă starea de agregare din gas în lichid.

Inițial, ciclul Rankine a fost conceput să funcționeze în domeniul vaporilor umezi, adică cu presiunea maximă inferioară presiunii critice. Pentru apă presiunea critică este de 221,2 bar, la care corespunde temperatura critică de 374,12 °C.

Există, de asemenea, variații ale ciclului de bază Rankine, care sunt concepute pentru a ridica eficiența termică a ciclului. Două dintre aceste procedee sunt descrise mai jos:

ciclu Rankine cu supraîncălzire ;

ciclu Rankine cu supraîncălzire intermediară

1. Ciclul Rankine cu supraîncălzire

Într-un ciclu Rankine real, procesele de comprimare în pompă și de destindere în turbina nu sunt isentropice. Cu alte cuvinte, aceste procese sunt non-reversibile și entropia crește în cele două procese. Acest lucru crește putera consumată de pompă și scade puterea produsă de turbină. Eficiența turbinei cu abur va fi afectată prin formarea picăturilor de apă. Vaprii de apă condensează în ultimele trepte, picaturile de apă lovesc paletele turbinei, la viteză mare, cauzând eroziune, reducând treptat durata de viață a paletelor turbinei și eficiența turbinei. Cel mai simplu mod de a depăși această problemă este supraîncălzirea aburului. In diagrama Ts este regiunea din faza a doua de abur și apă, astfel încât după extindere aburul va fi foarte umed. Supraincalzirea, 3, se va muta la dreapta pe diagramă și se vor genera vapori supraîncălziți..

Ciclu Rankine cu supraîncălzire – diagrama T-s

2. Ciclul Rankine cu preîncălzire regenerativă

Ciclu Rankine cu preîncălzire regenerativă resupraîncălzire presupune un preîncălzirea apei de alimentare a cazanului folosind căldura continută în aburul prelevat de la turbină.. Pe diagrama lichidul din punctul 2 este amestecat cu abur ul din punctl 4 (ambele la aceeași presiune), rezultȃnd lichid saturat în punctual 7. preîncălzire regenerativă

Ciclul Rankine cu preîncălzire regenerativăe – diagrama T-s

Ciclul Rankine Organic

Utilizarea ciclului Rankine Organic reprezintă în momentul de față o prioritate în domeniul instalațiilor de producere a energiei, mai ales în domeniul biomasei și al aplicațiilor geotermale, dar crește interesul si pentru aplicații de recuperare a căldurii solare.

Preocupaările legate de protecția mediului, de schimbările climatice și creșterea prețului petrolului sunt motive puternice care susțin creșterea putermică a acestui mod eficient, curat și de sigur de producerii de energie electrică.

Ciclul Rankine este numit astfel după William John Macquorn Rankine (5 iulie 1820 – 24 decembrie 1872), un inginer și fizician scoțian. El a fost unul dintre fondatorii științei termodinamicii. Rankine a dezvoltat o teorie completă a motorului cu abur. Manualele lui de inginerie și practică au fost folosite pentru multe decenii de la publicarea lor în anii 1850 și 1860. A publicat mai multe sute de lucrări și note pe teme din știință și inginerie, începând din 1840, și sfera de interes a preocupărilor sale a fost extrem largă, incluzȃnd, în tinerețea sa, botanica, teoria muzicii și teoria numerelor, ca și cele mai multe ramuri majore ale științei, matematicii și ingineriei.

Este un proces termodinamic în care căldura stocată in materialul cu schimbare de fază este cedat către un lichid la o presiune constantă.Acest lichid este vaporizat și după destins într-o turbină cu vapori, turbina este interconectată cu un generator electric astfel producând energie electrică.

După iesirea din turbină vaporii sunt condensați iar în acest fel revenid în formă lichidă.În sistemul acesta se utilizează un fluid organic numit R-134 care are un punct de fierbere si de schimbare a stări de agregare mai mică decât apa.

Ciclul Rankine Organic este un sistem de putere ce utilizează același principiu ca un sistem bazat pe ciclul Rankine apă-abur. Diferența dintre aceste două sisteme este fluidul de lucru care este utilizat în fiecare. Ciclul Rankine Organic este folosit în general pentru o sursă de căldură cu temperatură scăzută, utilizează fluide organice.

În comparație cu ciclul Rankine apă-abur, Ciclul Organic Rankine, este considerat, în general, o tehnologie avansată. Asfel de sisteme au fost instalate peste tot în lume și aplicate la o varietate de surse de căldură, cum ar fi energia geotermală, energia termică apei din fântâni , energia solară, biomasă.. Ciclurile Organice Rankine sunt realizate , de obicei, la scară industrială.

Energia solară este una dintre cele mai importante resurse regenerabile de energie.În prezent cele mai multe aplicați care utilizează energia solară si care convertează această energie intr-o energie utilă cum ar fii energia termică sau energia electrică sunt instalațiile numite panouri solare sau panouri fotovoltaice.

Spre deosebire de ciclul clasic Rankine, folosind apa ca fluid de lucru, agentul de lucru din ciclul Rankine organic este un fluid cu temperatură mai mică de vaporizare.

Un material cu schimbare de fază este o substanță cu o căldură latentă ridicată, care prin topire s-au solidificare, la o anumită temperatură, este capabil să stocheze și să elibereze cantități mari de căldură. Temperatura de ieșire a apei din panourile solare este de obicei între 70-80 ° C. Materialul cu schimbare de fază pentru a fi utilizat pentru stocarea căldurii solare trebuie să aibă o temperatură de schimbare de fază sub 70 ° C. Din lista de materiale cu schimbare de fază, cel mai adecvat pentru acest nivel de temperatură este ceara de parafină.Ceara de parafină este o hidrocarbură saturată. Parafina este obținută din procesul de distilare a petrolilui și nu este o substanță pură, este în general o combinație de diferite hidrocarburi.

Studiile au aratat ca ceara de parafină au proprietăți stabile după 1000-2000 cicluri.Proprietățile termice ale parafinei nu au schimba după cicluri de topire / solidificare repetate.

Domenii de utilizare ale Ciclului Rankine Organic

O parte substanțială a energiei produse în instalațiile energetice este pierdută prin pierderi mecanice (frecare) și pierderi termice (pierderile de căldură). Pierderile de căldură se pot întȃlni în uscatoare, incineratoare, prin gaze de ardere evacuate. Instalațiile care funcționează pe baza Ciclului Rankine Organic permit recuperarea căldurii deșeu, pe care o transformă într-o sursă de energie termică utilă. Devine astfel posibilă recuperarea unei mari cantități de energie, astfel încât pierderile pot fi minimizate.

În acest fel, căldura reziduală poate fi transformată într-o cantitate limitată de energie mecanică, care poate fi folosită pentru generarea de electricitate sau pentru antrenarea anumitor echipamente. (Holdmann G, 2007)

Tehnologia bazată pe Ciclulul Rankine Organic are multe aplicații posibile. Dintre acestea, pe scară largă și domeniile cele mai promițătoare sunt următoarele:

recuperarea căldurii din deșeuri,

centrală electrice,pe baza de biomasă

instalații geotermale,

instalații termice solare .

Alegerea fluidului de lucru

Selecția fluidului de lucru este de o mare importanță. Din cauza temperaturii scăzute, eficiența transferului de căldură poate scade. Din acest motiv sunt foarte importante caracteristicile termodinamice ale fluidului și de condițiile de funcționare.

În scopul de a recupera caldura din sursele cu temperaturi coborȃte, lichidul are în general o temperatura mai mică de fierbere decât apa. Agenții frigorifici și hidrocarburile sunt două componente utilizate în mod obișnuit. (Drescher U. and Bruggemann D, 2007)

Cele mai multe fluide organice sunt așa-numitele fluide uscate. Aceste fluide uscate au avantajul că rămân supraîncălzite după destindere, astfel condensarea fluidului din turbina poate fi evitată.

Unele fluide utilizate frecvent sunt:

-pentan,

-propan, -amoniac, -freon

Avantajele ciclului Rankine Organic

-Temperatură scăzută a sursei calde

-Temperatură de vaporizare scăzută

-Presiune de vaporizare redusă

-Nu necesită supraîncălzire

-Construcție simplă a vaporizatorului

-Temperatură redusă a vaporilor în turbină

-Presiune de condensare ridicată

-Densitate mare a agentului de lucru

-Nu necesită tratarea apei

-utilizarea fluidelor organice oferă diverse avantaje;

-tehnologia Ciclu Rankine Organic pentru producția de energie electrică din biomasă și de căldură geotermală este de ultimă oră;

-Ciclurile Rankine Organice sunt de asemenea potrivite pentru recuperarea deșeurilor de căldură și a producerii energiei din căldură solară, aceste aplicații sunt supuse unor cercetări suplimentare.

-Sistemele de cogenerare bazate pe Ciclul Rankine Organic au o bună fezabilitate pentru întreg spațiul European.

Stocarea energiei solare.

Stocarea energiei solare a devenit foarte răspândită în ultimi ani.Aceasă creștere se datorează utilizării pe scara largă a surselor de energie regenerabilă cum ar fi cea eoliana, solară, geotermală, hidro.

Sistemele de stocare a energiei termice au scopul de a înmagazina o cantitate de energie provenită de la sursele de energie regenerabilă și redara acestor în cazul în acre nu mai este posibilă stocara lor sau în cazul în care sursa de energie regenerabilă nu mai poate fi funcțională.

Deși soarele oferă o sursă abundentă, curată și sigură de energie, furnizarea aceastei energii este periodică datorită ciclurilor anuale este intermitentă și de multe ori imprevizibilă, fiind afectată de condițiile meteorologice.

Cererea de energie electrică și termică este variabilă atât pentru utilizatorii casnici cât și pentru cei industriali. Prin urmare, stocărea energiei solare devine o necesitate. Aceasta determină intensificarea cercetărilor în domeniul sistemeleor de stocare a energiei solare, pentru utilizarea în aplicații industriale sau rezidențiale.

Avantajele sistemelor de stocare a energiei termice în comparație cu alte sistemele de stocare a energiilor mecanice sau chimice, constau în impactul redus asupra mediului, utilizarea ușoară a sistemului și costul redus datorat simplității constructive. Un astfel de sistem este în principiu alcătuit dintr-un schimbător de căldură, materialul în care se face stocarea căldurii, rezervorul și materialul izolator al rezervorului care asigură păstrarea energiei termice stocate o perioadă mai lungă de timp.

Intervale de temperatură pentru aplicații ale sistemelor de stocare:

In momentul de față există două moduri de stocare a energiei termice solare:

-stocarea căldurii sensibile (sensible heat storage SHS);

-stocare căldurii latente (latent heat storage LHS);

Stocarea căldurii sensibile

Această metodă presupune încălzirea un lichid sau un solid, fără modificarea stării de agregare.

Materialele folosite pentru stocarea căldurii sensibile se află de regulă în stare lichidă, cele mai utilizate fiind apa ṣi soluția de apă cu glycol, pentru prevenirea înghețului pe timpul iernii.

Sistemele de stocare a căldurii latente includ depozitarea în:

medii acvifere

pământ sau piatră, prin executarea de foraje

minele inundate sau caverne

subteran, gropi căptușite, umplute cu pietriș și apă și izolate pe partea de sus

Pentru toate tipurile de stocare a căldurii prezentate mai sus, trebuie realizată o foarte bună izolare termică deasupra solului ȋn zona de stocare precum și o izolare termică eficientă a structurii clădirilor deservite, pentru a minimiza pierderile de căldură și, prin urmare, cantitatea de căldură care trebuie să fie stocată și utilizată pentru încălzire.

Stocarea căldurii latente

Metoda constă în încălzirea uni material, care trece printr-o schimbare de stare de agregare (de regulă topire–solidificare).

Un material cu schimbare de fază de agregare este o substanță cu o căldură latentă ridicată, care, prin topire și solidificare, la o anumită temperatură, este capabil să stocheze și să elibereze cantități mari de energie termică.

Pentru diferite domenii de aplicație, materialele cu schimbare de fază sunt selectate în funcție de temperatura de topire. Astfel, materialele care se topesc sub o temperatură de 15°C pot fi utilizate pentru stocarea frigului în instalațiile de condiționare, iar cele care se topesc la temperaturi de peste 90°C pot fi utilizate în instalații frigorifice cu absorbție; toate celelate materiale cu temperatura de topire între aceste două valori se pot utiliza în sisteme de stocare a energiei solare sau pentru recuperarea căldurii reziduale din procese industrial.

Sisteme de stocare a energiei solare cu ceară parafinică

Un interes deosebit pentru stocarea energiei termice îl reprezintă materialele cu schimbare de fază, care în procesul de acumulare a căldurii trec din stare solidă în stare lichidă, iar în procesul de cedare a căldurii se solidifică.

Unul dintre materialele cu schimbare de fază utilizat în sistemele de stocare a căldurii, asupra căruia s-au efectuat numeroase cercetări ṣi care prezintă un interes deosebit din punct de vedere practic, este ceara parafinică. Aceasta face parte din clasa parafinelor, hidrocarburi saturate.

Ceara parafinică este obținută în procesul de distilare a petrolului ṣi nu este o substanță pură, fiind în general o combinație de diverse hidrocarburi.

Ceara parafinică are de regulă culoarea albă sau galbenă, este un foarte bun izolator electric, cu o rezistivitate de 1013-1017 Ωm, mai mare chiar ca a materialelor plastice și se găsește sub formă de granule.

Având în vedere proprietățile cerii parafinice, stocarea energiei solare se poate realiza prin înmagazinarea de căldură într-un anumit volum de ceară, utilizând căldura sensibilă ṣi căldura latentă de schimbare de fază. Aportul de căldură solară se poate realiza fie direct prin acțiunea radiației solare asupra cerii parafinice, fie indirect prin intermediul unui agent intermediar care preia căldura solară ṣi o transferă mediului de stocare. Redarea energiei stocate se face deasemnea sub formă de energie termică, transferată unui agent de lucru.

Aplicațiile practice ale stocării energiei solare în ceara parafinică vor trebui sa țină cont de valoarea coborâtă a temperaturii mediului de stocare, datorată temperaturii reduse de topire.

Rezervorul cu ceră parafinică

Acumulatorul de căldură cu ceară parafinica este construit din aluminiu ,iar exteriorul este izolat cu vată minerală pentru a preveni schimbul de căldură cu mediul înconjurător.

In interiorul vasului există două serpentine:

– În prima serpentină circulă apa provenită de la panourile solare care încălzind ceara din acumlator ea î-și schimbă starea de agregare din solid-lichid.

-În a doua serpentină circulă un fluid organic numit R-134a care la o temperatură de 50 °C î-și schimba starea de agregare din lichid-gas preluand căldura de la ceara parafinica,acesta este transportat spre ciclul Rankine organic.

Instalația propusă

În perioada de vară radiațiile solare sunt intense iar căldura produsă de panorile solare depășește cantitate necesară pentru o casa unifamiliară sau un imobil,societate.În această lucrare de diplomă se studiează un sitem de producere a energiei electrice cu stocarea acestei cantități de caldură neutilizată și produsă în continuare de catre panorile solare într-un material cu schimbare de fază.

Toată instalația se bazează pe un ciclu Rankine clasic la început care este înbunătățit și în acest fel ajungân sa se numeasca ciclu Rankine organic. Acest ciclu folosește căldura provenită de la panourile solare care este introdus într-un vas în care se află acel material cu schimbare de fază perzentat mai sus. În acest vas se află încă doua circuite (serpentine).Primul circuit are rolul de a transporta agentul termic provenit de la panourile solare și cu ajutorul său să schimbe starea de agregare a materialului care este folosit ca și material de stocare. În al doilea circuit se află un fluid organic amintit mai in sus care la o temperatură mică î-și schimba starea de agregare din fluid în gas. Acest gas este introdus într-o turbină care având o conexiune ax în ax cu un generator sincron producând energie electrică. După ce am trecut de turbină urmeză un condensator unde scazând temperatura fluidului organic el devine din nou fluid iar cu ajutorul unei pompe se face recircularea fluidului organic.

Energia solară este captată de panourile solare 1, care produc apă caldă, utilizată pentru prepararea apei calde de consum, stocată în boilerul 2. Pentru perioadele de timp în care în care nu există consum de apă caldă, energia solară poate fi stocată sub formă de căldură în materialul cu schimbare de fază din rezervorul 4. Termostatul 3 comandă comutarea vanelor cu trei căi 5 ṣi acționarea pompelor de circulație 5. Aportul de căldură în materialul cu schimbare de fază 7 se face prin intermediul schimbătorului de căldură 6, prin care circulă apa caldă produsă in panourile solare.

Energia termică stocată în materialul cu schimbare de fază serveṣte pentru vaporizarea unui fluid organic (care se vaporizează la temperaturi de sub 100°C), căldura fiind transferată către acesta prin intermediul schimbătorului de căldură 8. Vaporii produṣi se destind în turbina 9, care antrenează generatorul electric 12. După evacuarea din turbină vaporii sunt condensați în condensatorul 10. Ansamblul format din vaporizatorul 8, turbina 9, generatorul electric 12, condensatorul 10 ṣi pompa 11 reprezintă sistemul de producer a energiei electrice care funcționează pe baza ciclului Rankine organic.

Pe schema instalației au fost notate ṣi punctele principale ale ciclului Rankine, care delimitează procesele termodinamice:

AC-creṣterea presiunii în pompă;

CT-încălzirea ṣi vaporizarea,

TE-destinderea vaporilor în turbină;

EC-condensarea vaporilor.

Ciclul termodinamic este prezentat folosind diagrama entalpie(h) –entropie(s).Temperatura de topire a cearei este într-e 56-60 grade celsius.Presiunea de saturație în cazul gazului R-134a la temperatura de 50 de grade este de 13.179 bar.Temperatura minică a cilului termodinamic este momentul condensări într-e punctele E și A.Această temperaută minimă a fost adoptată avînd 22 de grade celsius.Presiunea de condesare este mult mai mare decât cea atmosferică astfel se previne infiltrarea aerului în sistem.

Procesul de expansion (transfer al energiei termice în energie mecanică) în turbină este un proces isentropic într-e punctele T și E

Randamentul termic al ciclului se determină în funcție de valorile entalpiei în punctele ciclului, cu relația:

= [%]

Valoarea randamentului termic pentru ciclul teoretic este :ηt =7,41% .

Valorea scăzută a randamentului se datorează diferenței mici de temperatură între temperatura maxim ṣi minimă din ciclu. Randamentul ciclului Carnot între aceleaṣi limite de temperatură (tmax=50°C; tmin=22°C) este de 9,82%. Valorile obținute pentru randamentul termic sunt similare ca ordin de mărime cu cele prezentate în literatura de specialitate pentru cicluri Rankine organice funcționând la temperaturi scăzute.

Puterea produsă de turbină se calculează cu relația:

[kW] (3.5)

în care prin -debitul de agent de lucru, exprimat în [kg/s].

Puterea electrică produsă de generator se obține înmulțind puterea turbinei PT cu randamentul generatorului electric ηGE ṣi randamentul mecanic al grupului turbină – generator ηm.

[kW] (3.6)

Se vor considera :

randamentul generatorului electric ηGE = 0,94;

randamentul mecanic ηm = 0,99.

Pe baza relațiilor anterioare s-a calculat debitul necesar al fluidului de lucru R134a în funcție de puterea electrică produsă la generator.

Având în vedere că această instalație este destinată consumatorilor casnici sau micilor consumatori, puterea electrică a fost considerată in intervalul 0.2 – 4,0 kW. Debitul de R134a variază între 0,017 [kg/s] pentru o putere electrică de 0,2 [kW] ṣi 0,340 [kg/s], pentru o putere electrică de 4 [kW].

Variația debitului de fluid de lucru prin instalație în funcție de puterea electrică produsă este prezentată grafic.

Debitul agentului de lucru în funcție de puterea generatorului

Un aspect important al construcției acestui grup energetic solar este masa de ceară parafinică necesară pentru asigurarea unui anumit necesar de energie electrică, mărime care va influența dimensiunile de gabarit ale acumulatorului termic.

Tabelul reprezintă:

-în prima coloana puterea electrică -în a doua coloană cantitatea de fluid organic -a treia coloană masa de ceară paafinică în funcție de timpul de funcționare a grupului generator.

Folosind programul CoolPack, subrutina Refrigeration Utilities, s-au trasat procesele de destindere teoretic (T-E0) ṣi real (T-E) în diagrama h-s pentru agentul R134a, prezentate în următoarea figură După cum se poate observa, pentru domeniul de temperaturi ṣi presiuni ales, procesul real de destindere se suprapune peste curba de saturație, astfel încât ṣi puntul E se situează peste a curba de saturație.

Procesul de destindere pentru R134a în diagrama h-s

Intreg ciclul termodinamic este reprezentat în figura următoare

Ciclul termodinamic pentru agentul R134a

teorie

1 ciclul rankin

2organic-temp scazut

-sa venit ideia

-energia geo,solara/ scoatem caldura

Instalatia propusa

-descriem

-calculul instalatiei