STANOWISKO BADAWCZE UKŁADU MIKROKOGENERACYJNEGO OPARTEGO NA SILNIKU STIRLINGA Autorzy: Janusz Kotowicz, Wojciech Uchman, Katarzyna Janusz-Szymańska ("Rynek Energii" - grudzień 2016) Słowa kluczowe: mikrokogeneracja, silnik Stirlinga, badania eksperymentalne, energetyka rozproszona Streszczenie. W artykule zaprezentowano stanowisko badawcze instalacji mikrokogeneracyjnej, zbudowanej w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej. Układ wyposażony jest w moduł μCHP Vitotwin oraz zasobnik ciepła. Opisano układ pomiarowo-sterujący, który umożliwia symulację zróżnicowanych warunków zewnętrznych, zmiennego obciążenia cieplnego oraz możliwości tworzenia harmonogramu warunków pracy instalacji. Przedstawiono możliwości pomiarowe stanowiska oraz przykładowe charakterystyki pracy elementów układu. Wyznaczono sprawność całkowitą modułu Vitotwin w trakcie siedmiogodzinnego ładowania wodnego zasobnika ciepła, która wynosi 89,33%. 1. WSTĘP Energetyka rozproszona w małej skali może w przyszłości odgrywać istotną rolę w systemie energetycznym Europy. Wzrost znaczenia kogeneracji (CHP) w skali lokalnej widać w zwiększonym zainteresowaniu zasilania tych układów paliwami alternatywnymi, na przykład biomasą [1,2]. W najbliższych latach przewiduje się także dynamiczny wzrost liczby instalacji mikrokogeneracyjnych (μCHP) [3]. Układy μCHP mają stanowić remedium na zmniejszenie obciążenia scentralizowanych systemów energetycznych umożliwiając jednocześnie aktywne uczestnictwo odbiorców końcowych (nazywanych prosumentami) w zarządzaniu energią. Prosumenckie instalacje μCHP dedykowane są dla zaspokojenia potrzeb własnych odbiorców indywidualnych lub niedużych przedsiębiorstw. Jednym ze sposobów na generację ciepła i energii elektrycznej w domu jednorodzinnym bądź obiekcie użyteczności publicznej jest układ CHP bazujący na silniku Stirlinga. Silniki te charakteryzują się znakomitą kulturą pracy oraz niezawodnością [4]. Prowadzone są badania eksperymentalne [3-7], a także oparte o modelowanie matematyczne [8,9] układów z silnikami Stirlinga. Szczególną uwagę zwraca się na modelowanie układów mikrokogeneracyjnych w programach uwzględniających zmianę warunków atmosferycznych (np. TRNSYS) przeprowadzając analizy dla dłuższych okresów czasu, np. roku [10,11]. Silniki wykorzystuje się także jako elementy instalacji w analizach systemowych układów zintegrowanych ze zgazowaniem biomasy [12]. Rozwiązania, które dostępne są komercyjnie przedstawiono w tabeli 1. Oparte są w większości na silnikach Stirlinga z wolnym tłokiem [13]. Tabela 1. Dostępne komercyjnie układy μCHP z silnikiem Stirlinga [13] μCHP moc maksymalna elektryczna, kW cieplna, kW Viessman Vitotwin 1 26 Baxi Ecogen 1 25,3 WhisperGen EU1 1 14,5 De Dietrich Remeha Hybris Power 1 23,7 Senertec Stirling SE 1 23,8 Sunmachine 3 15 Silnik Stirlinga z wolnym tłokiem charakteryzuje się brakiem połączenia mechanicznego poruszającego się tłoka z wałem korbowym, co dodatkowo minimalizuje możliwość awarii. Ruch tłoka i wypornika jest powodowany różnicą ciśnień związaną z dostarczaniem ciepła do części gorącej silnika. Choć mechanizm bezkorbowy jest jednym z najczęściej wykorzystywanych obecnie silników, modelowanie matematyczne jego pracy jest jednym z najtrudniejszych ze względu na konieczność uwzględnienia dynamiki mechanizmu roboczego opartej o teorię drgań wymuszonych [14]. 2. INSTALACJA BADAWCZA MODUŁU VIESSMAN VITOTWIN Instalacja badawcza wykorzystuje o moduł kogeneracyjny Vitotwin zasilany gazem ziemnym. Moduł został dostarczony przez firmę Viessmann. Składa się on z kotła gazowego z wbudowanym silnikiem Stirlinga (Microgen Sunpower). Wykorzystany silnik to bezkorbowy silnik z wolnym tłokiem, który wyposażony jest w palnik pierścieniowy stanowiący podstawowe źródło ciepła dla silnika oraz zaspokajający zapotrzebowanie na ciepło do 5,7 kW. Palnik wspomagający to cylindryczny palnik promiennikowy typu MatriX, charakterystyczny dla gazowych kotłów firmy Viessmann. Sumarycznie moduł może osiągnąć do 26 kW mocy cieplnej oraz 1 kW mocy elektrycznej. Stanowisko laboratoryjne wyposażone jest w zasobnik ciepłej wody o pojemności 750 dm3, stację uzdatniania wody uzupełniającej oraz dwie wodne nagrzewnice powietrza Flowair Leo o mocach nominalnych 46,8 kW i 8,9 kW (dla parametrów zasilania i powrotu Tw1/Tw2=90/70 °C), które służą do odbioru ciepła produkowanego w module Vitotwin. Tabela 2 przedstawia moce grzewcze nagrzewnic w zależności od temperatury powietrza dla parametrów zasilania i powrotu wody wykorzystywanych w module Vitotwin oraz maksymalnego obciążenia [15]. Zewnętrzny system pomiarowo sterujący oparty jest o jedenaście czujników temperatury, dwa ciepłomierze, trzy wodomierze oraz dwukierunkowy licznik energii elektrycznej (produkowana energia elektryczna oddawana jest do sieci). Schemat instalacji oraz punkty pomiarowe przedstawione są na rysunku 1. Stanowisko laboratoryjne umożliwia obserwację pracy modułu Vitotwin dla różnych warunków zewnętrznych oraz określenie charakterystyk pracy urządzenia bez ingerencji w sterowanie samego modułu. System pomiarowo-sterujący został zintegrowany i obecnie umożliwia odczyt pomiarów temperatury w miejscach charakterystycznych (temperatura wody na zasilaniu/powrocie z zasobnika, temperatura na zasilaniu/powrocie z nagrzewnic, temperaturę spalin, powietrza doprowadzonego do komory spalania itd.), przepływów medium grzewczego czy zużycie paliwa. Tabela 2. Moce grzewcze nagrzewnic Flowair Leo [15] Tw1/Tw2=60/40 °C Tp1 [°C] 0 5 10 15 20 obc1 = 100% Tp2 [°C] 18 21 24 26,5 29,5 V [dm3/h] 1155 1008 862 719 575 Q [kW] 26,5 23,1 19,8 16,5 13,2 obc2 = 100% Tp2 [°C] 9 12 15,5 19 23 V [dm3/h] 205 175 144 109 74 Q [kW] 4,7 4 3,3 2,5 1,7 Tw1 – temperatura wody na zasilaniu wymiennika, Tw2 – temperatura wody na powrocie z wymiennika, Tp1 – temperatura powietrza na wlocie do wymiennika, Tp2 – temperatura powietrza na wylocie z wymiennika, obci – nastawa nagrzewnicy, V – natężenie przepływu wody, Q – moc cieplna. System ten umożliwia także zmianę prędkości obrotowej wentylatorów nagrzewnic w zakresie 0-100%, uruchomienie upustu wody z zasobnika w celu symulacji zużycia na cele ciepłej wody użytkowej oraz ustawienie temperatury zewnętrznej, która pokrywa się z odczytem temperatury przez sam moduł kogeneracyjny. Schemat wymiany informacji w układzie pomiarowo-sterującym przedstawia rysunek 2. Założono, że wymuszenie zróżnicowanych warunków pracy modułu μCHP będzie funkcjonowało bez ingerencji w wewnętrzny system sterowania. W celu regulacji temperatury zewnętrznej wykonano układ oparty na module Peltiera. Czujnik kotła umieszczono w metalowym cylindrze wraz z czujnikiem układu sterująco-pomiarowego w medium umożliwiającym osiągnięcie zbliżonych pomiarów. Zapewniono warunki separacji galwanicznej. Dno cylindra umiejscowiono (z wykorzystaniem pasty termoprzewodzącej) na zimnej stronie modułu Peltiera, a pozostałą powierzchnię zaizolowano cieplnie. Strona gorąca jest połączona z radiatorem oraz wentylatorem rozpraszającym ciepło. Do modułu podawane jest napięcie znamionowe, a regulacja ma charakter dwustanowy: włącz/wyłącz. Układ sterujący zasila moduł Peltiera do momentu osiągnięcia zadanej temperatury zewnętrznej. Czułość układu jest także kontrolowana, np. +/- 2 °C. Ze względu na różne charakterystyki czujników z kotła i systemu sterująco-pomiarowego, podczas długotrwałego chłodzenia pomiary różniły się nieznacznie, co przedstawiono na rysunku 3. Po wprowadzeniu liniowej funkcji korygującej przedstawionej na rysunku 4 wartości temperatury zewnętrznej rejestrowane przez oba systemy są zbliżone, co przedstawiono na rysunku 5. P T V E TDQ, TRQ, VQ Pomiar ciśnienia Pomiar temperatury Pomiar strumienia Licznik dwukierunkowy energii el. T9 Wyprowadzenie mocy elektrycznej do sieci T10 T4- temperatura w pomieszczeniu z wymiennikami Ciepłomierz obc1 E T5 - temperatura zewnętrzna system sterującopomiarowy Wodny zasobnik ciepła V T Do kanału lub odbiór T2ciepła c.w.u. V T T6 T1 V T obc2 Pump1 TDQ1, TRQ1, VQ1 V Dopływ zimnej wody gaz ziemny T3 T11 - temperatura w pomieszczeniu z modułem CHP Pump2 T7 V TDQ2, TRQ2, VQ2 T8 Stacja uzdatniania wody Rys. 1. Schemat instalacji badawczej modułu mikrokogeneracyjnego: Ti – temperatury w miejscach charakterystycznych – pomiar bezpośredni (termopara), TDQi, TRQi, VQi – temperatura na zasilaniu, powrocie oraz przepływ – dane uzyskane z ciepłomierza, E – dwukierunkowy licznik energii elektrycznej, Pump1 – pompa wewnętrzna modułu mikrokogeneracyjnego, Pump2 – pompa dodatkowa obiegu zasobnik-nagrzewnice, obci – wodne nagrzewnice powietrza. system sterującopomiarowy obc1 T5z T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 TDQ1, TRQ1, VQ1 E obc2 c.w.u.:0/1 TDQ2, TRQ2, VQ2 Rys.2. Schemat wymiany informacji w układzie pomiarowo-sterującym: T5z – temperatura zewnętrzna zadawana w systemie sterującym Jedną z najistotniejszych cech systemu sterująco-pomiarowego jest możliwość zadawania założonego harmonogramu warunków pracy nagrzewnic, temperatury zewnętrznej oraz upu- stu wody z zasobnika w celu symulacji poboru na cele ciepłej wody użytkowej. Harmonogram warunków pracy układa się dla założonego i wprowadzonego wcześniej w programie czasu trwania jednego cyklu pomiarowego. W skład harmonogramu wchodzi ilość cykli pomiarowych oraz dla poszczególnych cykli: wartości prędkości obrotowych wentylatorów nagrzewnic (w zakresie 0-100%), wartość zadawanej temperatury zewnętrznej (T5z), informacja o upuście wody z zasobnika (dwustanowa: 0 lub 100%). 40 35 temperatura, °C 30 25 20 T5k 15 T5 10 5 0 15:50 15:57 16:04 16:12 16:19 16:26 16:33 czas Rys. 3. Przebieg temperatury zewnętrznej mierzonej przez moduł μCHP (T 5k) oraz zewnętrzny system pomiarowy (T5) przed korektą (pomiar 40 minut) 40 35 y = 1,1932x - 4,1988 temperaura, °C 30 25 20 15 T5k 10 y= x T5 5 0 0 5 10 15 20 temperatura, °C 25 30 35 Rys. 4. Wyznaczenie funkcji korygującej jako funkcji temperatury mierzonej przez system pomiarowy 30 25 T5k temperatura, °C 20 T5 15 10 5 0 -5 9:43 9:50 9:57 10:04 10:12 10:19 10:26 czas Rys. 5. Przebieg temperatury zewnętrznej mierzonej przez moduł μCHP (T 5k) oraz zewnętrzny system pomiarowy (T5) po korekcie (pomiar 40 minut) 4 100 3 90 2 80 T5z obc1 upust cwu 1 0 70 60 -1 50 -2 40 -3 30 -4 20 -5 10 -6 obciążenie, % temperatura zewnętrzna, °C Przykładowy, dobowy harmonogram warunków pracy (cykl pomiarowy trwa 5 minut) z wykorzystaniem jednej nagrzewnicy przedstawiono na rysunku 6. 0 0 32 64 96 128 160 numer cyklu 192 224 256 288 Rys. 6. Dobowy harmonogram warunków pracy (długość cyklu 5 minut) 3. PRZYKŁADOWE CHARAKTERYSTYKI PRACY UKŁADU Dzięki możliwościom pomiarowym zaprezentowanym w poprzednim punkcie możliwe jest uzyskanie charakterystyk pracy instalacji kogeneracyjnej. Rysunek 7 przedstawia przebieg temperatury zewnętrznej mierzonej przez moduł Vitotwin oraz zewnętrzny system pomiarowy. Oscylacja wokół założonej temperatury jest efektem właściwego działania układu regulacji. 20 18 temperatura, °C 16 14 12 10 8 6 T5k 4 T5 2 0 13:48 13:55 14:02 14:09 14:16 czas 14:24 14:31 Rys. 7. Przebieg temperatur mierzonych przez moduł μCHP (T 5k) oraz zewnętrzny system pomiarowy (T5) podczas próby utrzymywania stałej temperatury zewnętrznej (pomiar 40 minut) Przeprowadzono siedmiogodzinny pomiar, w trakcie którego kocioł gazowy z silnikiem Stirlinga zasilał wodny zasobnik ciepła. Temperatura początkowa wody w zasobniku była równa temperaturze otoczenia w pomieszczeniu. Podczas pomiaru trzykrotnie uruchomiono jedną z nagrzewnic (obc1). Uruchomienia różniły się długością trwania oraz obciążeniem: 25 minut 100%, 25 minut 50% oraz 55 minut 100%. Momenty pracy nagrzewnicy są zaznaczone na rysunku 8, który przedstawia przebieg temperatury wody zasilającej (TDQ1) oraz powrotnej (TRQ1) do kotła gazowego, a także na rysunku 9. Widoczny jest spadek prędkości przyrostu temperatury zasilającej zasobnik w momencie uruchomienia obciążenia cieplnego. 70 100 tempera tura , °C 80 50 70 40 60 50 30 20 10 0 12:00 TDQ1 40 TRQ1 30 obc1 20 obicą żenie na grzewnicy, % 90 60 10 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 19:12 0 20:24 Rys. 8. Przebieg temperatur wody zasilającej (TDQ1) oraz powrotnej (T RQ1) do kotła mierzonych bezpośrednio przy module μCHP (pomiar 7 godzin) Rysunek 9 przedstawia spadek temperatury powrotnej w momencie uruchomienia nagrzewnicy obc1. Temperatury wody zasilającej (TDQ2) oraz powrotnej (TRQ2) mierzone były za zasobnikiem, bezpośrednio przy nagrzewnicy (według schematu przedstawionego na rysunku 1). 70 100 60 tempera tura , °C 80 50 70 40 60 50 30 40 20 10 0 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 TDQ2 30 TDQ2 20 obc1 10 19:12 obicą żenie na grzewnicy, % 90 0 20:24 Rys. 9. Przebieg temperatur wody zasilającej (TDQ2) oraz powrotnej (T RQ2) do kotła mierzonych przy nagrzewnicach (pomiar 7 godzin) Charakterystyka pracy silnika Stirlinga zintegrowanego z kotłem gazowym w module Vitotwin jest dwustanowa. Po osiągnięciu wymaganej temperatury silnik uruchamia się i uzyskuje moc maksymalną. W trakcie przedstawionego pomiaru siedmiogodzinnego ładowania zasobnika ciepła (praca wyłącznie palnika podstawowego zasilającego silnik Stirlinga) wyprodukowano 6,22 kWh energii elektrycznej. Dla wartości opałowej gazu ziemnego na poziomie 35 MJ/m3n sprawność wytwarzania energii elektrycznej wyniosła 12,47%, sprawność wytwarza- nia ciepła 76,86%, a sprawność ogólna 89,33% (obliczona jako suma sprawności wytwarzania energii elektrycznej i ciepła). 70 60 temperatura, °C 50 40 30 T6 T7 20 T8 10 0 12:00 13:12 14:24 15:36 16:48 18:00 19:12 20:24 Rys. 10. Przebieg temperatur wody w zasobniku w trakcie ładowania (pomiar 7 godzin) Rysunek 11 przedstawia przykład możliwych do uzyskania charakterystyk podczas pomiarów kilkunastogodzinnych i dłuższych. Charakterystyka pokazuje przebieg temperatur w zasobniku, kiedy silnik Stirlinga nie pracuje. Można także zaobserwować znaczny spadek temperatury w dole zasobnika, kiedy uruchomiono nagrzewnice, w celu odbioru ciepła. Palnik pierścieniowy silnika Stirlinga uruchamia się po przekroczeniu temperatury granicznej w zasobniku. 4. PODSUMOWANIE W artykule przedstawiono wykonaną instalację laboratoryjną, która służyć będzie do badań eksperymentalnych układu mikrokogeneracji. Stanowisko badawcze umożliwia długotrwałą obserwację modułu w wyznaczonych warunkach obciążenia cieplnego oraz temperatury zewnętrznej. Wykonany system pomiarowo-sterujący automatyzuje proces zmieniania charakterystyki obciążenia według wyznaczonego harmonogramu. Przedstawiono także przykładowe charakterystyki pracy urządzenia. Dalsze badania ukierunkowane będą na dokładny opis możliwości produkcyjnych układu oraz regulację pracy modułu kogeneracyjnego z uwzględnieniem priorytetu działania: produkcji ciepła bądź energii elektrycznej. Określone zostaną także warunki ekonomiczne funkcjonowania opisanych układów w przestrzeni komercyjnej. Moduł kogeneracyjny może być w przyszłości interesującym rozwiązaniem dla dużego domu jednorodzinnego bądź budynku użyteczności publicznej zapewniając pokrycie potrzeb własnych. 70 100 90 60 80 70 60 40 50 30 T6 T7 T8 włączenie silnika obc1 obc2 20 10 0 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00 2:24 4:48 40 30 obciążenie, % temperatura, °C 50 20 10 0 7:12 Rys. 11. Przebieg temperatur w zasobniku z uwzględnieniem momentu uruchomienia silnika oraz pracy nagrzewnic (pomiar 18 godzin). LITERATURA [1] Kotowicz J., Sobolewski A., Iluk T.: Energetic analysis of a system integrated with biomass gasification. Energy 52, 2013, 265-278 [2] Skorek-Osikowska A, Bartela Ł, Kotowicz J, Sobolewski A, Iluk T. Remiorz L.: The influence of the size of the CHP system integrated with a biomass fuelled gas generator and piston engine on the thermodynamic and economic effectiveness of electricity and heat generation. Energy 67, 2014, 328-340. [3] Chmielewski A., Gumiński R., Mączak J., Radkowski S., Szulim P.: Aspects of balanced development of RES and distributed micro-cogeneration use in Poland: Case study of a μCHP with Stirling engine. Renewable and Sustainable Energy Reviews 60, 2016, 930952 [4] Remiorz L., Skorek-Osikowska A.: Research stand with a micro-cogeneration unit based on a free-piston Stirling engine. Rynek Energii 4(113), 2014, 117-124 [5] Valenti G., Silva P., Fergnani N., Campanari S., Ravida A., Di Marcoberardino G., Macchi E.: Experimental and numerical study of a micro-cogeneration Stirling unit under diverse conditions of the working fluid. Applied Energy 160, 2015, 920-929 [6] Conroy G., Duffy A., Ayompe L.M.: Economic, energy and GHG emissions performance evaluation of a WhisperGen Mk IV Stirling engine μ-CHP unit in a domestic dwelling. Energy Conversion and Management 81, 2014, 465-474 [7] Valenti G., Campanari S., Silva P., Ravida A., Macchi E., Bischi A.: On-off cyclic testing of a micro-cogeneration Stirling unit. Energy Procedia 75, 2015, 1197-1201 [8] Formosa F.: Coupled thermodynamic-dynamic semi-analytical model of free piston Stirling engines. Energy Conversion and Management 52, 2011, 2098-2109 [9] Zare Sh., Tavakolpour-Saleh A.R.: Frequency based design of a free piston Stirling engine using genetic algorithm. Energy 109, 2016, 466-480 [10] Bouvenot J.-B., Siroux M., Latour B., Flament B.: Dwellings electrical and DHW load profiles generators development for μCHP systems using coupled to buildings applications. Energy Procedia 78, 2015, 1919-1924 [11] Gonzalez-Pino J., Iribarren-Perez E., Campos-Celador A., Las-Heras-Casas J., Sala J.M.: Influence of the regulation framework on the feasibility of a Stirling engine-based residential micro-CHP installation. Energy 84, 2015, 575-588 [12] Remiorz L., Bartela Ł., Kotowicz J..: An analysis of the use of a Stirling engine in a combined heat and power plant based on biomass gasification. Rynek Energii 6(115), 2014, 132-138 [13] Bouvenot J.-B., Andlauer B., Stabat P., Marchio D., Flament B., Latour B., Siroux M.: Gas Stirling engine μCHP boiler experimental data driven model for building energy simulation. Energy and Buildings 84, 2014, 117-131 [14] Żmudzki S.: Silniki Stirlinga. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1993 [15] Katalog nagrzewnic wodnych Flowair Leo, http://www.flowair.com/pl/assets/files/produkty/Dokumentacja/LEO_FB_PL/DTR%20L EO%20FB9153025456595%2014.09%20ENPLDERU.pdf TEST BENCH OF MICROCOGENERATION UNIT BASED ON STIRLING ENGINE Key words: micro-cogeneration, Stirling engine, experimental research, distributed generation Summary. In the article, the research stand of the micro-cogeneration unit based on the free-piston Stirling engine is presented. The bench is located at the Institute of Power Engineering and Turbomachinery of Silesian University of Technology. This system consists of the Vitotwin μCHP module and thermal energy storage tank. The control-measuring system is described in detail. It provides the possibility of simulation of varied outdoor conditions, changing heat demand and creating the schedule of operating conditions. The measuring opportunities and the examples of operating characteristics are presented. The overall efficiency of the Vitotwin unit during seven-hour charging of the water heat storage tank was calculated and it equals 89,33%. Praca naukowa finansowana przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu badawczego nr 2014/13/B/ST8/01869 oraz częściowo w ramach 08/050/BKM15/0057. Janusz Kotowicz, prof. dr hab. inż. Jest kierownikiem Zakładu Miernictwa i Automatyki Procesów Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, E-mail: [email protected] Wojciech Uchman, mgr inż. Jest doktorantem w Zakładzie Miernictwa i Automatyki Procesów Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, E-mail: [email protected] Katarzyna Janusz-Szymańska, dr inż. Jest adiunktem w Zakładzie Miernictwa i Automatyki Procesów Energetycznych w Instytucie Maszyn i Urządzeń Energetycznych Politechniki Śląskiej w Gliwicach, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, E-mail: [email protected]