Abstract
Abstract
A solar thermal system transforms radiation from the sun into heat which in turn can cover heating demands. The energy is absorbed by a solar collector and transported to a heat store by pipes and a heat carrier fluid. To make use of the radiant energy in the best possible way and to avoid heat losses, a control system is required. The control sequence starts the thermal system when the energy gain will be positive and turns it off before the gain gets negative.
Traditionally the control sequence is based on the temperature difference between the collector and the heat carrier. Heat is transferred from the collector to the heat carrier when the difference is positive while the carrier will lose energy when the difference is negative.
The incident solar radiation is another parameter that can be used for controlling the solar heating system. The radiation may be found by measuring the short-circuit current of a solar photovoltaic (PV) cell since the current is proportional to the radiation. The cell can also function as a power supply, thereby making the system a stand-alone installation.
A linear relation between the short-circuit current and the radiation was found and used in a computer program which was developed for controlling the solar thermal system. Three different models were tested in the experiments:
- 1. Temperature-controlled system with a 230 V pump driven by power from the distribution grid
- 2. Radiation-controlled system with a 12 V pump driven by PV cells
- 3. Radiation-controlled system with a 230 V pump driven by PV cells through an inverter
The first model was controlled by a commercial control unit while the computer program was used in the two last cases.
The experimental results revealed that the temperature-controlled system was the most efficient one. For the models based on radiation, loss of potential energy gain due to late starting of the system was observed. The radiation-controlled systems had a higher efficiency when starting with cold water than with warm water. The total loss was about 1 – 2% for cold water against 6 – 8% for warm water. An adjustment of the radiation limits for turning the pump on and off could reduce the total losses to less than 1% when starting with low water temperatures. However, this would be at the expense of the efficiency at higher temperatures.
Sammendrag
Et solvarmeanlegg utnytter energien fra sola til oppvarming. Energi samles opp i en solfanger og blir ført til et varmelager via rør og et varmebærende medium, ofte vann. For best mulig utnyttelse av energien og for å unngå tap av oppsamlet energi, trenger et slikt system styring. Styringen sørger for at anlegget er i drift når det er energi å hente og stopper systemet når det ikke er tilfelle lenger.
Slik styring baserer seg tradisjonelt på differansen mellom solfangerens temperatur og vannets temperatur. Når differansen er positiv varmes vannet opp. Termiske tap vil forekomme når solfangertemperaturen er lavere enn vannets fordi varme da overføres til solfangeren fra vannet, som dermed kjøles ned.
Solinnstrålingen, dvs. hvor mye energi som treffer solfangeren, vil også kunne egne seg som styringsparameter. Solinnstrålingen kan finnes ved å måle kortslutningsstrømmen til en solcelle da strømmen og innstrålingen er proposjonale. Solcellen kan samtidig forsyne anlegget med elektrisk energi til drift og vil således åpne muligheten for et selvdrevent anlegg.
I denne oppgaven ble en lineær sammenheng mellom kortslutningsstrømmen og innstrålingen funnet og brukt i et dataprogram som var utviklet for å styre solvarmeanlegget. Det ble gjort eksperimenter med tre ulike modeller:
- 1. Styring med temperaturdifferanser der anlegget ble drevet med ei 230V pumpe og nettspenning
- 2. Styring ved innstråling der anlegget ble drevet med ei 12V pumpe og solceller
- 3. Styring ved innstråling der anlegget ble drevet med ei 230V pumpe og solceller via en omformer
Den første modellen ble styrt av en kommersiell styringsenhet mens styringen av de to andre modellene baserte seg på dataprogrammet.
Resultatene viste at temperaturstyring var mest effektivt. For styring vha. innstråling ble det observert tap av potensiell energiøkning pga. for sen start av anlegget. Ved styring basert på innstråling var det totale termiske tapet minst når vannet var kaldt ved start, ca. 1 - 2% mot 6 - 8% for varmt vann. En justering av innstrålingsgrensene for å slå anlegget på og av bør kunne redusere tapene for kaldt vann til mindre enn 1%, men dette vil nødvendigvis gå på bekostning av effektiviteten til systemet med varmt vann.