Doplňky mého solárního systému

Doplňky mého solárního systému

Protože naměřené výsledky malé solární elektrárny RE50W nebyly příliš povzbudivé, a protože tento mikrozdroj stejně nelze legálně připojit do sítě, rozhodl jsem se využít RE50W pro pohon čerpadla solárního systému na ohřev TUV, který provozuji již mnoho let a tím vylepšit jeho účinnost. Navíc čerpadlo běží právě tehdy, když svítí slunce, tak je vyřešen problém s přetoky do energetické soustavy. Abych mohl porovnat zisk PV systému a systému pro přímý ohřev Rozhodl jsem se vyvinout měřicí přípravky na měření výkonu PV systému a systému pro ohřev TUV.

Wattmetr

Pro měření výkonu dodávaného solárním měničem do čerpadla, versus  odběr čerpadla  ze sítě jsem potřeboval čtyřkvadrantový wattmetr s rozsahem ±100W. Jako nejvhodnější se ukázalo použití násobičky s amplitudově šířkovou modulací:

Výsledné zapojení je v [1]. Měřený proud  je po oddělení proudovým transformátorem [2] a příslušném zesílení (TL084), přiveden na vstup šířkového modulátoru (TL084 + MAC111), jehož výstup přepíná analogovými spínači (CD4052) napětí z pomocného vinutí napájecího transformátoru. Takto modulované napětí je přivedeno přímo na magnetoelektrický měřicí přístroj s nulovou polohou uprostřed. Časová konstanta měřicího ústrojí stačí na filtraci pulzního průběhu, takže výchylka je úměrná střední hodnotě výkonu dle rovnice výše.

Poznámka:

Původní záměr snímání měrného napětí přímo z vinutí napájející zdroj přístroje se neosvědčil. Napětí na tomto vinutí je totiž značně zkresleno nelineárním odběrem usměrňovače takže jej pro měření nelze použít. Bylo tedy nutné použít oddělené vinutí a trafo s velkým průřezem jádra. Potom přístroj měří s přesností 1 % , což pro moje účely vyhovuje.

Měřič výkonu solárního kolektoru

Měření výkonu solárního kolektoru je složitější. Teplo dodané do výměníku je dáno rovnicí:

 

kde:    Q    je množství dodaného tepla v čase t [J]

c     je měrná tepelná kapacita [J/(kg.K)]  (pro vodu je c = 4180 J /(kg∙ K))

DT  je rozdíl vstupní a výstupní teploty teplonosného média

Budiž q hmotnostní průtok, tj. hmotnost média prošlého výměníkem za jednotku času, potom pro výkon  můžeme psát:

 

Pro určení příkonu do výměníku musíme určit hmotnostní průtok a rozdíl vstupní a výstupní teploty teplonosného média.

Průtokoměr

Pro měření průtoku jsem zvolil  „plováčkový průtokoměr“ (rotametr),  protože jeho  údaj má teoreticky lineární závislost na hmotnostním průtoku a je poměrně konstrukčně jednoduchý. Nevýhodou je, že poloha plováčku se nesnadno převádí na elektrickou veličinu. Protože však průtok solárním kolektorem lze v ustáleném stavu považovat za  konstantní, zvolil jsem přenos údaje do vyhodnocovacího přístroje off-line. Teorie a výpočet viz [3]. Výpočet jsem provedl pro plováček ve tvaru kuličky. Kulička se však neosvědčila, protože docházelo k rozkmitání a tím se obtékání z laminárního až přechodného změnilo na turbulentní a měření bylo nejednoznačné. Vyrobil jsem tedy rotační tělísko stejné hmotnosti (viz obrázky ve fotogalerii) a výsledky byly kupodivu prakticky shodné s výpočtem pro kuličku. Výsledná kalibrační křivka je na následujícím obrázku.

 

 

Trubici rotametru jsem vyrobil tak, že z plexiskla tl. 5mm jsem vysoustružil kolečka, která jsem po třech upnul do kleštiny a následně vysoustružil kuželový otvor s rozměry vypočtenými v [3]. Potom jsem kotoučky slepil, čímž jsem obdržel průhlednou trubici s požadovaným kuželovým otvorem.

Poznámka:

Na zásadní problém jsem narazil při lepení kotoučků. K lepení jsem použil speciální lepidlo na akrylát ARCIFIX R 0192 [5]. Podcenil jsem však poznámku v technickém listu, že extrudované materiály je třeba před lepením temperovat nejméně 3 hodiny při 80 °C. Ve slepovaných plochách se pak vytvořily  vlivem vnitřního pnutí trhlinky viz fotogalerie. Spoje sice byly těsné, ale nevím jak dlouho by to vydrželo. Poučen tímto nezdarem jsem na nové sadě kotoučků temperování provedl a lepení bylo tentokráte bez trhlin.

Měření diference teploty

K měření teploty jsem použil perličkové termistory NRZ 1001 3k, které se mně již v minulosti pro podobné účely osvědčily. Jejich teplotní závislost je sice značně nelineární, ale v rozsahu pracovních teplot výměníku se tento průběh dá linearizovat připojením paralelního odporu viz [4]. Měření teploty je poměrně citlivé, takže stačilo doplnit „Demonstation Kit 78K0R“, použitý pro vyhodnocovací jednotku, viz dále, děličem dle následujícího obrázku a měření diference teploty bylo hotové. Protože procesor 78K0R má aproximační převodník a  je li pro napájení děliče použito stejné referenční napětí jako pro převodník, je výsledek měření závislý jen na odporových poměrech sítě a je nezávislý na napětí Uin.  Schema kitu s popsanou úpravou je v [6] .

 

Vyhodnocovací jednotka

Pro vyhodnocovací jednotku jsem použil demonstrační kit NEC 78K0R CoolIt! [7], jak jsem již výše zmínil. Kdysi jsem z něj měl udělaný kombajn na vyvíjení fotek pod zvětšovákem. To už dnes není potřeba, tak jsem to využil jinak. Dokonce se mně podařilo naměřené hodnoty vyvést přes USB port, takže budu moci sbírat data spolu s daty z měniče do počítače a vytvořit tak statistiku.

Literatura

  1. Wattmetr schema - M.Balík
  2. Proudový transformátor PPT4V-1000
  3. Výpočet rotametru -  M.Balík
  4. Návrh můstku pro měření Delta t
  5. Acrifix_1R-192 Technicky List
  6. Vyhodnocovací jednotka - schema
  7. NEC 78K0R Cool it! manual