96 ZARIADENIE NA ZÍSKAVANIE ELEKTRICKÝCH VELIČÍN OBEHOVÉHO ČERPADLA SLNEČNÉHO KOLEKTORA PAULOVIČ Stanislav - MAKVA Martin Abstrakt: Príspevok oboznamuje s možnosťou automatického merania elektrických veličín. Bežný merací prístroj v kombinácii s osobným počítačom sa môže stať veľmi výhodným riešením pre automatické meranie elektrických veličín ľubovoľného zariadenia. Vyvinuté zariadenie sa bude v blízkej budúcnosti používať pri získavaní údajov z experimentálneho kombinovaného systému slnečného kolektora a tepelného čerpadla určeného na ohrev teplej úžitkovej vody. Kľúčové slová: automatické meranie, tepelné čerpadlo, slnečný kolektor, MS Visual Basic Úvod Tento príspevok predkladá jednoduché riešenie ako využiť bežný merací prístroj a takmer ľubovoľný osobný počítač s vhodným softwarom na automatický záznam, spracovanie a archiváciu nameraných údajov. Zariadenie sa vyvinulo na Katedre elektrotechniky a automatizácie, MF SPU v Nitre ako čiastková úloha v rámci riešenia projektu VEGA 1/1351/04, ktorý sa zaoberá problematikou experimentálneho kombinovaného systému (KS) slnečného kolektora a tepelného čerpadla, v budúcnosti slúžiaceho na prípravu teplej úžitkovej vody (TÚV). Hlavným cieľom spomínaného projektu je optimalizácia využitia nízkopotenciálnych zdrojov energie v poľnohospodárstve. Materiál a metódy Spomínaný experimentálny systém sa dá principiálne rozdeliť do niekoľkých blokov: slnečný kolektor + expanzná nádoba + obehové čerpadlo, tepelné čerpadlo = výmenník č.1 + výmenník č.2 + kompresor, meranie a riadenie systému. Jednou z možností ako získať nízkopotenciálnu energiu je využitie dostupnej slnečnej energie. Slnečná energia, ktorá sa na tepelnú energiu premieňa pomocou slnečných kolektorov, je z energetického hľadiska veľmi výhodným zdrojom pre tepelné čerpadlá. Kvantitatívnu a kvalitatívnu úroveň tohto zdroja je možné plne prispôsobiť požiadavkám užívateľa, pretože ju určuje druh a kvalita použitého slnečného kolektora. Základnou nevýhodou okrem (ešte stále) vysokých nákladov inštalácie je najmä sezónny charakter tohto zdroja (marec-október), ktorý je určený klimatickými podmienkami (2, 3). Nútený kolobeh média nesúceho nízkopotenciálnu energiu v primárnom okruhu zabezpečuje obehové čerpadlo. Takto získaná energia sa akumuluje vo výmenníku č.1. V prípade obehového čerpadla navrhujeme zmeniť súčasný bežný stav riadenia čerpadla (0/1 zapnutý/vypnutý) na kontinuálne riadenie otáčok. Predpokladáme, že sa to prejaví najmä na znížení spotreby elektrickej energie, takže systém sa bude môcť využívať aj v období slabšej slnečnej
97 intenzity. Výsledným efektom by malo byť predĺženie časového obdobia prevádzky systému na ohrev TÚV, čo je naším prioritným cieľom. Keďže teplota média vo výmenníku č.1 je zvyčajne nedostačujúca na priamy ohrev TÚV, pomocou tepelného čerpadla (TČ) sa zvýši a následne cez výmenník č.2 sa už pretransformované teplo môže použiť na prípravu teplej úžitkovej vody. Tepelné čerpadlo pracuje na princípe termodynamického chladiaceho obehu a potrebuje k svojej činnosti kompresor. Kombinovaný systém tepelného čerpadla spolu so slnečným kolektorom je graficky znázornený v nasledovnom obrázku č. 1. Obr. 1 Kombinovaný systém tepelného čerpadla spolu so slnečným kolektorom. Na dosahované hodnoty energetickej efektívnosti výroby tepla tepelnými čerpadlami vplývajú aj spotreby energie pre pomocné systémy dodávky a distribúcie jednotlivých energetických tokov, ktoré treba zarátať do pohonnej energie systému ako sú čerpadlá, ventilátory a pod. Technická dokonalosť - optimalizácia jednotlivých komponentov systému, dimenzovanie veľkosti príkonu a výkonu systému vzhľadom na premenlivé požiadavky na kvantitu a kvalitu vyrábaného tepelného toku, regulačný systém prevádzky, jeho hospodárnosť a iné. Keďže každé riadenie systému je založené na získavaní potrebných veličín, je nutné merať elektrické aj neelektrické veličiny ako sú napr. elektrický príkon (spotreba) čerpadiel, teploty médií. (1) Pre uľahčenie získavania charakteristických elektrických veličín v prípade elektrických čerpadiel sme sa rozhodli zostrojiť automatické zariadenie na ich meranie a záznam. Princíp meracieho zariadenia spolu s meraným prvkom je znázornený na nasledovnom obrázku č. 2.
98 Obr. 2 Merací reťazec automatického zariadenia. Výsledky a diskusia Ako merací prístroj sme sa rozhodli využiť Sieťový analyzátor DW 6090 od firmy Lutron, ktorý je zobrazený na obrázku č. 3. Tento prístroj sa nám zdal ako najvhodnejší, nakoľko spĺňal nasledovné požadované kritéria: multifunkčnosť (W, VA, VAr, kwh, cos ϕ, AC V, AC A, DC V, DC A, Hz, Ω, t), automatické prepínanie rozsahov, komunikácia s PC cez rozhranie RS 232 C. Dodávateľ meracieho prístroja poskytuje aj software pre PC na získanie nameraných dát, ale len vo forme aplikácie, ktorou sa v podstate zobrazí na obrazovke monitora to isté, čo je uvedené na displejoch meracieho prístroja. Pre nás to bolo nevhodné, nakoľko neexistovala možnosť ako ukladať namerané údaje a z toho vyplývajúca nemožnosť ich ďalšieho spracovávania či online riadenia systému na základe nameraných hodnôt. Rozhodli sme sa vytvoriť vlastnú aplikáciu (obrázok č. 4) umožňujúcu komunikáciu meracieho prístroja s PC. Obr. 3 Sieťový analyzátor DV 6090 Lutron (vľavo) Obr. 4 Ukážka z vytvorenej aplikácie určenej na komunikáciu PC s Lutronom (vpravo)
99 Ako vývojové prostredie sme použili MS Visual Basic a v ňom komponentu MSComm. Komunikácia medzi meracím prístrojom a PC je zabezpečovaná cez už spomínané sériové rozhranie RS 232 C. Ide o jednosmernú komunikáciu, nakoľko merací prístroj dokáže iba vysielať namerané dáta, ale sám nemôže byť riadený. Vytvorená aplikácia užívateľovi poskytuje možnosť zrkadlového zobrazenia displejov a možnosť automatického ukladania nameraných údajov vo zvolenom vzorkovacom intervale (t min 1s) do textového súboru. Ten sa potom v programe MS Excel pomocou naprogramovaného makra automaticky načíta, spracuje a namerané údaje sa môžu napríklad zobraziť vo forme grafu. V ďalšej čiastkovej etape riešenia projektu sa počíta s využitím nameraných dát, najmä údajov spotreby obehového čerpadla a teplôt získaných pomocou snímačov teploty, na základe ktorých sa potom cez regulátor budú môcť plynulo regulovať otáčky ako je zobrazené na obrázku č.5. Obr. 5 Okruh slnečného kolektora doplnený o navrhovanú elektroniku Záver Príspevok sa zaoberá čiastkovou úlohou z oblasti efektívneho riadenia navrhovanej úpravy solárneho systému pre ohrev teplej úžitkovej vody. Výsledky získané z riešenia tejto úlohy (aplikácia) sa budú využívať nielen v ďalších etapách riešenia projektu VEGA, ale aj skvalitnia kvalitu pedagogického - vzdelávacieho procesu zabezpečovaného Katedrou elektrotechniky a automatizácie, MF SPU Nitra.
100 Literatúra 1. BRACHTÝR, B., 2004. Meranie hmotnosti s využitím PC. In: SEKEL 2004, Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita, 2004. ISBN 80-248-0619-3 2. BYSTRIANSKY, P., MINÁRIK, J. 2004. Meranie solárnej energie v podmienkach Slovenskej poľnohospodárskej univerzity. In: SEKEL 2004, Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita, 2004. ISBN 80-248-0619-3 3. LADENER, H., SPÄTE, F. 2003. Solární zařízení. Praha: Grada publishing, 2003, 267 s. ISBN 80-247-0362-9 Poďakovanie V príspevku sú uvedené výsledky riešenia grantového projektu VEGA 1/1351/04, ktorý poskytla Slovenská vedecká grantová agentúra MŠ SR a SAV. Kontaktná adresa Ing. Stanislav Paulovič, Ing. Martin Makva Katedra elektrotechniky a automatizácie, MF SPU Nitra Trieda A. Hlinku 2, 949 76 Nitra Stanislav.Paulovic@uniag.sk, Martin.Makva@uniag.sk