Atjaunojamo energoresursu tehnoloģiju un iekārtu (saules kolektori, siltummaiņi, siltumsūkņi, siltuma akumulatori, vēja enerģija) pētījumi un biomasas izmantošanas pētījumi enerģijas ieguvei

Pētījumu tēmas:

Cilindriskais divkameru gaisa sildītājs ar saules enerģiju

Izstrādāta, cilindriskā divkameru saules gaisa sildītāja ar saules enerģiju konstrukcija, izgatavots un veikti tā eksperimentālie pētījumi, lai noteiktu sildītāja siltuma ražotspējas: gaisa plūsmas dabīgās cirkulācijas režīmā un ventilatora radītās gaisa plūsmas cirkulācijas režīmā; izmantojot sildītāju bez saules enerģijas koncentratora un ar saules enerģijas koncentratoru. Par darba rezultātiem sagatavota atskaite un referāts konferencei.

Rituļos satītu stiebraugu kaltēšanas procesa ar saules enerģiju pētījumi

Sagatavota un veikti sistēmas eksperimentālie pētījumi, kura sastāv no: kaltētavas ar kaltējamā materiālā vertikāli ievietotu gaisa plūsmas sadales cauruli, plānās plēves saules enerģijas baterijas (97W, 19V); centrbēdzes ventilatora ar elektrodzinēju (45W, 12V) un cilindriskā divkameru gaisa sildītāja ar, un bez saules enerģijas koncentratora. Par darba rezultātiem sagatavota atskaite un referāts konferencei.

Saulei sekojošu saules bateriju statīvs

Izstrādāts pilotprojekts saulei sekojošu saules bateriju statīviem ar saules bateriju uzstādīto jaudu 1,08 kWp līdz 4,3 kWp. Uz sauli orientētas saules baterijas gada laikā var saražot 1,4 reizes vairāk enerģijas nekā stacionāri novietotas, tādēļ šādas saules bateriju iekārtas varētu pielietot kā elektroenerģijas mikro ģeneratorus sadales tīklos vai kā autonomas elektroenerģijas ražošanas un akumulēšanas iekārtas: privātmājās, birojos, administratīvās ēkās, mācību iestādēs, mazapdzīvotos un lauku rajonos.

1. Izstrādāts, Patentu Valdei iesniegts un „Latvijas Vēstnesī” publicēts izgudrojuma patenta pieteikums „Āra gaisa siltuma sūkņa atklātā tipa iztvaicētāja apsildīšanas ierīce”. Patenta Pretenzija sekojoša: 1. Āra gaisa siltuma sūkņa atklātā tipa iztvaicētāja apsildīšanas ierīce, kura sastāv no āra gaisa siltuma sūkņa ar uz pamatnes vertikāli nostiprinātu atklātā tipa iztvaicētāju, ap kuru no telpas, piemēram, cūku kūts izvadītā siltā gaisa padeves laikā tiek izveidots gaisa plūsmas kanāls, atšķirīga ar to, ka, lai vienkāršotu ierīces konstrukciju, uzlabotu tās tehniski-ekonomiskos un ekspluatācijas rādītājus, gaisa plūsmas kanālu ap iztvaicētāju veido ar no kūts izvadāmā siltā gaisu spiedienu piepūšama telpa, kura ventilatoram darbojoties automātiski aptver iztvaicētāju, bet ventilatoru izslēdzot – atsedz iztvaicētāju, ļaujot tam darboties atklātā tipa iztvaicētāja darba režīmā.

2. Izstrādāts, Patentu Valdei iesniegts un „Latvijas Vēstnesī” publicēts izgudrojuma patenta pieteikums „Rituļos satītas kaņepju masas kaltēšanas ierīce”. Patenta Pretenzija: 1. 1. Ierīce, kas paredzēta rituļos satītas kaņepju masas kaltēšanai ar aktīvo vēdināšanu, izmantojot atmosfēras gaisu, un sastāv no gaisa ventilatora un gaisa plūsmas sadales kolektora, atšķirīga ar to, ka, lai efektīvāk izmantotu ventilatora radīto gaisa plūsmu un paātrinātu kaltēšanas procesu, tas ir, lai uzlabotu ierīces tehniskos rādītājus un darbības efektivitāti, gaisa plūsmas sadales kolektoram vertikāli piestiprinātas perforētas vēdināšanas gaisa sadales caurules, ar proporcionāli rituļa masas blīvumam dilstošu caurumu skaitu vai diametru, skatot no pamatnes uz galu, uz kurām kaltēšanas laikā uzmauc satītos kaņepju rituļus.

Meteoroloģisko datu reģistrēšana, apstrāde un analīze

Izmantojot meteoroloģisko datu reģistrēšanas ierīci MD-4, tika veikta gaisa temperatūras, relatīvā mitruma un saules starojuma jaudas mērīšana un reģistrēšana datora atmiņā. Šo mērījumu mērķis bija:

1) noskaidrot, par cik vairāk saules enerģijas saņem virsma, kura visu dienas laiku orientēta uz sauli, salīdzināt šos datus ar stacionāri novietotu virsmu, kura orientēta dienvidu virzienā un kurai periodiski maināms slīpuma leņķis pret horizontu atkarībā no saules orbitālās plaknes leņķa maiņas gada laikā.

2) izmantojot mērījumu datus, pētīt saules enerģijas dinamiku, kas ir svarīga konstruējot saules enerģijas kolektorus un aprēķinot saules siltuma sistēmas, jo pārsvarā saules kolektoram un sistēmai kopumā ir jādarbojas mainīgos laika apstākļos, kad kolektors neregulāri tiek sildīts un dzesēts, jo pilnīgi skaidra laika dienu skaits sezonā parasti ir ap 25. Lai varētu spriest par saules enerģijas raksturu, mērījumu dati reģistrēti ar intervālu 12 min. un trīs gadu laikā iegūtas minēto parametru diennakts vērtības tabulu un grafiku veidā. 

Tika apkopoti dati par dienas (laiku, kad termobaterijas saņem saules starojuma enerģiju) vidējo temperatūru T_v, stacionāri novietotās un saulei sekojošās termobateriju reģistrētās enerģijas daudzumiem, attiecīgi Q_st un Q_sek, kuri salīdzināti ar globālo starojumu Q_glob.(literatūras dati). Konstatēts, ka gada sezonas parametru vidējās vērtības ir samērā līdzīgas un to novirzes iekļaujas dažu procentu robežās. Piemēram, reģistrētās gaisa vidējās temperatūras pirmajā un otrajā pētījuma gadā atšķiras par 0,1 ^oC. Lielākas datu atšķirības ir pa mēnešiem, piemēram, Q_st, kas reģistrēts eksperimenta pirmā gada oktobrī ir par 46% lielāks, nekā eksperimenta otrā gada oktobrī. Divus gadus pēc kārtas  nelabvēlīgs saules enerģijas ieguves laiks ir bijis oktobrī. Siltākais laiks ir bijis pirmā pētījuma gada jūlijā, 23,3 ^oC.

Ir sakopoti dati par saulei sekojošās Q_sek un stacionārās Q_st termobaterijas reģistrēto enerģijas daudzumu attiecības koeficienta K_e = Q_sek/Q_st vērtībām. Redzams, ka lielākas K_e vērtības ir vasaras vidū, kad saule met lielāku loku virs horizonta, piemēram, jūnija mēnesī K_e = 1,57, bet mazākas rudenī, oktobrī – tikai 1,16. Praktiski katrai dienai ir sava K_e vērtība, ar vienādām K_e vērtībām ir neliels dienu skaits.

Otrā gada eksperimenta sezonas beigās meteoroloģisko datu reģistrēšanas ierīce MD-4 tika aprīkota ar saules bateriju (photovoltaic), kura saules enerģiju pārveido tieši elektrībā. Datu reģistrēšana sākta augusta beigās. Izmantojot  mērījumu datus ir aprēķināta baterijas pārveidošanas koeficienta K_p vērtība. Ja starojuma jauda ir P_s=933 W/m² , tad K_p = 7,4 %. Tas ir samērā mazs pārveidošanas koeficients un tam par iemeslu varētu būt nepareizi izvēlēta baterijas elektriskās ķēdes slodzes pretestība, vai pašas baterijas elementi izgatavoti no materiālā, ar mazu pārveidošanas koeficienta vērtību, piemēram, amorfais silicijs. Mērījumu laikā baterija ir reģistrējusi tikai saules starojuma enerģiju. Pat skaidrā pilnmēness nakts laikā, nav reģistrēta no mēness atstarotā enerģija. Ierīces termobateriju un saules baterijas jaudas raksturlīknes ir līdzīgas, bet tajās ir arī atšķirības, kuras pagaidām nav analizētas.

Saules enerģijas kolektora ar atklātiem kanāliem parametru pētījumi

Tika izgatavots saules enerģijas kolektors, kuram kolektora absorbers ir ar atklātiem kanāliem, novietots slīpi, bet dzesējošais šķidrums tiek pievadīts un pa kanāliem vienmērīgi sadalīts absorbera augšdaļā, no kurienes tas gravitācijas spēka iespaidā brīvi tek pa absorbera kanāliem uz apakšā novietoto savākšanas sili. Silē savāktais šķidrums tālāk var būt novadīts, piemēram, uz baseinu vai boileri-termosu, no kurienes no jauna padots uz absorbera augšu atkārtotai sildīšanai. Par šo saules kolektora iekārtu ir saņemts LR patents LV 13516.

Izstrādāta šāda tipa kolektora parametru pētīšanas metodika un saskaņā ar to veikti kolektora pētījumi laboratorijas apstākļos. Pētījumu veikšanai kolektora iekārta papildus aprīkota ar siltuma skaitītāju un diviem sildītājiem, katrs ar jaudu 500 W un novietoti 50 cm attālumā no absorbera virsmas. Tādā veidā iegūta starojuma intensitāte (jauda) ir ap 550 W/m².

Pētījumu mērķis ir noteikt iekārtas kolektora jaudu, stagnācijas temperatūru un lietderības koeficientu, pie dotās sildītāju starojuma jaudas, ja absorbers ir bez pārseguma, pārklāts ar polietilēna plēvi un pārklāts ar 6 mm biezu polikarbonāta loksni.

Pētījumos iegūtie dati apkopoti, analizēti un galvenie rezultāti atspoguļoti sekojošos secinājumos:

1. Salīdzinot kolektoru variantus, konstatēts, ka lielāku jaudu attīsta kolektors ar plēves pārsegumu - 201 W, bet mazāku, kolektors, kas pārsegts ar polikarbonāta loksni - 132 W. Līdz ar to, kolektorā ar polietilēna plēves pārsegumu iegūta arī lielāka temperatūru starpība starp vidējo ūdens temperatūru absorberā T_s un apkārtējā gaisa temperatūru T_g, tas ir, 18,3 ^oC.

2. Pie nelielas T_s-T_g, kolektoriem ir samērā liels lietderības koeficients, piemēram, kolektoram bez pārseguma pie T_s-T_g = 16,5 ^oC,  h_k =  0,53.

3. Par svarīgu parametru jāuzskata ūdens patēriņš (iztvaikošana) kolektorā. Vislielākais ūdens patēriņš konstatēts kolektoram bez pārseguma – ap 250 cm³/h, bet vismazākais kolektoram ar plēves pārsegumu - 32 cm³/h.

4. Kopējie siltuma zudumi kolektoriem ir ap 10 W/^oC.

5. Kolektorā, sūknim darbojoties ar jaudu 18 W, tas ražo apmēram 2% jaudas.

6. Uzklājot polietilēna plēvi tieši uz absorbera jārēķinās ar to, ka zem plēves virs kanāliem veidojās tvaika kondensāts.

Saules kustībai sekojošas kolektora iekārtas ar enerģijas koncentratoru izpēte un pilnveidošana

Pētījumu rezultātā tika saņemts LR patents LV 13549, "Saules enerģijas kolektora iekārta ar atstarotājiem". Šai iekārtai, saskaņā ar patentu, rāmis sekojot saules kustībai griežas ap slīpu asi, bet uz viņa nostiprinātie atstarotāji (spoguļi) un kolektors, griešanas laikā saglabā vertikālu stāvokli. Izgatavots šīs iekārtas eksperimentālais paraugs un automātiskās vadības bloks, kas būtībā ir diskrētas darbības sekošanas sistēma ar iekārtas rāmja stāvokļa sensoru (potenciometru) un pakāpienu veida sprieguma ģeneratoru.

Iekārtai darbojoties, automātiskās vadības bloks ik pēc 10 minūtēm (144 reizes diennaktī) dod komandu piedziņai pagriezt rāmi ar kolektoru un spoguļiem saules kustības virzienā par 2,5 ^o leņķi. Pareizi noregulētā sistēmā pagriešanas laikā rāmim ar kolektoru un spoguļiem jāpagriežas par 1,25^o aiz saules un nākošai pagriešanas reizei jāiesākas, kad rāmis atpalicis no saules par 1,25^o. Tādā gadījumā no spoguļiem atstarotā staru kūļa ‘staigāšana’ pa absorbera virsmu ir simetriska un ar mazāku maksimālo novirzi.

Veikti eksperimentālās iekārtas izmēģinājumi, kuru mērķis ir noskaidrot sekošanas sistēmas bloka un iekārtas darbības precizitāti kopumā. Izmēģinājumu laikā konstatēta iekārtas enerģētisko parametru uzlabošanas iespēja. Par to uzrakstīts un iesniegts izgudrojuma patenta pieteikums.

Analizēta Stirlinga motora pielietošanas iespēja saules enerģijas kolektoru iekārtās

Darbs pie šīs tēmas veikts sakarā ar to, ka ārzemēs ir izveidotas moduļu tipa saules enerģijas iekārtas ar augstiem enerģētiskiem rādītājiem. Šīs iekārtas sastāv no paraboliska saules starojuma enerģijas koncentratora, Stirlinga motora un sekošanas sistēmas, kura griež parabolisko koncentratoru saules kustības virzienā un orientē to uz sauli. Koncentratora fokusā novietotais Stirlinga motors kalpo kā enerģijas koģenerators, kas vienlaicīgi ražo siltumu un elektrību (elektriskais lietderības koeficients ap 30%, kopējais ap 70%, 1kWh cena ap 10 centi ). Stirlinga motors patentēts 1816. gadā un nosaukts autora, skotu priestera Poberta Stirlinga vārdā. Sakarā ar sarežģītu konstrukciju un tajā laikā nelielo, mazāku nekā tvaika dzinējiem, lietderības koeficientu (jo kā darba vielu izmantoja atmosfēras gaisu), motors praktisku pielietojumu neieguva. Stirlinga motors būtībā ir virzuļu tipa dzinējs ar ārējo siltuma padevi, kuram darba vide (viela - parasti gāze: gaiss, tagad hēlijs vai ūdeņradis) atrodas slēgtā telpā un darba laikā nemainās. Motora darbināšanai var izmantot jebkuru ārējo siltuma avotu, arī koncentrētu saules starojuma enerģiju.

Lietderīgo darbu motors rada saspiežot un izplēšot darba vielu pie dažādām temperatūrām. Lietderīgā darba daudzums gandrīz proporcionāls darba vielas vidējam spiedienam darba cikla laikā. Tādēļ, lai iegūtu augstu lietderības koeficientu, modernos motoros, kā darba vielu izmanto ūdeņradi (gāze ar nelielu molekulāro masu un mazu berzes pretestību) ar spiedienu 15 MPa un vairāk. Sakarā ar to, motora darba resursu pamatā nosaka rotējošo detaļu blīvējumu izturība. Elektrības ražošanai izveidoti tā saucamie brīvā virzuļa motori, kuriem kustošās detaļas korpusa ārpusē neiziet, tādēļ blīvējumi nav vajadzīgi.

Stirlinga dzinējam ideālā termodinamiskā cikla termiskais lietderības koeficients ir līdzīgs ar maksimāli iespējamo siltuma dzinēju termisko lietderības koeficientu (Karno cikls). Motora augstu lietderības koeficientu var sasniegt tikai izmantojot siltuma reģeneratoru. Darba vielas karsēšanu, dzesēšanu un reģenerāciju veic ar motorā iebūvēto siltuma apmainītāji starpniecību. Stirlinga motors darbojas klusi, tam nav vārstu mehānisma un nenotiek periodiska degvielas sadegšana augsta spiediena vidē. Tā dzesēšanas sistēmai jābūt apmēram divas reizes ražīgākai nekā līdzīgas jaudas iekšdedzes dzinējiem. Dzesēšanas šķidruma temperatūru samazinot Stirlinga motora jauda palielinās (iekšdedzes dzinējiem pretēji).

Stirlinga motora īpatnējā jauda (jauda uz tilpuma vienību) tāda pati kā dīzeļa dzinējam, bet jauda/masa attiecība līdzīga turbo-dīzeļa dzinējam. Piedzenot Stirlinga motoru no cita dzinēja, Stirlinga motors darbojas kā dzesētājs. Stirlinga motors ievērojami sarežģītāks un dārgāks nekā attiecīgās jaudas iekšdedzes dzinēji.

Siltuma apmainītāji vēdināšanas sistēmās

Par pētījuma tēmu Siltuma apmainītāju pētījumi pielietošanai cūku mītnēs tika veikta eksperimentālā siltummaiņa, kas izgatavots no polivinīlhlorīda dobstruktūras dēļiem, izmēģināšanā ražošanas apstākļos 500 nobarojamo cūku kūtī iegūto rezultātu datu apstrāde un analīze. Pie gaisa plūsmu temperatūras starpības 30 K atgūtās siltuma plūsmas jauda sasniedza 16 kW pie lietderības koeficienta 0,64. Siltuma pārejas koeficients vidēji 12,48 Wm^-2K^-1. Pie āra temperatūras –16 ^oC izplūstošā atdzisušā gaisa temperatūra pazeminājās līdz 0 ^oC un sākās siltuma pārejas virsmu apledošana. Izstrādātais siltummainis 2007. g. nostiprināts ar Latvijas patentu LV 13559. 

Eksperimentālā siltummaiņa izmēģinājumu rezultāti salīdzināti ar datiem, kas  iegūti izmēģinot ražošanas apstākļos firmas Schönhammer (Vācija) ražotu siltummaini WVT-120K. Pēc tehniskiem parametriem arī tas piemērots lietošanai 500 nobarojamo cūku kūtīs. No izmēģināšanas rezultātu salīdzināšanas secināms, ka ar siltummaini WVT-120K atgūtā siltuma attiecība pret izvadīto siltumu ir mazāka. Tas var būt kā trūkums tā pielietošanai vecajās kūtīs, kuru būvkonstrukcijas ir ar salīdzinoši zemu siltuma noturību.

Pētījumu gatā no polivinīlhlorīda dobstruktūras dēļiem izgatavots atšķirīga siltummaiņa maketa paraugs, ar ko paredzēts veikt padziļinātus pētījumus par siltuma pārejas procesiem nošķirtās gaisa plūsmās.

Biogāzes iegūšanu no ieskābētas zaļās biomasas sulas

Veikts darbs pie eksperimentālas iekārtas izveides biogāzes iegūšanai no skābētas biomasas. Iekārta tiek papildināta ar ierīci sausās frakcijas žāvēšanai izmantojot saules starojumu. Veikto pētījumu mērķis: bioloģisko un tehnisko aspektu izpēte biogāzes ieguvei no zālaugu masas. Laboratorijas apstākļos veiktajos eksperimentos tika izmantota dažāda sastāva zālaugu masa. Konstatēts, ka masas mehānisko priekšapstrādi ietekmē pārkoksētās frakcijas daudzums un ievērojami atšķirīga galegas masa, kurā šī frakcija atsevišķos paraugos sastādīja pat 40 - 60 %.

Zaļā masa tika smalcināta 3 - 4 cm garumā, eksperimentos izmantota gan “svaiga”, gan skābēta masa, kas uzglabāta slēgtā tarā bez gaisa klātbūtnes. Masa tika ievadīta gliemežtipa presē ar konisku perforētu daļu, kur izdalās sula un no koniskās daļas izvada – mitrās atspiedas, regulējot mitro atspiedu izvada atvērumu, regulējām iegūtās sulas un atspiedu daudzumu. Dažāda sastāva zālaugu masu frakcionējot iegūtas atspiedas ar 40 - 42 % sausnes saturu un sula ar sausni no 6,5 līdz 12,1 %.

Sula tika izmantota anaerobā procesā – laboratorijas biogāzes iekārtā (30 ltr tilpums, 37 - 39 °C temperatūra, ekspozīcija 12 - 13 dienas). Iegūti biogāzes iznākumi sastādīja 1,1 - 1,25 ltr/ltr bioreaktora tilpuma vai iegūts aptuveni 15 - 22 tilpumi gāzes no viena tilpuma ievadītās sulas.

Zaļās masas atspiedas tika žāvētas stacionārā slānī pie dažādām gaisa temperatūrām (40 - 80 °C) un gaisa plūsmā (ieejas gaisa temperatūra 55 – 60 ° C) līdz beigu mitrumam 8 - 10 %.

Iegūtais sausais produkts ir piemērots homogenizēšanai un granulēšanai. Uzskatām, ka mehāniskā presēšana un anaerobā fermentācija ir tehnoloģiski atrisinātas un galvenais akcents turpmākos pētījumos jāvelta atspiedu žāvēšanas procesam, kas ļautu minimizēt (optimizēt) enerģijas patēriņu kurināmā granulu ražošanas procesā.

Izvērtējot mūsu līdzšinējo pieredzi par zaļas masas izmantošanu augu olbaltumvielu iegūšanai, varam secināt, ka zaļās masas izmantošana energonesēju iegūšanai ir nedaudz vienkāršāka gan no tehnoloģijas, gan iekārtu izvēles aspekta un attiecīgas jaudas ražošanas procesā nav paredzamas grūti risināmas tehniskās problēmas.