Dynamic modeling for control of charging of borehole thermal energy storage system with solar thermal collectors

Abstract

One of the main problems with renewable energy sources is storage. An appropriate suggested solution to the problem in Norway and countries with a similar climate is Borehole Thermal Energy Storage (BTES) system as Seasonal Thermal Energy Storage (STES). That is a system where the ground is used to store thermal energy from an energy source, like solar thermal collectors, which later can be utilized by a thermal load, like space heating. A BTES consists of several Borehole Heat Exchangers (BHEs). NorAnergy AS has, in collaboration with Norwegian University of Life Sciences (NMBU), developed a BTES system that uses coaxial collectors and where the BTES is dynamically charged and discharged. The dynamical charging and discharging are achieved by using several valves to control which part the of BTES the carrier fluid is flowing through. The control system is vital to be able to achieve the system’s objective, which is to maximize the available energy at a temperature utilizable for the thermal load. A simple initial version of the control system has been made and implemented at an operative research system at NMBU. Due to the long time constant of a BTES system and that its primary cycle is annular, it takes a long time to see if the control achieves the intended outcome. Therefore, a model of the system that could simulate it in much less time would be useful. A model could also be useful for the control system itself. It could, for example, be used to create model-based controllers and state estimators. In this thesis, a scaleable flat-plate solar thermal collector model and a scaleable model of BTES with coaxial collectors are developed and implemented in Simulink. The valves related to the charging of the BTES is also implemented, making it possible to simulate the charging of a NorAnergy BTES system with flat plate solar thermal collectors. In the BTES model, the 3D heat equation for the ground is solved with the Metod of Lines approach, with the Energy Balance Method as the spatial discretization method. The BTES model is only applicable for 4-fold rotational symmetric BTESs that is divided into circular zones. No control system is implemented in Simulink, but the implementation of the models makes it easy to add it to the model. The implementation in Simulink is also used to create a distributable program package, that simplifies the process of running simulations and analyzing the simulation results.

En av hovedutfordringene med fornybare energikilder er lagring. En løsning på dette problemet i Norge og land med lignende klima er termiske borehullslagre som sesonglager. Det er et system hvor bakken brukes til å lagre termisk energi fra en energikilde, f.eks. solfangere, som senere kan brukes av en termisk last, som oppvarming av bygninger. Et termisk borehullslager består av flere energibrønner. NorAnergy AS har i samarbeid med Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU) utviklet et termisk borehullslagersystem som bruker koaksiale kollektorer og har dynamisk lading og utlading av energilageret. Den dynamiske ladingen og utladingen gjøres ved å bruke en rekke ventiler til å styre hvilke deler av lageret vannet skal strømme igjennom. Styringssystemet er viktig for å klare og oppnå målet med system, som er maksimere tilgjengelig energi ved en temperatur som er utnyttbar den termiske lasten. En enkel versjon av styringssystemet har blitt lagd og implementert på et operativt forskingsanlegg ved NMBU. Grunnet den lange tidskonstanten til et termiske borehullslager system og at dens hovedsyklus er årlig, så tar det lang tid å se om styringssystem oppnår ønsker resultat. Det vil derfor være nyttig med en modell som kan simulere dette på mye kortere tid. En modell kan også være nyttig å for selve styringssystemet. Den kan for eksempel brukes å utvikle modellbaserte kontrollere og tilstandsestimatorer. I denne masteroppgaven er en skalerbar flatplatesolfanger modell og en skalerbar modell av termisk borehullslager med koaksiale kollektorer utviklet og implementert i Simulink. Ventilene som er relatert til ladingen av borehullslageret er også implementert, som gjør det mulig å simulere lading av et NorAnergy termisk borehullslagersystem med flatplatesolfangere. Borehullslagermodellen kan bare brukes til å modellere 4-talls radiærsymmetriske borehullslagre som er inndelt i sirkulære soner. Det er ikke blitt implementert styring i Simulink, men modellene blir implementert slik at det er lett å legge til. Simulink modellen brukes også til å lage en distribuerbar MATLAB pakke, som forenkler prosessen med å gjennomføre simuleringer og analysere simuleringsresultatene.