Анализ и методика расчета выходной мощности стационарного параболоцилиндрического концентратора

УДК 662.997  –к. т.н. доцент КарГТУ

- магистрант КарГТУ

- магистрант КарГТУ

АНАЛИЗ  И МЕТОДИКА РАСЧЕТА  ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ СТАЦИОНАРНОГО ПАРАБОЛОЦИЛИНДРИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТОРА

Использование концентраторов является самым быстрым путем сни­жения стоимости СФЭС. Их основное функциональное назначение - повыше­ние потока солнечного излучения до уровня, обеспечивающего эффективное и экономичное преобразование.

Интегральным показателем является средний коэффициент концен­трации Кс, который определяется как отношение среднего значения плотности сконцентрированного лучистого потока к плотности солнечного излучения в плоскости, перпендикулярной его распространению. Ранее считалось, что оптимальная степень концентрации для СЭ из кремния может лежать в диапа­зоне от 10 до 100 крат [1].  В настоящее время в связи со снижением стоимости кремниевых сол­нечных элементов оптимальная концентрация снизилась до 5-10. При концен­трировании изменяется не только плотность излучения, но и его распределе­ние в пространстве. Поверхностная облученность Ес - основная энергетиче­ская характеристика концентрирующей системы. Для использования СЭ тре­бование равномерности облученности поверхности является первостепенным.

Ещё одной важной характеристикой концентраторов является оптиче­ская эффективность К0- отношение энергии, пришедшей на приемник, к энер­гии, падающей на концентратор.

Концентраторы могут обеспечивать не только интегральное, но и спектральное перераспределение солнечного излучения в пространстве. Это селективные и диспергирующие концентраторы, первые из которых обеспечи­вают избирательное (селективное) концентрирование излучения, а вторые концентрируют весь падающий на них поток солнечного излучения, но одно­временно разлагают (диспергируют) его на спектральные составляющие.

В целом можно заключить, что системы концентрирования обладают достаточно широким набором функциональных возможностей, позволяющим существенно улучшить характеристики СФЭС.

Схемные и конструктивные варианты концентраторов, которые могут использоваться в СФЭС, весьма многообразны. Их классификация осуществ­ляется на основе различных признаков.

По характеру взаимодействия излучения с оптическими элементами систем подразделяют на отражающие (зеркальные) и преломляющие (линзо­вые) системы.

По уровню повышения плотности солнечного излучения или степени его концентрирования, характеризуемой значением Кс, с определенной услов­ностью можно разделить на слабоконцентрирующие (<100) и сильноконцентрирующие (Кс > 100) системы.

По воздействию на спектральные характеристики сконцентри­рованного излучения различают селективные и неселективные системы.

Приведенные выше классификационные признаки связаны главным образом со свойствами оптических элементов рассматриваемых систем. Предварительный выбор лучшей системы в каждом конкретном случае опре­деляется степенью ее соответствия комплексу функциональных, конструкци­онных и эксплуатационных требований, важнейшими из которых являются: ми­нимальные потери энергии при концентрировании излучения; способность ус­тойчиво обеспечивать необходимое распределение плотности излучения на СЭ; технологичность изготовления и монтажа; устойчивость к воздействию внешних факторов; удобство и простота эксплуатации; возможность ремонта и замены отдельных элементов; низкая стоимость и др.

Опыт создания солнечных станций с концентраторами  в России показал, что да­же при концентрации 50 снижение стоимости солнечных станций происходит всего в 2 раза, т. к. при этом требуются значительные затраты на систему слежения, систему охлаждения солнечных элементов, усложняется опорная конст­рукция станции. Поэтому было принято направление на создание фотоэлектри­ческих модулей со стационарными концентраторами, не требующими систем слежения и могущими работать круглый год (или сезон) в неподвижном состоянии. Стационарный концентрирующий параболоцилиндрический модуль, установ­ленный под углом, равным местной широте, способен в течение нескольких месяцев без корректировки положения концентрировать не только солнечное излучение, идущее от Солнца, но и излучение, рассеянное околосолнечными участками неба. При этом солнечные лучи, проходящие через концентрирующую систему, всегда ог­раничены размерами зеркальной поверхности концентратора, имеющего опреде­ленный параметрический угол.

Впервые понятие параметрического угла для концентрирующих систем ввел , до этого осесимметричные концентраторы (линзы Френеля, фоконы и т. д.) определялись углом раскрытия на сторону или апертурным углом. В на­стоящее время применять определение «апертурный угол» для протяженных кон­центрирующих систем не совсем корректно. В оптике апертурный угол это дейст­вующее отверстие оптического прибора, определяемое размерами линз, зеркал или диафрагмами, т. е. для оптических осесимметричных систем [2]. Полем зрения оп­тической системы называется часть пространства предметов, качественно изобра­жаемая системой и определяемая в угловой или линейной мере осесимметричной фигуры. Линейное поле определяется диаметром круга, которое видно через при­бор, угловое поле равно отношению диаметра круга к фокусному расстоянию. Для асимметричных параболоцилиндрических концентраторов поле зрения определяется частью сферы, вырезаемой параметрическими углами в меридио­нальном а и сагиттальном направлении в  (рис. 1).

Рис. 1 Поле зрения ассиметричного параболоцилиндрического концентратора

Асимметричный параболоцилиндрический концентратор характеризуется ши­риной М и длиной D входной поверхности миделя концентратора. В отличие от осесимметричных концентраторов, у которых поле зрения определяется одним па­раметром параметрического угла, поле зрения протяженного асимметричного кон­центратора имеет более сложный вид. Для параболоцилиндрического концентрато­ра ограниченной длины поле зрения можно представить в виде неправильной че­тырехугольной пирамиды (рис. 1), характеризуемой углами: 2б - между продоль­ными гранями 014 и 023 и 2в между гранями 012 и 034 [3].

Поле зрения в поперечной плоскости, характеризуемое параметрическим углом в в основном определяет продолжительность работы стационарно установленного концентратора. Для определения продолжительности ежедневной работы концентратора на рис. 2 представлено сечение небесной сферы и суточный ход Солнца при склонении . Проекция вектора определяет направление солнечного луча на приемник (рис. 2) и задает направление солнечных лучей на поперечную плоскость концен­тратора. При южной ориентации поперечная плоскость концентратора совпадает с плоскостью небесного меридиана.

Склонение может быть найдено из уравнения Купера

)

где п - порядковый номер дня года.

Рис. 2 Сечение небесной сферы и суточный путь Солнца

Луч, приходящий на приемник солнечного излучения, в пространстве описыва­ется двумя углами - углом высоты Солнца h0 и часовым углом . Эти углы находят­ся в строгой геометрической зависимости, определяемой выражением [4]:

sin h0 = coscos cos+ sinsin,

где - склонение Солнца, - часовой угол.

Произвольный луч, приходящий на поверхность концентратора, разложим на две векторные составляющие: на вектор луча в горизонтальной плоскости и на вектор луча в вертикальной плоскости. С целью определения графического отобра­жения истинного часового угла рассечение сферы производилось по горизонталь­ным и вспомогательным плоскостям, а для определения истинного высотного угла h0 - по вертикальным вспомогательным плоскостям, проходящим по линиям часо­вого угла.

Дневная продолжительность работы стационарно установленного параболоцилиндрического концентратора с углом раскрытия б 36°, равная 2-4 часам, летом явно недостаточна. Чтобы устранить такой существенный недостаток, как краткосрочность работы в годовом и суточном режиме, концентраторы оснащаются системами сле­жения за Солнцем. Следящие системы не только обеспечивают интегральный рост, но и приводят к качественным изменениям как временных характеристик, так и струк­туры, поступающей на панель инсоляции. Эффективность системы, определяемая как отношение инсоляции панели к инсоляции горизонтальной поверхности, связана с анизотропными составляющими солнечной радиации и, главным образом, с ее прямой составляющей.

Однако при проектировании стационарных параболоцилиндрических концентраторов (СПЦК) практически не учитывается склонение Солнца по ази­муту. Не проведены исследования влияния часовых углов на выходные мощно­сти СПЦК и возможности увеличения поля зрения концентратора без слежения за Солнцем. Концентрация солнечного излучения стационарного параболоцилиндрического концентратора происходит в пределах поля зрения в меридио­нальной и сагиттальной плоскостях. Выходная мощность СПЦК (Жвых), определяемая как величина потока излучения, выходящего из концентрирую­щего модуля, рассчитывается по формуле :

    (1)

где - коэффициент отражения зеркала

- входная мощность равна

    (2)

Где - часть используемой входной площади концентратора, с учетом отклонений по азимуту.

- плотность прямой солнечной радиации

Рассмотрим зависимость выходной мощности от величины часового угла. От изме­нения угла у меняется и площадь использования воспринимающей поверхно­сти концентратора. При =45 полезная воспринимающая площадь уменьшается на половину т. е..

Рис. 3 Зависимость использования поверхности концентратора от изменения угла . Использованная площадь концентратора - заштрихованные области

Использование площади концентратора в зависимости от часового угла равна

, 

Где А, B –размеры единичного концентратора.

       

       Учитывая рабочую площадь использования концентратора, мощность СПЦК приобретет новый вид:

 

Отсюда выходная мощность с учетом отклонения солнца по азимуту принимает вид:

   

В табл. 1 представлены выходные мощности концентратора с единичной поверхности концентратора (угол раскрытия б=24) для различных часовых углов .

	3,6	3,45	3,27	3,1	2,91	2,73	2,55	2,3	1,8	0,47

Таблица 1

График 1 зависимости выходной мощности от величины часового угла принимает вид.

       

Из графика наглядно видно, что выходная мощность единичного концентрирующего модуля, установленного по оси восток-запад и настроенного на полуденную высоту летнего солнцестояния, уменьшается по мере увеличения часового угла.

Литература

, отоэлектрическое преобразование солнечной энергии. Теория и практика использования солнечной энергии. — Москва-Прага: Изд-во ГНУ ВИЭСХ, 2014 Физическая энциклопедия. М.: 1990, С. 344 Strebkov D. S., Irodionov A. E., Tarasov V. P., Bazarova E. G. Optimal orientation of non tracking solar concentrator in northern region // 11-th International Conference on Solar Energy at High Latitudes. Riga,-2007. P. 62.

УДК 662.997. БУЛАТБАЕВ Ф. Н., БРАТКОВ В. В., АКПАНБАЕВ Т. К. АНАЛИЗ И МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ СТАЦИОНАРНОГО ПАРАБОЛИТИЧЕСКОГО КОНЦЕНТРАТОРА.

Использование концентраторов в солнечных установках позволяет        снизить стоимость солнечной энергии. Функциональное назначение - эффективное и экономичное преобразование. Идеальный параболоидный концентратор фокусирует па­раллельные лучи в точку. Для решения большинства задач солнечной энергетики достаточна не­большая концентрация, которую дают параболитические, концентраторы. Предложены новые методы расчета выходной мощности. Правильный Расчет выходной мощности позволяет оснастить  концентраторы системами сле­жения за Солнцем. Благодаря этому возможна работа подвижно круглый год.

       Ключевые слова: концентрация, параболический концентратор, солнечное излучение, преобразование, выходная мощность, модуль концентрации, солнечный элемент.

UDC 662.997  BULATBAYEV F. N., BRATKOV V. V., AKPANBAYEV T. K. ANALYSIS AND METHODS OF OUTPUT POWER ESTIMATION FOR STATIONARY PARABOLIC CONCENTRATOR.

Use of concentrators in solar installations allows to reduce cost of solar energy. Functional purpose is effective and economical transformation. Ideal parabolic concentrator focuses parallel rays at the point.  For solving of most problems of solar energy there is enough a small concentration, which is provided by parabolic concentrators. There are offered new methods of output power estimation. Appropriate estimation of output power makes it possible to fit up the concentrators with the Sun control means of it there is possible a flexible work during entire year. 

Key words: concentration, parabolic concentrator, solar radiation, transformation, output power, concentration module, solar element.

ӘОЖ 662.997. БУЛАТБАЕВ Ф. Н., БРАТКОВ В. В., АКПАНБАЕВ Т. К.,

СТАЦИОНАРЛЫҚ ПАРАБОЛАЛЫҚ КОНЦЕНТРАТОРДЫҢ ШЫҒЫС ҚУАТЫЛЫҒЫНЫҢ ТАЛДАУЫ МЕН ЕСЕПТЕУ ӘДІСТЕМЕСІ

Күн сәуле қондырығыларда концентраторларды қолдану арқылы күн энергиясының құнын төмендетуге мұмкіндік туғызады. Функционалдық тағайындалуы: энергияны тиімді және үнемді қайта түрлендіру. Идеалды параболалық концентратор параллельдік күн сәулелерін бір нүктеге шоғырдандырады. Күн энергетикасы алдында тұрған көп тапсырмаларды шешу үшін концентрацияның көлемі жоғары болғаны шарт емес, және осы тапсырмаларды параболалық концентраторларды қолдану арқылы шешуге болады. Шығыс қуатылығын есептеу жаңа әдістері ұсынылды. Шығыс қуатылығын жұрыс есептеу арқылы концентраторларды Күн қозғаласын бақылау жүйелермен қамтуға мүмкіндік тұғызады. Осының арқасында жұмысты жыл бойы жүргізуге болады.

Кілт сөздері: концентрация (шоғырландыру), параболоцилиндрикалық концентратор, күн сәулелердің таралуы, қайта түрлендіру, шығыс қуатылығы, шоғырландыратын модуль, күн элементі.