CC BY
120
УДК 662.997:622.276 ББК 31.63:31.252.8
Ю. В. Шипулина, М. Ф. Руденко, М. Ш. Каримов
АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНЦЕНТРАТОРОВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ С ПОГЛОЩАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ТРЕУГОЛЬНОЙ ФОРМЫ ДЛЯ МОРСКИХ И БЕРЕГОВЫ1Х ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Yu. V. Shipulina, M. F. Rudenko, M. Sh. Karimov
ANALYTICAL RESEARCH OF SOLAR CONCENTRATORS WITH AN ABSORBING TRIANGULAR SURFACE FOR MARINE AND COASTAL ENERGY SYSTEMS
Рассматриваются конструкции эффективных концентраторов солнечной энергии для получения электроэнергии на маломерных и крупнотоннажных судах и береговых энергетических установках. Конструкции имеют плоские зеркальные отражающие поверхности, способные одно- и двукратно отражать энергию солнечной радиации, и адаптирующую поверхность треугольной конфигурации. Предлагаются аналитические решения расчета конструктивных параметров концентраторов и увеличения эффективности мощности падающей солнечной радиации на элементы гелиоприемников. Анализ по расчетным оптограммам коэффициентов оптической концентрации выявил наиболее эффективную конструкцию для концентраторов солнечной энергии в форме треугольника, обращенного вершиной вниз и расположенного в фокусе концентраторов.
Ключевые слова: концентраторы, адаптирующая поверхность треугольной формы, уравнения геометрических параметров, уравнения оптической эффективности, номограммы, оптограммы.
The constructions of effective solar power concentrators directed at receiving electric power on the small and large vessels and coastal energy systems are considered. These constructions have flat mirror reflecting surfaces, capable of single and double reflection of solar energy, and adapting triangular surfaces. Rated equations for constructive characteristics of concentrators and equations for increased efficiency of incident radiation power at the photoelectric cell are given. The calculated optogram’s analysis of optical concentration factor indicates the most effective construction for triangular solar concentrators turned top down and placed at the focus of the concentrators.
Key words: concentrators, adapting triangular surface, equations of geometrical characteristics, equations of optical efficiency, nomograms, optograms.
Для поддержания автономной работы судовых и береговых энергетических установок в настоящее время широко начали внедряться гелиоэнергетические комплексы, работающие от энергии солнечной радиации. Это водо- и воздухонагревательные установки для систем отопления и горячего водоснабжения, термотрансформаторы для систем кондиционирования помещений, охлаждения и замораживания рыбной продукции, фотомодули для выработки электрической энергии, которой могут питаться радиостанции, телевизоры, компьютеры и многие другие приборы, устанавливаемые на малых и крупнотоннажных судах, морских паромах, портовых терминалах, плавучих буровых установках и т. п. Важным условием применения таких установок является эффективная работа гелиоприемных устройств, их компактность и приемлемые массогабаритные характеристики. Создание таких условий возможно при увеличении мощности солнечной энергии на единицу адаптирующей поверхности, которое обеспечивается концентраторами солнечной энергии. Самыми простыми концентрирующими элементами являются плоские концентраторы солнечной энергии. Аналитическими исследованиями концентраторов различной конструкции занимались многие авторы [1-3]. Нами в ходе аналитического исследования осуществлялся поиск оптимальной конструкции адаптирующей поверхности для плоских зеркальных концентраторов, применяемых в гелиоприемных устройствах судового назначения.
Целью работы являлось определение эффективности применения адаптирующих поверхностей треугольных конфигураций в плоских зеркальных концентраторах по сравнению с другими видами адаптирующих поверхностей. По методике, предложенной в [1, 4, 5], проведены аналитические исследования концентраторов с различными вариантами расположения треугольной трубки-поглотителя (рис. 1) при однократном и двукратном отражении солнечных лучей от зеркальных поверхностей и анализ эффективности поглощающей способности.
При исследовании приняты следующие допущения: вся солнечная энергия, падающая на поверхность концентратора, полностью отражается от его зеркальных поверхностей; солнечная энергия, попадающая на поглощающую поверхность, равномерно и полностью поглощается адаптирующими поверхностями.
Рис. 1. Расчетные модели зеркальных концентраторов энергии на поглощающие поверхности треугольной формы: а - равносторонний треугольник и двукратное отражение; б - равносторонний треугольник и однократное отражение; в - равнобедренный треугольник и однократное отражение; Q и G - зеркальные поверхности плоских зеркальных отражателей; 51, 52, Sз - адаптирующие поверхности треугольной конструкции
Зеркальные поверхности в плоских концентраторах устанавливаются под определенным углом, образуя треугольное сечение, а поглощающая поверхность треугольной конфигурации располагается в средней части зеркал, на биссектрисе угла между ними, в различных точках по высоте (рис. 1). Конструкция на рис. 1, а облучается солнечной радиацией только с двух сторон, но эти стороны могут облучаться как прямым потоком, так и потоком при однократном и двукратном отражении от одной зеркальной поверхности. Конструкции на рис. 1, б, в облучаются с трех сторон, при этом облучение происходит как прямым, так и однократно отраженным потоком солнечной энергии, однако в конструкции на рис. 1, в боковые поверхности не полностью облучаются отраженным потоком.
В зависимости от углов раскрытия зеркал 0 и видов отражения были получены расчетные формулы для конструкций таких концентраторов по методике [1]:
- для конструкции концентраторов на рис. 1, а при двукратном отражении:
al 2
sin
(0 2)’
L01 =
a • sin(150-0)
L02 =
a • sin (150 - 2 •Q)
+ -
sin (0 2) sin (180 - 3-0/2) a • sin (150-0)
a 12
sin (3 -0/ 2) 2 • sin (0/ 2)
sin (0 2) sin (0 2) sin (0 2)’
L = L0 + L01 + L02, H = L • cos(0/2), W = 2 • L • sin(02);
- для конструкции концентраторов на рис. 1, б при однократном отражении [2]:
a • cos(02)
O А =
2 • tg (0 2)’
L0 =
2 • tg(02) ’
а
в
a
CZ =
а2 +
2 • tg (0/ 2)
а2•cos
(0-30)
tg (0 2)
2
\
а
L01
а • cos
(Q 2)
(
2 • tg (0 2)
+ CZ • cos
180 - arcsin
а • sin (0- 30)
\CZ\
■0 2
+
sin
+ CZ •-
Í 180 - arcsin а • sin (0-30) -
V CZ )
а•cos 0
tg (02) ’
, L = L0 + L01 + L02, H = L • cos(02), W = 2 • L • sin(02);
sin (0 2)
- для конструкции концентраторов на рис. 1, в при однократном отражении:
a • cos(02)
O А =
а
L0
2 • tg (0/2)’ 0 2 • tg (02)’
CZ =
(2 • а)2 +
2 • tg (0 2)
2• а2 • cos(0-15)
а • cos (02) . .
L01 = ^ + |CZ| • cos
(
2 • tg (0 2)
180 - arcsin
V
tg (0 2)
2 • а • sin (0-15) Ñ
-0 2
+
sin
+ CZ
Í а • sin (0 -15) 1 Л
180 - arcsin -0 2
V CZ )
tg (0 2)
а•cos 0 sin (0 2)'
L - L0 + L01 + L02,
H - L • cos(02),
W - 2 • L • sin(02),
где Н - высота концентраторов; Ж - величина раскрытия зеркал; 0 - угол раскрытия зеркал; Ь0, ¿01, Ь02 - геометрические размеры участков зеркал и размеры участков зеркал с разной кратностью отражения солнечных лучей (одно- и двукратное отражение); О и Q - поверхности зеркал концентраторов; а - характерный размер поглощающей поверхности; - поглощающая поверхность.
По результатам расчетов были получены нанограммы (рис. 2), позволяющие определить размеры зеркальных поверхностей концентраторов в соответствии с рис. 1 в зависимости от углов раскрытия зеркал в диапазоне от 5о до 90о через 5о. Из рис. 2, а видно, что конструкция на рис. 1, а имеет большие размеры концентраторов, чем конструкции на рис. 1 б, в при одинаковых размерах основной адаптирующей поверхности.
Анализ концентрической способности проводился методом оценки оптического коэффициента концентрации С0 по методике, изложенной в [1]. Под оптической концентрацией понимают отношение суммарного количества падающей и отраженной радиации прямого солнечного излучения, фокусируемого на поверхности поглотителя, к прямому солнечному излучению, падающему на всю конструкцию поверхности.
2
а
\
Г
1200
1000
800
600
400
200
0
© = 5
© = 35 © = 10 © = 25 /
© = 45 © = 5У / © = 15
© = 70 © = 20
800
700
600
500
400
300
200
100
0
— © = 60 -------------------------
© = 20 1
/ / ------- © = 90 -
/------------
10
15
20
10 а, мм
15
20
Рис. 2. Геометрические характеристики для треугольных поверхностей: а, б - треугольная (равносторонний); в - треугольная (равнобедренный) в зависимости от угла раскрытия зеркал
Зеркальные концентраторы и конструкция поглощающей поверхности по длине имеют постоянные размеры, поэтому в аналитическом исследовании эффективности заменим площади поверхностей соответствующими отрезками длины профиля участков конструкции соответствующей поверхности. Исследование эффективности концентраторов на различные треугольные поверхности проводим при установке конструкции в длину по линии запад-восток с уклоном в южную сторону. При положении солнца, находящегося строго на линии симметрии конструкции концентратора, когда угол склонения солнца Ф = 0, получены следующие аналитические выражения:
- для конструкции на рис. 1, а:
\ 2 • а + 2 •
С =-
а - 8т(150-0) |а - 8т(150 - 2-0)
8т(180-3-0/ 2) а • 8т(150-0) а/ 2
8т (0 2)
8т(3-0/ 2) 2- яп(0/ 2)яп(0/ 2)
8т (0 2) яп(0/ 2)
2-а
0
5
б
а
0
5
в
а
- для конструкции на рис. 1, б:
С =■
а+2-
008
(0 2)
С£| - ¡зт(0 2+агс8т(а - 8т(0-30)/|С£|)) ^ 8т(0 2)
1(0 2)
а
- для конструкции на рис. 1, в:
С =■
а+2-
¿0 -эт(02)
\щ2+
|С^ - эт (0 2+агс$т(а - $т(0-15)/|С2])) эт(0 2)
-2-| Щ
\С^ - эт( 02+агс8т(а - эт(0-15) / |С^)) ^
1 (0 2)
2
а
где
И = ^(¿0 - (02)2 + 1е,2).
Аналитические выражения были получены при отклонении солнца от оси симметрии концентратора на соответствующие углы Ф = Q/4; Ф = Q/2; Ф = Q. По расчетным данным были построены оптограммы (рис. 3). Численные значения оптических коэффициентов концентрации С0 наиболее эффективной конструкции (рис. 1, б) приведены в таблице.
о
С"
3
90 о
Углы отклонения, Ф а
45 50 5 5 60 65 70 75 80 85 ф
Углы отклонения, Ф
б
Рис. 3. Зависимости коэффициентов оптической концентрации для поглощающих поверхностей треугольного сечения: а - для трубки-поглотителя на рис. 1, б; б - для трубки-поглотителя на рис. 1, в
2
Эффективность плоских концентраторов солнечной энергии на треугольную поверхность (равносторонний перевернутый) при однократном отражении
0 Со
Ф = 0 Ф = 0/4 Ф = 0/2 Ф = 0
5 4,6 3 1,8 0,32
10 4,8 2,9 0,2 0,1
15 4,9 2,75 0,25 0,13
20 5 2,8 0,3 0,13
25 5 2,7 0,4 0,16
30 5 2,65 0,9 0,25
35 5 2,6 1,2 0,31
40 5 2,5 1,7 0,48
45 5 2,45 1 0,66
50 5 2,25 1 0
55 5 2,2 1 0
60 5 1,85 1 0
65 5 1,55 1 0
70 5 2,4 1 0
75 5 2,45 1 0
80 5 1,85 1 0
90 5 1,7 1 0
Таким образом, полученные табличные значения и расчетные оптограммы показывают, что расположение адаптирующей поверхности треугольного сечения в соответствии с рис. 1, б (равносторонний треугольник) является наивыгоднейшей из исследуемых треугольных конструкций, т. к. обеспечивает максимальное значение оптического коэффициента.
Анализ полученных расчетных зависимостей коэффициентов оптической и оптикоэнергетической концентрации для концентраторов с треугольными конструкциями поглотителей показывает, что эффективная работа таких конструкций возможна в диапазоне углов раскрытия от 30-55°. Угол склонения солнца относительно оси симметрии концентратора не должен превышать 10°.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Руденко М. Ф. Эффективность гелиоприемных устройств с концентраторами для систем тепло-и хладоснабжения. - Астрахань: Лаборатория нетрадиционной энергетики ОЭП СНЦ РАН, 2001. - 63 с.
2. Тюхов И. И., Смирнов А. В. Математическое моделирование солнечных концентраторов // Ориентированные и фундаментальные исследования - новые модели сотрудничества в инновационных процессах: сб. науч. тр. и инженер. разработок. - М.: Эксподизайн-Холдинг, 2008. - С. 411-415.
3. Митина И. В., Стребков Д. С., Трушевский С. Н. Расчет коэффициента концентрации по балансу лучистых потоков // Материалы VI Всерос. науч. молодеж. шк. с междунар. участием «Возобновляемые источники энергии» / под общ. ред. А. А. Соловьева. Ч. 1. - М.: Университетская книга, 2008. - С. 178-183.
4. Ильин А. К., Руденко М. Ф., Коноплева Ю. В. Оценка эффективности концентраторов солнечной энергии // Изв. вузов. Машиностроение. - 2002. - № 9. - С. 33-36.
5. Руденко М. Ф., Шипулина Ю. В. Фотоконцентраторы судовых энергетических комплексов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2010. - № 2. - С. 109-113.
Статья поступила в редакцию 19.01.2012
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Шипулина Юлия Викторовна - Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук; доцент кафедры «Безопасность жизнедеятельности и гидромеханика»; aleera78@mail.ru.
Shipulina Yulia Victorovna - Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Science; Assistant Professor of the Department "Life Security and Hydromechanics"; aleera78@mail.ru.
Руденко Михаил Фёдорович - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Безопасность жизнедеятельности и гидромеханика»; mf.rudenko@mail.ru.
Rudenko Mikhail Fedorovich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Head of the Department "Life Security and Hydromechanics"; mf.rudenko@mail.ru.
Каримов Марат Шайдулаевич - Астраханский государственный технический университет; соискатель кафедры «Безопасность жизнедеятельности и гидромеханика»; aleera78@mail.ru.
Karimov Marat Shaydulayevich - Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Life Security and Hydromechanics"; aleera78@mail.ru.
