CC BY
73
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ, ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
1.11. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ЛИНЕЙНЫХ ЗЕРКАЛ ФРЕНЕЛЯ С ПЛОСКИМИ ФАЦЕТАМИ
Кучкаров Акмалжон Ахмадалиевич, младший научный сотрудник, институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Клычев Шавкат Исакович, доктор технических наук, СКТБ при Институте ионно-плазменных и лазерных технологий Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Абдурахманов Абдужаббар Абдурахманович, доктор технических наук, зав. лабораторией № 2. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан. E-mail: [email protected]
Аннотация: Изучены линейные зеркала Френеля (ЛЗФ) с плоскими фацетами. Разработана модель и программа расчета параметров и концентрации ЛЗФ с плоскими фацетами. Показано, что ЛЗФ могут обеспечить концентрацию до 30 крат с обеспечением высокой равномерности концентрированного излучения на приемнике. Создана энергетическая установка на основе ЛЗФ с плоскими фацетами. Разработана методика юстировки фацет системы на основе ЛЗФ с плоскими фацетами.
Ключевые слова: зеркально концентрирующие системы, зеркала Френеля, плоские фацеты, степень концентрации, фокус, оптико-энергетические параметры.
1.11. POWER PLANT BASED ON LINEAR WITH FLAT FRESNEL MIRROR FACETS
Kuchkarov Akmaljon Axmadaliyevich, research assistant, Institute of materials science «Physics-sun» Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Klychev Shavkat Isakovich, doctor of the technical sciences, SKTB at the Institute of Ion-Plasma and laser Technologies Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Abdurakhmanov Abdujabbar Abdurakhmanovich, doctor of the technical sciences, head of laboratory №2. Institute of materials science «Physics-sun» Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: [email protected]
Abstract: This paper studies linear Fresnel mirror (LFMs) with the flat facets. A model and program for calculating parameters and concentration of LFMs wits flat facets have been developed. It is shown that LFMs can provide in increased concentration by up to 30 times at a number of facets of about 50 while ensuring the high uniformity of the concentrated radiation at the receiver. Established power plant based on the LFMs flat facets. A method for adjusting facet based systems LFMs flat facets.
Index terms: mirror concentrating systems, Fresnel mirrors, flat facet, concentrating degree, focus, optical and energy parameters.
Представляемая работа посвящена разработке конструкции и определению оптико-энергетических характеристик ЛЗФ, направленной на получение тепла (100оС-300оС). Литературный анализ показывает, что такие установки более экономичны и просты при
изготовлении. Исследование включает в себя расчет оптико-геометрических и оптико-энергетических характеристик, а также разработку способов изготовления модуля [1-5].
На рис.1 приведена схема ЛЗФ с плоскими фацетами.
Рис.1. Схема расчета ЛЗФ с плоскими фацетами.
Исходными данными для расчета параметров фацет - ширины 1_, их расположения (линейные (УС) и угловые (ис) координаты центров фацет) являются диаметр (ширина) приемника d и фокусное расстояние f (или обобщенный параметр df = d/f). Расчеты параметров проводятся итерационно, начиная с первой фацеты.
Для первой фацеты считаем, что УС1= г и имеем
tgU = Yf
Ц = d
cosUj 2
(1) (2)
cos
Для второй и последующих 1-ых фацет схема последовательного определения параметров фацет - и УС^ ^ имеет вид:
Задаем Ц из уравнения, аналогичного (2) определяем далее из уравнения (3) определяем
ZN =-L sin—i-. Nl 2 2
Из (4) определяем tA1Nj и У|
lA\Ni
Z - Z
A1 ^Ni
avl
Ni
Y-Y
1A1 ANi
a
(3)
(4)
Определяем yci по уравнению (5) и независимо по (6)
Ц
Yr,= cos-^,
(5)
2 2
Ya = f ■ tgU. (6)
Берем их разность и численно решаем до тех пор, пока Ау не станет меньше заданного числа. На основе полученных зависимостей был разработан алгоритм и программа определения параметров фацет на языке «Delphi 7». На основе получаемых данных можно определять и площадь зазоров S2,
S з = 2[d + £ (YBi - YNi-1)],
(7)
где п - число фацет с одной стороны.
Суммарный поток Фотр отраженный от ЛЗФ равен
Ф отр = 2Z Li ■ cos(Ui/2).
(8)
Прибавка Аг, к радиусу пятна сконцентрированного солнечного излучения за счет конечного углового размера Солнца равна
8Ш (р0
Аг = t„
sin в
(9)
где 1Д2мп - расстояние от точки А2 до верхней точки крайней 0=п) фацеты, или действительный размер солнечного пятна на приемнике буде равно
= 2• г + 2-А . (10)
Среднюю концентрацию ЛЗФ с плоскими фацетами С = Е/(ЕС^) (где Е - средняя плотность потока сконцентрированного солнечно-
I— <м>
го излучения в пятне, ЕС - плотность прямой солнечной радиации и Rz - коэффициент зеркального отражения фацеты), можно представить в виде
27
C = ■
Nn
d.
(11)
На рис.2. приведены концентрации С ЛЗФ в зависимости от угла раскрытия концентратора и0 и параметра df.
i=2
i=1
Рис.2. Концентрации С ЛЗФ в зависимости от угла раскрытия ^ и параметра df.
Из рис.2 видно, что достигаемые концентрации, в общем, обеспечивают решение указанных выше задач. Так же видно, что и для линейных зеркал Френеля оптимальная концентрация на плоском приемнике при малых df (большое число фацет и их малые размеры) достигается при 45 градусах, с увеличением df (уменьшение числа фацет и соответственно увеличение размеров фацеты) максимум концентрации сдвигается в сторону больших углов раскрытия. Так же видно, что при углах раскрытия больших 75о, независимо от df концентрации существенно уменьшаются.
В связи с этим при выборе угла раскрытия концентратора и назначении df необходимо учитывать и другие характеристики ЛЗФ -зазоры, количество фацет, изменение размеров фацет в зависимости от их положения на каркасе. На рис.3. приведены отношение площади зазоров к габаритной площади ЛЗФ (1з/(2Уп).
Рис.3. Отношение площади зазоров к габаритной площади ЛЗФ в зависимости от ^ и df.
Как видно из рис.3. площадь зазоров в ЛЗФ существенна и с увеличением угла раскрытия растет. Можно отметить, что, в общем, параметр df влияет на площадь зазоров, однако практически это величина одного порядка. Зазоры говорят об эффективности использования габаритной площади концентратора, а в случае с ЛЗФ (обычно располагается на земле) зазоры в общем, не существенны.
Изменение размеров фацет, в зависимости от их положения с основанием приведены на рис.4.
Рис.4. Зависимость размеров (ширины) фацет от положения на основе.
Как видно, при малых df размеры фацет изменяются незначительно, однако с ростом df это изменение необходимо учитывать.
Рис.5. Число фацет в ЛЗФ в зависимости от угла раскрытия и параметра df.
Как видно, число фацет резко возрастает с увеличением угла раскрытия и параметра df. Так же, очевидно, что необходимо стремиться к меньшему числу фацет.
Оптимизация размерности отдельных элементов, а также уменьшение количества фацет в ЛЗФ. Для энергетических установок исходит из положения оптимизации отношения площади Sк выбираемой установки к площади формируемого фокального пятна Sпр, то есть средней степени концентрации Сср равния Сср=5|</5пр [6].
Для энергетических установок основного параметром является сродная степень концентрации Сср в отличие от технологических установок роль играет максимальная степень концентрации Смах в фокальной точке.
ЛФЗ в основном используются для преобразования энергии лучистого потока Солнца в практически используемые виды энергии, поэтому наиболее важной характеристикой является оптимальный размер фокального пятна, то есть значения оптимальный средней степени концентрации, что можно получить, оптимизируя размер крайней фацеты, остальные фацеты могут иметь размер оптимизированной фацеты.
Рис.б.Формирование размера и плотности пятна
рассеяния для ЛФЗ. Определение необходимых оптимальных размерностей элементов (фацет) ЛФЗ энергетического назначения осуществляется следующим образом:
Определяется оптимальный размер фокального пятна для ЛЗФ ^опт=2г4опт) на основание полученной выше выражения г4опт.
г = о..........= - <„2 Иопт Ч + 2Уопт ) , (5)
4 опт — У К1 , ^ , , гг ,
2 21 - {„иопт<„7
где
и опт = (Го + Аа) +71 + 2(Г0 + Аа) = 44052'
{„И2 = 1 + 2 7 + ^2(1 + 'Г + + = 2202б'
где у=у0+Аа=1б'+1б'=32', 1§у=0,0093, Аа - среднеквадратичное отклонение отраженных лучей от оптической поверхности ЗКС Аа=45 и 5 -среднеквадратичное отклонение нормали оптической поверхности. Фокусное расстояние определяется
иопт=44052' из выражения
/ =
у = 2МИ2т-
У
где, у - половина размерности ЛЗФ.
Размерность элемента фацет I определяется на основание рис №6. Оптимальный размер выбирается для самой крайной фацеты
U„
=22026
s + 90 — U + Uonm = 180, s = 90 + Uonm
2
2
L=b-2atgY, 2atgY - величина расширения краевых отраженных солнечных лучей от фацет ЛЗФ. Необходимо отметить и для унифицирования технологии изготовления при конструирование отражающей поверхности плоских ЗКС достаточно определение размерности самой крайней фацеты. Остальные фацеты той же размерности отражают солнечный лучистый поток с видимым угловым размером Yo в фокальной плоскости в пятне меньшее, чем ¿от- На основании теоремы синусов ширина L фацеты рассчитывается следующим образом:
L
d„
sin(90 — U0nm ) sin(90 — Uопт )
L = d„
sin(90 — U ) ,
_V_onm s f
sin(90 + Uonm)
a2 = f 2 + У2 = f\ 1 + 4tg 2 U , y = sin Uo,
2 a
a = -
У
sin U o.
L = d„.
L = d„.
COsU on
U cos — 2
cosU,
- — 2^ f2 + y2 tg (tgy0 +Aa)
или
U
Исследования показывают, что на данный момент разработана и создана автономная солнечная энергоустановка на основе ЛЗФ с тепловой мощностью 25 кВт, позволяющая получать тепловую энергию с использованием концентрированного солнечного излучения на фокусе концентратора размером 10х10м с фокусным расстоянием 5 м при апертурном угле 45о, где температура рабочего тела достигает до 300оС.
Солнечная энергоустановка на основе ЛЗФ состоит из отражателя, линейного приемника (тепловая труба в фокусе концентратора). Диаметр фокуса и приемника составляет 0,12 м длиной 10 м (рис. 7).
и - Ч1 + 4tg 2tgY +Аа)'
cosипт V 2
Необходимо отметить, что конструкция разрабатываемых ЛЗФ позволяет использовать их как в конструкциях фото-преобразователей на крышах домов, тем самим отпадает необходимость использования дополнительных огромных площадей для выработки энергии в индивидуальных и промышленных масштабах. Кроме того в данной работе анализируется методология определения предлагаемых ЛЗФ в зависимости от угла наклона, широты местности их преимущества и недостатки от обычных параболоцилиндрических концентрируемых систем типа «корыта».
Рис.7. Солнечная энергоустановка на основе ЛЗФ.
С целью повышения эффективности работы системы нами была разработана специальная система слежения на основе современных информационных технологий, имеющая минимальную погрешность слежения ±1 угл. минут.
Важным аспектом надежной работы системы на основе ЛЗФ является проведение юстировки плоских фацет составных фокусирующих элементов, схема которой приведена на рис. 8а,б.
2
ФЗКС
/Линейные источник света
Рис.8.а. Методика юстировки фацет ЛЗФ.
Установка состоит из источника излучения формирующего линейный луч, падающий на зеркало юстируемой фацеты, создавая в центре соответствующей ячейки сетки экрана, установленного под отражателем, точечный в одном направлении и линейный в другом направлении следа. Выбирается юстируемая фацета и изображение следа от линейного источника направляется в соответствующую ячейку экрана. При этом центр отраженного пучка должен совместиться с центром ячейки, соответствующей юстируемой фацеты на экране. В случае если центр отраженного пучка не совмещаться с центром ячейки тогда с помощью юстировочных винтов осуществляется это совмещение. В целом внедрение но-
Радиометрическая линейка позволяет за короткое время измерять плотность потока из-
1 Ом
Рис.8.б. Экран. вых указанных выше методов на ЛЗФ позволяет эффективно и оперативно оценить её оптико-геометрические характеристики. В случае ЛЗФ, а также фацетных плоских гелиостатов высокая точность юстировки достигается при использовании специальных экраном [7].
С целью измерения оптико-энергетических характеристик ЛЗФ нами разработана водо-охлаждаемая медная радиометрическая линейка длиной 900 мм, шириной 75 мм с 13 алюмель-капелевыми термопарами, расположенные на торцевой части корпуса с шагом 50 мм. Термопары выведены с тыльной стороны радиометра на левую (6 шт.) и правую (7 шт.) разъемы. На рисунке 9. приведен общий вид радиометрической линейки.
лучения в 13 точках в линейной фокальной плоскости ЛЗФ.
Рис.9. Радиометрическая линейка.
Из приведенного следует, что разработанная энергоустановка на основе ЛЗФ, легко конструируема, удобна в использовании и может быть внедрена в фермерских хозяйствах, в семьях, в малых предприятиях для обеспечения их электричеством, теплом для отопления жилых помещений.
В целом по результатам исследований можно сделать следующие выводы:
1. Разработана модель и программа расчета оптико-энергетических характеристик ЛЗФ и концентрации ЛЗФ с плоскими фацетами.
2. Показано, что ЛЗФ могут обеспечить концентрации до 30 крат даже при числе фацет около 50 (по 25 на сторону), а при концентрации 20, число фацет может составлять около 36, при эффективности использования габаритной площади будут на уровне 32%.
3. Предложены методика и расчет для оптимизации унификации числа фацет одного типа размера ЛЗФ.
4. Разработана и создана солнечно энергетическая установка на основе ЛЗФ.
5. Разработана методика юстировки фацет ЛЗФ.
6. Разработана специальная система слежения на основе современных информационных технологий.
7. Разработана водоохлаждаемая медная радиометрическая линейка.
Список литературы:
1. Захидов Р.А., Клычев Ш.И., Огнева Т.А., Шульман М.Н. Оптико-энергетические характеристики зеркал Френеля. Гелиотехника, 1990, №4, с. 47-50.
2. Клычев Ш.И., Захидов Р.А., С.А. Бахрамов, Р. А. Ху-жанов, З.Ш. Клычев. Концентрации линейного зеркала Френеля с ориентируемыми фацетами на неподвижный приемник. Гелиотехника, 2010, №3, с. 68-72.
3. Mills, D. R. and G. L. Morrison (2000).Compact Linear Fresnel Reflector Solar Thermal Power Plants. Solar Energy 68(3): 263-283.
4. K. Gouthamraj, K. Jamuna Rani, G. Satyanarayana. Design and Analysis of Rooftop Linear Fresnel Reflector Solar Concentrator. International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) Volume 2, Issue 11, May 2013.
5. Dersch, J., Morin, G., Eck, M., Hberle, A. (2009): Comparison of linear Fresnel and parabolic trough collector systems - system analysis to determine break even costs of linear Fresnel collectors. In: Solar Paces 2009.
6. Abdurakhmanov A. A., Kuchkarov A. A., Mamatkosimov M. A., Akhadov Zh. Z. The Optimization of the optical-geometric characteristics of mirror concentrating systems. Applied Solar Energy.2014.v.50.№ 4.pp, 244-251.
7. Kuchkarov A. A., Abdurakhmanov A. A., Sobirov Y.B., Mamatkosimov, M. A. Adjustment Of Fasets Of Flat And Focusing Heliostats, Concentrators And Fresnel Mirror Concentrating Systems. Applied Solar Energy 2015.v.51.pp,151-155.
РЕЦЕНЗИЯ
на статью Кучкарова А. А., Клычева Ш. И., Абдурах-монова А. А. «Энергетическая установка на основе линейных зеркал Френеля с плоскими фацетами» Работа посвящена разработке конструкции и определению оптико-энергетических характеристик линейных зеркал Френеля (ЛЗФ). В фокальной зоне ЛЗФ установлен приёмник - линейная труба с теплоносителем (водой). Солнечные лучи от всех линейных зеркал концентрируются на поверхности приёмника. Актуальность работы не вызывает сомнения, поскольку она затрагивает проблему преобразования энергии лучистого потока от Солнца - основного вида возобновляемых источников энергии. Следует отметить, что развитие эффективного использования энергии лучистого потока от Солнца во многом упирается на проблеме разработки гелиоустановок, на основе зеркально концентрирующих систем (ЗКС). В зависимости от характера задач можно рассматривать концентраторы параболоидной, парабо-лоцилиндрической, а также ЛЗФ. В случаях, когда требуется получение не очень высоких (порядка 100 оС-300 оС) температур целесообразно ЗКС с параболоцилиндриче-ским концентратором или ЛЗФ. Как известно такие установки более экономичны и просты при изготовлении. В работе приводятся результаты по расчету оптико-геометрических и оптико-энергетических характеристик, а также разработке способов изготовления модуля энергетической солнечной установки на основе ЗКС с плоскими фацетами. Получены аналитические выражения позволяющие определить оптико-энергетические параметры гелиоустановки - оптимальный размер фокального пятна и оптимальное среднее значение концентрации в фокальной плоскости ЛЗФ для энергетических установок. Результаты, полученные в настоящей работе, несомненно, представляют научно-практическую ценность, ибо они могут быть использованы при разработке наиболее эффективных конструкции гелиоустановок с параболоцилиндрическими концентратором и на основе зеркал Френеля.
Статья может быть рекомендована для публикации в открытой печати. Рецензент:
доктор технических наук, зав. лабораторией №1. Институт Материаловедения Научно-производственное объединение «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан
Рахимов Рустам Хакимович
