CC BY
48
УДК 662.997
М. Ф. Руденко, Ю. В. Шипулина
ФОТОКОНЦЕНТРАТОРЫ СУДОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Фотомодули с аккумуляторами для производства электрической энергии на малых судах все шире применяются на практике. Такие устройства необходимы для питания радиостанций, телевизоров, бытовой техники, электроприборов общего назначения и т. п. в период стоянки судна на якоре [1]. Повысить эффективность работы фотомодулей возможно, увеличивая мощность воспринимаемой ими прямой и диффузионной солнечной радиации. Увеличение энергетических характеристик фотомодулей возможно применением зеркальных плоских отражающих концентраторов солнечной энергии. В настоящее время известны фотомодули плоской и круглой трубчатой конструкции. Нами рассматривается применение плоских зеркальных концентраторов на плоские, цилиндрические и треугольные поверхности, покрытые фотоэлементами круглой или псевдоквадратной формы. Именно такие концентраторы выпускаются промышленностью в настоящее время.
На рис. 1 представлены профильные конструкции фотомодулей с плоскими зеркальными отражателями на основные конфигурации солнцепоглощающих поверхностей. В основу аналитического исследования положено следующее допущение: солнечные лучи полностью отражаются от зеркал и, претерпевая одно- и двукратное преломление и падая на адаптирующую поверхность, покрытую фотоэлементами, полностью поглощаются.
Рис. 1. Расчетные модели зеркальных фотоконцентраторов энергии на поглощающие фотоэлементы, различной формы: а - плоская, отражение двукратное; б - цилиндрическая, отражение двукратное; в - треугольная, отражение однократное
По методике [2, 3] проведены теоретические и экспериментальные исследования концентрирующей способности плоских зеркальных отражателей на фотоэлементы различной формы.
Геометрические параметры и размеры фотоконцентраторов солнечной энергии рассматриваемых конструкций (рис. 1) определяем для одно- и двукратного отражения солнечных лучей от зеркал. На рисунке: Н - высота концентраторов; Ж - величина раскрытия зеркал; Ь0,1 -геометрические размеры; О и Q - поверхности зеркал концентраторов; а и Я - характерные размеры поглощающей поверхности; £ - величина поглощающей поверхности; Ь1, Ь2 - размеры участков зеркал с разной кратностью отражения солнечных лучей.
Анализ оценки эффективности концентраторов основывается на приведенных ниже уравнениях, которые связывают геометрические параметры конструкции с характерными размерами поглощающих поверхностей.
Для фотоконцентраторов различных конструкций исходными являются следующие уравнения:
лучей:
лучей:
для конструкции фотоконцентраторов (рис. 1, а) при двукратном отражении солнечных
Ьо =
Ь — а •
81п(02), б1п(90 - 0)
Ь2 =
1п(90 - 2 0)
б1п(02 ) 2 • б1п(02 )
81п(02 ) ,
вт^80 -02) а • б1п(90 -0) ^2
б1п(02 ) б1п(02 ) 81п(02 )
Ь — Ь + Ь^1 + Ь,
Н — Ь • 008(02),
Ж — 2 • Ь • б1п(02);
для конструкции фотоконцентраторов (рис. 1, б) при двукратном отражении:
Ьо = Я • о1§(02),
0/
Ь1 = Я • ^8(04),
Ь2 — Я •
о*§((02)+01§(з 94 )
б1п (3 •02)
0/
°8(0/ )+ о18((04 )
Ь — Ьо + Ь/1 + Ь2,
Н — Ь • ооб(02 ),
ж—2 • ь • 81п(02 );
для конструкции фотоконцентраторов (рис. 1, в) при однократном отражении солнечных
О А —
2 • ^(02), а • 008(02)
Ь —
—
а2 +
а2 • ооб(0- 30)
а • 008
2 • tg (0
+ |сг |-
(
00Б
180 - ЯГ08ІП
(
Б1П
+
\cz\-
• 8Іп (0 - 30 )
1^1
- 0/
+
180 - аігаіп
• 8Іп (0 - 30 )
1^1 .
- 0/
^02 -
0-0080 8іп(02)
В концентраторах, изображенных на рис. 1, а, согласно закону отражения, луч претерпевает двукратное отражение при угле раскрытия зеркал 0 менее 45°, а при угле раскрытия 0 = 90° теряет отражающую способность. В концентраторе (рис. 1, б) луч претерпевает двойное отражение при угле раскрытия зеркал 0 менее 60°, а при угле раскрытия 0 > 60° луч отражается только один раз, прежде чем достигнет поглощающей поверхности. Наиболее эффективной для плоских зеркал является конструкция фотоконцентраторов, изображенная на рис. 1, в.
По приведенным уравнениям для углов раскрытия зеркал 0 в диапазоне от 0 до 90° через 5° получены номограммы и табличные значения геометрических характеристик концентраторов.
Оценка эффективности плоских концентраторов солнечной энергии выполнена с использованием коэффициента оптической концентрации Со. Под коэффициентом оптической концентрации будем понимать отношение прямой и отраженной от зеркал солнечной радиации, падающей на поверхность 3 при наличии концентраторов, к радиации, падающей на поверхность 3 без использования концентраторов.
Для рассмотренных выше конструкций и условий (при угле между солнечными лучами и осью симметрии концентратора Ф = 0) получены расчетные формулы для Со, которые имеют вид:
- для конструкции на рис. 1, а:
Со =
а + 2 •
1 • 8ІП (02 ) • 8ІП (02 ) • 8ІП90-8ІП (3 ' 02 )
L\ • 8ІП ( /”2 / ^2 ' 8ІП у у 2 у 8ІП 9 0 8ІП у /2^
8Іп(90 -0) 8Іп(90 - 2 0)
а
- для конструкции на рис. 1, б:
рЯ + 2^< 2^
Со -
90 - аіО^І
%
2^ р Я
360
+
- для конструкции на рис. 1, в:
Со -
а+2 •
Ч •5Іп(02)^ ,И2 ООї(02)
|CZ •8Іп(02 + ^Х)
0/
Л2 (
- 2^
|CZ •8Іп(02 + ^Х)
8Іп(02
а
где
(2.2е) - аГ08Іп
' • 8Іп(0-15)
\аЕ
а
2
2
2
а
2
Проведены расчеты и построены оптограммы (рис. 2) для концентратора конструкции, приведенной на рис. 1, в, для различных отклонений солнечных лучей от оси симметрии концентратора. Оптограммы подтверждают эффективность применения данных конструкций.
Углы отклонения Ф, град
Рис. 2. Зависимость коэффициентов оптической концентрации для поглощающих поверхностей треугольного сечения при однократном отражении солнечных лучей
Экспериментальные исследования конструкций концентраторов, изображенных на рис. 1, а, б, в, показали правильность теоретических предположений, заложенных в тенденции увеличения эффективности использования фотоэлектрических элементов с различными конфигурациями адаптических поверхностей приемников.
Расчетные оптограммы показывают, что применение трубки-поглотителя треугольного сечения является наивыгоднейшим.
Анализ зависимостей коэффициентов оптической концентрации для концентраторов на рис. 1, а показал, что наиболее эффективный угол раскрытия зеркал при оптимальных размерах целесообразно рекомендовать равным 0 = 40°. Эффективная работа концентраторов, изображенных на рис. 1, б, возможна в диапазоне углов раскрытия 30-55°.
Для концентраторов, показанных на рис. 1, в, коэффициенты оптической концентрации самые высокие. Диапазон углов раскрытия для таких концентраторов можно рекомендовать в пределах 35-45°. Конструкции концентраторов на рис. 1, а, б можно рекомендовать для применения в стационарных гелиоустановках, конструкцию на рис. 1, в - в гелиоустановках со следящей за движением солнца системой [4].
Таким образом, увеличение интенсивности солнечного облучения фотоэлементов за счет прямой и диффузионной радиации позволяет повысить КПД работы фотоэлементов, что важно для снижения себестоимости фотоэлектрической энергии и эффективности работы фотобатарей в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технологии и оборудование возобновляемой энергетики. Каталог технологий и изделий, разработанных и производимых в системе ГНУ ВИЭСХ. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2003. - 32 с.
2. Руденко М. Ф. Эффективность гелиоприемных устройств с концентраторами для систем тепло-и хладоснабжения. - Саратов: Лаборатория нетрадиционной энергетики ОЭП СНЦ РАН, 2001. - 63 с.
3. Ильин А. К., Руденко М. Ф., Коноплева Ю. В. Оценка эффективности концентраторов солнечной энергии // Изв. вузов. Машиностроение. - 2002. - № 9. - С. 33-36.
4. Чивиленко Ю. В., Туркпенбаева Б. Ж., Руденко М. Ф. Повышение эффективности экологически безопасных гелиоэнергетических холодильных установок циклического действия // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 6. - С. 17-20.
Статья поступила в редакцию 24.05.2010
PHOTOCONCENTRATORS OF THE SHIP’S ENERGY SYSTEMS
M. F. Rudenko, Yu. V. Shipulina
There is engineering design of effective solar power photoconcentrators in order to receive electric power at the ship’s systems. The constructions have flat mirror reflecting surfaces, capable of single and double reflection of solar energy, and an adapting surface of different configurations: flat, round and triangular. The mathematical equations for calculation of constructive characteristics of photoconcentrators and equations for increase of efficiency of incident radiation power on the photoelectric cell are given. The calculated optogram analysis of optical concentration factors indicated that the most effective construction for photoconcentrators is a triangular one.
Key words: photoconcentrators, equations of geometrical characteristic, equations of optical efficiency, optograms, recommendations.
