CC BY
146
УДК 662.997.517
СТРЕБКОВ ДМИТРИЙ СЕМЕНОВИЧ, докт. техн. наук, академик РАН, профессор1
E-mail: [email protected]
ОРЕХОВ АЛЕКСАНДР ИЛЬИЧ2
E-mail: [email protected]
'Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, 1-й Вешняковский проезд, 2, Москва, 109456, Российская Федерация
^Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК С ПОЛУТОРОИДАЛЬНЫМИ КОНЦЕНТРАТОРАМИ
Рассмотрены конструкции, электрических и оптических характеристик солнечных энергетических установок с полутороидальными концентраторами солнечного излучения. Рассмотренные гибридные солнечные модули предназначаются для выработки электричества и тепла. Принцип действия таких установок заключается в концентрации солнечных лучей путем переотражения от поверхностей полутороидальных концентраторов, расположенных друг напротив друга. Данный тип концентраторов позволяет увеличить плотность солнечного излучения, падающего на поверхность приемника. Основными показателями эффективного использования солнечных энергетических установок с полутороидальными концентраторами являются геометрический коэффициент концентрации, оптический коэффициент полезного действия (КПД), а также КПД преобразования солнечной энергии в приемнике. Представлены численные значения и методика определения геометрического коэффициента концентрации для каждого вида солнечного полутороидального концентратора. Установлено, что в результате применения полутороидальных концентраторов коэффициент концентрации солнечной энергии увеличится в диапазоне от 2 до 180 раз относительно солнечных установок без применения концентраторов солнечной энергии. Оптимальным вариантом по соотношению эффективности и стоимости солнечной установки с полутороидальными концентраторами являются энергоустановки с коэффициентом концентрации, равным 5.. .8.
Ключевые слова: солнечные энергетические установки, полутороидальные концентраторы, гибридные солнечные модули.
электрификация и автоматизация сельского хозяйства
Введение. Солнечная энергия распространяется практически повсеместно, и ее использование не нуждается в значительном вложении средств и времени. Недостаток заключается в том, что солнечное излучение падает на поверхность Земли неравномерно и не достигает большой интенсивности, поэтому важно сконцентрировать и сохранить эту энергию. Ее нужно превратить в такую форму, которую можно использовать для промышленных, бытовых и транспортных нужд. Кроме того, надо уметь запасать солнечную энергию, чтобы поддерживать энергоснабжение ночью и в пасмурные дни.
С каждым годом альтернативная энергетика становится все более актуальной для решения
энергетических и экологических проблем. В результате появления инновационных технологий и материалов возрос КПД установок, использующих солнечную энергию, а также снизилась стоимость установленного кВт по выработке электрической и тепловой энергии.
Солнечные полутороидальные концентраторы, позволяющие увеличить плотность солнечной радиации, различаются по конструкции и назначению.
Цель исследований - оценить эффективность солнечного модуля, предложить оптимальный вариант конструкции с полутороидальными концентраторами солнечного излучения.
Материалы и методы. При помощи сравнительного анализа математических формул, определяются коэффициенты концентрации для каждого солнечного концентратора.
Результаты и обсуждение. Рассмотрим солнечный концентратор (рис. 1), выполненный в виде осесимметричного кольцеобразного полутороидального зеркального отражателя, у которого поперечное сечение образовано из двух сопряженных разновеликих четвертей окружности.
* = <£+Л
2Rr - r
2
(1)
Солнечная установка с концентратором, представленная на рисунке 2, содержит тепловой цилиндрический приемник 1, зеркальный отражатель, выполненный из двух разновеликих большей и меньшей четвертей окружностей 2 и 3 радиусом R и r (R > r > 0), сопряженных в точке A. Радиус основания цилиндрического приемника 1 равен радиусу r меньшей четверти окружности, а его высота h зависит от отношения R/r. Ось симметрии 5 приемника совпадает с осью симметрии концентратора. Основание приемника перпендикулярно оси симметрии концентратора. Для повышения эффективности солнечной установки с концентратором тепловой цилиндрический приемник имеет прозрачную вакуумированную теплоизоляцию 6 на основаниях и боковых стенках. Для защиты от внешних неблагоприятных воздействий, а также для уменьшения теплопотерь в окружающую среду концентратор покрыт вакуумированным стеклопа-кетом.
Рис. 1. Продольное сечение солнечного модуля
Солнечная установка с концентратором на рисунке 1 содержит полутороидальный зеркальный кольцеобразный отражатель 1 и цилиндрический приемник 2. Поперечное сечение 3 полутороидального зеркального отражателя 1 выполнено из двух сопряженный разновеликих четвертей окружности 4 и 5 радиусов R и г (Я > г > 0). Оси поперечного сечения ОО2 и О1О3 полутороидального зеркального отражателя совмещают с центрами О и О1 окружностей 4 радиуса Я и центрами О2 и О3 окружностей 5 радиуса г. Оси симметрии ОО2 и О1О3 поперечного сечения полутороидального отражателя удалены от оси симметрии 6 зеркального плутороидального отражателя 1 на расстоянии а = г. Нижнее основание 7 цилиндрического приемника 2 расположено в плоскости центров О2 и О3 окружности 5 радиуса г, перпендикулярной к оси симметрии 6. Верхнее основание 8 цилиндрического приемника 2 расположено в плоскости центров О и О1 и окружности 4 радиуса Я, перпендикулярной оси симметрии 6. Приемник излучения 2 имеет просветляющее покрытие 9 на нижнем основании 7 и боковой цилиндрической поверхности 10 приемника.
Геометрический коэффициент концентрации для данного вида концентратора определяется по формуле [1]:
Рис. 2. Продольное сечение солнечного модуля
Принцип действия солнечной установки. Солнечное излучение через вакуумированый стеклопа-кет 7 попадает на верхнее основание приемника 1 и полутороидальный зеркальный отражатель, выполненный из двух разновеликих четвертей окружностей 2 и 3. От концентратора лучи отражаются на нижнее основание 4 приемника 1 и боковые стенки приемника 1. При этом ось симметрии 5 приемника 1 совпадает с осью симметрии концентратора.
Геометрический коэффициент солнечной установки с концентратором на рисунке 2 может быть определен [2] как
* = -
5,
2S + 5
осн бок
(2)
где Sk - площадь апертуры концентратора, Sk =
, - площадь основания приемника, боковая площадь цилиндрического
Установка имеет просветляющее покрытие на нижнем основании и боковых стенках приемника, помещенного в прозрачный теплоизолированный корпус. Приемник выполнен в виде котла для приготовления пищи и горячей воды, а также может быть использован в качестве снего- и воскотопки.
= n(R+ r)2; SK
soch = nr2; s6c
приемника, S6oK = 2nr h.
Высота h цилиндрического приемника зависит от отношения R/r, в зависимости от этого определяется геометрический коэффициент концентрации. Зависимость h от R/r и расчет геометрического коэффициента концентрации * представлены в таблице.
Солнечная установка с концентратором покрыта прозрачным вакуумированным стеклопакетом
ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА Расчет геометрического коэффициента концентрации к
Таблица
Ш/г 3 4 5 6 7 8 9 10
Ыг 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
к 5,3 6,3 7,2 8,2 9,1 10,1 11,1 12,1
на основаниях и боковых стенках. Данный вид солнечной установки с концентратором может быть применен в качестве биореактора для культивации микроводорослей с последующей переработкой [3].
На рисунке 3 представлен солнечный модуль с четырьмя кольцеобразными полутороидальными отражателями, развернутыми навстречу друг другу.
Солнечный модуль с концентратором содержит четыре кольцеобразных полутороидальных зеркальных отражателя 1, 3, 10, 13, диаметры которых связаны с диаметром приемника 5А0 следующими соотношениями: А1 = 2А2 = 4А3 = 8А4 = 16А0. Четвертый зеркальный отражатель 13 развернут встречно третьему отражателю 10 и имеет общую с ним ось симметрии 12 и плоскость миделя 14. Поперечное сечение четвертого отражателя удалено от оси симметрии 12 на расстояние Я0 = А0 /4.
к =
А2 - А22 - А32 - £>4
"А
(3)
тельный отражатель 16 имеют общий дополнительный приемник 21, диаметр А0 = 2Я4, который связан с диаметрами дополнительных отражателей 16 и 18 соотношениями Д = 2А2 = 2А3 = 4А4 = 4А0 = 8А0.
Рис. 4. Продольное сечение солнечного модуля с 4 полутороидальными концентраторами
Геометрический коэффициент концентрации солнечного модуля для данного вида равен к = 12 и определяется по следующей формуле [4]:
к=
А2 - А2
Рис. 3. Продольное сечение солнечного модуля
Геометрический коэффициент концентрации солнечного модуля для данного вида равен к = 172 и определяется по следующей формуле [4]:
А02 +
А2 А0 2
(4)
Солнечный модуль с концентратором на рисунке 4 имеет четвертый дополнительный отражатель 18, который развернут встречно относительно третьего дополнительного отражателя 16 и имеет общий с отражателем 16 ось симметрии 20 и плоскость миделя 19. Радиус поперечного сечения четвертого дополнительного отражателя 18 удален от оси симметрии 19 на расстояние Я4. Четвертый дополнительный отражатель 18 и третий дополни-
Солнечный модуль с концентратором на рисунке 5 имеет дополнительный отражатель 22, который развернут встречно третьему отражателю 10 и имеет с ним одинаковый диаметр А3 = А4. В плоскости миделя 23 четвертого дополнительного отражателя 22 установлен дополнительный второй приемник 24, диаметр которого А0 равен двум диаметрам приемника третьего отражателя А0 = 2А3.
Принцип действия солнечной установки. Солнечное излучение поступает на первый полутороидальный зеркальный отражатель и после одного, двух или трех переотражений в других полутороидальных отражателях поступает на лицевую и тыльную поверхность 5 приемника излучения. Зеркальные оболочки 16 и 30 переотражают падающие
на них солнечные лучи на приемник солнечной радиации.
Рис. 5. Продольное сечение солнечного модуля с 4 полутороидальными концентраторами
Геометрический коэффициент концентрации солнечного модуля для данного вида концентратора определяется по следующей формуле [4]:
к =
А2 - Р2 2 Ап2
(5)
, 2п . 2п
к = — sm—.
(6)
Рис. 6. Солнечный модуль с концентратором: а) продольное сечение солнечного модуля; б) вид солнечной установки с концентратором в форме квадрата
Полуороидальный солнечный концентратор 1 выполнен из двенадцати зеркальных фацетных цилиндрических отражателей 12, установленных в форме полутороида вокруг оси симметрии 9. Приемник 4 выполнен в форме квадрата, сторона которого аз равна половине А2 окружности 13, описанной вокруг двенадцатиугольного концентратора 1.
Солнечный модуль с концентратором (рис. 6 а, б) состоит из фацетного цилиндрического полутороидального концентратора 1 с воспринимающей солнечное излучение плоскостью миделя 2. Концентратор 7 выполнен в форме квадрата из четырех фацетных цилиндрических отражателей 3. Приемник излучения 4 с лицевой 5 и тыльной 6 рабочей поверхностью установлен в плоскости миделя 2. В общем случае приемник 4 может быть выполнен в виде водяного или воздушного солнечного коллектора с двумя рабочими поверхностями 5 и 6. Приемник 4 выполнен в форме квадрата со стороной а. Стороны его параллельны сторонам концентратора 7, и длина а каждой стороны приемника 4 в два раза меньше длины стороны А концентратора 7. Диаметр d, описанный около приемника 4 окружности 7, в два раза меньше диаметра D окружности 8, описанной вокруг концентратора 1. Поперечное сечение каждого фацетного отражателя 1 имеет радиус г и удалено от центра симметрии отражателя 9 на расстоянии г = А/4. Центр симметрии 5 приемника 3 совпадает с центром симметрии 4 отражателя 1.
Геометрический коэффициент концентрации солнечного модуля для данного вида концентратора определяется по следующей формуле [5]:
Рис. 7. Солнечная установка с концентратором:
а) продольное сечение солнечного модуля;
б) вид солнечной установки с приемником
в форме квадрата
Геометрический коэффициент концентрации солнечного модуля для данного вида концентратора определяется по следующей формуле [5]:
4п п
к = — tg-. п п
(7)
Солнечная установка с концентратором (рис. 7 а, б) выполнена в форме квадрата из двенадцати фацетных полутороидальных цилиндрических отражателей, а приемник выполнен в виде квадрата.
Основным энергетическим показателем концентратора солнечного излучения является коэффициент (степень) концентрации, или концентрирующая способность к, которая определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучистого потока, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации последней на Солнце.
В общем случае система концентрации может быть определена как специальная оптическая система, предназначенная для улавливания и перераспределения в пространстве потока солнечного излучения с целью повышения его плотности до уровня, необходимого для дальнейшего эффективного использования.
К
п
Оптический КПД солнечной энергетической установки зависит от коэффициента отражения зеркальной поверхности полутороидального концентратора и качества его цилиндрической формы. В таблице представлены коэффициенты отражения для используемых в концентраторе материалов [4].
По критерию «Цена-качество» целесообразно использовать зеркальные отражатели из алюминия с оптическим КПД 0,8.. .0,9 при условии их надежной герметизации и защиты от воздействия окружающей среды.
В результате получено: чем выше коэффициент концентрации, тем больше падающей солнечной радиации полезно используется в качестве источника энергии, что ведет к увеличению эффективности солнечного модуля.
Выводы
1. Солнечные концентраторы позволяют увеличить плотность солнечной энергии и КПД солнечных установок и снизить стоимость установленной мощности за счет уменьшения площади преобразователя, что позволит более широко использовать солнечные энергетические установки. Показателями эффективности полутороидального концентратора солнечной энергии являются геометрический коэффициент концентрации и оптический КПД.
2. Рассмотрены семь основных принципиально разных по конструкции и функциональному значению солнечных энергоустановок с полутороидальными концентраторами. В результате применения полутороидальных концентраторов коэффициент концентрации солнечной энергии увеличился в диапазоне от 2 до 180 раз относительно солнечных
установок без применения концентраторов солнечной энергии. Оптимальным вариантом по соотношению эффективности и стоимости солнечной установки с полутороидальными концентраторами являются энергоустановки с коэффициентом концентрации, равным 5-8.
3. Многообразие солнечных установок с полутороидальными концентраторами позволяет использовать их в самых различных сферах: промыш-лености, ЖКХ и в сельском хозяйстве. Солнечные полутороидальные концентраторы могут быть использованы как для генерации тепловой, так и для электрической энергии. Одновременное получение электрической и тепловой энергии возможно в гибридных солнечных модулях.
Библиографический список
1. Солнечный модуль с концентратором (варианты): Патент РФ на изобретение №2282798 / Д.С. Стребков // БИ 2006.
2. Солнечный модуль с концентратором: Патент РФ на изобретение № 2396493 / Д.С. Стребков, М.Ю. Росс, Т.А. Ахмед, И.В. Митина // БИ 2010.
3. Митина И.В. Диссертация на соискания степени кандидата наук «Повышение эффективности солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами». ГНУ ВИЭСХ, 2009.
4. Солнечная установка с концентратором: Патент РФ на изобретение № 2338128 / Д.С. Стребков, И.В. Митина // БИ. 2008.
5. Солнечный модуль с концентратором: Патент на изобретение РФ №2311701 / Д.С. Стребков, М.С. Ерхов, А.И. Антоненко, Э.С. Иванчевская // БИ 2007.
Статья поступила 27.04.2016
studying solar power plants with semitoroidal concentrators
DMITRIY S. STREBKOV, DSc (Eng), Academician of the Russian Academy of Sciences, Professor1
E-mail: [email protected]
ALEKSANDR I. OREKHOV
E-mail: [email protected]
'All-Russian Scientific Research Institute for Agricultural Power Supply, 1st Vishnyakovsky pass., 2, Moscow, 109456, Russian Federation
2Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127550, Russian Federation
This paper considers the construction, electrical and optical characteristics of solar power installations with semitoroidal concentrators of solar radiation. The authors concentrate on hybrid solar modules designed for generating electricity and heat power. The considered devices operate by concentrating sunlight reflected from the surfaces of semitoroidal concentrators positioned opposite to each other. This type of concentrators allows
to increase the density of solar radiation reaching the receiver surface. The main indicators of the efficient use of solar power installations with semitoroidal concentrators are the coefficient of geometrical concentration k, optical efficiency and solar energy transformation efficiency of the receiver. The paper presents the figures and the methodology for determining the geometric concentration ratio for each type of solar semitoroidal concentrators. It has been found that the application of solar energy semitorroidal concentrators increases the solar energy concentration factor by 2 ... 180 times as compared with solar plants without solar energy concentrators. The best cost-efficiency option of a solar installation with semetorroidal concentrators can be power plants with a concentration factor of 5 ... 8.
Key words: solar power plants, semitoroidal concentrators, hybrid solar modules.
References
1. Solnechnyy modul' s kontsentratorom (varian-ty) [Solar modUle with a concentrator (options)]: RF patent for invention № 2282798 / DS Strebkov // BI, 2006.
2. Solnechnyy modul' s kontsentratorom [Solar module with a concentrator]: RF patent for invention № 2396493 / D.S. Strebkov, M.Yu .Ross, T.A. Akhmed, I.V. Mitin 2010 // BI, 2010.
3. Mitina I.V. PhD thesis "Povyshenie effektivnosti solnechnykh kollektorov s vakuumirovannymi stek-
lopaketami [Improving the efficiency of solar collectors with evacuated glass holders]". SSE All-Russian Institute for Farm Power Supply, 2009.
4. Solnechnaya ustanovka s kontsentratorom [Solar plant with a concentrator]: RF patent for invention number № 2338128 / D.S. Strebkov, I.V Mitin // BI, 2008.
5. Solnechnyy modul' s kontsentratorom [Solar module with a concentrator]: RF patent for the invention № 2311701 / D.S. Strebkov, M.S. Yerkhov, A.I. Antonenko, Ye.S. Ivanchevskaya // BI, 2007.
Received on April 27, 2016
УДК 542.61: 66.086.2 : 661.12
РУДОБАШТА СТАНИСЛАВ ПАВЛОВИЧ, докт. техн. наук, профессор1
E-mail: [email protected]
КАЗУБ ВАЛЕРИЙ ТИМОФЕЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор2
E-mail: [email protected]
КОШКАРОВА АННА ГЕННАДЬЕВНА, преподаватель2
E-mail: [email protected]
'Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация
2Пятигорскоий медико-фармацевтический институт - филиал ГБОУ ВПО ВолгГМУ Минздрав РФ, пр. Калинина, 11, Пятигорск, 357500, Российская Федерация
исследование кинетики экстрагирования сырья под воздействием импульсного поля высокой напряженности
Разработка научно-обоснованной, экологичной технологии интенсивного экстрагирования, снижающей вероятность появления металлических примесей в целевом продукте, имеет актуальное практическое значение. С этой целью в работе исследована кинетика водного экстрагирования биологически активных соединений из растительного сырья (водорастворимых веществ из софоры японской) импульсным электрическим полем высокой напряженности. Экспериментальные исследования кинетики экстрагирования биологически активных соединений из растительного сырья (водорастворимых веществ из софоры япон-
