CC BY
42
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
1
УДК621.47:662.997:662.99:771.449.2
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОГЛОЩЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПРИЕМНИКА СИСТЕМЫ АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Г азалов Владимир Сергеевич ведущий научный сотрудник отдела электроэнергетики
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Северо-Кавказский научноисследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ФГБНУ СКНИИМЭСХ),
д-р техн. наук, профессор кафедры энергетики Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУВПО ДГАУ в г.Зернограде, Зерноград, Россия
Брагинец Андрей Валерьевич
аспирант, младший научный сотрудник научный
сотрудник отдела электроэнергетики
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Северо-Кавказский научноисследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ФГБНУ СКНИИМЭСХ), Зерноград, Россия
Разработаны солнечные коллекторы гелиоводонагревателя с разветвленной поверхностью. Выполнена энергетическая оценка конструкции гелиоустановки, повышения эффективности ее работы за счет многократных отражений потоков солнечного излучения
Ключевые слова: СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ, ГЕЛИОВОДОНАГРЕВ, ГЕЛИОРАДИАЦИЯ, ГЕЛИОТЕХНИКА. МНОГОКРАТНЫЕ ОТРАЖЕНИЯ
UDC 621.47:662.997:662.99:771.449.2
A MATHEMATICAL MODEL OF OPTICAL ENERGY ABSORPTION WITH RAMIFIED SURFACE OF THE DETECTOR OF THE SYSTEM OF AUTONOMOUS POWER HEATING SUPPLY OF AGRICULTURAL PRODUCTION
Gazalov Vladimir Sergeyevich senior researcher
Federal State financed scientific institution North Caucasus scientific- research institute of mechanization and electrification of agriculture (FSBSINCSRIMEA
Dr.Sci.Tech., professor of the Energy department
Azov-Black sea engineering Institute FSBEI DSAU in Zernograd, Zernograd, Russia
Braginets Andrey Valeryevich postgraduate student, junior researcher
Federal State financed scientific institution North Caucasus scientific- research institute of mechanization and electrification of agriculture (FSBSI NCSRIMEA), Zernograd, Russia
Solar collectors of helio-water heater with ramified surface were developed. We have also made an energy estimation of a helio-unit construction and enhancement of efficiency of its work due to multiple reflections of solar fluxes
Keywords: SOLAR COLLECTORS, HELIO-WATER HEATING, HELIO-RADIATION, HELIOTECHNICS, MULTIPLE REFLECTIONS
Большая протяженность линий электропередач, характерная для сельскохозяйственного производства, увеличение тарифов на
электроэнергию, отсутствие у удаленных сельскохозяйственных
потребителей централизованного энергоснабжения, экологические требования делают актуальным преобразование энергии солнечного излучения в тепловую адаптированными устройствами к
сельскохозяйственным технологическим операциям [5].
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/017.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
2
В свете изложенного, значительно возрос мировой интерес к освоению возобновляемых источников энергии, прежде всего Солнца, ветра и биотоплива. Эти виды энергии доступны и имеют значительный потенциал на большей территории Земли, по крайней мере, в заселенных районах.
Возобновляемые источники энергии по определению не подвержены истощению, следовательно, способны полностью решить проблему истощения энергетических ресурсов. Возобновляемые источники энергии находятся в среде обитания человека в естественном состоянии, следовательно, их можно использовать, не нанося экологического урона.
Однако практическое использование таких привлекательных источников энергии имеет свои, причем, весьма значительные, трудности, связанные с неуправляемостью и низкой плотностью энергетических потоков. Это в свою очередь порождает высокую стоимость используемой энергии. В этой связи, возобновляемые источники энергии пока находят применение преимущественно в автономных системах энергоснабжения небольшой мощности, хотя существуют и успешно реализуются проекты их использования в сетевом энергоснабжении в качестве дублирующих и разгрузочных энергостанций.
Значительное число потенциальных пользователей автономными гелиоустановками находится в сельском секторе экономики [1-4].
Повышение эффективности преобразования солнечного излучения в коллекторе инновационной энергосберегающей системы автономного энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий южных регионов России на базе гелио- и фотоэлектрических модулей предлагается путем использования многократного долевого поглощения солнечного излучения за счет разветвленной поверхности коллектора [6].
При попадании излучения на поверхность солнечного коллектора возникает многократное отражение между множеством ребер специальной
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/017.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
3
формы (рисунок 1), причем одновременно с этим происходят
многократные отражения между отдельными элементами каждых из «п» плоскостей.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/017.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
4
Рисунок 1 - Оребренная поверхность солнечного коллектора как объект с многократными отражениями
Потоки излучения, установившиеся в результате многократных отражений на каждой из сторон оребренной поверхности коллектора, равны сумме потоков излучения, поступивших извне и от каждой
взаимодействующей поверхности коллектора в gг- (gг- - коэффициент многократного отражения) раз за счет многократных отражений на самой поверхности коллектора:
' F і = g Л F / + р 2 F 2 Y 21 + ... + Р nFnYn,);
< F 2 = g 2 ( р1 F 1 Y 12 + F 2 + ... + Р nF nY n 2 ); (1)
^ F n = g n ( Р 1 F 1 Y 1 n + Р 2 F 2 Y 2 n + ... + F П ),
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/017.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
5
где Уу - коэффициент многократного отражения ф-й поверхности коллектора;
Р у - коэффициент отражения ф-й поверхности коллектора;
^ /
тф - световой поток, первоначально упавший на ф-ю поверхность коллектора;
Бф - световой поток, установившийся на ф-й поверхности коллектора в результате многократных отражений;
Уфі- коэффициент использования ф-й поверхности коллектора относительно і-й.
Для решения полученной системы уравнений преобразуем ее, перенеся все свободные члены в левую часть:
У і F і
F
У 1 Р 2 F 2 Y
У Р F Y ■
/ 1 Г n n n 1 ?
У 2 F 2 = - У 2 Р1 Y12 F1 + F 2 - У 2 Рз Y 32 F 3 - ... - У 2 Р nY п 2 Fn '; (2)
gnFn! = -Уп РЛ nF1 - Уп Р 2 Y 2 nF1 - ... - Уп Рп-1Y( n-1) nFn-1 + Fn .
Приняв обозначение , = Уу Р U , у , составим выражение
определителя системы уравнений:
1 - b12 - b13 .. - fir,
- Ь 12 + 1 - Ь 23 - Ь
R
2 n
- b1 n - b n 2 - b n 3... - b
n ( n - 1 )
+ 1
(3)
Следовательно, поток излучения, установившийся в результате многократных отражений на ф-й поверхности коллектора, равен:
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/017.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
6
F = — j R
1 - b—2- - bi( j-1) + gF— - bi(j+1)... - bi„
- b 21 + 1... - b 2( j -1) + g 2 F 2 - b 2( j +1) .. - b
b n 2 b n 2 ... b n ( j - 1) + g n F n b n ( j + 1) ... 1
n ( j + 1)
(4)
Коэффициент использования определяют, интегрируя второе уравнение Ламберта по излучающей и освещаемой поверхностям:
U . = —
j pS
„ cos W cos W
Я ---------s JS
JJ j 2 j
s j s , L
1 ?
(5)
так как полный световой поток ф-й равнояркой поверхности коллектора
j
равен pS j l, .
Теоретические исследования подтверждаются экспериментальными исследованиями фрагментов инновационной энергосберегающей системы автономного энергоснабжения крестьянских и фермерских хозяйств на базе гелиомодулей (рисунок 2).
Из графика видно, что в первом опыте (плоская воспринимающая поверхность) часть солнечного излучения отражается и теряется в окружающую среду.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/017.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
7
Рисунок 2 - Зависимости температуры воды от времени нагрева при разных поверхностях солнечного коллектора
Во втором опыте (разветвленная поверхность, создающая
многократные отражения) при угле падения солнечных лучей в 90° происходит более интенсивный на 17 % нагрев.
ЛИТЕРАТУРА
1. Газалов В.С. Всесезонный электрогелиоводоподогреватель для
сельскохозяйственных потребителей/ В.С. Газалов, Е.Ю. Абеленцев// Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2011. - №8. - С.28-29
2. Газалов В.С. Параметры и режимы работы солнечного коллектора всесезонного электрогелиоводоподогрева для сельскохозяйственных потребителей/ В.С. Газалов, А.В. Брагинец// Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы 6-й Междунар. науч.-практ. конференции в рамках 16-й Междунар. агропромышленной выставки «Интерагромаш-2013» (г. Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо», 26 февраля - 1 марта 2013 г.). - Ростов н/Д: Донской ГТУ, 2013. - С.441-444.
3. Газалов В.С. Энергосберегающий всесезонный электрогелиоводонагреватель
для сельскохозяйственных потребителей/ В.С. Газалов, Е.Ю. Абеленцев, А.В. Брагинец // Инновационные пути развития агропромышленного комплекса: задачи и
перспективы: донская агропромышленная науч.-практ. конф. посвященная 75-летию
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/017.pdf
Научный журнал КубГАУ, №102(08), 2014 года
8
Ростовской области (24-26 октября 2012г., г. Зерноград Ростовская обл., ФГБОУ ВПО АЧГАА). - Зерноград, 2012. - С.143-147.
4. Стребков, Д.С. Концентраторы солнечного излучения / Д.С. Стребков, Э.В. Тверьянович; Под ред. Д.С. Стребкова. - Москва: ГНУ ВИЭСХ, 2007. -316 с.
5. Амерханов, Р.А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии / Р.А. Амерханов. -Москва: Колос-Пресс, 2003. - 532 с.
6. Пахомов В.И. Повышение эффективности поглощения энергии солнечного излучения поверхностью солнечного коллектора как объектом с многократными отражениями/ В.И. Пахомов, В.С. Газалов, А.В. Брагинец // Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий: сб. науч. докладов Междунар. науч.-техн. конференции ’’Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий” (г. Москва, ФГБНУ ВИМ, 17-18 сентября 2014 г.). - М: ФГБНУ ВИМ, 2014. - С.372-376.
REFERENCES
1. Gazalov V.S. Vsesezonnyj jelektrogeliovodopodogrevatel' dlja sel'skohozjajstvennyh potrebitelej/ V.S. Gazalov, E.Ju. Abelencev// Mehanizacija i jelektrifikacija sel'skogo hozjajstva. - 2011. - №8. - S.28-29
2. Gazalov V.S. Parametry i rezhimy raboty solnechnogo kollektora vsesezonnogo jelektrogeliovodopodogreva dlja sel'skohozjajstvennyh potrebitelej/ V.S. Gazalov, A.V. Braginec// Sostojanie i perspektivy razvitija sel'skohozjajstvennogo mashinostroenija: materialy 6-j Mezhdunar. nauch.-prakt. konferencii v ramkah 16-j Mezhdunar. agropromyshlennoj vystavki «Interagromash-2013» (g. Rostov-na-Donu, VC «VertolJekspo», 26 fevralja - 1 marta 2013 g.). - Rostov n/D: Donskoj GTU, 2013. - S.441-444.
3. Gazalov V.S. Jenergosberegajushhij vsesezonnyj jelektrogeliovodonagrevatel' dlja sel'skohozjajstvennyh potrebitelej/ V.S. Gazalov, E.Ju. Abelencev, A.V. Braginec // Innovacionnye puti razvitija agropromyshlennogo kompleksa: zadachi i perspektivy: donskaja agropromyshlennaja nauch.-prakt. konf. posvjashhennaja 75-letiju Rostovskoj oblasti (24-26 oktjabrja 2012g., g. Zernograd Rostovskaja obl., FGBOU VPO AChGAA). - Zernograd, 2012. - S.143-147.
4. Strebkov, D.S. Koncentratory solnechnogo izluchenija / D.S. Strebkov, Je.V. Tver'janovich; Pod red. D.S. Strebkova. - Moskva: GNU VIJeSH, 2007. -316 s.
5. Amerhanov, R.A. Optimizacija sel'skohozjajstvennyh jenergeticheskih ustanovok s ispol'zovaniem vozobnovljaemyh vidov jenergii / R.A. Amerhanov. - Moskva: Kolos-Press, 2003. - 532 s.
6. Pahomov V.I. Povyshenie jeffektivnosti pogloshhenija jenergii solnechnogo izluchenija poverhnost'ju solnechnogo kollektora kak ob#ektom s mnogokratnymi otrazhenijami/ V.I. Pahomov, V.S. Gazalov, A.V. Braginec // Innovacionnoe razvitie APK Rossii na baze intellektual'nyh mashinnyh tehnologij: sb. nauch. dokladov Mezhdunar. nauch.-tehn. konferencii ’Innovacionnoe razvitie APK Rossii na baze intellektual'nyh mashinnyh tehnologij” (g. Moskva, FGBNU VIM, 17-18 sentjabrja 2014 g.). - M.:FGBNU VIM, 2014. - S.372-376.
http://ej.kubagro.ru/2014/08/pdf/017.pdf
