CC BY
107
1.9. ОПТИКО-ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОНОМНЫХ СОЛНЕЧНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ ОПРЕДЕЛЕННОГО УЧАСТКА ВНУТРИ ЗДАНИЯ
Ахадов Жобир Замирович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник института Материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан и Международный институт Солнечной энергии. E-mail: ahadovj@mail.ru
Абдурахманов Абдужаббар Абдурахманович, д-р техн. наук, зав. лаборатории Большие Солнечные Установки института Материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан. E-mail: aabdujabbar46@mail.ru
Маматкосимов Мирзасултaн Абдурахимович, канд. техн. наук, институт Материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан. E-mail: mirzasul@mail.ru
Кучкаров Акмалжон Ахмадалиевич, младший научный сотрудник института Материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан. E-mail: ims-79@mail.ru
Холов Шариф Рузиматович, младший научный сотрудник института Материаловедения НПО «Физика-Солнце» Академия Наук Республики Узбекистан.
Аннотация: В работе приведены оптико-геометрические и оптико-энергетические характеристики гелиоустановки для освещения подземного помещения естественными лучами Солнца. Установка имеет автономную систему слежения за траекторией Солнца, благодаря чему обеспечивается непрерывный поток солнечных лучей внутри подземного помещения.
Ключевые слова: солнечная энергетическая установка, солнечная радиация, оптико-геометрические и оптико-энергетические характеристики, автоматическая система слежения, солнечная энергия.
1.9. OPTICAL-GEOMETRIC AND OPTICAL-ENERGY CHARACTERISTICS OF INDEPENDENT SOLAR INSTALLATIONS FOR LIGHTING A SPECIFIC
AREA WITHIN A BUILDING
Akhadov Jobir Zamirovich, PhD, Senior research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan and International Solar Energy Institute. E-mail: ahadovj@mail.ru
Abdurahmanov Abdujabbar Abdurakhmanovich, Professor, Head of Laboratory of Big Solar Furnace Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan. E-mail: aabdujab-bar46@mail.ru
Mamatkasimov Mirzasultan Abdurahimovich, candidate of technical Sciences, Institute of materials science, «Physics-Sun». Uzbekistan Academy of sciences. E-mail: mirzasul@mail.ru
Kuchkarov Akmaljon Axmadaliyevich, research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan. E-mail: ims-79@mail.ru
Xolov Sharif Ruzimatovich, young research of the Institute of Material Sciences, SPA «Physics-Sun» Academy of Science of Uzbekistan
Abstract: The paper presents optical-geometric and optical-energy characteristics of solar power systems for lighting the underground premises with natural sunlight. Installation has stand-alone system for tracking the trajectory of the sun, thereby providing a continuous stream of sunlight inside the underground room.
Index terms: Solar Power Installation, solar radiation, optical-geometric and optical-energy characteristics, Automatic System of Tracking, Solar Energy.
Технологии применения солнечной энергии в народном хозяйстве и в быту весьма актуальны не только с точки зрения энергоснаб-
жения, но и с точки зрения здоровья челове-ка.Естественные солнечные лучи не только освещают, но и нагревают внутренности по-
мещений, а также создают комфорт при работе. Известно, что 80% информации, что принимает человек, приходится на зрительный канал. При этом, качество получаемой информации во многом зависит от освещенности среды.
Данная работа посвящена разработке и созданию гелиоустановки для освещения подземных помещений. Для этого нами использованы гелиостат с системой слежения за траекторией Солнца и три отражающие зеркала. Создание такой системы включало следующие задачи: расчет оптико-геометрических параметров системы; разработка конструкторской документации и изготовление устройства системы.
Гелиостат представляет составной панель из 42 зеркал размерами 40х40х0,6 см с тыльным алюминиевым напылением с коэффициентом отражения 0.75. Зеркала устанавливаются на плоскую несущую основу гелиостата, образовывая одну цельную светоотражающую зеркальную поверхность [1]. Выставление фацет в требуемое пространственное положение на несущей основе - юстировка, производится при помощи регулировочных винтов по специальной методике [2].
Несущая ферма гелиостата установлена на две вертикальные опоры на подшипники, позволяющие поворачивать ферму по углу места до 40о. Опоры смонтированы на поворотном устройстве, позволяющем вращать ферму вокруг вертикальной оси, т.е. по азимуту, на угол +60о. Зеркало концентратора приводится в движение в двух плоскостях - по углу места и азимуту исполнительными механизмами через редукторы.
Метеорологические условия для работы гелиоустановки: солнечная радиация 300 Вт/м2 и высшее; скорость ветра от 0 до 25 м/сек; температура воздуха от -25 до 45оС.
Для автоматического слежения за Солнцем гелиостат оснащен разработанной нами системой слежения [3]. Гелиостат направляет лучи Солнца на зеркальную поверхность второго стационарного отражателя. Схема освещения подземного помещения солнечными лучами показана на рис.1.
Рис.1. Схема передачи световой энергии с помощью зеркал в освещаемые помещения. А1 - фокусирующий гелиостат, А2-А3-А4 - отражающие зеркала, К - комната, Э - диффузный рассеиватель.
Как показывает анализ освещение определенного участка внутри здания в строго определенное время можно осуществить с помощью фокусирующего гелиостата с дополнительными поворотными зеркалами (см. рис.1).
Оптическая схема системы освещения определенного участка здания с помощью естественного лучистого потока от Солнца приведена на рис.1. Система включает четыре зеркала (А1, А2, А3,А4), которые направляет солнечные лучи во внутрь помещения. Разработанная солнечная концентратор на базе гелиостата площадью 6,72 м2 установлен на высоте 10 м от поверхности земли (см. рис.1) и автоматически двигается по траектории Солнца с утра до вечера направляя солнечных лучей в подземную комнату через тремя отражателями который установлены в разных расстояниях. Первый отражатель площадью 2,25 м2 установлено под углом 45о на высоте 10 м от поверхности земли и направляет концентрированные лучи на вторую зеркала установленной в глубине яму под углом 45о. Второй и третий отражатели размером 1 м установлены в яме поперечной площадью 1,20 м2 и глубиной 5 м, через которой поступают концентрированные солнечные лучи на потолок. С учетом этих параметров, проводим простой расчет мощности лучистого потока внутри подземного помещения:
Е = Е0 • ^ • Я • Кс (1)
Е0 - плотность прямого потока солнечной радиации, Бг - площадь гелиостата, И - коэффициенты отражения зеркал, Кс - коэффициенты пропускания стекла.
С учетом данных получим
E = 800 • 6.72 • (0.75 • 0.75 • 0.9 • 0.9) • (0.82 • 0.82) = 1647,0 Вт
Мощность и освещенность внутри комнаты прямо пропорционально зависит от плотности прямого потока солнечного излучения. Для оценки производительности освещения подземного помещения в течение дня в различные времена года, приведены актинометри-ческие данные (см. рис. 2) [4]. Результаты ак-тинометрических измерений показывают, что в течении дня такую солнечную установку для освещения комнаты можно использовать с 8:00 утра до 17:00 вечера. Остальные времена суток (вечером, облачной погоде) используется искусственные осветители.
14.03.2013 г.
14 ПЧ 5(11 Ч г
30.0S.2013 г.
3:30 10:10 11:50 13:30 15:10 16:50 18:30 Время, час
Рис.2. Прямая солнечная радиация в течения дня в различные времена года для Ташкентской области Узбекистана.
Из за многократности отражения от отдельных зеркал А1,А2,А3,А4 в нашем случае коэффициент отражения из-за тыльного напыления отражающего слоя составляет в среднем
^бщRз* К4=0.7*0.7*0.7*0.7=0.24.
Поэтому оптические параметра (ОП) гелиостата следящий за Солнцем изготавливается из отдельных фацет размером 0.4х0.4м. Размер гелиостата или площадь гелиостата составляет величину Б=а*Ь=2.4м*2,8м=6.72м2.
Что бы компактно не уменьшая плотность солнечного излучения воспользуемся возможностью фокусировки отдельных фацет на необходимо расстояние ибщ=и+12+13+Ц=18м+15м+4.3м+0=37.3 м. Последние расстояние выбрано равным Ц=0 из-за того что входящие солнечные лучи в комнату можно осуществляет в расходующим варианте.
Тогда учитывая коэффициенты зеркального отражения и обще число фацет первого гелиостата в количества 42 шт в комнате войдем плотность энергии в Солнца в первом приближении Ек=Ес*С*Кобщ, где С=42, Кобщ=0.24, Ес - поступающая от Солнца плотность лучистой энергии тогда Ек=Ес*42*0.24=10.08 Ес. (2)
Это может оказаться много из за неблагоприятных условий работы зеркал А2 и А3, поэтому площадь выхода лучей в комнату взять равным 5=1х1м то есть концентрацию можно осуществлять для размерности 1м2 всемеро 0.4мх0.4м=0.16м2 того концентрация входящих лучей ориентировочно можно считать равным:
С=52*5вх*К3, С=2.4м*2.8м*1х1м*0.24=1.6 крат. (3) Расчет размеров зеркал с учетом расширения пучка солнечного излучения поступающего для А2,А3 и А4 определяется следующим образом из уравнений пропорции:
L.
'общ
_ L2 + L3 + h1 _ (15 + 4.3) *1.4 _
*2 (L2 + L3)
L
общ
37.3
= 0.72,
И2 = С2 + х22, из за угла а=45 , С =х2,
И = х2л/2 = 0,32*1,413 = 0,88см
Расширение пучка из за углового размера Солнца составляет величину
р= |_1^у=18*0.00465=0.08м.
(4)
Рис.3. Фотографий гелиоустановки на месте локации.
Отметим, что за счет рассеивателя возможно создание различных световых эффектов. Размеры гелиостата составляет 2.8х2.4м, что при солнечной радиации 800 Вт/м2 давало в отраженном от гелиостата солнечный поток 3500 Вт, а после трех отражений в комнату поступало 1147 Вт солнечной энергии или 53300лм. Для обеспечения такого потока необходимы лампы накаливания мощностью около 5000Вт, а газоразрядных (энергосбере-
гающие лампы) около 620Вт. Можно отметить, что спектр энергосберегающих ламп достаточно узок и не обеспечивает полностью комфортного освещения.
Для непрерывной, точной работы установки применена, разработанная нами автоматическая система слежения гелиостата за дневной траекторией Солнца (см. рис.4). Датчик разработан на основе фотодиодов ФД-256 [3].
Рис.4. Фотография гелиостата с автоматической системой управления.
Разработанная нами система управления гелиостата тестирована на базе бизеркальной малой солнечной печи с тепловой мощностью 1,5 кВт и 20 кВт. Эксперименты показали высокую точность слежения гелиостата за видимой траекторией Солнца. Линейное отклонения центра пятна от фокальной точки в динамике
составляет всего несколько мм, что соответствует 30-80 угл. секундам. Полученные результаты показывают, что автоматическую систему управления такой точностью можно использовать не только для высокотемпературных солнечных печей, но и для установок подземного освещения.
Выводы:
Разработанная и созданная нами гелиоустановка успешно внедрена в целях солнечного освещения концертного зала в селе Хумсан Ташкентской области Бустанликского района.
Выявлено, что в фокусирующего гелиостата площадью 6,72 м2 концентрация входящих лучей ориентировочно можно считать равным С=1.6 крат. Расширение пучка из за углового размера Солнца составляет величину р= 0.08м.
На основе фокусирующего гелиостата площадью 6,72 м2, при солнечной радиации 800 Вт/м2 после трех отражений в комнату поступает 1147 Вт солнечной энергии или 53300лм. Для обеспечения такого потока необходимы лампы накаливания мощностью около 5000Вт, а газоразрядных (энергосберегающие лампы) около 620Вт.
Разработана и проведена испытания автоматическая система слежения гелиостата за траекторией Солнца, которое результаты показали, что точность слежения составляет 3080 угл.сек.
Список литературы:
1. Ж.З. Ахадов, А.А. Абдурахманов, А.А. Кучкаров. Разработка и внедрение отражающего гелиостата для освещения подземных помещений солнечными лучами. Гелиотехника 2014. № 2. С. 70-72.
2.А.А. Абдурахманов, Н.Н. Кулахмедов, Ю.Б. Собиров, А.А. Кучкаров. Юстировка фацет гелиостатов и концентратора Большой Солнечной Печи. Научно-технический журнал Ферганского политехнического Института. 2012 г. №4. С.60-63.
3. Ж.З. Ахадов, С.А. Орлов, А.А. Кучкоров, Ф.Т. Саидга-ниев Разработка система слежения и управления ориентацией автономных концентраторов солнечного излучения. Гелиотехника 2013. № 1 С.68-71.
4. А.А. Абдурахманов, Ю.Б. Собиров, М.С. Пайзуллахо-нов, С.А. Орлов. Результаты актинометрических измерений в месте расположения БСП с тепловой мощностью 1000 кВт. Гелиотехника 2012. №3. С.92-96.
РЕЦЕНЗИЯ
на статью Ж.З. Ахадова, А.А. Абдурахманова, М.А.
Маматкосимова, А.А. Кучкарова, Ш.Р. Холова «Оптико-геометрические и оптико-энергетические характеристики автономных солнечных установок для освещения определенного участка внутри здания».
В статье приведены оптико-геометрические и оптико-энергетические характеристики гелиоустановки для освещения подземного помещения естественными лучами Солнца. Установка имеет автономную систему слежения за траекторией Солнца, благодаря чему обеспечивается непрерывный поток солнечных лучей внутри подземного помещения.
Данная работа посвящена разработке и созданию гелиоустановки для освещения подземных помещений. Для этого использованы гелиостат с системой слежения за траекторией Солнца и три отражающих зеркала. Создание такой системы включало следующие задачи: расчет оптико-геометрических параметров системы; разработка конструкторской документации и изготовление устройства системы. Проведены расчет мощности лучистого потока внутри подземного помещения, концентрация входящих лучей, определены размеры зеркал с учетом расширения пучка солнечного излучения.
Для оценки производительности освещения подземного помещения в течение дня в различные времена года, приведены актинометрические данные. Результаты актинометрических измерений показывают, что в течение дня такую солнечную установку для освещения комнаты можно использовать с 8:00 утра до 17:00 вечера. Остальные времена суток (вечером, облачной погоде) используется искусственные осветители.
Для непрерывной, точной работы установки применена, разработанная авторами автоматическая система слежения гелиостата за дневной траекторией Солнца.
Разработанная и созданная гелиоустановка успешно внедрена в целях солнечного освещения концертного зала в селе Хумсан Ташкентской области Бустанликского района.
Выявлено, что в фокусирующего гелиостата площадью 6,72 м2 концентрация входящих лучей ориентировочно можно считать равным С=1.6 крат. Расширение пучка из-за углового размера Солнца составляет величину р= 0.08м.
На основе фокусирующего гелиостата площадью 6,72 м2, при солнечной радиации 800 Вт/м2 после трех отражений в комнату поступает 1147 Вт солнечной энергии или 53300 лм.
Работа выполнена на высоком научно-техническом уровне и может быть опубликована в открытой печати.
Рецензент, д-р техн. наук
Рахимов Р. Х.
