СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С СИСТЕМОЙ УГЛОВЫХ ЖАЛЮЗИЙНЫХ ГЕЛИОСТАТОВ Текст научной статьи по специальности «Физика»

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

SOLAR ENERGY

УДК 621.383

СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С СИСТЕМОЙ УГЛОВЫХ ЖАЛЮЗИЙНЫХ ГЕЛИОСТАТОВ

Е.Г. Базарова

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

(ГНУ ВИЭСХ) 1-й Вешняковский проезд, д. 2, Москва, 109456, Россия e-mail: viesh.@dol.ru

Разработана конструкция солнечной энергетической установки со стационарным параболоцилиндрическим концентратором с системой угловых жалюзийных гелиостатов, расположенных на входной поверхности концентратора. Угловые жалюзийные гелиостаты выполнены из плоских зеркальных фацет, крылья пластин которых находятся под углом 120° друг к другу.

Действие солнечной установки обусловлено тем, что падающие солнечные лучи при малых значениях азимутального угла отражаются не только от концентратора, но и от угловых гелиостатов, поэтому на приемник концентрирующего модуля поступает дополнительная величина отраженной инсоляции.

SOLAR CONCENTRATOR POWER SYSTEM WITH ANGULAR JALOUSIE HELIOSTATS

E.G. Bazarova

The All-Russian Scientific Research Institute for Electrification of Agriculture (VIESH)

We developed stationary parabolic trough solar concentrator with jalousie heliostats of the angular form disposed on the surface of concentrator. Heliostate is made from mirror facets with two parts which are under an angle 120° to each other and are placed on the common frame. Operation of solar installation is based on reflecting direct solar radiation from angular heliostats on the concentrator for further direction of solar rays to photovoltaic receiver.

Место работы: Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ). Образование: аспирант.

Основной круг научных интересов: альтернативная энергетика. Количество публикаций: 15 публикаций в научных журналах, 2 патента РФ.

Елена Геннадьевна Базарова

Потенциальные возможности энергетики, основанной на использовании непосредственно солнечного излучения, чрезвычайно велики. Заметим, что использование всего лишь 0,0125 % этого количества энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5 % - полностью покрыть потребности на перспективу. Это на самом деле неисчерпаемый источник тепла и света, а с точки зрения экологии - безупречный, потому что не нарушает равновесия в природе. При использовании солнечной энергии не загрязняется атмосфера, нет такого шума, как от обычных электростанций. Однако у «солнечных технологий» есть и недостатки. Одним из наиболее серьез-

ных является низкая интенсивность солнечного излучения. Даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) годовой приход солнечной энергии на горизонтальную поверхность составляет - от 1280 до 1870 кВт-час на 1 м2. Кроме того, необходимо учитывать, что для эффективного использования солнечной энергии концентрирующие системы должны быть точно направлены на Солнце, что требует наличия в конструкции модуля систем слежения и охлаждения. Это влияет на надежность работы станции и усложняет эксплуатацию и обслуживание. В связи с этим для солнечной энергетической системы перспективно создавать модули со стационарными концентраторами, позволяющими

42

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (65) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

J

- .

■Irjl.

исключить системы слежения и концентрирующими не только излучение, идущее от Солнца, но и излучение, рассеянное околосолнечными участками неба в пределах апертурного угла а и «угла зрения» ю концентратора (рис. 1). Солнечные лучи, проходящие через концентрирующую систему, всегда ограничены размерами зеркальной поверхности концентратора, имеющего определенный апертурный угол, или угол раскрытия концентратора а, и влияющего на концентрацию солнечного излучения, чем меньше апертурный угол, тем выше коэффициент концентрации. При этом световой поток, попадающий на приемник концентрирующей системы под наименьшим углом 2ю, определяет поле зрения. Угол зрения 2ю называется «углом зрения».

Однако использование стационарных концентраторов ограничено либо из-за значительной неравномерности плотности сконцентрированного солнечного излучения на поверхности выхода, либо из-за низкой степени концентрации, либо из-за больших оптических потерь и невозможности работы с приемниками солнечной энергии с двусторонней рабочей поверхностью.

Рис. 1. «Угол зрения» т и апертурный угол а параболоцилиндрического концентратора

Fig. 1. «Sight of the corner» т and an aperture corner а of the concentrator

В ВИЭСХе на основе концентраторных модулей ведутся проработки солнечных энергетических систем, позволяющих повысить эффективность использования солнечной энергии и снизить стоимость получаемой электроэнергии и теплоты, также разрабатываются эффективные гелиотехнические устройства, встроенные в фасады и крыши зданий для обеспечения их электроэнергией, теплом, горячей водой.

Схема солнечной энергосистемы с использованием гелиостатов в виде линейных жалюзийных гелиостатов (ЛЖГ) предложена к. т.н. Э.В. Тверьянович и

д.т.н. Д.И. Тепляковым [1-3]. Недостатком этой конструкции является то, что ЛЖГ ориентированы на высотные углы Солнца, для ориентации на азимутные углы необходима система слежения, в стационарном режиме эффективность модуля является сезонной: наибольшая выработка весной и осенью, а в суточном режиме - только в полуденные часы.

Для увеличения времени работы стационарного концентратора, повышения суммарной выработки электроэнергии и упрощения конструкции солнечных энергосистем (СЭС) за счет исключения систем слежения мною предлагается использовать в фотоэлектрическом модуле системы угловых жалюзий-ных гелиостатов (УЖГ) (рис. 2) [4].

Рис. 2. Общий вид стационарного параболоцилиндрического концентратора с системой угловых жалюзийных гелиостатов Fig. 2. A general view stationary of the concentrator parabolocilindric with system angular jalousie heliostats

При использовании данной установки угловые гелиостаты могут ловить не только низкие высотные углы отражения Солнца как система с ЛЖГ, но и высокие азимутальные углы (вечерняя и утренняя инсоляция).

Угловые жалюзийные гелиостаты выполняются из плоских зеркальных фацет, крылья пластин которых находятся под углом друг к другу. Так как концентрация солнечного излучения происходит в пределах апертурного угла 8 по высоте, а по азимуту в диапазоне «угла зрения» стационарного концентратора ±30° от оси Юг (всего 60°), рассчитано, что оптимальный угол раскрытия между жалюзийными гелиостатами должен быть у = 120°, чтобы максимальное количество высотных углов попадало в «угол зрения» и апертурные углы концентратора.

Поскольку стационарный параболоцилиндриче-ский концентратор устанавливается на определенной широте ф, а УЖГ установлены под углом р к плоскости миделя, то угол наклона жалюзи р может изменяться так же, как и в солнечных модулях с системой линейных жалюзийных гелиостатов, т.е. в пределах

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (65) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008

от ц1 = 113,75°- ф до д2 = 66,25° - ф + 8. В первом случае ц1 - плоскость гелиостата направлена на положение Солнца 22 июня (летнее солнцестояние), во втором случае д2 - гелиостат направлен на положение Солнца 22 декабря (зимнее солнцестояние) (где 5 - склонение солнечных лучей) (рис. 3).

Расстояние между пластинами УЖГ

l = ö?(sin45 - Ymin),

(1)

где ё - высота крыла пластины УЖГ, утт - минимальная высота Солнца в определенный день.

падающие солнечные лучи не затеняются. При максимальном азимутальном угле солнечные лучи (Аь= 60°) проходят с востока (утром) или с запада (вечером) параллельно одному крылу УЖГ (2), угол между которыми у = 120°, и, отражаясь от гелиостата, попадают в «угол зрения» концентратора, соответственно лучи попадают на приемник концентратора (рис. 4).

Таким образом, изменив форму линейных жалю-зийных концентраторов и установив их под углом 120° друг к другу, мы увеличили «угол зрения» концентратора, и диапазон солнечных падающих лучей 30 < у < 60°, который для стационарно установленного концентратора являлся «мертвой» зоной, для концентратора с системой УЖГ является рабочей.

Рассчитаем использованную площадь миделя концентратора в зависимости от величины азимутального угла:

s1 = a(b - A tg у)

A tg y

(2)

где А и В - размеры концентратора, y - азимутальный угол от оси Юг.

Воспринимающая площадь концентратора с использованием угловых жалюзийных гелиостатов примет вид:

Рис. 3. Схема угловых жалюзийных гелиостатов: 1 - плоскость миделя концентратора, h - высота крыла жалюзи, l - расстояние между пластинами УЖГ, ф - географическая широта, ymin - максимальная полуденная высота в день зимнего солнцестояния Fig. 3. The circuit angular jalousie heliostats: 1 - plane of the concentrator, h - the height covered a Venetian blind, l - distance between plates AJH, ф - geographical breadth, ymin - the maximal midday height in day of a winter solstice

Так как концентратор установлен под углом, система жалюзийных гелиостатов образует террасу, поэтому

B2

S2 = AB-—!=■ 4л/3

A -

B

Y

2>/з

tg(- 30°

(3)

Так как азимутальные углы от у = 0 до 30° отображаются со знаком минус, хотя все они попадают в апертуру и «угол зрения» концентратора, в любом случае величина воспринимающей площади равна:

B2

* = AB - 4BS

(

A -

B

Y

2л/3

tg(30°-y). (4)

135° 150'

180°

210° 225°

Азимутальное склонение Солнца

Рис. 4. Распределение солнечной радиации в азимутальном направлении в параболоцилиндрическом концентраторе с использованием УЖГ Fig. 4. Distribution of solar radiation in an azimuthal direction in parabolocilindric the concentrator with use AJH

В таблице представлены используемые площади единичного концентратора с размерами A и B с системой угловых гелиостатов в зависимости от изменения азимутального угла у.

Таблица

Зависимость воспринимающей площади концентратора от изменения величины азимутального угла

Table

Receiving area of the concentrator as a function of azimuth angle variation

Y, ° 0 5 10 20 30 45 50 60

h, ° 58 58 57 56 55 51 49 45

S1, м2 100 95,6 91,2 81,2 71,1 - - -

S, м2 100 62 67,1 76,6 85,5 76,6 67,1 56,3

На рис. 5 представлен график зависимости воспринимающей площади от величины азимутального

100

90

угла у. Наглядно видно, что воспринимающая площадь концентратора с использованием угловых жа-люзийных гелиостатов с увеличением азимутального угла выше 30° повышается в сравнении с площадью концентрирующего модуля без УЖГ.

Из графика видно, что провал характеристики от 0 до 25° с лихвой окупается утренним и вечерним излучением.

В качестве приемника концентрирующего модуля могут быть использованы солнечные элементы с двусторонней фоточувствительностью, солнечные коллекторы для получения горячего теплоносителя, а также комбинированные модули на основе солнечных коллекторов с установленными на них солнечными элементами для выработки тепла и электричества.

В процессе работы разработана конструкция и изготовлен макетный образец угловых жалюзийных гелиостатов со стационарным концентратором с двусторонним фотоприемником в фокальной области (рис. 6).

В 80

£70 Ü 60

5 |50

tu В

$ У0

к а о к

§ ^30

s S

к 20

о "10

0

Г' \ • 1

\

^^^ Используемая площадь концентратора с системой ЛЖГ А Используемая площадь концентратора с ситемой -1 1 уТг 1—,—,—^

\

"""""

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Азимутальный угол у, °

45 50 55 60

Рис. 5. График зависимости площади концентрирующего модуля с системой линейных и угловых жалюзийных гелиостатов от величины азимутального угла Fig. 5. The diagram of dependence of the area of concentrating module with system of Linear and angular jalousie heliostats from size of an azimuthal corner

ShÜ

a

а б

Рис. 6. Макетные образцы линейных (а) и угловых (б) жалюзийных гелиостатов Fig. 6. Model samples of linear (a) and angular (b) jalousie heliostats

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (65) 2008 © Научно-технический центр «TATA», 2008

Экспериментальные данные и теоретические расчеты показали, что в результате использования предлагаемого солнечного модуля с системой угловых жалюзийных гелиостатов увеличивается режим работы концентратора в суточном режиме и выработка энергии будет увеличена в утренние и вечерние часы (рис. 7).

Рис. 7. График зависимости площади концентрирующего модуля с системой угловых жалюзийных гелиостатов от

величины часового угла Fig. 7. The diagram of dependence of the area of concentrating module with system Angular jalousie heliostats from size of a hour corner

На основе теоретических расчетов составлен график зависимостей воспринимающей площади от величины часового угла у.

Линия 1 - зависимость от часового угла без использования жалюзийных гелиостатов в реальном режиме работы концентрирующего модуля.

Линия 2 - график зависимости от часового угла без УЖГ без учета негативных факторов.

Линия 3 - зависимость используемой площади от часового угла с использованием УЖГ согласно теоретическим расчетам.

Линия 4 - график зависимости от часового угла с использованием УЖГ в реальном режиме работы концентрирующего модуля.

Предлагаемое устройство может быть реализовано как в системах комбинированного тепло- и электроснабжения, так и в качестве самостоятельного автономного устройства для выработки тепловой или электроэнергии. В результате использования угловых жалюзийных гелиостатов среднегодовая выработка энергии будет увеличена на 30 %, что позволит снизить стоимость выработки электроэнергии.

Список литературы

1. Тепляков Д.И., Тверьянович Э.В. Линейные жа-люзийные гелиостаты СЭС: косинусные и межжалю-зийные эффекты //Гелиотехника. 1993. № 4. С. 54-58.

2. Тепляков Д.И., Тверьянович Э.В. Линейные жалюзийные гелиостаты СЭС: потери радиации //Гелиотехника. 1993. № 5. С. 54-57.

3. Тепляков Д.И., Тверьянович Э.В. Линейные жалюзийные гелиостаты СЭС: потери выработки энергии //Гелиотехника. 1993. № 6. С. 63-70.

4. Положительное решение о выдаче патента на изобретение «Солнечная энергетическая установка (варианты)», заявка № 20061092114/06(010020) от 24.03.2006.

ГХ"> -TATA —

UXJ

46

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (65) 2008

© Scientific Technical Centre «TATA», 2008

ISJ>

LrJI