CC BY
34
УДК 621.311.243
О.В. АНДРОНОВА, ВВ. КУРАК
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
СОНЯЧНА П1Ч НА ОСНОВ1 ПАРАБОЛО1ДНОГО КОНЦЕНТРАТОРА
Розроблено сонячну ni4 з параболо'1'дним рефлектором. Теоретично та експериментально до^джено параметри концентратора сонячно'1 енерги та сонячно'1 пе4Í на його основi. Показано, що сонячна ni4 з параболо'1'дним рефлектором в клШатичних умовах пiвдня Украши мае параметри не гiршi, нiж у аналогiв, що використовуються в кра'шах тропiчного i субтротчного пояав. Наведено оцiнки економИ традицшного палива при експлуатацИ сонячно'1 пе4i за сезон з травня по вересень.
Ключовi слова: сонячна пiч, параболо'1'дний рефлектор, концентратор, сонячна радiацiя.
Е.В. АНДРОНОВА, В.В. КУРАК
Херсонский национальный технический университет
СОЛНЕЧНАЯ ПЕЧЬ НА ОСНОВЕ ПАРАБОЛОИДНОГО КОНЦЕНТРАТОРА
Разработана солнечная печь с параболоидным рефлектором. Теоретически и экспериментально исследованы параметры концентратора солнечной энергии и солнечной печи на его основе. Показано, что солнечная печь с параболоидным рефлектором в климатических условиях юга Украины имеет параметры не хуже аналогов, используемых в странах тропического и субтропического поясов. Представлены оценки экономии традиционного топлива при эксплуатации солнечной печи в течение сезона с мая по сентябрь.
Ключевые слова: солнечная печь, параболоидный рефлектор, концентратор, солнечная радиация.
E.V. ANDRONOVA, V.V. KURAK
Kherson National Technical University
SOLAR COOKER BASED ON THE PARABOLIC CONCENTRATOR
The solar cooker with a parabolic reflector is developed. Theoretical and experimental investigations of concentrator and solar cooker parameters are carried out. It is shown, that in climatic conditions of the south of Ukraine the solar cooker with a parabolic reflector has parameters comparable with analogues used in the countries of tropical and subtropical zones. Estimation data on traditional fuel economy for the solar cooker operation period from May to September are pointed out.
Keywords: solar cooker, parabolic reflector, concentrator, solar radiation.
Постановка проблеми
Останшм часом на фош тдвищення вартосп традицшних енергоносив спостертаеться стшка тенденция до зниження соб1вартосп „зелено!" енерги, яку отримують вщ поновлюваних джерел, що зумовлюе зростання темтв впровадження установок нетрадицшно! енергетики.
Одним 3Í шлях1в зменшення соб1вартост1 енерги, отримано! шляхом перетворення сонячного випром1нювання, е застосування оптичних концентратор1в. Так, у випадку теплового перетворення сонячно! енерги, використання концентратор1в дозволяе шдвищити температуру робочого тша i тим самим збшьшити термодинамiчний к.к.д. В разi фотоелектричного перетворення сонячного випромiнювання застосування концентраторiв дозволяе не пльки пвдвищити ефектившсть, але й знизити вартють установки за рахунок зменшення площi сонячних елеменлв [1].
Застосування концентраторiв поширене переважно на потужних сонячних теплових та електричних станцiях. В той же час установки мало! потужносп зазвичай працюють з неконцентрованим сонячним випромшюванням, хоча е перспективи використання концентраторiв i для побутових перетворювачiв, зокрема в сонячних печах [2].
Аналiз останшх досл1джень i публшацш
Сонячна пiч являе собою параболовдний рефлектор i пiдставку для посуду, розташовану у фокусi печi. Параболо!д вiдноситься до високопотенцiйних концентраторiв зi ступенем концентрацй' вище 104 крат, що дае можливють досягнення високих температур у фокальнiй площинi. 1деальний параболо!дний концентратор фокусуе паралельний пучок промешв у точку, що вщповщае безк1нечно великому ступеню концентраций Врахування кутового розмiру Сонця приводить до змши модел1 роботи идеального концентратора, при якш вiдбитi вiд поверхш рефлектора променi збираються у фокальну пляму у виглядi ел1пса. При цьому середнiй коефiцiент концентраци у фокальнш площинi становить
11300 крат. Реальш параболо!дш концентратори забезпечують меншi значения коефщенту концентраци через наявнiсть локальних геометричних неточностей дзеркал [3, 4].
Параболо!дний рефлектор виготовляють з листово! стал^ полiрованого алюмiнiю, дзеркального пластику або з безлiчi маленьких плоских дзеркал, прикршлених до внутршньо! поверхнi параболо!да. Залежно ввд фокусно! вiдстанi, яка для сонячних печей становить вщ 0,3 до 5м, рефлектор може мати заглиблену форму, в яку повшстю занурюеться eмнiсть з !жею (посуд захищений вiд вiтру) (рис.1, а) або бшьш пласку, якщо емнiсть встановлюеться на певнiй ввдсташ вiд рефлектора (рис.1, б, в).
Ддаметр параболо!дного концентратора розраховуеться виходячи з необхвдно! потужностi сонячно! печi та наявно! кiлькостi сонячно! радааци. Для сучасних конструкцiй вiн становить вiд 0,5 м до 8м [5, 6].
Площа поверхш рефлектора для сонячних печей iндивiдуального використання зазвичай становить вiд 1 до 2 м2 та залежиъ ввд кiлькостi сонячно! радаци, що надходить, тобто вiд широти мiсцевостi, де використовуеться дана тч. Крiм того, площа рефлектора визначае потужшсть сонячно! печi, а отже, i час приготування !ж1. Наприклад, для печi площею 1м2 на широп 40 - 45 ° пн. ш. для приготування порцi! на чотирьох осiб потрiбно 15 - 20 хв. на приготування омлету, 45 - 60 хв. на варшня рису, 1,5 - 2 год. для приготування смаженого м'яса [7].
Рис. 1. Конструкцп сонячних печей з параболоТдним рефлектором: а) з малою фокусною ввдстанню; б) з довгою фокусною в1дстанню для шдиввдуального використання; в) з довгою фокусною ввдстанню для громадського використання
Максимальна температура приймача сонячно! печi коливаеться вiд 200оС для шдивщуальних установок до 650оС для сонячних печей громадського використання. Середня температура вщповщно становить 150 оС та 450 оС [5]. Цього достатньо для розiгрiвання, варiння, смаження !ж1, а також для випiчки.
Теплова потужшсть сонячно! печi визначаеться шльшстю сонячно! радiацi!, що надходить на поверхню рефлектора, а також тепловим к.к.д. печ^ Пiдраховано, що до 20% тепла витрачаеться на про^вання !ж1 до температури закипання, до 35% тепла - на випаровування води, а конвекцшш втрати становлять до 45%. Тому тепловий к.к.д. сучасних сонячний печей знаходиться в межах ввд 20 до 50%, а теплова потужшсть для iндивiдуальних установок не перевищуе 600Вт [5, 8].
Особливосп використання даних печей пов'язаш з тим, що сонячш печi на основi концентратора використовують пряму складову сонячного випромiнювання i для забезпечення ефективно! експлуатацi!
повинш постшно повертатися за Сонцем. Рекомендовано проводити корегування положення печi кожнi 15 хв.
Найб№ш поширене використання сонячних печей на основi концентраторiв у кра!нах тротчного i субтропiчного поясiв, де на протязi року переважають яснi сонячш днi [8]. Для помiрних широт використання зазвичай обмежено теплим перюдом року з максимальним надходженням прямо! сонячно! радiацi!.
Формулювання мети дослщження
Метою дано! роботи е оцшка можливостi використання сонячних печей концентраторного типу в умовах пiвдня Укра!ни.
Викладення основного матерiалу досл1дження
Середня штенсившсть прямо! сонячно! радiацi! в напрямку потоку для умов м. Херсон i перiоду експлуатацi! з травня по вересень становить 335 Вт/м2 [9]. В якостi вхвдних параметрiв до розрахунку конструкцi! рефлектора сонячно! печi було задано питому потужшсть печi 250 Вт/м2 та час закипання 1 л води 20хв. На основi цих параметрiв обчислено необх1дну площу сонцесприймаючо! поверхш, яка становить 0,78м2, вiдповiдно дiаметр - 1м.
При розрахунку форми утворюючо! рефлектора обрано коротку фокусну ввдстань 22см, яка дозволяе зменшити конвекцiйнi втрати з поверхнi посуду завдяки вiтровому затiненню корпусом концентратора. Регулювання кута нахилу сонцесприймаючо! поверхш рефлектора реалiзовано за рахунок змши кута встановлення тильного опорного елементу. Утримувач посуду виконано у виглядi окремо! конструкцi! не пов'язано! з корпусом рефлектора (рис. 2). Це дозволило змшювати розташування емностi вщносно фокально! плями i, таким чином, регулювати температуру приготування !ж1.
В якосп ввдбиваючо! поверхиi концентратора використано дзеркальну плiвку Огаса1 351, що розрахована на зовшшш умови експлуатацп в робочому iнтервалi температур ввд -40 °С до 120 °С. Визначення коефiцiенту ввдбиття плiвки в видимому та ближньому iнфрачервоному дiапазонi проводилося за допомогою фотометра ввдбиття ФО-1. 1нтегральний коефiцiент вiдбитгя плiвки Огаса1 351 в дiапазонi довжин хвиль вiд 400 до 927 мкм становив 83,5%.
Рис. 2. Сонячна шч концентраторного типу
Визначено теоретичш та експериментальнi параметри параболо!дного рефлектора та сонячно! печi на його основа Випробування проводили 10 червня 2015 р. в умовах безхмарного неба при середнiй швидкосп вiтру 1 м/с. Розмiри фокально! плями вимiрювали пропалюванням дерев'яно! пластини, а параметри сонячно! печi визначали, виходячи з часу закипання 1л води.
Теоретичне значення площi фокально! плями концентратора 1-10-4 м2 вiдрiзияеться вiд експериментально отриманого 3,2-10-3 м2, що пояснюеться геометричними неточностями вщбиваючо! поверхнi. Неточнiсть ввдтворення форми утворюючо! також призводить до зменшення реального геометричного коефiцiента концентрацi! до 244 крат, середнього коефщента концентрацi! до 143, а також до зменшення реального к.к.д. рефлектора до 0,59 проти теоретичного значення 0,80 (табл.1).
Таблиця 1
Параметри рефлектора__
Фокусна вiдстань, м 0,22
Площа приймально! поверхш, м2 0,78
Велика напiввiсь фокально! плями, м 0,04
Продовження таблищ 1
Мала нашввюь фокально! плями, м 0,03
Площа фокально! плями, м2 3,2-10-3
Геометричний коефщент концентрацi! 244
Коефiцiент концентрацi!' 143
к.к.д. 0,59
Параметри сонячно! печi на основi розробленого рефлектора визначались за результатами випробувань в натурних умовах. Щд час випробувань вимiрювали час закипання 1 л води в рiзнi часовi промiжки з 9.00 до 16.00. Надходження сонячно! радiацi! розраховувалось на основi даних, наведених в [9]. Отримаш з аналiзу експериментальних даних значення питомо! потужностi та теплового к.к.д. сонячно! печi представлено в табл. 2.
Таблиця 2
Характеристики сонячно'1 печi (червень)___
Час доби 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00
Час закипання, хв. 39 30 26 20 23 26 31 38
Питома потужшсть, Вт/м2 126 163 191 247 211 189 157 130
Потужшсть, Вт 99 128 150 194 166 148 123 102
Тепловий к.к.д, % 28 33 36 46 40 38 36 35
Як видно з даних табл. 2 середнш час закипання 1 л води становить близько 30 хв., а середня питома потужнiсть сонячно! печi складае 176,7 Вт/м2. Тепловий к.к.д. сонячно! печi змiнюeться вiд 28% до 46%, i в середньому складае 36%.
На рис. 3 наведено залежшсть теплового к.к.д. сонячно! печi вщ часу доби, яка демонструе чггко виражену асиметрiю вiдносно максимуму, що припадае на 12.00. Це пояснюеться пiдвищенням температури оточуючого середовища у другш половинi свiтлового дня та, як наслщок, зменшенням теплових втрат з поверхнi емностi з закипаючою рвдиною.
Час, год
Рис. 3. Залежшсть к.к.д. сонячноТ печi вщ часу доби
Проведено оцiнку характеристик сонячно! печi для перiоду експлуатаци з травня по вересень для ктматнчних умов м. Херсон. Показано, що за вказаний перюд середньомюячне значення питомо! потужностi складае понад 160 Вт/м2 (рис. 4). Середне значення питомо! потужносп за сезон експлуатаци становить 179 Вт/м2.
Рис. 4. Прогнозована питома потужшсть сонячноТ ne4i впродовж сезону експлуатацп
Розраховано замiщення традицiйного палива при експлуатацп розроблено! сонячно! ne4i впродовж перiоду з травня по вересень в ктматичних умовах м. Херсона. У випадку, коли сонячна шч використовуеться замiсть традицшно! дров'яно!, що мае середнiй к.к.д. 25%, економiя деревинного палива становить 157 кг за сезон, а у випадку замщення газово! плити з к.к.д. 50-70% - понад 28 м3 природного газу.
Висновки
Розроблено конструкцш параболо!дного рефлектора сонячно! ^4i з вiдбиваючою поверхнею на основi плiвки Oracal 351 з iнтегральним коефiцiентом вiдбиття 0,835. Дослiдження сонячно! печi на основi розробленого параболо!дного концентратора в клiматичних умовах м. Херсона показали наступш параметри:
- фокусна ввдстань концентратора - 22 см;
- площа приймально! поверхш концентратора - 0,78 м2;
- площа фокально! плями - 3,2-10-3 м2;
- геометричний коефщент концентрацi! - 244;
- середнш коефiцiент концентрацi! - 143;
- к.к.д. концентратора фактичний - 0,59, теоретичний - 0,80;
- середнш час закипання 1 л води ~ 30хв.;
- середня питома потужнiсть сонячно! печi за сезон - 179 Вт/м2;
- максимальна питома потужшсть печi ~ 247 Вт/м2;
- середнш тепловий к.к.д. сонячно! печi 0,36.
Значення середнього теплового к.к.д. розроблено! сонячно! печi корелюе з даними, наведеними в лггературних джерелах, згiдно з якими коефiцiент корисно! дi! для сонячних печей знаходиться в межах 20-50%. Це дозволяе зробити висновок, що в мматичних умовах швдня Укра!ни експлуатацiя сонячних печей концентраторного типу е дошльною. Використання таких печей дозволить заощадити близько 157 кг деревинного палива та 28 м3 природного газу за сезон.
Подальше шдвищення ефективностi сонячно! печi можливе за рахунок збiльшення точностi у виготовленш утворюючо! вiдбивально! поверхнi параболо!дного концентратора.
Список використаноТ лiтератури
1. Базарова Е.Г. Повышение эффективности использования солнечной энергии в энергетических установках с концентраторами: автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.14.08 / Елена Геннадьевна Базарова. — Москва, 2008. — 29 с.
2. Stine W.B. Power From The Sun / W.B. Stine, M. Geyer [Електронний ресурс] // Power From The Sun [сайт]. - Режим доступу: http://www.powerfromthesun.net/book.html (06.02.2013). — Назва з екрану.
3. Андреев В.М. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения / В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. - Л.: Наука, 1989. - 310 с.
4. Стребков Д.С. Концентраторы солнечного излучения / Д.С. Стребков, Э.В. Тверьянович. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007. - 316 с.
5. Solar cooking technology. Why solar cookers are needed high cost or unavailability of commercial fuels - kerosene, coal, gas, electricity deforestation [Електронний ресурс] // SlidePlayer.com Inc. [сайт]. -Режим доступу: http://slideplayer.com/slide/4299265/. — Назва з екрану.
6. German entrepreneur brings solar ovens to the Mexican countryside to produce emissions-free tortillas [Електронний ресурс] // Inhabitat -green design, innovation, architecture, green building [сайт]. - Режим доступу: http://inhabitat.com/german-entrepreneur-brings-solar-ovens-to-the-mexican-countryside-to-produce-emissions-free-tortillas/( 12.06.2012). — Назва з екрану.
7. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки / Н.В. Харченко. - М: Энергоатомиздат, 1991. - 208с.
8. Солнечные печи [Електронний ресурс] // Energy-bio.ru. Альтернативные источники энергии [сайт]. - Режим доступу: http://energy-bio.ru/suncoll9.htm . — Назва з екрану.
9. NASA surface meteorology and solar energy - location [Електронний ресурс] // Atmospheric science data center [сайт]. - Режим доступу: https://eosweb.larc.nasa. gov/cgi-bin/sse/grid.cgi?email=skip@larc.nasa. gov . — Назва з екрану.
