CC BY
7УДК 515.2
ВЛИЯНИЕ ВИДА ОТРАЖАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПЛОСКИХ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ НА ОБЛУЧЕННОСТЬ ПРИЕМНИКА
С.А. Митрофанова
Крымский Федеральный Университет им. В.И. Вернадского Академия строительства и архитектуры mitrofanova_67@mail.ru
Аннотация. В статье проведен анализ облученности приемника для различных отражающих элементов, применяемых в плоских солнечных коллекторах с целью определения вида отражающего элемента дающего наиболее продолжительную облученность приемника. За образующую отражающих элементов принята как монотонная кривая, так и составные кривые с регулярной и иррегулярной вершинами. В основе проведенного анализа лежит метод применения аппарата плоской картины отражения, поскольку в нормальном сечении отражающих цилиндрических поверхностей нормаль в любой точке отражающей поверхности принадлежит секущей плоскости.
Ключевые слова: аппарат отражения, зона облученности приемника, отражающая поверхность, составная кривая с регулярной вершиной, составная кривая с иррегулярной вершиной, плоский солнечный коллектор.
Постановка проблемы.
При использовании не следящих плоских коллекторов с отражающими элементами возникает вопрос геометрического моделирования концентрирующей поверхности с целью получения наибольшей рабочей зоны приемника, в дальнейшем зоны облучения, при различном наклоне солнечных лучей. В основе геометрического моделирования отражающих поверхностей лежит изучение геометрии и свойств отраженного потока и геометрии карстовой области конгруэнции отраженных лучей. Проводящиеся исследования имеют целью конструирование наиболее эффективных не следящих плоских коллекторов с концентрирующими элементами.
Анализ предыдущих исследований.
Решение поставленной цели базируется на использовании алгоритма определения положения основных кривых плоской картины аппарата отражения предложенного в работе [1]. В нормальном сечении отражающей поверхности нормаль в каждой точке образующей принадлежит секущей плоскости. В этом случае проекции углов падения и отражения солнечных лучей на плоскость сечения равны. В плоских коллекторах отражающая поверхность является цилиндрической. Поэтому к ним применимо решение плоской задачи аппарата отражения. Исследование изменения положений линий каустики - границы карстовой области и огибающей отраженных лучей для отражающей поверхности, за образующую которой принята составная кривая с регулярной вершиной, рассмотрена в работе [2] и для составной кривой с иррегулярной вершиной в работе [3]. Применение их в плоских коллекторах анализировалось в работе [4]. Дальнейшие исследования базируются на ранее проведенных.
Цель и задачи исследования.
Сравнить получаемые зоны облученности приемника отражающей поверхностью образующей, которой является монотонная кривая или составные кривые с регулярной и иррегулярной вершинами.
Основная часть.
Для решения поставленной задачи использовалась компьютерная визуализация зоны облучения приемника и схемы отражения солнечных лучей для разных видов отражающих поверхностей применяемых в плоских коллекторах при изменении наклона солнечных лучей в течение суток.
Основное применение в виде отражающих элементов плоских солнечных коллекторов получили полуцилиндры, образующая которых в нормальном сечении есть полуокружность. Для следящих плоских коллекторов с концентрирующими элементами в виде цилиндроида положение приемника определяется однозначно, в фокальной точке. Для не следящих коллекторов поверхность каустики в течении суток изменяется. Пространственное решение задачи базируется на решении плоской задачи аппарата отражения.
Рассмотрим зону облученности цилиндрического приемника при различном направлении солнечных лучей для отражающей поверхности в виде полуцилиндра. Диаметр приемника принят 10 мм. Радиус образующей дуги отражающего полуцилиндра принят 6 мм. Центр дуги отражающего полуцилиндра совпадает с центром приемника в нормальном сечении. На рис. 1 показана схема отражения солнечных лучей поступающих на отражаемую поверхность параллельно оптической оси отражающей системы. Представленная схема показывает, что облучена только верхняя половина приемника и отдельные отраженные лучи точечно попадают на нижнюю часть поверхности приемника. Остальные лучи после многократного отражения выходят из оптической системы.
Рис. 1. Схема отражения полуцилиндрического отражателя (падающие солнечные лучи параллельны оптической оси)
Если коллектор располагается под углом к поверхности Земли равном широте данной местности, то максимальным отклонением солнечных лучей от направления оптической оси есть угол между максимальной высотой подъема солнца и широтой местности. В Крыму для широты 45° максимальная высота подъема солнца составляет 68° (значение углов округлено до градусов). Следовательно, максимальное отклонение поступающих солнечных лучей относительно оптической оси составит 22°-23°. На рис. 2 показана схема отражения солнечных лучей от отражающей поверхности в виде полуцилиндра при наклоне падающих лучей к оптической оси 22°. направление
Рис. 2. Схема отражения полуцилиндрического отражателя (наклон падающих солнечных лучей с оптической осью составляет 22°)
Схема показывает, что и в этом случае облучается только верхняя часть приемника, смещенная в сторону поступления солнечных лучей на 22°.
Рассмотрим схемы отражения солнечных лучей, если за отражающую поверхность принята составная кривая представляет собой сочетание сторон - парабола и окружность. Составная кривая, состоящая из двух монотонных кривых имеющих, в одном случае, в вершине общий радиус кривизны представляет собой регулярную кривую. При различных радиусах кривизны в вершине монотонные кривые образуют иррегулярную кривую.
Для составной кривой с регулярной вершиной (рис. 3), при совпадении направления поступающих солнечных лучей с направлением оптической оси системы облучается не только верхняя часть приемника, но и его нижние стороны. Не облученной остается только самая нижняя часть приемника.
Рис. 3. Схема отражения солнечных лучей полуцилиндрического отражателя образующей которого является составная кривая с регулярной вершиной (падающие солнечные лучи параллельны оптической оси)
При изменении угла наклона падающих лучей до максимального положения наблюдается смещение облученности приемника в сторону наклона лучей (рис. 4).
направление
Рис. 4. Схема отражения солнечных лучей полуцилиндрического отражателя образующей которого является составная кривая с регулярной вершиной (наклон падающих солнечных лучей с оптической осью составляет 22°)
Зона облученности приемника остается прежней, но появляется зона отражающей поверхности, у которой отраженные лучи уходят из системы, не попадая на приемник.
Если в качестве образующей отражающей поверхности принята составная кривая с иррегулярной вершиной то результаты исследования показывают,
что при направлении солнечных лучей параллельно оптической оси системы зона облучения приемника такая же как и в случае, если образующей отражающей поверхности является составная кривая с регулярной вершиной (рис. 5).
направление
Рис. 5. Схема отражения солнечных лучей полуцилиндрического отражателя образующей которого является составная кривая с иррегулярной вершиной (падающие солнечные лучи параллельны оптической оси)
направление
падающий
составной отражатель
приемник
Рис. 6. Схема отражения солнечных лучей полуцилиндрического отражателя образующей которого является составная кривая с иррегулярной вершиной (наклон падающих солнечных лучей с оптической осью составляет 22°)
При изменении наклона солнечных лучей зона облученности приемника в количественном измерении не меняется, и все отраженные лучи попадают на поверхность приемника (рис. 6).
Выводы.
При сравнении полученных схем определения зоны облученности цилиндрического приемника для разных видов отражающих поверхностей можно отметить что наибольшая зона облученности достигается когда за образующую отражающей поверхности принята составная кривая.
Карстовая область отраженных лучей для этого случая находится внутри приемника, При сравнении двух вариантов составных кривых вариант с регулярной вершиной геометрически меньше чем с иррегулярной вершиной, что является не маловажным фактором при конструировании коллекторов с концентрирующими элементами. Таким образом, он является предпочтительнее несмотря на то, что при некоторых углах наклона падающих солнечных лучей небольшая часть отраженных лучей выходит из системы. Для всех вариантов нижняя часть отражающей поверхности закрыта приемником и не выполняет своей функции. При более точных исследованиях нерабочая часть отражающей поверхности может быть заменена металлической в целях экономии.
Список литературы
1. Дворецкий А.Т. Автоматизация расчетов для плоской отражающей системы с источни ком в несобственной точке /А.Т. Дворецкий, С.А. Миннтро-фанова //Прикладна геометр1я та шженерна графша — К.: КНУБА — 2003 — вип. 73 — С.77 — 81.
2. Митрофанова С.А. Определение линии каустики для составных отражающих плоских кривых /С.А. Митрофанова //Пращ Тавршского державного агротехнолопчного ушверситету /Прикладна геометрiя та шженерна графжа — вип. 4- т. 54 — 2012 — Мел-тополь: ТДАТА — С. 96-100.
3. Митрофанова С.А. Определение линии каустики для составной кривой с иррегулярной вершиной /С.А. Митрофанова //Сборник научных трудов «Строительство и техногенная безопасность» - вып. 41 — 2012 — Симферополь, НАПКС — С.125-129.
4. Митрофанова С.А. Применение составной кривой в плоских коллекторах с концентрирующими элементами/ С.А. Митрофанова // Сборник научных трудов «Строительство и техногенная безопасность» -вып. 50 - 2014. -Симферополь, НАПКС - С. 126-129.
IMPACT TYPE REFLECTING ELEMENTS OF FLOT SOLER COLLECTORES
IRRADIANCE OF THE RECEIVER
S. Mitrofanova
In the article the analysis of irradiance receiver for various reflecting elements used in flat solar collectors to determine the most effective form of a reflective element of giving the most long lasting illumination of the receiver. For forming the reflecting elements is taken as a monotonic curve, and the compound curves with regular and irregular top. The basis of the conducted analysis is the method of application of the apparatus oftheflat pattern of the reflection, as in a normal cross section of the cylindrical reflecting surface normal at any point on the reflecting surface belongs to the section plane.
Key words: reflection device, the reflecting surface, the composite curve with a regular top, composite curve with an irregular top,flat solar collector.
