ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ КОНЦЕНТРИРУЮЩИХ СИСТЕМ

АННОТАЦИЯ

В данной статье исследованы задачи оптимизации и выбора оптимального угла наклона зеркал концентратора и соответствующих параметров для повышения энергетической эффективности концентрирующие системы солнечного излучения, а также геометрические характеристики распределения потока излучения в односекционных плоских концентраторах.

ABSTRACT

In this article, the problems of optimizing and choosing the optimal tilt angle of the concentrator mirrors and the corresponding parameters for increasing the energy efficiency of concentrating systems of solar radiation, as well as the geometric characteristics of the distribution of the radiation flux in single-section flat concentrators, are investigated.

Ключевые слова: концентраторы солнечного излучения (КСИ), фоконы, фоклины, солнечные излучение, слабоконцентрирующие системы, сильноконцентрирующие системы, угол наклона

Keywords: concentrators of solar radiation (CSI), fokons, foklines, solar radiation, weakly concentrating systems, highly concentrating systems, tilt angle

На современном этапе развития экономики Республики Узбекистан использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) имеет актуальное значение как для обеспечения энергетической безопасности, так и для улучшения социально-экономических условий населения и территорий, расположенных вдали от централизованных энергоснабжении. Необходимо подчеркнуть, что имеются высокие возможности сохранения углеводородных запасов и улучшения экологической ситуации в стране. К основным источникам возобновляемой энергии в Узбекистане относятся солнечная, гидравлическая, ветровая и геотермальная энергия, а также энергия биомассы. По результатам исследований, проведенных узбекскими учеными, технический потенциал ВИЭ в Узбекистане составляет 270 млн тонн условного топлива, что в три раза превышает годовую потребность в энергоресурсах [1-4].

Сегодня существует многих типов систем концентрации солнечной энергии, которые используются или могут использоваться в промышленных масштабах. На основе их моделей и методов расчета, разработанных с учетом различных конструктивно-технологических и эксплуатационных факторов, можно определять крупномасштабные интегральные и локальные энергетические характеристики. В ходе исследований были изучены расчетные выражения и графические зависимости, необходимые для достижения оптимальных параметров при исследовании и проектировании концентраторов и фотопреобразователей на основе вышеперечисленных методов, возможности достижения расчетных описаний для построения реальных устройств, разработка и применения новых типов систем концентрирования [4-8].

Для систематизации процесса аналитического исследования соблюдаются классификационные признаки концентраторов, кроме того, оптические схемы зеркальных концентрационных систем можно разделить на группы по следующим признакам [9].

1) размещение приемника по направлению потока концентрированного солнечного излучения или против потока излучения (в исходном положении приемник облучается не только от отраженного светового потока, но и от непосредственно падающего солнечного излучения);

2) форма поверхностей, формирующих отражение светового потока (плоская, поперечная, ступенчатая или криволинейная);

3) многократное отражение светового потока от элементов концентрирующей системы (одно- или многократный рефлектор);

4) форма установки (линейная, многоугольная, круглая).

Схема классификации зеркальных систем концентрации солнечной энергии представлена на рис. 1. В эту схему не включена система, состоящая из двух концентраторов разной формы, то есть двухзеркальные концентрирующие системы [5].

По своей классификации и конструктивным характеристикам концентраторы солнечного излучения (КСИ) подразделяются на слабоконцентрирующие (K_q<100) и сильноконцентрирующие (K_q>100) типы. Эти определения можно взять за основу для дальнейших исследований.

Слабоконцентрирующие системы – в основном применяется для повышения уровня освещенности, что является важным требованием к модулям или панелям солнечной энергии и их выходным характеристикам. Под уровнем освещенности элементов системы понимается плотность светового потока на приемной поверхности элементов, то есть обеспечение равномерного распределения излучения. В этом плане эффективны концентраторы с плоской отражающей поверхностью. К группе систем с расположением приемного элемента в проходящем потоке и прямолинейной структурой относятся двусторонние концентраторы, называемые плоскими фоклинами, и многогранные (в основном тетраэдрические, т.е. четырехгранные) системы [9-11]. При этом, если составные элементы концентратора расположены вдоль прямой линии, они называются односекционными (рис. 1, а, б), а многосекционными (рис. 1, г, д), если они расположены ломаной линией.

Односекционные плоские системы (рис. 1,а,б) из указанных позволяют добиться от двух до десятикратной концентрации солнечной радиации при выбранных массогабаритных показателях и обеспечить равномерное распределение излучения по поверхности приемника. когда концентратор не точно ориентирован по отношению к солнцу и его отражающие поверхности деформированы. Эти важные преимущества определяют растущие требования к концентраторам фотоэлектрической техники, применяемой в наземных и космических приложениях [12].

Рисунок 1. Схема классификации зеркального концентратора солнечных лучей

В целом заметно, что концентрация солнечного света в односекционных системах происходит в результате многократных отражений, что позволяет добиться более высоких значений К_q по сравнению с однократными отражениями от зеркальных поверхностей. В такой системе с противоположно расположенными отражающими поверхностями движение светового потока между поверхностями представлено на рис. 2,а.

Рисунок 2. Схема распределения потока излучения в односекционном плоском концентраторе: а-поведение потока излучения при многократном отражении; б-определение размера отражающей поверхности; δ_к, θ_п – углы падения светового потока на поверхности концентратора и приемника

Следующее выражение, определяющее угол наклона отражающих поверхностей, когда солнечные лучи начинают падать на приемник после отражения, от перпендикулярного расположения системы по отношению к оси симметрии или плоскости приемника, прямая система ориентацию на солнце и равную освещенность поверхности приемника получали графоаналитическим методом [10]:

                                                 (1)

Если θ_k≤ θ_kmin, то после отражения n_k световой поток возвращается от концентрирующей системы, а в случае θ_k> θ_kmin освещает приемник. При любом значении коэффициента отражения, например при n_k=2,  представляет собой не только минимальный угол, при котором на приемник может начать падать дважды отраженное излучение, но и максимальный угол, при котором приемник может быть облучается однократно отраженным солнечным светом, т.е. на практике . Однако это не означает, что в случае  невозможно сконцентрировать поток излучения в приемнике за счет однократного отражения, в этом случае решение состоит в подключении второй рефлектор в простую систему, затем третий (при ) и т.п., соответствующие значения углов  для различных чисел отражения приведены в таб. 1.

Таблица. 1.

Технические характеристики односекционных плоских концентраторов

Примечание. Значение К_қ определяется на основе R_қ = 0,9

С помощью графоаналитического метода можно показать, что ширина участка отражающей поверхности, соответствующая n-й компоненте, при условии, что приемник облучается каждой n_k-й компонентой отраженного тока, имеет следующую зависимость:

                               (2)

Отсюда ширина всех отражающих сторон концентратора определяется следующим образом:

                            (3)

где  а₀ - характерный размер приемника, равный ширине выходного отверстия фоклина (рис. 2, б).

Высота или глубина концентратора определяется следующим образом:

                         (4)

Рисунок 3. График зависимости геометрического коэффициента концентрации и относительной ширины отражающей поверхности от угла наклона плоских сторон фоклина: 1,2,3,4,5 - количество отражений

Выражение для определения среднего коэффициента концентрации записывается в следующем виде:

                                 (5)

где  N — количество сторон концентратора.

Если R_q = 1, выражение для определения геометрического коэффициента концентрации из выражений (4) и (5) принимает вид

.                                         (6)

Это выражение соответствует выражению, определяемому отношением площади входной поверхности концентратора к площади входной поверхности приемника, расположенного на его выходе, и подтверждает правильность выражений (3)-(5).

На рис. 3 показано, как изменяется геометрический коэффициент концентрации плоского фоклина с увеличением числа отражений, участвующих в процессе концентрации, и величины угла θ_k. Из графика видно, что увеличение числа отражений также увеличивает значение коэффициента концентрации. Например, если угловая величина θ_k равна θ_k≈80°, то при однократном отражении она равна K_г≈2,85, при двукратном отражении равна K_г≈4,35, а при трехкратном отражении K_г≈5,4. Здесь описание изменения a/a₀ (кривая, проходящая через точку, соответствующую углу θ_{k min}) дано условно.

Выбор оптимального угла наклона зеркал концентратора и соответствующих параметров основан на совместном анализе подобных зависимостей с учетом масс концентратора и фотопреобразователей.

Список литературы:

1. Об использовании возобновляемых источников энергии: Закон Республики Узбекистан от 21 мая 2019 г.№ ЗРУ-539 / Национальная база данных законодательства; Собрание законодательства Республики Узбекистан, 22.05.2019 г., № 03/19/539/3161 [Электронный ресурс]. URL: https://lex.uz/docs/4346835 (дата обращения: 5.10.2022)
2. Solargis / Global Solar Atlas / World Bank Group [Электронный ресурс]. URL: https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/uzbekistan/ (дата обращения: 05.10.2022)
3. Солнечная энергетика в мире [Электронный ресурс]. URL: https://alternativenergy.ru/solnechnaya-energetika/92-solnechnaya-energetika-vmire.html (дата обращения: 05.10.2022)
4. Состояние и перспективы использования возобновляемых источников энергии в Узбекистане (доклад для молодых ученых ТАСИ) д.т.н., проф. Р.Р. Авезов, Главный. – презентация. http://www.myshared.ru/slide/1417321/ (дата обращения: 10.10.2022)
5. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д.  Фотоэлектрические преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989. – с.310.
6. M. Petrollese, M. Cascetta, V. Tola et al. Pumped thermal energy storage systems integrated with a concentrating solar power section: Conceptual design and performance evaluation. //Energy 247 (2022) 123516. journal homepage: www.elsevier.com/locate/energy. (дата обращения: 05.10.2022)
7. K.J. Sareriya et al.. A comprehensive review of design parameters, thermal performance assessment, and medium temperature solar thermal applications of Scheffler concentrator. //Cleaner Engineering and Technology 6 (2022) 100366. journal homepage: www.sciencedirect.com/journal/cleaner-engineering-and-technology. (дата обращения: 05.10.2022)
8. F. Rubbi, L. Das, K. Habib et al. A comprehensive review on advances of oil-based nanofluids for concentrating solar thermal collector application. //Journal of Molecular Liquids 338 (2021) 116771. journal homepage: www.elsevier.com/locate/molliq. (дата обращения: 05.10.2022)
9. M. Tafavogh and A. Zahedi. Design and production of a novel encapsulated nano phase change materials to improve thermal efficiency of a quintuple renewable
   geothermal/hydro/biomass/solar/wind hybrid system. //Renewable Energy 169 (2021) 358e378. journal homepage: www.elsevier.com/locate/renene. (дата обращения: 05.10.2022)
10. Грилихес В. А., Зайцев О. Ф. Плоские фоклины с многократным отражением как концентраторы солнечного излучения // Гелиотехника. 1981. № 5. С. 22-30.
11. Грилихес В. А., Зайцев О. Ф. Многосекционные плоские фоклины как концентраторы солнечного излучения // Гелиотехника. 1983. № 3. С. 25-29.
12. Честа О. И., Грилихес В. А. Анализ характеристику плоских пленочных концентраторов для солнечных фотоэлектрических установок // Гелиотехника. 1987. N 6. С. 20-23.