Моделирование и создание плоского френелевского линейного зеркального солнечного концентратора

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается моделирование, разработка и оптимизация оптико-геометрических параметров френелевских линейных зеркальных солнечных концентраторов. Изучены геометрические, энергетические и тепловые характеристики зеркальных солнечных концентраторов. Выявлены закономерности изменения в фокальной плоскости, позволяющие выбрать оптимальный размер приемника излучения. Определены значения размеров приемника, длины фокальной плоскости и значения плотности энергии в фокальной плоскости, определенные с использованием программы Energy_View из пространственного распределения концентрированной солнечной энергии в фокальной плоскости. Разработано программное обеспечение для определения размера фокуса линейных френелевских зеркальных солнечных концентраторов в фокальной плоскости. Был определен термический КПД линейного френелевского концентратора с размерами 1,2х1,5 м. Показано, что установки на основе френелевских зеркал расширят возможности для разработки и внедрения энергоэффективных методов и технологий в государственном и бытовом секторах.

ABSTRACT

This article discusses the modeling, development and optimization of the optical-geometric parameters of Fresnel linear mirror solar concentrators. The geometric, energy, and thermal characteristics of mirror solar concentrators have been studied. The regularities of changes in the focal plane are revealed, allowing one to choose the optimal size of the radiation receiver. The values of the receiver dimensions, the length of the focal plane, and the energy density values in the focal plane determined using the Energy_View program from the spatial distribution of concentrated solar energy in the focal plane are determined. Software has been developed for determining the focus size of linear Fresnel mirror solar concentrators in the focal plane. The thermal efficiency of a linear Fresnel concentrator with dimensions of 1.2 x 1.5 m was determined. It is shown that installations based on Fresnel mirrors will expand the possibilities for the development and implementation of energy-efficient methods and technologies in the public and domestic sectors.

Ключевые слова: зеркальные концентрирующие системы, фацеты, модуль, концентратор, приемник, френелевское зеркало.

Keywords: mirror concentrating systems, facets, module, concentrator, receiver, Fresnel mirror.

Введение

Одной из ключевых задач в современной быстро растущей отрасли солнечной энергетики является улучшение интеграции солнечной энергии за счет использования зеркальных концентрирующих систем (ЗКС), направленных на улучшение технико-экономических показателей солнечных установок, которые содержат много отражающих элементов. В связи с этим при разработке солнечных концентраторов широко используются их параболоидные виды [8,9,13]. Однако подготовка параболоидных концентраторов сложна. Это требует разработки простых конструкций для проектирования зеркальных систем, которые воплощают солнечное излучение, включая устройства солнечной энергии с линейной фокусировкой [7,10,14,15, 17].

Такие типы солнечных концентраторов могут включать в себя плоские системы на основе зеркал Френеля. Плоские френелевские зеркальные концентраторы технологически удобны, хотя и имеют более низкую концентрацию. В настоящее время широкий спектр линейных зеркал на основе зеркал Френеля используется при преобразовании энергии солнечного излучения в другие виды энергии [4,11,12]. Принцип действия таких структур заключается в том, что все линейное излучение направляет излучение солнца в однолинейную зону фокусировки, независимо от расположения фацет элемента [5,17].

Моделирование

Принципиальная схема размещения отдельных граней отражателя на плоской основе и их геометрических параметров, включая размеры фацет отражающего элемента, показана на рис.1. Определим начальные условия для расчета. В частности, ширина линейных элементов-фацет (L), оптимальный размер фокального пятна (d), фокусное расстояние (f) в соответствии с размером миделем концентратора, точность изготовления отражающей поверхности (Δα) и видимым углом Солнца (g₀).

Оптимальный размер приемника (d_opt = 2r_opt) с учетом размеров отдельных отражательных элементов линейных френелевских концентраторов был выполнен по выражению, приведенному в [2,6,16]:

Рисунок 1. Формирование плотности фокусного пятна и размеров рассеяния линейных френелевских концентраторов

Для определения ширины (L) отдельных линейных элементов по схеме показанной на рис.1 используется следующее выражение

,     ,                             (1)

                              (2)

Для определения оптимального угла раскрытия tgU_opt параболоцилиндрического концентратора с линейной фокусировкой используется следующее выражение [1]:

.                             (3)

Используя выражение (3) можно определить оптимальный угол раскрытия отдельных зеркал на основании следующим образом:

,            (4)

где g=g₀+Da=16'+16'=32',   tgg=0,0093.

Фокусное расстояние определяется следующим выражением:

  ,                                                                      (5)

где у – половина размера мидели концентратора.

Точное расположение отдельных зеркал относительно фокуса важно для улучшения оптических характеристик френельского линейного концентратора. Для этого углы раскрытия линейных фацет определяются на основе теоретических расчетов. В следующей таблице №1 приведены углы раскрытия зеркал на основании линейного френелевского концентратора с размерами 1,5х1,2 м.

Таблица 1.

Изменение углов раскрытия отдельных отражательных элементов в зависимости от расположения их на основании

Степень концентрации солнечного излучения (C_cр) в линейных френелевских концентраторах определяется углом раскрытия:

                                 (6)

Плотность потока излучения в фокальной плоскости можно рассматривать как сумму доли энергии отдельных фацет элементов. Можем написать следующее выражение, чтобы определить максимальный поток излучения E:

                         (7)

где Е_с - прямой поток солнечного луча, R_z - коэффициент отражательной способности, S_f поверхность отдельного элемента – фацеты, U_i - угол раскрытия отдельных зеркал.

Распределение плотности энергии по длине приемника в фокальной плоскости френельского линейного концентратора с размерами 1.2x1.5 м можно рассчитать по формуле (7) на основе принципа сложения отдельных вкладов отражения [3]. На рис.2 представлены результаты, полученные из теоретических расчетов и измерений на практике.

Рисунок 2. Распределение плотности энергии по длине приемника френелевских концентраторов с размерами 1,2x1,5 м.

1 – результаты теоретического расчета; 2 – результаты эксперимента

Очевидно, что из рассматриваемого подхода выходит, что это распределение имеет приблизительно П-образную форму. Как видно из графиков на рис.2, результаты теоретических расчетов показывают, что они близки к значениям экспериментальных измерений. Мы видим 7% отклонения фокусных пятен на поверхности приемника при плотности энергии центрального поля, видимом угле Солнца (g) и точности изготовления отражающей поверхности (Δα).

Технические решения

В результате вышеприведенных расчетов был разработан солнечный концентратор на основе отражающих элементов Френеля. Основные параметры экспериментального устройства описаны ниже. В результате измерений определено, что коэффициенты отражения отдельных фацет составляют 0,78-0,8.

Рисунок 3. Экспериментальная установка плоского зеркального концентратора на основе зеркал Френеля

Устройство имеет размеры 1,2х1,5 метра, фокусное расстояние 0,86 метра. В качестве приемника излучения использовалась тепловая труба диаметром 5 см. Приемник состоит из 22 плоских фацет с размерами 5x1500 мм. Линейный френелевский концентратор установлен на двуосном штативе и может двигаться в азимутальном и зенитном направлениях.

Метод измерения

Для измерения оптико-энергетических характеристик отражающих систем в приемнике излучения используются калориметрический, радиометрический, фотометрический и другие методы [18]. Использованы современные методы дистанционного зондирования для определения распределения интенсивностей потока излучения на поверхности разрабатываемого устройства. Используемый метод измерения [19] применялся для определения энергетических параметров точечных солнечных концентраторов. Благодаря совершенствованию этого метода было разработано обобщенное программное и аппаратное обеспечение для дистанционного измерения оптико-энергетических характеристик фокусирующих концентраторов и для всестороннего анализа полученных данных. Суть метода заключается в оцифровке изображения солнца на фокусе концентратора, полученного с помощью цифровой камеры. На рисунке 4 показано пространственное распределение интегральных потоков солнечной радиации в фокальной плоскости, полученных с помощью программного обеспечения Energy_View. Результаты для ширины (X) и длины (Y) приемника и плотности энергии (Z) были получены путем обработки изображения в Energy_View полученного на фокальной плоскости френелевского концентратора размером 1,2x1,5 м с использованием экрана размером 7x60 см, установленного на фокальной плоскости.

Рисунок 4. Относительные значения интенсивности энергии (X, Y, Z) в фокальной плоскости полученные с помощью программы Energy_View.

На рис.4 приведены значения размеров приемника, длины фокальной плоскости и значения плотности энергии в фокальной плоскости, определенные с использованием программы Energy_View из пространственного распределения концентрированной солнечной энергии в фокальной плоскости. Очевидно, значение координаты (Y) составляет 5,5 сантиметра. В разработанной установке использован приемник шириной 5 см. Можно сказать, что точность отражающей поверхности установки составляет ∆α=4 угловых минут, а отклонение концентрированной энергии в центре составляет 10%.

Экспериментальные результаты тепловых характеристик разработанного солнечного устройства были изучены в естественных условиях. На вход и выход приемника (трубы), установленной в фокальной плоскости был монтирован термодатчик (термопара с хромированной катушкой) и экспериментально было получено изменение температуры теплоносителя (воды) по времени с использованием пакета программ TRACE MODE и TPM -универсального терморегулятора (Рис.5).

Рисунок 5. Изменение температуры теплоносителя (вода) по времени.

1 – температура тепла (воды) на выходе 1; 2 – температура теплоносителя (воды) на входе

Как видно из рис.5, прямой поток солнечного излучения E_с = 700 ÷ 930 Вт / м², при скорости ветра v = 5 м / с, температура теплоносителя (воды) со временем увеличилась до 75 °С. Температура исходного теплоносителя (воды) составляла 18 °С.

Для определения теплового КПД устройства рассчитывали общую энергию, полученной приемником по следующей формуле:

где  =1.8 м² – общая поверхность отражающей поверхности устройства, R_z = 0,78 – коэффициент отражения, R_П=0,81 – коэффициент поглощения лучепоглашающей поверхности, =0,85 – фактор, учитывающий конструкцию устройства, системы слеживания солнечной системы и свойства отражающей поверхности.

Суммарный прямой поток солнечной радиации по [20] за год составляет1900 кВтžс/м². Учитывая это, тепловая энергия, что может быть достигнута френелевским концентратором размерами 1.2x1.5 м составляет

=1900*1000*60*60*1,8*0,78*0,81*0,85=6,61∙10⁹ Джоуль.

Это означает, что на таком типе установках можно получить энергию до 3,67ž10⁹ Джоулей в год с каждого 1 м². Удобно сравнивать тепловую энергию, получаемую устройством, с использованием общепринятых концепций различных видов традиционных видов топлива. Эквивалент 1 кг твердого (жидкого) и 1 м³ условного топлива эквивалентен 29,3 МДж или 7000 ккал (расчетная калорийность 1 кг угля). Калорийный эквивалент (KE) используется условно для перевода натурального топлива в традиционный вид топлива. При преобразовании годовой энергии, получаемой от устройства, в обычное топливо имеем эквивалент 6.61∙10⁹/29.3∙10⁶=256 кг условного топлива.

Кроме того, учитывая экологические последствия этой проблемы, энергия, генерируемая солнечными устройствами, является экологически чистой. Когда обычное топливо используется в угле, нефти, газе и т.д., образуется углекислый газ (CO₂). Солнечная энергия, вырабатываемая нашей солнечной установкой, производила бы 983 кубических метра углекислого газа (эквивалентно 1.7 м³/кг) при получении этой энергии из 256 кг угля.

Используя приведенные выше общие формулы, численные расчеты и методы измерения, можно определить оптико-геометрические и оптико-энергетические параметры линейных френелевских концентраторов. Закономерности изменения в фокальной плоскости позволяют выбрать оптимальный размер приемника излучения. Определенные характеристики распределения интенсивности энергии на поверхности приемника излучения определялись с помощью компьютерной технологии.

Таким образом, такие устройства расширят возможности для разработки и внедрения энергоэффективных методов и технологий в государственном и бытовом секторах.

Заключение

1. Разработаны инженерные расчеты для определения оптико-геометрических и энергетических параметров линейных фокусирующих концентраторов.
2. Разработано программное обеспечение для определения размера фокального пятна линейных Френелевских зеркальных солнечных концентраторов.
3. Тепловые характеристики устройства были испытаны в естественных условиях.
4. Был определен теплового КПД линейного Френелевского концентратора с размерами 1,2х1,5 м.
5. Получены расчетный и измерены данные для приемника излучения.

Список литературы:
1. Abdurakhmanov A., Kuchkarov A.A., Holov Sh. R., Abdumuminov A.Calculation of optical-geometrical characteristics of parabolic-cylindrical mirror concentrating systems // European science review. 2017. Vol. 2. P. 201-204.
2. Abdurakhmanov A.A., Kuchkarov A.A., Mamatkosimov M.A., Akhadov Z.Z. The optimization of the optical-geometric characteristics of mirror concentrating systems //Applied Solar Energy. 2014. Vol. 50. № 4. P. 244-251.
3. Akbarov R.Y., Kuchkarov A.A. Modeling and Calculation of Optical-Geometric Characteristics of a Solar Concentrator with Flat Fresnel Mirrors // Applied Solar Energy. 2018. Vol. 54. № 3. P. 183–188.
4. Bernhard R., Laabs H.J., de Lalaing J., Eck M., Eickhoff M., Pottler K., Morin G., Heimsath A., Georg A., Haberle A. Linear Fresnel collector demonstration on the PSA // Part I – Design, construction and quality control. In: 14th International Solar PACES Symposium, (Las Vegas, 2008 March 3–7). – Las Vegas, USA – 2008. P. 1-10.
5. Binotti M., Zhu G., Gray A., Manzolini G., & Silva P. Geometric analysis of three-dimensional effects of parabolic trough collectors // Solar Energy. 2013. Vol 88. P 88-96.
6. Klychev S.I., Abdurakhmanov A.A., Kuchkarov A.A.. Optical-geometric parameters of a linear Fresnel mirror with flat facets // Applied Solar Energy. 2014. Vol. 50. № 3. P. 168-170.
7. Klychev Sh.I., Zakhidov R.A., Bakhramov S.A., Dudko Yu.A., Khudoikulov A.Ya., Klychev Z.Sh., and Khudoiberdiev I.A. Parameter optimization for paraboloid-cylinder-receiver system of thermal power plants // Applied Solar Energy. Applied Solar Energy. 2009. Vol. 45. No. 4. P. 281–284.
8. Lovegrove K., Burgess G., Pye J. A new 500 m2 paraboloidal dish solar concentrator //Solar Energy. 2011. Vol. 85. № 4. P. 620-626.
9. Lovegrove K., Luzzi A., Soldiani I., Kreetz H. Developing ammonia based thermochemical energy storage for dish power plants // Solar Energy. 2004. Vol. 76. P. 331-337.
10. Mills D.R., Morrison G.L. Compact linear Fresnel reflector solar thermal power plants // Sol. Energy. 2000. Vol. 68. № 3. P. 263-283.
11. Morin G., Dersch J., Platzer W., Eck M., & Häberle A. Comparison of Linear Fresnel and Parabolic Trough Collector power plants // Solar Energy. 2012. Vol.86 № 1. P. 1-12.
12. Omer S.A., Infield D.G. Design and thermal analysis of a two stage solar concentrator for combined heat and thermoelectric power generation // Energy Convers. Manag. 2000. Vol. 41. P. 737–756.
13. Palavras I., Bakos G.C. Development of a low-cost dish solar concentrator and its application in zeolite desorption // Renewable Energy. 2006. Vol. 31. № 15. P. 2422-2431.
14. Wang G., Chen Z., Hu P., et al. Design and optical analysis of the band-focus Fresnel lens solar concentrator // Appl. Therm. Eng. 2016. Vol. 102. P. 695-700.
15. Widyolar B., Jiang L., Winston R. Spectral beam splitting in hybrid PV/T parabolic trough systems for power generation // Appl. Energy. 2018. Vol. 209. P. 236-250.
16. Zhu G. Development of an analytical optical method for linear Fresnel collectors //Solar Energy. 2013. Vol. 94. P. 240–252.
17. Zhu G., Wendelin T., Wagner M.J., et al. History, current state, and future of linear Fresnel concentrating solar collectors // Sol. Energy. 2014. Vol. 103. P. 639-652.
18. Абдурахманов А.А., Акбаров Р.Ю., Кратенко М.Ю., Собиров Ю.Б., Юлдашев А.А. Система технического зрения для оперативного контроля энергетических характеристик Большой Солнечной Печи // Гелиотехника. 1994. № 6. С. 30-32.
19. Абдурахманов А.А., Акбаров Р.Ю., Собиров Ю.Б., Юлдашев А.А. Метод измерения и контроля оптико-геометрических характеристик зеркал и стекол //Гелиотехника. 2003. № 1. -С. 72-75.
20. Рахимов Э.Ю., Саъдуллаева Ш.Э., Шерматова М.Б. Анализ солнечного потенциала Республики Узбекистан // Сборник материалов Международной конференции. Фундаментальные и прикладные вопросы физики. (Ташкент,14-15 июня 2017 г). – Ташкент, 2017. С. 73-76.