Разработка солнечной энергетической установки со стационарным параболоцилиндрическим концентратором и системой угловых жалюзийны

Расчет и моделирование стационарных концентраторов на основе ориентированных вторичных отражателей

Разработка теории многозеркальных концентраторов на сегодняшний день представляется актуальной, так как работ по расчету многозеркальных систем почти нет, а имеющиеся страдают сильными упрощениями и идеализациями. Введение вторичного отражателя усложняет конструкцию стационарного концентратора и увеличивает коэффициент оптических потерь, но на практике все чаще используют подобные схемы. Так, например, применение гелиостата дает возможность фиксировать параболоидный концентратор, а введение гиперболоидного контротражателя – вывести фокус за пределы концентрирующей системы, а также способствует уменьшению габаритных размеров концентратора, повышению облученности, обеспечению заданной геометрии лучистого поля и т. д.

Ориентирование стационарных концентрирующих модулей

Стационарный концентрирующий параболоцилиндрический модуль, установленный под углом, равным местной широте, способен в течение нескольких месяцев без корректировки положения концентрировать не только солнечное излучение, идущее от Солнца, но и излучение, рассеянное околосолнечными участками неба. При этом солнечные лучи, проходящие через концентрирующую систему, всегда ограничены размерами зеркальной поверхности концентратора, имеющего определенное поле зрения .

В стационарном режиме работает только в полуденные часы, что соответствует приблизительно 2 ч 20 мин. Все солнечные лучи, имеющие координаты по высоте ниже 55º, выходят за пределы «угла зрения» концентрирующего модуля и на приемник излучения не попадают.

Дневная продолжительность работы стационарно установленного параболоцилиндрического концентратора с углом раскрытия α ≤ 36˚, равная 2 – 4 часам, летом явно недостаточна. Суточный ход солнечной инсоляции различных поверхностей в средних широтах представлен на рис. 2, из которого следует, что высокоэффективный концентратор летом должен работать не менее 10 часов, а зимой – 4 – 6 часов в сутки. Чтобы устранить такой существенный недостаток, как краткосрочность работы в годовом и суточном режиме, концентраторы оснащаются системами слежения за Солнцем. Следящие системы не только обеспечивают интегральный рост, но и приводят к качественным изменениям как временных характеристик, так и структуры, поступающей на панель инсоляции. Эффективность системы, определяемая как отношение инсоляции панели к инсоляции горизонтальной поверхности, связана с анизотропными составляющими солнечной радиации и, главным образом, с ее прямой составляющей.

Слежение вокруг полярной оси приводит к более равномерному поступлению солнечной радиации на панель и, более того, увеличивает время эффективной работы панели на 2 - 4 часа в день. В результате слежения доля прямой составляющей солнечного излучения на поверхности панели значительно возрастает, особенно в утренние и вечерние часы.

Время работы солнечного модуля в стационарном состоянии определяется соотношением , где Т0 – количество дней работы, а ( - угол раскрытия концентратора в градусах.

Для эффективной работы стационарно установленного концентрирующего модуля необходимо, чтобы в поле зрения концентратора попадало максимум отраженных солнечных лучей. В суточном режиме это утренние и вечерние лучи, в годовом – зимняя и осенне – весенняя инсоляция.

Расчета зависимости выходной мощности стационарного параболоцилиндрического концентратора от часового угла

Опыт создания солнечных станций с концентраторами показал, что даже при концентрации 50 снижение стоимости солнечных станций происходит всего в 2 раза, т. к. при этом требуются значительные затраты на систему слежения, систему охлаждения солнечных элементов, усложняется опорная конструкция станции. Поэтому было принято направление на создание фотоэлектрических модулей со стационарными концентраторами, не требующими систем слежения и могущими работать круглый год (или сезон) в неподвижном состоянии.

Выходная мощность стационарного параболоцилиндрического концентратора (СПЦК) (Wвых), определяемая как величина потока излучения, выходящего из концентрирующего модуля, рассчитывается по формуле :

Для увеличения времени работы стационарного концентратора, повышения суммарной выработки электроэнергии и упрощения конструкции солнечных энергоустановок за счет исключения систем слежения, предложено использовать в фотоэлектрическом модуле систему угловых жалюзийных гелиостатов .

При использовании данной установки угловые гелиостаты могут корректировать угловые склонения Солнца по высоте, как система с линейными гелиостатами, и также высокие значения часовых углов (вечерняя и утренняя инсоляция).

Угловой гелиостат представляет собой две зеркальные полосы, образующие двухгранный угол ψ.

По расчетам оптимальный угол раскрытия между жалюзийными пластинами гелиостатов должен быть ψ =120º, чтобы максимальное количество солнечных лучей попадало в поле зрения концентратора.

В связи с тем, что крылья линейных жалюзийных гелиостатов находятся под углом 120º друг к другу и увеличивается поле зрения концентратора, рассмотрим диапазон 30< ω <60º, который для стационарно установленного концентратора являлся «мертвой» зоной .

Как видно при увеличении поля зрения концентратора увеличивается диапазон рабочих углов по высоте от 14-19º при использовании системы угловых жалюзийных гелиостатов. Так как минимальный апертурный угол взят равным 24º, то все высотные углы Солнца в пределах часового угла ω± 60º от оси Юг будут попадать на приемник концентратора. В качестве приемника 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.

Теоретические расчеты показывают, что при использовании угловых жалюзийных гелиостатов используемая площадь увеличивается больше, чем реальная площадь. Это обусловлено тем, что падающие солнечные лучи при малых значениях часового угла отражаются не только от концентратора, но и от угловых гелиостатов, поэтому на приемник концентрирующего модуля падает дополнительное значение отраженной инсоляции.

Так как стационарно установленный концентратор даже с большим углом раскрытия может эффективно работать только в околополуденные часы в течение нескольких месяцев подряд, а затем из-за выхода падающих солнечных лучей за пределы поля зрения концентратора по азимуту прекращает свою работу, применение системы угловых жалюзийных гелиостатов позволит увеличить время работы концентратора в суточном и годовом циклах.

Воспринимающая площадь концентратора с использованием угловых жалюзийных гелиостатов примет вид:

В связи с этим выходная мощность концентрирующего модуля примет вид

В табл. 2 представлены выходные мощности концентратора с единичной поверхности миделя (концентрирующей системы с углом раскрытия 24°) для различных часовых углов ω без учета высотного угла h.

Таблица 2

ω 0° 5° 10° 15° 20° 30° 45° 50° 60° Wвых, Вт 3,6 4,44 4,25 4,08 3,92 3,6 3,11 2,94 2,56

4. Оптимальная ориентация системы вторичных отражателей

Система жалюзийных гелиостатов в концентрирующем модуле дает небольшое затенение воспринимающей площади концентратора, а так как максимальная выработка энергии идет в полуденные часы, затенять воспринимающую площадь концентратора в это время не рационально. Для увеличения времени работы стационарного концентратора, как в суточном, так и в годовом режиме работы, повышения суммарной выработки электроэнергии в год предлагается установить систему вторичных отражателей выше входной поверхности концентратора . При этом система вторичных отражателей на общей раме располагается на жесткой опоре выше входной поверхности концентратора параллельно входной поверхности миделя концентратора с возможностью изменения угла наклона гелиостатов.

Таким образом, мы убедились что возможно поднять КПД солнечной с установки с помощью параболоцилиндрических концентраторов и угловых жалюзийных гелистатов.