Фацетные U-образные параболоцилиндрические концентраторы

Расчетный профиль стационарного концентратора может быть использован для получения фацетного стационарного концентратора. Расчет фацетных систем, в отличие от систем со сплошным отражающим покрытием, обладает рядом специфических особенностей^[1]. При использовании фацет распределение сконцентрированной солнечной энергии на приемнике более равномерно, это благоприятно сказывается на работе фотопреобразователя, фацеты более долговечны, чем сплошное отражающее покрытие.

Расположение фацет относительно приемника и друг друга может быть различным. Рассмотрим следующие варианты короткофокусного фацетного стационарного концентратора: при расположении фацет непосредственно по идеальному профилю (левая ветвь, рис. 6.2, А); при расположении фацет по касательной к идеальному профилю (правая ветвь, Б).

Расположение фацет по идеальному профилю

С точки зрения технологии изготовления готового модуля рассматриваемый вариант (рис. 6.2, А, левая ветвь) представляет собой наиболее простое решение. Фацеты накладываются поверх идеального профиля внутри стационарного концентратора и закрепляются на нем. Было проведено моделирование работы такого вида концентратора по методу «единичного луча» (см. подпараграф 1.5.2). Был исследован концентратор с шириной по миделю 687 мм, фокусным расстоянием / = 200 мм и шириной фацеты t = 50 мм, т. е. при относительной ширине фацеты t/f = 0,25. Для моделирования использовались лазер и заготовка расчетного профиля стационарного концентратора из стального уголка (рис. 6.3). На внутреннюю поверхность профиля накладывались фацеты. Луч лазера имитировал склонение Солнца 8 таким образом, чтобы получить отраженный луч от верхней, средней и нижней частей каждой фацеты. В результате была получена полная картина работы каждой фацеты в отдельности и концентратора в целом.

Рис. 6.2. Формирование фацетных поверхностей U-образного параболоцилиндрического концентратора:

А — по расчетному (идеальному) профилю;

Б — по касательной к расчетному профилю.

Рис. 6.3. Схема лазерных испытаний по методу единичного луча фацетного концентратора.

Геометрический коэффициент концентрации определялся по формуле.

где S/s — отношение ширины используемой поверхности концентратора к высоте приемника, а 8 — угол наклона луча к нормали горизонта.

Для идеального профиля стационарного концентратора геометрический коэффициент концентрации при угле луна 8 = 0 равен К_г = 687/200 = 3,44, мощность испытываемого фацетного концентратора по сравнению с базовой составляет Рф = 104,2%. При углах луча 8 = ±23,5° геометрический коэффициент равен К_г = 687/200 • cos 24° = = 3,14, мощность концентратора снижается до Рф = 95,2%.

Эксперимент показал следующее.

• 1. При угле луча лазера 23,5° при попадании луча на левую часть профиля (или при угле луча лазера -23,5° при попадании луча лазера на правую часть профиля) 35% площади фацет посылают лучи за пределы приемника, расположенного в фокальной плоскости (Р = 200 мм). С учетом этого мощность фацетного концентратора при углах ±23,5° составит Рф = 76,1% относительно базовой.
• 2. При угле луча лазера 23,5° при попадании луча на правую часть профиля на фацеты 6−7-10 (см. рис. 6.3) луч отражается 2 и более раз. Причем количество отражений тем больше, чем больше номер фацеты (так, для 10-й фацеты имеем 4 отражения). Вследствие этого часть поверхности приемника с обеих сторон испытуемого образца фацетного стационарного концентратора используется неэффективно.

В ходе исследования было применено как графическое, так и компьютерное моделирование работы фацетного стационарного концентратора. Исследования показали, что при крайних углах у прихода солнечных лучей (при у = 0 и у = 2а) на стационарный фацетный концентратор только ¾ лучей попадает на приемник.

При углах солнечных лучей у > 0 или у < а количество солнечных лучей, попадающих на приемник, увеличивается, и при некотором угле прихода солнечных лучей геометрическая концентрация фацетного концентратора становится равной геометрической концентрации идеального концентратора. Причем чем больше ширина фацет, тем меньше область работы концентратора при геометрической концентрации, равной геометрической концентрации сплошного концентратора. При угле лучей 0° < у < 47° обе ветви параболы направляют лучи на приемник, расположенный между фокусом и концентратором.

Одним из способов избежать потери солнечного излучения в фацетном стационарном концентраторе является увеличение высоты приемника таким образом, чтобы все отраженные от фацет лучи (или их большая часть) попадали на приемник. Мощность такого фацетного стационарного концентратора повышается, но при этом уменьшается геометрическая концентрация. Например при относительной ширине фацет t/f = 0,25 при увеличении приемника на 34% средняя геометрическая концентрация фацетного стационарного концентратора снижается сК_г= 3,3 до К_г = 2,46, а при t/f = 0,5 при увеличении приемника на 70% средняя геометрическая концентрация фацетного стационарного концентратора снижается с К_г= 3,3 до К_г = 1,94. На рис. 6.4 изображен график зависимости геометрической концентрации фацетного концентратора от величины солнечного склонения для разных типов отражающих поверхностей.

Рис. 6.4. Изменение геометрической концентрации стационарного фацетного концентратора в течение года (по оси абсцисс углы склонения -24° … +24°):

темная линия — сплошное покрытие, серая линия — фацеты по профилю.

• [1] Стребков Д. С., Тверьянович Э. В., Беленое А. Т., Литвинов П. П. Солнечный фотоэлектрический модуль с симметричным фацетным концентратором // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 4-й Международной научно-технической конференции (12−13 мая 2004 г.). Ч. 4. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004. С. 10—11.