Математические модели конструктивных характеристик гелиоустановок

Использование солнечной энергии для теплоснабжения потребителей заключается в замещении топлива в энергетических установках, что предопределяет разработку новых конструктивных и схемных решений. Трудности в создании гелиоустановок обусловлены рассеянностью солнечной энергии по территории. Для увеличения плотности потока применяются концентраторы солнечной энергии различных конструкций. Солнечный концентратор является основным компонентом любой солнечной системы. Именно в нем происходит преобразование солнечной энергии в тепло. От его технического совершенства и стоимости зависит эффективность работы всей системы [1].

Основные свойства концентраторов солнечной энергии заключаются в том, что они фокусируют параллельно падающие лучи в линию или точку.

Параболоидные зеркала отличаются высокой концентрирующей способностью, однако сложность изготовления зеркальных поверхностей при выдерживании точных расчетных параметров и, следовательно, высокая стоимость делают их не всегда приемлемыми при разработках типовых конструкций гелиопреобразователей [2]. Поэтому многие зарубежные и отечественные ученые отмечают эффективность использования и простота изготовления плоских концентраторов, однако методов оптимизации размеров и оптической эффективности не приводится.

Для моделирования гелиоустановки для базы отдыха «Кендерли» требуются эффективные, простые по конструкции аппараты, в которых первостепенную роль играют концентрирующие элементы, фокусирующие солнечные лучи.

Концентрирующие системы применяют с целью повышения термодинамического потенциала и эффективности преобразования лучистой солнечной энергии [3].

В данной работе в качестве концентрирующих элементов мы использовали плоские зеркальные поверхности. Зеркальные поверхности в гелиоустановках устанавливаются не параллельно друг другу, а под определенным, обычно симметричным углом, образуя треугольное сечение, а поглощающая поверхность располагается в средней части зеркал, на биссектрисе угла между ними, в различных точках по высоте.

Так как зеркала плоские и трубка-поглотитель имеет одинаковые размеры по всей длине, целесообразно рассматривать при анализе исследования концентраторов только их сечение.

Под поверхностью поглощения будем понимать часть поверхности трубки, освещенной прямым солнечным излучением, направленным по оси концентратора к ней.

Геометрические параметры плоских концентраторов: высота конструкции концентраторов Н, поверхность раскрытия зеркал W, ширина зеркала L (L0 от точки раскрытия до начала попадания солнечных лучей, L1 — при однократном отражении лучей от одного зеркала). На рисунке 1 изображена трубка-поглотитель, представляющая собой поглощающую поверхность S круглого сечения с наружным радиусом R, расположенную между плоскими зеркальными поверхностями Q и G с углом раскрытия.

Рисунок 1 — Геометрические параметры плоских концентраторов Проанализируем их при условии, что отраженная от зеркал радиация солнечной энергии целиком и однородно распределяется по поверхности поглощения.

В концентраторе луч (МД) имеет одинарное отражение. Так как пересечение биссектрис КНСКМ и МОДМКявляется центром вписанной окружности (точка О, из построения) [8], то ДМО = ОМК = /4. Из OMА находим катет МА = L1.

Из KАOOKА = /2, тогда КА=.

Отрезок МК = L1 + KA=, тогда.

или или Геометрические характеристики концентраторов энергии в плоских зеркалах при различных углах раскрытия и для различных радиусом трубок-поглотителей приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Геометрические характеристики гелиоустановки.