Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса использования концентрированного солнечного излучения 13
1.1. Обзор концентраторов солнечной энергии 16
1.1.1. Отражающие концентраторы 17
1.1.2. Преломляющие концентраторы 19
1.1.3. Стационарные концентраторы 20
1.2. Обзор концентрирующих систем для солнечных электростанций 25
1.2.1. Солнечные станции башенного типа 25
1.2.2. СЭС на основе параболоцилиндрических концентраторов 29
1.2.3. Станции на основе параболоидных концентраторов 31
1.3. Постановка задач диссертации 3 2
ГЛАВА 2. Аналитическое исследование стационарного параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии 33
2.1. Математическая модель стационарного параболоцилиндрического концентратора солнечной энергии 33
2.2. Анализ фацетной концентрирующей системы стационарного U-образного параболоцилиндрического концентратора 38
2.3. Исследование работы и оптимизация параметров стационарных параболоцилиндрических концентраторов солнечной энергии 48
2.3.1. Моделирование работы стационарного концентратора в течение года 48
2.3.2. Оптимизация работы стационарного параболоцилиндрического концентратора за счет зазора между концентратором и приемником солнечного излучения 53
2.3.3. Оптимизация работы стационарного параболоцилиндрического концентратора за счет параметрического и апертурного углов 54
ГЛАВА 3. STRONG Разработка модулей со стационарными концентраторами солнечного излучения и их
экспериментальная проверка STRONG 61
3.1. Тепловой расчет солнечной установки с U-образным параболоцилиндрическим концентратором солнечной энергии 61
3.2. Методика проведения натурных испытаний солнечных модулей со стационарными концентраторами 71
3.3. Экспериментальная проверка характеристик солнечных модулей в натурных условиях 77
3.4. Описание конструкций и результаты экспериментальных испытаний 79
3.4.1. Материалы для изготовления солнечных модулей 79
3.4.2. Тепловой солнечный модуль со стационарным концентратором 84
3.4.3. Фотоэлектрические солнечные модули со стационарными концентраторами для комбинированного электротеплоснабжения с жидкостным теплоносителем 89
3.4.4. Фотоэлектрический солнечный модуль со стационарным концентратором для комбинированного электротеплоснабжения с воздушным теплоносителем 94 Выводы по главе 3 100
ГЛАВА 4. Схемы использования и технико- экономические показатели модулей со стационарными концентраторами 102
4.1. Исследование работы солнечных модулей со стационарными концентраторами в составе установки 102
4.2. Эксергетический анализ солнечных модулей со стационарными концентраторами 108
4.3. Технико-экономическое обоснование использования солнечных модулей со стационарными концентраторами солнечной энергии 113
4.3.1. Оценка стоимости установленной пиковой мощности модулей со стационарными концентраторами для комбинированного энергоснабжения 113
4.3.2. Оценка стоимости площади апертуры теплового солнечного модуля со стационарным концентратором 115
4.4. Экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных установок с концентраторами 118
Заключение 122
Список литературы 125
Приложение 136
- Обзор концентрирующих систем для солнечных электростанций
- Анализ фацетной концентрирующей системы стационарного U-образного параболоцилиндрического концентратора
- Методика проведения натурных испытаний солнечных модулей со стационарными концентраторами
- Эксергетический анализ солнечных модулей со стационарными концентраторами
Введение к работе
Уровень жизни любой общественной формации, развитие государства связаны с обеспечением энергией. В течение прошедших столетий по мере развития производственно-экономических отношений энергетика превратилась в базовую отрасль, от состояния которой зависит не только уровень сельскохозяйственного и промышленного производства, обеспечения продукцией населения страны, но и поддержание высокого уровня жизни.
В настоящее время более 86 % производимой электрической и тепловой энергии вырабатывается на АЭС и ТЭЦ, работающих на ископаемом топливе. Производство электроэнергии на ТЭЦ сопровождается не только химическим загрязнением окружающей среды (ежегодно только углерода в форме углекислого газа выбрасывается в атмосферу около 5,5 Гт) и истощением ограниченных природных ресурсов, но и приводит к "тепловому загрязнению" Земли. Однако для того, чтобы избежать необратимых изменений климата, суммарная выработка энергии на Земле не должна превышать 1% от всей энергии, приходящей на Землю от Солнца (около 1,5-1024 Дж в год) [71-73]. Использование же АЭС сопряжено с проблемами обеспечения безопасности их эксплуатации, переработки радиационных отходов и опасностью радиационного загрязнения.
Исследования показали [73, 74], что для решения возникших проблем перспективно использование возобновляемых источников энергии. Основное преимущество возобновляемых источников энергии - их неисчерпаемость и экологическая чистота. Их использование не изменяет энергетический баланс планеты. Теоретический потенциал солнечной энергии, приходящий на Землю в течение года, превышает все извлекаемые запасы органического топлива в 1СН-20 раз, экономический потенциал возобновляемых источников энергии в настоящее время оценивается в 20 млрд. тонн условного топлива (т.у.т) в год, что в два раза превышает объём годовой добычи всех видов органического топлива.
В основе практически всех видов возобновляемых источников энергии лежит энергия излучения Солнца. Вклад Солнца в энергетический баланс Земли в несколько тысяч раз превышает вклад всех других источников. Полное количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли за неделю, превосходит энергию всех мировых запасов нефти, газа, угля и урана [68, 69]. На территории Российской Федерации солнечная энергия имеет валовый потенциал величиной более 2000 млрд. т.у.т. в год.
Актуальность темы.
Непрерывный рост цен на традиционные энергоносители и на электрическую энергию, получаемую в основном от сжигания ископаемого топлива, обусловлен прежде всего ростом себестоимости добываемого топлива и увеличением затрат на его транспортировку. В то же время, наметилась устойчивая тенденция снижения стоимости энергии, получаемой от возобновляемых источников.
Получение теплоты и электричества с помощью солнечной энергии прежде всего представляет интерес для автономных и удаленных потребителей в виде отдельных небольших поселков, фермерских хозяйств и отдельных домов [107-108]. Задачи удовлетворения потребностей автономных и удаленных потребителей в энергии приводят к развитию солнечных тепловых и фотоэлектрических установок.
Использование концентраторов в солнечных установках позволяет повысить температуру теплоносителя в случае теплового преобразования энергии. При фотоэлектрическом преобразовании концентраторы позволяют увеличить эффективность и уменьшить количество дорогих солнечных элементов.
Использование концентрирующих систем, работающих на средних и высоких концентрациях, должны иметь системы слежения. Это приводит к удорожанию всей конструкции, усложнению эксплуатации и уменьшению
7 надежности работы. В то же время, известны концентраторы, которые способны работать в стационарном режиме, не требующие слежения за солнцем.
Стимулом для выполнения данных исследований послужил контракт с Минэнерго России по проекту «Разработка солнечной тепловой электростанции с концентраторами солнечной энергии и гидропаровым турбогенератором мощностью 10-Н5 кВт» на создание солнечной электростанции с концентраторами солнечного излучения и гидропаровой турбиной разработки НПВП "Турбокон" (г. Калуга). По контракту ВИЭСХ должен был разработать солнечную тепловую установку для получения теплоносителя выше 100 С.
Круг решаемых в работе вопросов затрагивает не только разработку солнечных тепловых модулей со стационарными концентраторами, но и создание солнечных фотоэлектрических модулей для комбинированного энергоснабжения.
Целью работы является исследование и оптимизация энергетических характеристик отражающих оптических систем со стационарными составными параболоцилиндрическими концентраторами и создание на их основе солнечных тепловых и фотоэлектрических модулей.
Для достижения основной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:
Исследование работы стационарного U-образного параболоцилиндрического концентратора солнечного излучения для приемников с двухсторонней рабочей поверхностью, разработка адекватной математической модели стационарного концентратора солнечной энергии с целью определения оптимальных параметрических углов, положения приемника и профиля отражателя.
Разработка теплового модуля со стационарными концентраторами для получения температуры теплоносителя выше 100 С.
Разработка методики проведения испытаний солнечных модулей со стационарными концентраторами в натурных условиях.
Определение экспериментальных характеристик образцов солнечных модулей со стационарными концентраторами.
Проведение оптимизации компоновки солнечных модулей в составе солнечной станции (поля модулей).
Проведение технико-экономического обоснования использования разработанных модулей для электро- и теплоснабжения.
Научная новизна работы.
Разработана математическая модель расчета стационарных U-образных концентраторов, позволяющая спроектировать новый более эффективный профиль стационарного концентратора с максимальной годовой выработкой энергии.
Аналитически исследовано влияние на выработку энергии концентратора с поверхностью, аппроксимированной плоскими зеркалами (фацетами) в составе фотоэлектрических модулей и предложена оптимальная конфигурация отражающей поверхности и положения приемника.
Впервые проведены теплотехнические исследования солнечных модулей со стационарными U-образными концентраторами для получения теплоносителя выше 100 С.
Разработана методика проведения испытаний солнечных модулей со стационарными концентраторами в натурных условиях.
Разработаны три новых типа термостабилизации солнечных элементов в комбинированных солнечных модулях для выработки тепла и электричества.
Исследован вопрос и обосновано оптимальное расположение солнечных модулей со стационарными концентраторами в составе солнечной установки (поля модулей).
9 Основные положения, выносимые на защиту.
Математическая модель U-образного стационарного концентратора.
Результаты теплотехнического расчета солнечного модуля со стационарным концентратором и двухсторонним приемником излучения.
Методика проведения испытаний стационарного концентратора в натурных условиях.
Различные типы систем термостабилизации солнечных элементов в составе фотоэлектрических модулей.
Результаты экспериментальных исследований оптико-энергетических характеристик солнечных модулей со стационарными концентраторами.
Результаты исследований работы солнечных модулей со стационарными концентраторами в составе установки (поля модулей).
Практическая ценность работы.
В результате проведенных исследований разработан новый тип стационарного U-образного параболоцилиндрического концентратора с геометрической концентрацией 3,45 , на основе которого осуществлена разработка солнечных фотоэлектрических модулей для комбинированного энергоснабжения и солнечного теплового модуля для получения теплоносителя с рабочей температурой выше 100 С.
Работа по исследованию солнечного теплового модуля со стационарным концентратором велась в рамках государственного контракта № 03-14-126 от 07.07.2003 г. с Минэнерго Российской Федерации по проекту «Разработка солнечной тепловой электростанции с концентраторами солнечной энергии и гидропаровым турбогенератором мощностью 10-И 5 кВт».
Работы по созданию солнечного модуля со стационарным концентратором для комбинированного электротеплоснабжения выполнялась в соответствии с контрактом № 5-04 с фирмой "Paolo Campolini & F.lli Snc" (Италия).
Научные материалы диссертации, содержащие результаты проведенного исследования профиля стационарного симметричного параболоцилиндрического концентратора, переданы "Ковровскому механическому заводу" (Россия). Материалы использованы для выполнения солнечного модуля с приемником излучения с двухсторонней рабочей поверхностью.
В рамках диссертационной работы разработана методика проведения испытаний солнечных модулей со стационарными концентраторами в натурных условиях.
Апробация.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:
4-я Международная научно-техническая конференция «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (12-13 мая 2004 г., г. Москва, ГНУ ВИЭСХ). The 5th ISES EUROPE SOLAR CONFERENCE 14. Internationales Sonnenforum der DGS e.V. The Focal Point for Solar Science, Business and Industry in Europe co-ordinated with Intersolar 2004 (20-23 June 2004, Freiburg).
II Международная научная конференция «Возобновляемые источники энергии для устойчивого развития байкальского региона» (17-21 июля 2004 г., г. Улан-Удэ).
IV Научно-практический семинар «Малая и нетрадиционная энергетика, энергосберегающие технологии и новые методы передачи электроэнергии» (22 октября 2004 г., г. Москва, ВВЦ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, включая решение о выдаче патента Российской Федерации на изобретение.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 137 страниц, включая 2 страницы приложений, содержит 43 иллюстрации и 20 таблиц.
Содержание работы.
Во введении обосновывается актуальность темы, рассматривается ее научная новизна и практическая ценность, приводятся положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание работы.
Первая глава диссертационной работы включает в себя анализ состояния вопроса преобразования солнечной энергии в электрическую и тепловую, обзор разработок и исследований в области концентраторов солнечной энергии. Приведена постановка задач диссертации.
Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию и оптимизации U-образных параболоцилиндрических отражающих поверхностей для стационарных концентраторов. В главе описана математическая модель U-образного концентратора, приведены аналитические исследования характеристик.
В третьей главе рассматривается энергетический анализ теплового солнечного модуля со стационарным U-образным концентратором солнечного излучения для получения температуры теплоносителя выше 100С, предложена методика и технические средства проведения испытаний солнечных модулей со стационарными концентраторами в натурных условиях, учитывающая геометрические характеристики и условия работы стационарных концентраторов. В третьей главе выполнено также определение основных параметров опытных образцов солнечных модулей, а также представлены результаты их испытаний.
В четвертой главе проведен анализ работы солнечных модулей со стационарными концентраторами в составе поля модулей (солнечной станции), выполнена оптимизация расстояния между рядами концентраторов, проведен эксергетический анализ и технико-экономическое
12 обоснование использования солнечных модулей с концентраторами солнечного излучения для электротеплоснабжения. В четвертой главе также определены экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных установок с концентраторами.
Обзор концентрирующих систем для солнечных электростанций
Создание СЭС башенного варианта разрабатывалась в СССР еще в 40-х гг. и в 1949 г. была предложена на гелиотехнической конференции в Москве Н.В. Линицким [51]. Он предложил приемник излучения расположить на башне, вокруг которой на рельсах по концентрическим окружностям должны перемещаться платформы с установленными на них гелиостатами. При перемещении Солнца гелиостаты направляют отраженный поток на приемник излучения, установленный на башне. Высокие температуры, которые достигаются в приемнике излучения, позволяют получить сухой пар с нужными параметрами для работы паровой турбины.
Схема Линицкого послужила поводом для развития концепции СЭС башенного типа. В 80-х гг. США, СССР, Италия, Испания, Франция и Япония приступили к интенсивным разработкам СЭС этого типа. Первоначальная схема станции с движущимися тележками изменилась. Дальнейшие разработки показали, что эффективней использовать автономный гелиостат с собственной опорой и поворотом зеркала вокруг двух осей. Для поддержания направления отраженного пучка на приемник излучения, установленный на башне первоначально применялись датчики направления потока, которые устанавливались перед каждым гелиостатом, в настоящее время гелиостаты управляются при помощи ЭВМ согласно алгоритму, единственному для каждого зеркала, реализованного в компьютерной программе. Положение каждого зеркала в текущий момент отслеживается электроникой и передается на главную диспетчерскую рабочую станцию. Наиболее крупные сооруженные СЭС башенного типа, приведены в таблице 1.1.
Все построенные станции рассматривались как опытно-экспериментальные образцы, на которых проверялись принципы проектирования.
Исследования станции THEMIS («Тэмис», Франция) начаты в 1976 г. Высота башен станции составляет 85 м, 200 гелиостатов площадью по 53 м каждый размещены на территории в 50 тыс. м . Опытный солнечный генератор мощностью 64 кВт работал в течение ряда лет. Основная цель этого исследования - обосновать возможность создания в условиях Франции СЭС мощностью 2 МВт и более [56, 57].
В настоящее время наиболее отработанными вариантами конструкции башенного типа станции можно считать станцию Solar Two мощностью 10 МВт в США, построенную в 1996 г на основе Solar One, и прототип станции Phoebus (TSA) мощностью 1 МВт, установленную на международном солнечном полигоне в Альмерии (Испания). Основные характеристики этих станций приведены в таблице 1.2. СЭС Solar Two работает следующим образом: солнечное излучение от поля гелиостатов поступает на приемник излучения на башне, разогревает теплоноситель до 565С, поступает в тепловой аккумулятор, затем в парогенератор и далее через емкость холодного теплоносителя - на приемник излучения.
Значительные потери СЭС Solar Two связаны с изменением коэффициента отражения зеркал при разных положениях в пространстве. Вторым фактором, влияющим на потери лучистой энергии и связанным только с полем концентраторов, является вероятность безотказной работы гелиостатов. Отказы в работе гелиостатов определяются тем, что каждый гелиостат является автономным сложным механизмом, работающим по своей индивидуальной программе, поэтому вероятны отказы в работе системы автоматики, механизмов привода, датчиков ориентации. С учетом вышесказанного, эффективность концентрирующей системы составляет около 59 %.
Дополнительные потери во всех СЭС башенного типа обусловлены ветровыми потоками, обдувающими открытые поверхности приемника излучения.
СЭС типа TSA рассматривается как прототип станции для Иордании мощностью 30 МВт, которую собирается сооружать ЕС. Отличительной чертой этого типа станции является воздушный контур с включенным в него приемником излучения. В этой СЭС солнечное излучение нагревает воздух в приемнике излучения на башне, воздух поступает в газовый подогреватель, где догревается до 700 С, далее поступает в парогенератор и с температурой 200 С возвращается в приемник.
Анализ фацетной концентрирующей системы стационарного U-образного параболоцилиндрического концентратора
В 2.1 рассматривались концентрирующие системы со сплошным отражающим покрытием. Концентраторы со сплошным отражающим покрытием в силу более сложного их производства и более высокой стоимости, применяются большей частью в установках небольшой мощности. Отражающие поверхности большой и средней мощности изготавливаются, как правило, составными [60-63]. По методу образования отражающей поверхности составные концентраторы можно разбить на две группы: а) фрагментарные, каждое составляющее зеркало которых представляет собой вырезку из поверхности соответствующей части цельного зеркала. Поверхность концентратора в этом случае описывается непрерывной гладкой функцией; б) фацетные, где каждое составляющее зеркало обладает собственной геометрией, отличающейся от геометрии несущей основы. В этом случае поверхность концентратора описывается разрывной функцией. В работах [64-66] исследовались длинно- и среднефокусные фацетные концентраторы, к настоящему времени накоплен обширный материал по работе этой группы концентраторов. Вместе с тем, работа короткофокусных стационарных фацетных концентраторов (т. е. таких, в которых фокус находится ниже миделя концентратора) мало исследована. Идеальный 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. При использовании фацет распределение сконцентрированной солнечной энергии на приемнике более равномерно, что благоприятно сказывается на работе приемника, фацеты более долговечны, чем сплошное отражающее покрытие. Как показывает анализ концентрирующей способности фацет, корректный расчет фацетной концентрирующей системы можно осуществить, только если учитывается вклад каждой фацеты в суммарный поток [6]. Применительно к малофацетным системам, с числом фацет не более нескольких десятков, этот метод оказывается единственным, так как применение статистического подхода невозможно. На первом этапе необходимо произвести разбивку профиля и определить координаты точек касания фацет с основой. Рассмотрим часть профиля стационарного U-образного параболоцилиндрического фацетного концентратора, расположенную справа от фокальной плоскости с произвольным параметрическим углом Хі. Для описания математической модели профиля концентратора воспользуемся рисунком (рис. 2.2). Для дальнейших расчетов удобно выбрать систему координат (декартову) таким образом, чтобы ось абсцисс Ох отстояла на угол аі от фокальной плоскости концентратора. Граничные условия части геометрического профиля концентратора следующие: Утах У Утіп- Часть профиля концентратора при Ушах У О является ветвью параболы с фокусом в точке F и фокусным расстоянием OF, а часть профиля при 0 y ymin - сектором окружности с центром в точке F фокуса ветви параболы и радиусом OF. Здесь у, и у,, - соответственно наибольшее и наименьшее предельные значения координат части профиля концентратора. Тогда система уравнений, описывающих профиль концентратора, в выбранной системе координат имеет вид: Расположим плоские фацеты по профилю концентратора, начиная с точки А0 (хо; уо) до точки Ап (хп; у„). В соответствии с граничными условиями с учетом (2.1): (2.17) Выполнив расчет по всем лучам, отражаемых от краев фацет, получим полную информацию о характере облученности фокальной плоскости каждой фацетой. В результате выполнения расчета по всем фацетам концентратора получим массив данных (J М, (а,; b, )N, (с,; d,)
По значениям величин MjN; и A0Nj можно определить эффективный размер приемника солнечного излучения и его положение по высоте фокальной плоскости. Расположение фацет относительно приемника и друг друга может быть различным [119]. Рассмотрим следующие варианты короткофокусного фацетного стационарного концентратора: при расположении фацет непосредственно по идеальному профилю (рис. 2.3, левая ветвь); при расположении фацет по касательной к идеальному профилю (рис. 2.3, правая ветвь). касательной к идеальному профилю (правая половина). Примем среднегодовую мощность стационарного концентратора со сплошным отражающим покрытием за базовую Р=100 %, тогда результаты дальнейших вычислений мощности будем представлять в процентных долях относительно принятого. Фацеты располагаются непосредственно по идеальному профилю. С точки зрения технологии изготовления готового модуля рассматриваемый вариант (рис. 2.3, левая ветвь) представляет собой наиболее простое решение. Фацеты накладываются поверх идеального профиля стационарного концентратора и закрепляются на нем. Проведено моделирование работы такого вида концентратора. Исследован концентратор с шириной по миделю 700 мм, фокусным расстоянием AF=200 мм и шириной фацеты t=50 мм, т. е. при относительной ширине фацеты t/f=0,25. Для моделирования использовался лазер и заготовка расчетного профиля стационарного концентратора из стального уголка. На внутреннюю поверхность профиля накладывались фацеты. Луч лазера имитировал склонение солнца 5 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.
Методика проведения натурных испытаний солнечных модулей со стационарными концентраторами
Натурные испытания являются важным этапом в области разработки и исследований солнечных модулей со стационарными концентраторами. Для определения основных технических характеристик образца модуля фиксируются энергетические характеристики модуля при имеющемся уровне солнечной радиации. Для унификации результатов испытаний характеристики приводятся к стандартным условиям - интенсивности солнечной радиации Ies=1000 Вт/м2 и температуре окружающей среды +25 С. Между тем, испытания солнечных модулей со стационарными концентраторами несколько отличаются от испытаний планарных модулей [40] и солнечных установок с концентраторами, имеющими одну (две) степени свободы [38, 39]. Одной из отличительных особенностей стационарных концентраторов, является возможность концентрировать не только прямую составляющую солнечной радиации, но и часть рассеянной солнечной радиации. На рис. 3.4 приведена область концентрирования рассеянной составляющей солнечной радиации. При этом угол а зависит от времени и периода работы стационарного концентратора в году. Для концентратора, работающего круглый год наиболее эффективно а=27,5 [113]. Угол X зависит от ширины h бокового добавочного отражающего покрытия по формуле: Я = arctg — , где h — высота приемника, / - ширина бокового отражающего покрытия. При ширине бокового отражающего покрытия /=0 угол Х=0, а при /—юо - Х.=90. где /„ - интенсивность прямой солнечной радиации на горизонтальной поверхности, а произведение (I„-R,J - интенсивность прямой солнечной радиации на наклонной поверхности. R„ коэффициент пересчета, 1й - интенсивность рассеянной солнечной радиации на горизонтальной поверхности, /?-угол наклона поверхности к горизонту, /р - интенсивность отраженной от поверхности земли солнечной радиации В [67] показано, что около половины отраженной радиации перерассеивается небом, что повышает его яркость, и эта составляющая учитывается в интенсивности рассеянной солнечной радиации 1д. Поэтому для стационарного концентратора солнечной энергии в формуле (3.20) в правой ее части последняя составляющая, обусловленная отраженной от подстилающей поверхности солнечной радиации (альбедо), может быть опущена. Степень улавливания стационарным концентратором рассеянной составляющей солнечной радиации может быть учтена через коэффициент к , определяемый как отношение части видимой стационарным концентратором сферы к общей ее площади. Коэффициент к определяется в зависимости от параметрического угла концентратора а, длины бокового добавленного отражающего покрытия / и высоты приемника излучения h следующим образом: Например, для параболоцилиндрического U-образного стационарного концентратора с параметрическими углами а=27,5 при угле А,=80 - к -0,275; для профиля параболоцилиндрического U-образного стационарного концентратора с параметрическими углами а=23,5 - & =0,235. В пределах кольца шириной в 10 вокруг солнца располагается околосолнечный ореол, который содержит 30 % всей рассеянной небом радиации, остальные 70 % распределены практически равномерно по небосводу с минимумом в солнечном зените и стационарный концентратор с параметрическими углами больше ±23,5, работающий круглый год, улавливает все излучение околосолнечного ореола. Тогда коэффициент, учитывающий степень улавливания стационарным концентратором рассеянной составляющей солнечной радиации будет равен: и для профиля с параметрическими углами а=27,5 составит =0,7-0,275+0,3=0,49. Для стационарного концентратора солнечной энергии формула (3.20) примет вид: к - коэффициент, учитывающий степень улавливания стационарным концентратором рассеянной составляющей солнечной радиации (к 1). В современных анизотропных моделях принято рассматривать три составляющих рассеянной солнечной радиации: равномерно поступающую от всего небосвода Vdi поступающую из околосолнечной области Гд и поступающую из области небосвода, близкой к линии горизонта Гд. В случае анизотропной модели для стационарного концентратора солнечной энергии при круглогодичной работе интенсивность солнечной радиации на наклонной поверхности, воспринимаемая стационарным концентратором, 1К определяется выражением:
Эксергетический анализ солнечных модулей со стационарными концентраторами
Солнечный модуль со стационарным концентратором для комбинированного электротеплоснабжения используется в качестве источника электроэнергии и тепла. Теплота, вырабатываемая модулем, предназначена как для обеспечения систем теплоснабжения, так и в качестве низкопотенциального источника для производства механической и электрической энергии, в сушилках и т. д. Теплоноситель солнечного теплового модуля также может быть использован для производства механической и электрической энергии. Эффективность энергетических устройств, которые могут быть использованы для производства полезной энергии в виде работы, удобно оценивать при помощи эксергетического анализа. В отличие от ранее применявшихся методов анализа, в эксергетическом методе учитывается не только количество, но и качество потоков эксергии. Особенностью эксергетического метода является универсальность, связанная с тем, что использование эксергии позволяет оценивать запасы и потоки энергии всех видов, входящих в баланс, посредством единого критерия эффективности. Следует отметить, что формулы (4.8)-(4.10) справедливы как для фотоэлектрических, так и для тепловых солнечных модулей, однако в случае тепловых солнечных модулей составляющая NC3 (удельный поток эксергии электроэнергии, вырабатываемой солнечными элементами) будет отсутствовать. Удельный поток эксергии солнечной радиации по [90, 101,102]: где qnad - плотность потока энергии, приходящей на плоскость миделя концентратора, для расчетов принимаемая qnad=\000 Вт/м ; р - коэффициент, определяемый по аппроксимационной формуле [91]: где То - абсолютная температура окружающей среды. Для стандартных условий t0=+25 С, Т0=298 К. С учетом (4.11) и (4.12) имеем: Еиз =0 "2,314-10 4-298)-1000=931 Вт/м2. Плотность потока эксергии теплоносителя [90] в приемнике Еп где Gyd — расход теплоносителя через приемник, отнесенный к единице площади миделя концентратора; ср - удельная теплоемкость теплоносителя (для комбинированных модулей с водяным теплоносителем принимается Ср=4200 Дж/(кг-С), с воздушным теплоносителем ср=1005 Дж/(кгС), для теплового модуля с теплоносителем ПМС-10 Ср= 1650 Дж/(кг-С)); дпогл -плотность потока солнечной радиации, поглощенная поверхностью приемника; Кщ, - приведенный на единицу площади миделя концентратора коэффициент суммарных теплопотерь; Т/ - абсолютная температура теплоносителя на входе в теплоотводящий канал. Для спроектированных солнечных модулей 7/ w=7,0; r\mn - коэффициент эффективности теплового преобразования. где гк - пропускная способность материала теплоотводящего канала, равный для комбинированных солнечных модулей с водяным теплоносителем т,=0,87, с воздушным теплоносителем г,г=0,89; асэ - поглощательная способность приемника; Рф - отражательная способность отражающего покрытия. С учетом выражения (4.14), для солнечного модуля с концентратором при Tf o формулу (4.13) можно записать в виде: Поскольку по определению эксергия потока работы равна самой работе, удельный поток эксергии электроэнергии, вырабатываемой солнечными элементами комбинированных модулей, определяется по формуле: Л э = , где U, I - соответственно напряжение и ток нагрузки, s вырабатываемый солнечными элементами, вырабатываемые солнечными элементами с единицы площади s. Расчет эксергетических характеристик спроектированных солнечных модулей сведен в таблицу 4.1.
