Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор существующих типов солнечных энергетических установок и возможностей повышения их эффективности .. 17
1.1 Классификация солнечных энергетических установок 17
1.2 Принципы построения солнечных электростанций для комбинированного производства электрической и тепловой энергии 21
1.3 Конструктивные элементы солнечной энергетической установки для одновременного производства электричества и тепла 24
1.3.1 Фотоэлектрические преобразователи 24
1.3.2 Концентратор солнечной энергии 29
1.3.3 Система слежения за солнцем 34
1.3.4 Электрическая часть установки 35
1.3.5 Тепловая часть СЭУ 37
1.3.6 Система автоматического управления и контроля установки 39
1.4 Выбор направления исследования 39
1.5 Постановка задач диссертации 40
Глава 2. Метод энергетического анализа концентратора солнечной энергии 42
2.1 Сущность метода 42
2.2 Разработка алгоритма программы 43
2.3 Выбор оптических схем концентрации для решения поставленной задачи 45
2.4 Разработка программных методов расчета концентрирующих систем 46
2.4.1 Принятые допущения при расчете концентрирующей системы 46
2.4.2 Фацетный концентратор 47
2.4.3 Параболоцилиндрический концентратор 50
2.5 Создание программы реализующей разработанный метод моделирования 54
2.5.1 Программный модуль - генератор лучей 54
2.5.2 Программный модуль - трассировщик лучей 55
2.5.3 Обработка данных 59
2.5.4 Интерфейс программы 60
2.6 Моделирование работы концентрирующих поверхностей 61
2.7 Оптимизация фацетного концентратора 68
2.8 Соотношение точности системы слежения и допусков на изготовления концентратора 72
2.9 Расчет ожидаемой мощности установки 73
Глава 3. Разработка макета концентрирующей системы 76
3.1 Создание расчетной схемы макета 76
3.2 Конструкция макета солнечной энергетической установки 80
3.3 Учебно-исследовательский стенд для анализа солнечных энергетических установок 83
Глава 4. Исследования макета концентрирующей системы 87
4.1 Средства измерения для проведения исследований 87
4.2 Измерение вклада фацетов в общий коэффициент концентрации 88
4.3 Измерение коэффициента концентрации концентратора 90
4.4 Измерение вольтамперной характеристики макета 90
4.5 Определение пространственного распределения сфокусированной световой энергии 91
4.6 Оценка качества работы охлаждающей жидкости 92
4.7 Зависимость мощности ФЭП от коэффициента концентрации 93
4.8 Оценка зависимости изменения мощности ФЭП от точности ориентации КСЭ 96
4.9 Снижение требований к точности работы системы слежения и допусков на изготовление отражающей поверхности за счет использования двусторонней засветки фотопреобразователя 97
4.10 Согласование напряжений многопереходного фотопреобразователя и планарного фотоэлектрического модуля 98
4.11 Описание установки, принятой к опытно-конструкторской разработке 99
4.12 Выводы по главе 102
Глава 5. Перспективные области применения установок комбинированного типа ... 104
5.1 Области применение установок комбинированного типа 104
5.2 Экономические предпосылки применения солнечных энергетических установок в централизованных системах электроснабжения 106
5.3 Определение стоимостных характеристик модуля 107
5.4 Оценка экономического эффекта от применения установки с концентратором 108
5.5 Сравнение предложенного типа энергетической установки с планарным фотоэлектрическим модулем 111
5.6 Экологические аспекты строительства и эксплуатации солнечных установок с концентраторами 112
5.7 Энергетическая окупаемость установки 114
Заключение 116
Список источников 118
Приложения 127
- Принципы построения солнечных электростанций для комбинированного производства электрической и тепловой энергии
- Выбор оптических схем концентрации для решения поставленной задачи
- Конструкция макета солнечной энергетической установки
- Измерение вклада фацетов в общий коэффициент концентрации
Введение к работе
В условиях ограниченности ископаемых ресурсов и невозможности, уже в ближайшей перспективе, постоянного и, тем более, растущего использования мировых запасов углеводородов перед каждым государством стоит важнейшая задача - поиск путей предотвращения наступающего энергетического кризиса или максимального смягчения проблем энергообеспечения страны в его условиях. Одним из путей решения этой глобальной задачи, стоящей перед человечеством, является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Россия является крупнейшим государством мира, занимая по площади 11,46% суши, большинство населения которого проживает в городах. В тоже время существенная часть территории России является малозаселенной и передача электроэнергии по линиям электропередач в такие районы является крайне неэффективной. Это, прежде всего, Крайний Север, восточные регионы и горная местность. Для таких регионов уже сейчас вопрос использования собственных источников энергии, к которым относятся и ВЭИ является актуальным.
Наиболее распространенным и доступным ВИЭ является солнечная энергия (СЭ). СЭ, в настоящее время, используется для получения тепловой и электрической энергии в хозяйственных нуждах децентрализованных объектов, в большинстве относящихся к сельскому хозяйству. Установленная мощность фотоэлектрических систем в мире в 2008 г. достигла 14,2 ГВт. Лидерами, с точки зрения объемов потребления фотоэлектрической продукции, в 2008 году стали Испания (41.3%) и Германия (27.8%).
В России пока реализуются только локальные, небольшие по мощности, проекты в области солнечной энергетики. Однако, несмотря на существующее мнение о том, что в странах лежащих севернее 45 с.ш. солнечная установка не окупается даже в течение 20 лет. Германия, находящаяся в широтах 45-55 с.ш., в зоне умеренно континентального климата, является одним из признанных мировых лидеров в области солнечной энергетики. В Южных регионах России, обладающих большими солнечными ресурсами, чем Германия, имеются хорошие предпосылки для развития солнечной энергетики.
Актуальность темы.
Основной проблемой, препятствующей ускоренному внедрению в наземную
энергетику солнечных энергетических установок (СЭУ), является низкий КПД
фотопреобразователей (ФЭП). Одним из вариантов решения этой проблемы является
использование высоковольтных многопереходных ФЭП с вертикальным р-n переходом.
К достоинствам высоковольтных ФЭП относится их способность работать при высоких
концентрациях солнечного излучения, при этом наблюдается эффект увеличения КПД.
Также к достоинствам высоковольтных ФЭП следует отнести, то, что они обладают
низким последовательным сопротивлением, двумя идентичными
световоспринимающими сторонами и более высоким коэффициентом теплоотдачи. Поэтому, очевидным способом повышения эффективности установок с высоковольтными ФЭП, является использование концентраторов, обеспечивающих двухстороннюю засветку и оснащенных системой слежения за Солнцем, что в свою очередь увеличивает коэффициент использования светового потока. Кроме того, при использовании подобных систем возможно создание комбинированной системы производства электричества и тепла.
/
({
\ \
Существенная доля потерь концентрирующих СЭУ происходит непосредственно в концентраторе. Суммарная величина этих потерь может достигать 50%. Поэтому важнейшими задачами, при разработке установок, оснащенных концентраторами, являются: максимальное снижение потерь в концентрирующей системе; анализ величин погрешностей системы слежения и формы концентрирующей поверхностей. В работе рассматривался широкий спектр концентрирующих систем, три из которых представлены в диссертационной работе: фацетная и параболоцилиндрическая - в качестве расчетных моделей; линейные жалюзные гелиостаты-концентраторы - в качестве макета.
Работа выполнялась в соответствии с программой «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и созданию научно-технического задела в области энергетики и энергосбережения» Федерального Агентства по науке и инновациям (ФАНИ) Министерства науки и образования РФ.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности концентраторов солнечных энергетических установок комбинированного типа на базе многопереходных высоковольтных фотопреобразователей, для повышения общей эффективности установки.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработать метод энергетического анализа концентратора солнечной энергии,
позволяющий моделировать распределение концентрированного излучения по
поверхности фотопреобразователей в зависимости от формы отражающей поверхности и
допусков на отклонения нормалей к поверхности, точности системы слежения.
-
Рассчитать форму концентратора солнечной энергии, обеспечивающего максимальную эффективности установки с приемником излучения на основе многопереходных фотопреобразователей, обладающих двумя световоспринимающими поверхностями; провести анализ влияния формы концентратора солнечного излучения, точности работы системы слежения и качества изготовления отражающей поверхности на распределение плотности энергии, приходящей к фотопреобразователю, и на коэффициент концентрации.
-
Разработать и изготовить макет рассчитанного концентратора солнечной энергии; провести натурные испытания макета концентратора солнечной энергии в составе установки для комбинированного производства электрической и тепловой энергии.
-
Исследовать работу системы слежения за Солнцем, определить минимально допустимую точность работы системы слежения при 40 кратной концентрации, осуществить привязку точности работы системы слежения к допускам на изготовления отражающей поверхности концентратора.
5. Разработать и изготовить лабораторно-исследовательский стенд для
проектирования солнечных энергетических установок методом физического
моделирования углов прихода солнечного излучения и исследования эффектов
затенения.
6. Провести технико-экономическое обоснование использования рассчитанной
установки, составленной из модулей оснащенных концентраторами в народном
хозяйстве.
Научная новизна работы.
-
Разработан эффективный метод энергетического анализа концентратора солнечного излучения, учитывающий точность изготовления его отражающей поверхности, режимы работы системы слежения за Солнцем и позволяющий рассчитать его геометрию, согласно заданным условиям.
-
Предложена форма концентратора солнечной энергии, обеспечивающего высокие технические характеристики установки с двусторонним приемником излучения на основе многопереходного фотопреобразователя.
-
Создан оригинальный макет солнечной энергетической установки, позволяющий испытывать в натурных условиях фотопреобразователи, обладающие, как одной, так и двумя световоспришшающими поверхностями, при различных вариантах коэффициента концентрации в пределах до 20 крат с каждой из сторон.
-
Обоснована установка планарных фотоэлектрических модулей в слепой зоне концентратора, играющих роль резервных источников питания для системы слежения за Солнцем и повышающих эффективность использования приходящего потока солнечной энергии.
-
Разработан и запатентован лабораторно-исследовательский стенд для проектирования солнечных энергетических установок методом физического моделирования углов прихода солнечного излучения и исследования эффектов затенения.
Научная новизна работы подтверждена двумя патентами Российской Федерации на изобретения.
Практическая ценность.
Метод энергетического анализа концентратора солнечной энергии и макет солнечной энергетической установки, оснащенной концентратором, обеспечивающим двустороннюю засветку многопереходных ФЭП и позволяющим регулировать коэффициент концентрации с каждой из сторон в пределах до 20 крат использовались в процессе проведения НИР по государственному контракту от 26 ноября 2007 года № 02.516.11.6141 «Исследование возможности создания солнечно-энергетического модуля на основе применения кремниевых высоковольтных многопереходных фотопреобразователей в режиме концентрированной солнечной освещенности и построения из этих модулей наземной солнечной теплоэлектрической станции нового поколения». Предложенный в диссертационной работе метод энергетического анализа концентратора, позволяет увеличить КПД создаваемых солнечных энергетических установок за счет снижения оптических потерь внутри концентратора и увеличения равномерности засветки поверхности ФЭП, а так же снизить стоимость и трудоемкость процесса его изготовления, что подтверждено актом и приведено в отчете по НИР.
В результате предварительных расчетов и проведенных натурных испытаний установлено, что предложенная форма концентрирующей поверхности снижает требования к точности системы слежения за Солнцем, по сравнению с концентраторами, обеспечивающими одностороннюю засветку, в 2,25 раза и увеличивает допуски на изготовление отражающей поверхности концентратора в 2,25 раза. Разработанный макет концентратора, позволяет регулировать коэффициент концентрации в диапазоне до 20 крат с каждой из сторон и обеспечивает равномерную засветку ФЭП, что позволяет испытывать и другие виды ФЭП при различных концентрациях.
Лабораторно-исследовательский стенд для физического моделирования прихода солнечного излучения позволяет проводить исследования работы СЭУ в зависимости от времени суток, сезона и широты местности; их расположения на крышах и фасадах зданий и исследовать эффект затенения. Лабораторно-исследовательский стенд внедрен в учебный процесс ГОУ ВПО Марийского Государственного Университета (МарГУ) на Электроэнергетическом факультете и ГОУ ВПО Московском Государственном Агроинженерном Университете им. В.П. Горячкина (МГАУ) на кафедре ЮНЕСКО-МГАУ ГНУ ВИЭСХ. Разработка проводилась по заказу Московского офиса ЮНЕСКО, контракт № 876625.6 и была представлена на совещании EURONETRES.
Положения, выносимые на защиту.
-
Метод энергетического анализа концентратора, учитывающий точность изготовления его отражающей поверхности и режимы работы системы слежения за Солнцем и позволяющий рассчитать его геометрию, согласно выбранным условиям.
-
Рассчитанная и смоделированная форма концентратора, обеспечивающего двухстороннюю засветку фотопреобразователя с коэффициентом концентрации 20 крат.
-
Результаты исследований концентратора солнечной энергии в составе макета солнечной энергетической установки на базе многопереходного фотопреобразователя.
-
Методика физического моделирования углов прихода солнечного излучения и оценки их влияния на эффективность работы солнечных энергетических установок при помощи лабораторно-исследовательского стенда.
Достоверность научных результатов и основных выводов подтверждена совпадением рассчитанных данных с данными испытаний концентратора в составе солнечной энергетической установки, а также высокой воспроизводимостью экспериментальных данных. Апробация работы.
Материалы диссертации были использованы в научно-технических отчетах НИР по государственному контракту от 26 ноября 2007 года № 02.516.11.6141, работе по заказу Московского Офиса ЮНЕСКО контракт № 876625.6. Основные положения диссертационной работы докладывались на 5-ой и 6-ой Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (Москва, МГУ, 2006 и 2008 гг.), конференции в рамках выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (Москва, ВВЦ, 2006, 2008 гг.), второй международной конференции «Concentrating Photovoltaic Optics and Power» (Darmstadt, Germany, 2009 г.), Шестой Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (Москва, ГНУ ВИЭСХ, 2008 г.), IX Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Инженерные и технологические исследования для устойчивого развития» (Москва, МГУИЭ, 2007 г.).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях рекомендованных перечнем ВАК и 2 патента РФ на изобретение.
Структура диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текста, иллюстрированных 76 рисунками и 13 таблицами, и снабжена 3 приложениями; список литературы включает 117 наименований.
Принципы построения солнечных электростанций для комбинированного производства электрической и тепловой энергии
Все существующие солнечные электрические станции (СЭС) подразделятся по способу формирования на две основные категории [24]: модульного (распределенного) и башенного типов. Солнечные электрические станции модульного типа. Основным достоинством этих СЭС является то, что ее единичный модуль самодостаточен и способен выполнять все функции свойственные электростанции построенной на его основе. Для увеличения мощности станции возможно постепенное добавление к системе новых модулей. Их применение оправдано для децентрализованных электрических сетей частных хозяйств. В настоящее время существуют три коммерческих изготовителя таких СЭУ: 1. Компания Menova Energy Inc. (Канада) [25], предлагающая «Power Spar» - СЭУ ФЭТ со слежением по двум (одной) оси, доступные в различных размерах и конфигурациях (рис. 1.5). 2. Компания Arontis Solar Solutions (Швеция) [26] - СЭУ ФЭТ «Solar8» (рис. 1.6). 3. Компания HelioDynamics Ltd. (GBR) [27], выпускает СЭУ ФЭТ Harmony ТМ HD 16с (рис. 1.7). цикла, так и прямым, посредством фотоэффекта. В России, был разработан проект Кисловодской СЭС суммарной мощностью 14 МВт и электрической мощностью 1,5 МВт [28, 29], строящейся по модульному принципу (Рис. 1.8). Получение ЭЭ планировалось за счет термодинамического преобразования тепла в ЭЭ. К сожалению, этот проект до сих пор так и не был запущен. Солнечные электрические станции башенного типа. В башенных СЭС используется центральный приемник, засвечиваемый полем гелиостатов, обеспечивающим степень концентрации в несколько тысяч крат (рис. 1.9, 1.10). Система слежения за Солнцем достаточно сложна, так как требует ориентации гелиостатов по двум осям. В качестве рабочего тела в тепловом двигателе обычно используется водяной пар с температурой до 550 С, воздух и другие газы - до 1000 С, низкокипящие органические жидкости (в том числе фреоны) - до 100 С, жидкометаллические теплоносители - до 800 С [30, 31]. Главное преимущество башенных СЭС заключается в том, что их конструктивные элементы значительно проще, нежели элементы установок модульного типа. Однако строительство таких станций оправдано лишь на большие мощности. Основными недостатками башенных СЭС являются их высокая стоимость и большая занимаемая площадь. Получение электрической энергии на электростанции данного типа осуществляется на базе термодинамического цикла. КПД станций находится в пределах 18-21%. В текущей работе принято решение исследовать возможности улучшения станций модульного типа, т.к. это направление представляется наиболее перспективным, особенно для России, обладающей огромными территориями с малой плотностью населения и существующим там дефиците на тепловую и электрическую энергии. Так же решение обосновано большим количеством вариантов и слабой изученностью станций подобного типа. Например, возможности термодинамического преобразования хорошо изучены в смежных сферах энергетики и, находятся гораздо ближе к точке своей максимально возможной эффективности, нежели способ получения ЭЭ и тепла в СЭУ ФЭТ К основным элементам СЭУ ФЭТ относятся: фотоэлектрические преобразователи (ФЭП); концентратор солнечной энергии (КСЭ) - оптическое устройство для повышения плотности потока СЭ, основанное на явлениях отражения и преломления лучей; система слежения за солнцем (ССС); система автоматического управления и контроля установки. электрическая часть установки, к которой относятся устройства, обеспечивающие электрическую коммутацию, накопление и преобразование электрической энергии; тепловая часть установки, к которой относится приемник тепла СК и теплотехническое оборудование. 1.3.1 Фотоэлектрические преобразователи Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения СЭ в ЭЭ являются ФЭП, т.к. здесь используется прямое преобразование энергии, основанное на фотоэффекте [10, 33, 34], который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание р-п переходов) или путём создания полупроводниковых гетероструктур с различной шириной запрещённой зоны в т.ч. варизонных [10]. Для существующих материалов, из которых изготавливают ФЭП и модули на их основе в настоящее время достигнуты следующие рекордные показатели КПД (табл. 1.2) [35]. В [36] приведен широкий спектр ФЭП и фотоэлектрических модулей изготавливаемых на их основе, производимых в нашей стране. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры и оптических свойств ФЭП. Основные потери энергии в ФЭП связаны с: отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя; прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём; генерацией тепловых колебаний решётки избыточной энергией фотонов по сравнению с шириной запрещенной зоны; рекомбинацией образовавшихся электронно-дырочных пар;
Выбор оптических схем концентрации для решения поставленной задачи
В разделе 2.3 было приведено краткое описание принятых для рассмотрения концентрирующих поверхностей, что является лишь частью информации о каждой из них, т.к. не несет информации о точных размерах и форме КСЭ. В текущем разделе приводится описание программных модулей, рассчитывающих концентрирующую систему для многопереходного ФЭП. Решается одна из задач диссертационной работы: разработка математических описаний концентрирующих систем, совместимых с разработанным методом компьютерного анализа. Для облегчения процесса расчетов и преобразований, приняты следующие допущения и упрощения, не влияющие на достоверность результатов, но, при этом, существенно снижающие сложность текста программы и увеличивающие скорость расчета: 1. Пространственная задача преобразуется в две задачи на плоскости, которые перпендикулярны друг другу. КСЭ ориентирован по Солнцу так, что его профильное сечение либо параллельно плоскости эклиптики, либо перпендикулярно ей. 2. Согласно ТЗ НИР [32] КСЭ должен иметь энергетический коэффициент концентрации равный 20. Для этого необходима система слежения, при этом ни в какой момент работы ни одна точка концентрирующей поверхности не оказывается затененной. 3. Поверхность КСЭ, располагающаяся рядом с центральной осью — не рабочая («слепая зона») и обеспечивает лишь монолитность его конструкции. Поэтому за нижнюю границу расчета КСЭ принимается точка начала слепой зоны, а не его ось симметрии. 4. При расчете КСЭ используется МЭАК (см. выше). 5. Анализ размеров концентрирующей поверхности, проводится для случая входа лучей в концентратор под нормальным углом. КСЭ на основе зеркал Френеля требует большей точности при изготовлении. Его главным достоинством является высокая равномерность распределения солнечной энергии по поверхности ФЭП, однако это обеспечивается лишь при нормальном угле входа лучей в КСЭ. При решении поставленной задачи рассматриваются только Зеркала Френеля, т.к. первый вариант (см. рис. 2.2) по сути, является ПЦ КСЭ. Создание цифрового описания модели концентратора. Расчет производится в профильном сечении КСЭ, перпендикулярном плоскости ФЭП (рис. 2.3). При расчете используются относительные единицы. Нижняя точка ФЭП, ближняя ко дну КСЭ, принимается началом прямоугольной декартовой системы координат, а базисом - размер ФЭП, равный 1 о.е. и направленный по оси У (рис. 2.4 а). Примем следующие обозначения: размер входной апертуры КСЭ - 2А; координаты начал ((хь уі), (х2, уг), (хз, уз) ... (Хп-ь уп-і)) и концов ((х2, у2), (хз, уз), (х4, у4), ... (хп, уп)) фацетов № 1, 2, 3 ... п-1 КСЭ; угол падения луча, приходящего от верхней точки концентратора, на ФЭП — ои; размер слепой зоны концентратора - N. Основной задачей, при расчете фацетного КСЭ по разработанному алгоритму, является поиск координат начал и концов его фацетов. Геометрическая интерпретация расчета представлена на рис. 2.4 (б). Исходные данные для расчета. 1. Геометрический коэффициент концентрации - Кг, для фацетного концентратора это координата начала первого фацета Хь 2. Угол падения луча, приходящего от верхней точки концентратора, на ФЭП - а і 3. Количество игнорируемых фацетов - определяется углом прихода луча от последнего фацета - а п. Игнорируемые фацеты — группа фацетов, близких к центральной оси КСЭ, создание которых неоправданно из-за их низкой энергетической эффективности. Определяется в процессе моделирования концентратора в зависимости от хп. 4. Расчетный угол входа луча в концентратор у=90.
Конструкция макета солнечной энергетической установки
Геометрия созданного макета КСЭ соответствует схеме (см. рис. 3.4). Разработанный макет КСЭ состоит из следующих составных частей (рис. 3.5): - основание (1); - узел механического наведения и слежения за Солнцем (2); - промежуточная призма (3); - несущий каркас концентратора (4); - зеркала (фацеты) концентратора (5); - приемный блок и корпус охладителя (6).
Основание макета КСЭ 1 служит для устойчивого расположения конструкции на плоской поверхности, а так же создания необходимого расстояния между точкой его крепления и поверхностью земли. На основании установлен узел механического наведения на Солнце 2, который имеет три поворотные степени свободы: вращение вокруг своей оси на 360 и наклон в двух взаимно перпендикулярных направлениях в пределах [-45, 45]. На поворотный механизм крепится промежуточная призма 3, которая изменяет диапазон высотных солнечных углов, на которые может осуществляться наклон КСЭ на интервал [-15, 75] или при развороте на 180 - [-75, 15]. Это создает диапазон высотных углов [-75, 75]. На промежуточной призме крепится несущий каркас 4 КСЭ, который является наиболее сложным узлом всего макета. На нем закрепляется консоль крепления корпуса приемного блока 6 и гелиостаты 5. На несущий каркас КСЭ крепятся 50 фацетов (зеркал) - по 25 с каждой стороны. Каждый фацет, после монтажа КСЭ, не зафиксирован жестко и может поворачиваться вокруг своей оси, что позволяет точно настроить КСЭ систему и исключает ошибки, возникающие при его изготовлении. Внешний вид макета во время монтажа показан на рис. 3.6а. Расстояния между точками креплений фацетов сделаны согласно таблице 3.1.
После монтажа фацетов несущий каркас КСЭ выглядит следующим образом (рис. 3.66). После сборки основных узлов КСЭ настраиваются фацеты.
Правила настройки фацетов. Настройка начинается с самого дальнего от приемного блока фацета. Для правильной настройки макет КСЭ располагается так, что бы лучи входили в него под нормальным углом, с ошибкой не более 0,25, что соответствует 1 мин земного времени. Как только это достигнуто, фацет поворачивается вокруг оси крепления, пока солнечный луч, отражаемый от него, не будет попадать на ФЭП, после чего затягивается фиксирующая его гайка. После настройки ориентации фацета измеряется отраженный им световой поток, и осуществляется затенение его шторкой, закрепленной на каркасе КСЭ. Далее осуществляется настройка следующего фацета, при этом поворотной системой постоянно контролируется угол прихода солнечного света, т.к. во время проведения настройки он постоянно изменяется. Т.о., настраиваются все зеркала. Более подробно правила настройки концентратора описаны в приложении 1.
Разработанный и изготовленный макет КСЭ расположен на специальной площадке (на крыше электрофизического корпуса), на территории ФГУП ВЭИ (рис. 3.7). На разработанном макете проведены экспериментальные исследования, подтверждающие результаты моделирования, приведенного во второй главе, а так же ряд предположений связанных с остальными функциональными частями СЭУ: ФЭП, система охлаждения, электрическая часть и т.д. В процессе проведения испытаний подтверждено, что ФЭП без охлаждения, под действием концентрированного света, быстро нагревается до высоких температур, что значительно снижает КПД системы. В связи с этим для отбора тепла от ФЭП была создана принудительная система охлаждения (рис. 3.76), где ФЭП заключается в специальный герметичный корпус, к которому подведены шланги, соединяющие его с резервуаром для хранения охлаждающей жидкости (рис. 3.8). Циркуляция жидкости внутри системы осуществляется при помощи насоса.
При создании СЭУ необходима предварительная оценка влияния изменяющегося угла прихода СЭ. Углы прихода СЭ определяются геометрией ежегодного движения Земли вокруг Солнца и вращением земли вокруг своей оси, что описывается формулами и диаграммами траекторий движения Солнца [85], на которые влияют три основные величины: географическая широта; время суток; время года. Т.о., система, позволяющая регулировать эти три величины, способна моделировать положение Солнца в любой момент времени. При закреплении, в точке предполагаемого нахождения Солнца, источника света можно оценить угол хода солнечных лучей к анализируемому объекту и степень влияния затеняющих объект препятствий. В результате анализа существующих лабораторно-исследовательских установок подобного типа (Heliodon) [86-88] - рис. 3.9, принято решение разработать учебно-исследовательский стенд для наглядной демонстрации сложного движения Солнца и исследования эффектов затенения для включения в состав лабораторных практикумов для студентов ВУЗов.
Измерение вклада фацетов в общий коэффициент концентрации
Проведение этих измерений обусловлено необходимостью определения вклада фацетов различных участков КСЭ в суммарный коэффициент концентрации и ориентировочного энергетического коэффициента концентрации. Измерение вклада фацетов в общий коэффициент концентрации осуществляется в процессе настройки КСЭ. Под вкладом фацета понимается величина отношения энергии солнечного потока пришедшего к ФЭП к величине прямой составляющей СИ (грФг/Фі). Схема измерений представлена на рис. 4.1. Вклад фацета учитывает потери на светоотражающей поверхности КСЭ (ЕПОгл) и из-за отражения от поверхности ФЭП (Е0Тр). Измерение проводится с использованием откалиброванных ФЭП - сравнением показаний измерительных ФЭП (1, 2, 3). Прямая составляющая солнечного излучения определяется из разности показаний ФЭП1 и ФЭП2. Величина энергии пришедшей, к ФЭП определяется согласно показаниям ФЭПЗ. Для проведения исследований в конструкции макета были предусмотрены специальные подвижные затеняющие экраны, закрывающие ФЭП от настроенных фацетов. Затеняющий экран 8 используется для измерения рассеянной составляющей солнечного излучения. При измерениях принимаем, что мощность приходящего солнечного излучения, измеренная по току короткого замыкания, вырабатываемого ФЭП, согласно калибровочным данным, рассчитывается по формуле: Выводы по результатам проведенного исследования: средний вклад фацетов равен 0,81 и 0,82 о.е. для верхнего и нижнего крыльев КСЭ соответственно, что говорит об их практической равноценности; вклад отдельных фацетов варьируется в пределах 0,60-0,90 о.е., что говорит о высокой чувствительности КСЭ к точности настройки. В случае идеальной настройки фацетов их вклад должен находиться в пределах 0,80-0,95 о.е. в зависимости от расположения; несмотря на разброс результатов, выявляется закономерность — фацеты центральной части крыльев КСЭ вносят больший вклад, чем находящиеся по краям. Для центральных фацетов можно добиться вклада равного 0,95 о.е.; выявленным недостатком конкретного макета является невозможность проведения настройки фацета №19, что вызвано, отклонением точек крепления фацета при его изготовлении. Это на 0,8 крат снижает суммарный коэффициент концентрации. рассчитанный энергетический коэффициент концентрации для каждого из крыльев составляет 19,5, что в сумме дает 39. Проведение измерения коэффициента концентрации необходимо для проверки правильности расчета КСЭ. При проведении измерений коэффициента концентрации были получены следующие значения: Верхнее крыло концентратора — коэффициент концентрации равен 20; Нижнее крыло концентратора - коэффициент концентрации равен 19. В итоге проверки установлено, что макет КСЭ, с учетом допустимой погрешности, создает световой поток с требуемой величиной коэффициента концентрации. Проведение измерения ВАХ в натурных условиях позволяет оценить электрические характеристики установки и оценить ее КПД. Снятие ВАХ проводилось в соответствии с разработанной методикой измерения [32]. В результате проведенных измерений см. прил. 2 были получены ВАХ для засвечиваемого с двух сторон неконцентрированным светом ФЭП и макета в целом (рис. 4.3). После математической обработки результатов установлено, что: - филфактор ФЭП в случае при 20-ти кратной засветке практически (0,85) не изменяется по сравнению с однократной концентрацией (0,87); - КПД ФЭП 13%, а КПД электрической части установки составляет 8,5%; - пиковая мощность макета, при н.у. и доле рассеянной составляющей 10% — 15 Вт. - Оптический КПД системы КСЭ - охлаждающая жидкость - ФЭП составляет 65%. Рисунок 4.3 - Вольтамперные характеристики КВМ без КСЭ (слева) и с КСЭ (справа) Выводы: 1. Электрический КПД макета (8,5%) выше ожидаемого КПД расчитанного модуля (7,6%), т.к. точность изготовления его отражающей поверхности и слежение за солнцем были выше расчетных. Потери от этих двух факторов в макете составляют лишь 10% в отличие от установки, потери в которой допускаются равными 20%. Согласно полученным значеням оптический КПД, созданной системы равен 65%. 2. С учетом масштаба пиковая мощность установки с размером аппертуры 1м будет иметь значение 60Вт, в это значение не входит мощность планарного ФЭП, устанавливаемого в слепой зоне КСЭ.
