Введение к работе
Актуальность работы. Применение концентрирующих систем – один из основных способов снижения стоимости энергии, вырабатываемой солнечными модулями. Поскольку во многих областях с централизованным энергоснабжением остро стоит вопрос энергоэффективности городской застройки, использование интегрируемых в здания концентраторных солнечных модулей позволит снизить потребность в централизованном электро- и теплоснабжении. Интегрируемость традиционных концентрирующих модулей в крыши и фасады зданий значительно затруднена, так как их работа требует постоянной ориентации на Солнце. Неследящие концентраторы представляют больший интерес для интеграции, поскольку их сравнительно большая угловая апертура позволяет работать без слежения за Солнцем, но продолжительность их работы в летний период снижается до 2-4 часов в сутки, в другие периоды года солнечные лучи могут вовсе не попадать в пределы угловой апертуры концентратора. Расширить временной интервал, в течение которого поступающие на входную поверхность концентратора солнечные лучи попадают на приёмник излучения, можно с помощью расположенного на входной поверхности концентратора жа-люзийного гелиостата. Устройство представляет собой параллельные ряды синхронно работающих узких зеркальных полос – ламелей, устанавливаемых под таким углом к поверхности входа, чтобы солнечные лучи, вышедшие в результате суточного или годового движения Солнца за пределы угловой апертуры, после отражения от зеркальных ламелей вновь попали в пределы апертуры солнечного концентратора.
Таким образом, использование жалюзийных гелиостатов может значительно повысить эффективность неследящих солнечных концентраторов, в том числе модулей, установленных на фасадах административных и жилых зданий, что особенно актуально в южных регионах с большой долей прямой солнечной радиации.
Степень разработанности темы. Известны методики расчета плоской (двухмерной) схемы прохождения солнечных лучей через жалюзийный гелиостат, предполагающие слежение за Солнцем по азимуту. Такое упрощение задачи не даёт возможности оценить реальную эффективность применения гелиостатов с неследящими солнечными концентраторами на заданном временном интервале. Не рассмотрены возможности увеличения продолжительности
работы концентратора за счет поворота системы зеркальных ламелей вслед за ходом солнечных лучей.
Цель работы – повышение производительности неследящего солнечного концентратора за счет установки на его входной поверхности жалюзийного гелиостата.
Задачи исследования:
-
Выполнить анализ современного состояния и перспектив использования концентрированного солнечного излучения в солнечных энергетических установках с различными типами фотоприёмников.
-
Разработать алгоритм управления линейным жалюзийным гелиостатом для повышения эффективности неследящего параболоцилиндрического концентратора.
-
Разработать алгоритм расчёта потока солнечного излучения на приёмной поверхности неследящего параболоцилиндрического концентратора с жа-люзийным гелиостатом.
-
Разработать конструкцию, изготовить и провести экспериментальное исследование неследящего солнечного концентраторного модуля с жалюзий-ным гелиостатом.
-
Провести исследование перспективных областей применения и технико-экономическое обоснование использования неследящих солнечных концен-траторных модулей с жалюзийными гелиостатами.
Научная новизна заключается в следующем:
-
Разработан алгоритм управления зеркальными ламелями жалюзийного гелиостата, использование которого значительно повышает эффективность работы неследящего солнечного концентратора.
-
Разработан алгоритм расчета потока солнечного излучения на приёмной поверхности параболоцилиндрического солнечного концентратора с жалюзий-ным гелиостатом исходя из рассмотрения практически важной трёхмерной задачи.
-
Разработаны конструкции четырех типов неследящих концентраторов с жалюзийными гелиостатами, имеющие нулевые потери на затенение и блокировку. На разработанные солнечные концентраторные модули получены четыре патента РФ: №2576752, №2576742, №2576739, №2580462.
4. Разработана конструкция теплофотоэлектрического приемника солнеч
ного излучения для солнечных концентраторных модулей, обеспечивающая теп-
4
ловой КПД модуля в пределах 60…70%, срок службы не менее 25 лет. На разработанный теплофотоэлектрический приемник для солнечных концентраторных модулей получен патент РФ №2546332.
Теоретическая и практическая значимость исследования состоит в следующем:
формирование научно-обоснованного подхода к разработке неследящих солнечных модулей с системой линейных жалюзийных гелиостатов и выбору режима эксплуатации разработанных модулей в зависимости от различных требований потребителя тепловой или электрической энергии;
разработанная для экспериментального исследования работы солнечных модулей система автоматического измерения основных параметров может быть использована совместно с различными типами солнечных модулей (тепловых, PV и PVT) и позволяет с требуемой периодичностью регистрировать заданные характеристики с последующим сохранением массива данных в форме, удобной для дальнейшей обработки;
предложенная конструкция солнечных концентраторных модулей с жа-люзийными гелиостатами с увеличенной продолжительностью работы, устанавливаемых на фасады зданий, может решить проблему нехватки площади для размещения объектов солнечной энергетики на территории города, а также обеспечить теплом и электроэнергией потребителей жилого и общественного сектора;
- результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс
ФГБОУ ВО «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»,
что подтверждено соответствующим актом о внедрении.
Методы исследования.
При выполнении диссертационной работы применялись следующие методы исследования: системный анализ, методы оптимизации, экспериментальные методы исследования. Использовались методы математического моделирования, обработка расчетных и экспериментальных данных выполнена с использованием программы Microsoft Office Excel, Mathcad.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Использование разработанного алгоритма управления зеркальными ла-мелями жалюзийного гелиостата значительно повышает эффективность работы солнечного концентратора – на приемной поверхности концентратора с угло-5
вой апертурой 18 в окрестностях Сочи годовая сумма солнечной радиации увеличивается в два раза.
-
Алгоритм расчета прохождения солнечных лучей по зеркальной поверхности ламелей и параболоцилиндра, реализованный в виде компьютерной программы, позволяет рассчитать поток солнечной радиации на приемной поверхности солнечного концентратора с относительной погрешностью не более 5%.
-
Конструкция компактного PVT приемника, разработанного для несле-дящего параболоцилиндрического солнечного концентратора, обеспечивает тепловой КПД модуля на уровне 60..70% при сроке службы не менее 25 лет.
-
Использование неследящих концентраторных модулей с жалюзийным гелиостатом позволяет снизить стоимость производимой электроэнергии по сравнению с концентраторными модулями без жалюзи на 40-60%, тепловой энергии– на 50%.
Достоверность научных результатов подтверждается экспериментальными данными, полученными при испытаниях солнечного концентраторного модуля с жалюзийными гелиостатами, которые соответствуют теоретическим.
Личный вклад автора состоит в том, что им:
разработаны оптические схемы и конструкции различных типов солнечных модулей с жалюзийными гелиостатами и концентраторами, имеющие нулевые потери на затенение и блокировку солнечного излучения;
разработан алгоритм управления жалюзийным гелиостатом, исключающий блокировку и затенение солнечных лучей соседними ламелями;
разработан алгоритм расчета потока солнечного излучения на приемной поверхности неследящего параболоцилиндрического концентратора с жалю-зийным гелиостатом;
разработана конструкция, изготовлен макет и проведено экспериментальное исследование неследящего солнечного концентраторного модуля с жа-люзийными гелиостатами;
- для экспериментального исследования работы солнечных модулей авто
ром разработана система автоматического измерения основных параметров;
- проведено технико-экономическое обоснование использования несле-
дящих солнечных концентраторных модулей с жалюзийными гелиостатами.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований
докладывались на: 9-й международной научно-технической конференции
«Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, ГНУ ВИЭСХ, 21-22 мая 2014 г.), Всероссийской научной конференции с международным участием и IX научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 11-14 ноября 2014 года), Международной заочной научно-практической конференции 2016 г. «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика», ФГБОУ ВО «ВГЛТУ» (г. Воронеж, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», 3-7 октября 2016 г.), Всероссийской научной конференции с международным участием и X научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 10-13 октября 2016 года), Международной конференции 13-14 июня 2017 г., Академия наук Республики Узбекистан НПО «Физика-Солнце».
Публикации. По результатам исследований опубликовано 24 научные работы, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 статьи в Scopus, получено 5 патентов на изобретение.
Структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 126 наименований и 4 приложения. Диссертация изложена на 163 страницах текста, 11 страниц приложения, содержит 116 рисунков, 12 таблиц.