СОЛНЕЧНЫЕ КОЛЛЕКТОРЫ СО СМЕННЫМИ ПАРАБОЛИЧЕСКИМИ КОНЦЕНТРАТОРАМИ

​В данной статье рассматривается альтернативный способ применения солнечных коллекторов с параболическим концентратором в условиях сильно изменяющейся плотности светового потока.

Причиной выбора солнечного коллектора именно данной конструкции заключается в большой эффективности при достаточно небольших габаритах. Концентраторы могут обеспечивать степень концентрации от низких значений, меньше единицы, до высоких, порядка . [1] Увеличение степени концентрации означает повышение температуры, при которой отбирается энергия, и повышение требований к качеству изготовления оптической системы и точности системы слежения. [1]

Концентраторы солнечной энергии классифицируются по направлению лучей (преломляющие и отражающие) и по форме (цилиндрические, фокусирующие излучение в «линию», или круговые, фокусирующие в «точку»).

Различают следующие фокусирующие коллекторы:

• Плоский приёмник и плоский отражатель (коэффициент концентрации С =2…15);
• Параболический концентратор (С=100…5000);
• Концентратор Френеля (линзы Френеля, С=20…80);
• Конический отражатель, цилиндрический приёмник (С=1…3);

И другие. [2]

Рисунок 1. Типы фокусирующих коллекторов [2]

Рисунок 2. Диаграмма удельной средней за день интенсивности солнечного излучения на вертикальную поверхность южной ориентации по дням года [3]

Как показано на рисунке выше количество солнечной энергии в Беларуси колеблется от 100 до 600 , дальнейшие расчёты представлены для города Гродно, следовательно наибольшее количество солнечной радиации 450  приходится на 12-18 числа июня, а наименьшие 120  приходится на 8-14 числа декабря. Можно заметить, что разница колоссальная и для поддержания системы в заданных характеристиках и получении необходимой температуры независимо от времени года есть необходимость либо в подключении дополнительных гелиоколлекторных установок, либо в замене параболического концентратора в зависимости от времени года. В данной работе будет рассматриваться второй вариант так как обладает следующим рядом преимуществ: снижение стоимости всей системы за счёт уменьшения количества гелиоколлекторных установок; снижение стоимости из-за уменьшения необходимого объёма теплоносителя; экономия полезной площади, так как гелиоколлекторные установки будут занимать намного меньшую площадь. Из недостатков данного способа можно выделить необходимость своевременной ручной замены параболических отражателей и хранение неиспользуемых на протяжении шести календарных месяцев.

Пример расчёта:

Минимум солнечной радиации 120  при наихудших погодных и климатических условиях.

Максимум солнечной радиации 450  при наилучших погодных и климатических условиях.

Выбранные теплоносители имеют следующие характеристики:

• Эфир пентаэритрита и технической фракции кислот  (ПЭТ ):
• Температура вспышки: 248
• Температура застывания: -60
• Теплоёмкость: 2000 Дж/кг◦С
• Кинетическая вязкость при 50 : 14,9
• Не испаряется
• Не меняет свойства до 232
• Диоктилсебацинат (DOS):
• Температура вспышки: 260  
• Температура застывания: -50
• Теплоёмкость: 1800 Дж/кг◦С
• Кинетическая вязкость при 50 : 15
• Не испаряется
• Не меняет свойства до 246

Примем температуру теплоносителя на входе в коллектор равной  22 , массовый расход теплоносителя 0,1 л/с.

                                                                                    (1)

Опираясь на формулу выше вычисляем длину солнечного коллектора и ширину проекции методом подбора, полученные данные представление в таблице 1:

Таблица 1

Выбор длинны солнечного коллектора

Приняв ширину проекции концентратора за константу, вычисляем длину солнечного коллектора. Как видно из таблицы, нашим условиям конечной температуры для максимального количества солнечной радиации удовлетворяет коллектор при значении длинны длины  1,2 м и ширине проекции концентратора 0,5 м.

Приняв длину коллектора за константу проводим аналогичный расчёт для определения ширины проекции концентратора для наименьших значений солнечной радиации, данные расчёты представлены в таблице 2:

Таблица 2

Выбор ширины проекции солнечного коллектора для зимы

Исходя из полученных расчётов можно с уверенностью сказать, что при ширине проекции концентратора 1,88 м можно добиться аналогичных температурных характеристик что и при наибольшем количестве солнечной радиации.

После определения ширины проекции параболы на плоскость рассчитываем форму самого концентратора опирать на формулу:

                                                                                                (2)

Где D – ширина проекции,  – фокусное расстояние, d – глубина параболоидного концентратора.

Так как данный коллектор имеет систему слежения за солнцем то существует только одна возможная форма параболы с одним значением фокусного расстояния. Учитывая тот факт, что точка фокуса не может находится ниже отрезка равного ширине проекции и расположенного между ветвями параболы параллельно оси, то выводим из формулы 2 фокусное расстояние производим расчёт по наибольшему значению D, значение d определяем графически:

                                                                                                   (3)

Исходя из данного расчёта определяем глубину параболы для летнего концентратора:

 (м)

Опираясь на полученные данные рассчитаем диаметр трубы солнечного коллектора:

                                                            (4)

Вывод: Исходя из полученных расчётов можно утверждать, что данная система имеет практическое применение и может быть использована для поддержания постоянного КПД в рамках различных климатических сезонов.

Список литературы:

1. Основы солнечной теплоэнергетики: Учебно-справочное руководство/Дж. Даффи, У. Бекман – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2013 – 888 с.
2. Возобновляемые источники энергии: Учебное пособие/ А. Дж. Обозов, Р. М. Ботпаев: Бишкек, 2010 – 224 с.
3. Использование солнечной энергии для повышения энергоэффективности жилых зданий: Справочное пособие/ В. В. Покотилов, М. А. Рутковский: Минск, 2014 – 51 с.