мая «затяжка» никелем). Первичное осаждение никеля можно про­изводить как из сернокислого, так и сульфаминового электролитов. Электролит должен обеспечивать пластичность осаждающего нике­ля, иначе пленка за счет сил внутренних напряжений, возникающих в осаждающемся металле, может оторваться от формы. Внутренние напряжения в никелевом слое уменьшают за счет введения в элек­тролит специальных органических добавок.

После первичного осаждения никеля на копию наращивают толстый слой металла. Электролиты для наращивания толстых слоев должны: 1) обеспечивать достаточно высокую производительность; 2) иметь высокую рассеивающую способность, чтобы изделие имело одинаковую толщину на любом участке поверхности.

К металлу, осаждаемому гальванопластическим способом, предъявляются — противоречивые требования: с одной стороны,

он должен быть достаточно твердым и прочным, чтобы гальвано-

Центр вращения участнаї

нопластические копии сохраняли форму в процессе эксплуатации; с другой — не слишком хрупким, так как чрезмерные внутренние на­пряжения, возникающие в твердом слое, ведут к короблению копий. Для наращивания толстых слоев металла используют сернокислые электролиты никелирования или омеднения.

После окончания наращивания копию вместе с матрицей тща­тельно промывают теплой водой, высушивают и прикрепляют к ней каркас для придания жесткости. После этого копию отделяют от матрицы. Общий вид копии, полученной с полимерной формы диа­метром 1,5 м показан нарис. 1.14.

По тензодатчикам, установленным в матрице-оригинале, кон­тролировались деформации формы на всех технологических опера­циях, что дало возможность составить гистограмму (рис. 1.17) воз­никновения деформации формы по операциям и внести корректи­ровки для их уменьшения.

Завершая тему центробежных отливок, следует отметить их большие возможности, помимо тех, которые рассмотрены выше. Так этим методом можно изготовить концентратор с заданным распреде­лением энергии в фокальном пятне [1.12]. Суть метода поясняется рис. 1.18. Чаша для отливки матриц выполнена в виде отдельных кольцевых ёмкостей, в которых отливки ведут отдельно, при этом смещают на необходимую величину центр вращения чаши. Поле от­ливки всех кольцевых участков, их объединяют в единую матрицу.

1.2.2. Гальванопластика дает возможность изготовить легкие метал­лические концентраторы высокой точности и любых необходимых размеров [1.11]. Метод производства концентраторов заключается в следующем. На матрицу, имеющую желаемую конфигурацию и вы­сокий класс чистоты отражающей поверхности, химическим спосо­бом наносят токопроводящий слой серебра, на который затем элек­трохимически осаждают слой металла, например никеля или меди, заданной толщины. К полученной копии прикрепляют каркас жест­кости, после чего копию отделяют от матрицы.

Отработка техно­логии первоначально ве­лась на стеклянных мат­рицах, затем на полимер­ных, изготовленных ме­тодом центробежной от­ливки. Была изготовлена гальваническая техноло­гическая линия для мат­риц размером до 1,5 м, схема которой приведена нарис. 1.13.

Рис. 1.15. Технологическая
линия для изготовления
гальванокопий
0до 1,5 м

Предварительно матрицу тщательно очищали, обезжиривали и устанавливали в контактирующее устройство. Создание на­дежного контакта между слоем серебра, нанесенным химическим путем, и подводящими электрический ток шинами — один из важных факторов, влияющих на качество гальванокопии. Контакты должны обеспечивать равномерный подвод тока ко всей покрываемой ме­таллом поверхности.

Перед нанесением на матрицу слоя химического серебра по­верхность ее активируют путем обработки раствором двухлористого олова. Серебро осаждают из водного раствора азотнокислого сереб­ра, в качестве восстановителя при этом служит инвертированный сахар. После нанесения серебра производят электролитическое оса­ждение первичного слоя никеля толщиной 10-15 мкм (так называе-

/ 2 3 4 S 6

Суть технологии заключается в следующем: на равномерно вращающуюся жидкость наливают более лёгкий материал, который

в процессе вращения отверждается. В результате получают выпук­лую форму-оригинал с гладкой поверхностью высокой чистоты, оформленной на разделе двух жидкостей, например ртуть — жидкий полимер. На рис. 1.6 показаны отлитые на ртути матрицы- оригиналы из эпоксидной смолы диаметром 200 мм (1, 2) и отража­тель (3), изготовленный методом гальванопластики из никелевых электролитов.

Работа со ртутью опасна и вредна, поэтому был предпринят поиск других материалов, позволяющих получать отливки с необхо­димым качеством формы и поверхности.

Были опробованы материалы, требующие выдерживания тем­пературных режимов. Положительный результат (рис. 1.6, 4) был получен для каменноугольного пека с добавкой битума в качестве формообразующего отвердевающего вещества и глицерина с добав­кой хлористого кальция (СаС12) в качестве жидкого подслоя. Камен­ноугольный пек имеет удельный вес 1,2 103 кг/м3, температуру плав­ления 70°С, подслой имел удельный вес 1,39 1 03 кг/м3, добавка би­тума применялась в качестве пластификатора. Процесс требует же­стких температурных режимов, отливки получаются качественные, но очень хрупкие, пригодные для получения только одной гальвано­копии.

Другой технологией, давшей положительные результаты, яви­лась технология использования в качестве жидкого подслоя фто — рорганических жидкостей с удельным весом, приближающимся к 2-Ю3 кг/м3, в качестве материала формы — эпоксидных компаундов. В процессе отработки технологий были уточнены факторы, влияю­щие на качество отливки, а именно:

— разность удельных весов матрицы и подслоя должна быть не менее 0,5 103 кг/м3;

— вибрация фундамента установки вызывает кольцевые вол­ны, поэтому система передачи от привода к заливочной чаше долж­на иметь компенсационные звенья, например муфты с эластичными элементами;

-требование к вертикальности оси вращения чаши вытекает из основополагающих принципов этого процесса (рис. 1.4), в противном случае возникает кольцевая деформация поверхности отливки.

В результате проведённой работы был предложен способ цен­тробежной отливки параболоидных матриц на «твердом подслое». Суть предложенного способа [1.7] состоит в том, что полимерную смолу наливают на поверхность твёрдого подслоя вместо ртути. В качестве такого подслоя используют жидкий силиконовый каучук, который обладает антиадгезионными свойствами по отношению к большому количеству полимерных смол. Для защиты поверхности каучука от воздушных возмущений его поверхность защищают сло­ем более легкого силиконового масла, которое затем сливают.

Суть способа заключается в том, что в чашу сначала заливают Слой эпоксидной смолы, который полимеризуется в процессе вра­щения. Поверхность полученной вогнутой параболоидной формы непригодна к использованию в качестве отражающей поверхности из-за различных дефектов (раковины от пузырей воздуха, пленки помутнения от взаимодействия с влагой воздуха и т. д.), но она яв­ляется первым приближением по своей форме к расчетному парабо­лоиду. На полученную поверхность наносят разделительный слой в виде кремнийорганического каучука, который, исправляя дефекты первого слоя, уточняет форму параболоида и дает зеркальную во-

гнутую поверхность. При этом усадочные явления почти не портят качество поверхности, так как каучук имеет низкую усадку и залит слоем равной толщины по всей поверхности. Затем на подготовлен­ный подслой заливают первый тонкий слой эпоксидного компаунда без наполнителя, затем более толстый слой смолы с наполнителем для уменьшения усадочных явлений. При необходимости в этот слой вводят арматуру.

Была разработана установка с диаметром чаши 2,5 м (рис. 1.9), со стабилизированным электроприводом, с точностью ус­тановки вертикальности оси ±15 угловых секунд [1.8, 1.9, 1.10]. На рис. 1.10 показана отлитая эпоксидная матрица-оригинал диаметром

1,5 м.

Рассмотрим более подробно погрешности формы параболои­да, возникающие при центробежном методе его изготовления.

Происходят усадки полимерных материалов при переходе из жидкой фазы в застывшую. Для подслоя из силиконовых материалов усадку устраняют подготовкой дна ёмкости и многоразовыми залив­ками тонких слоёв.

Была проведена проверка качества параболоидной поверхно­сти подслоя из силиконовых каучуков диаметром 1,5 м. Проверка проводилась методом единичного луча (см. ниже) с записью на фо­топластинку. Результаты приведены в таблице 1.1.

Примечание. RH34 — Rkoh, нм — граничные радиусы зон. F, см2 — площади зон. М — ценность зон. Отклонения даны в мм.

Отливка матрицы-оригинала производилась из эпоксидных компаундов разного состава. Первый слой толщиной 3-4 мм зали­вается из смолы с большим количеством пластификатора и разбави­теля для уменьшения вязкости и усадочных явлений. На рис. 1.11 видно, что компаунд первого слоя имеет самую малую усадку, но длительность полимеризации составляет 8 суток.

Погрешности, вносимые усадками при изготовлении матрицы- оригинала, изучались по показаниям тензометрических датчиков, установленных внутри отливки на среднем слое по толщине (рис. 1.12). С их помощью фиксировалась деформация средней поверхно­сти матрицы по всем технологическим операциям, что позволило оценить влияние усадочных и температурных факторов на точность параболоидной поверхности.

Рис. 112.

А — Определение отклоне­ния нормалей от начальной точки рі до р’г поверхности по показаниям тензометри­ческих датчиков, угловое отклонение касательной &;

Б — Схемы заделки армату-
ры и отбортовки для обруча
жёсткости

В теории тонких оболочек для определения деформаций ис­пользуется уравнение совместноста перемещений и деформаций, связывающее угол поворота нормали с относительной деформацией:

8*={Єі-—€г)сі8и—-d(pJ£^ , (1.6)

A A d(P

где c>N — угол поворота нормали в меридиальном сечении; єх — от­носительное меридиальное удлинение элементов поверхности; є2 — сагиттальное удлинение; р2 р2- меридиальные и саггитальные ра­диусы кривизны поверхности; ф — угол между нормалью и оптиче­ской осью.

Относительное удлинение элементов определяется по показа­ниям тензодатчиков как є = ДЬ / L, где AL — приращение базы дат­чика к первоначальной длине L.

Если известны параметры оболочки и экспериментально оп­ределены £, и є2, то можно вычислить угол поворота нормали 8^

при деформации в некоторой точке поверхности. Отраженный луч в данной точке отклонится от расчётного фокуса на величину 5 = 2£N.

Весь процесс изготовления концентратора по описываемой технологии состоит из следующих технологических операций, пред­ставленных на рис. 1.13. Технология состоит из следующих операций: отливки матрицы-оригинала и гальванопроцесса (операции 1, 2, 3).

Поскольку жидкость в процессе вращения чаши находится в относительном покое, т. е. не движется относительно чаши, метод

центробежного литья может быть применён для изготовления от­дельных фрагментов составных параболоидных концентраторов или концентраторов типа зеркал Френеля, для которых поверхность ка­ждого кольца такого зеркала выполнена по параболической форме и изготовлена при соответствующей скорости вращения и смещения оси чаши по отношению к оси вращения (рис. 1.14).

1.2.1. Физические принципы метода центробежной отливки

параболоидов

Наилучшие стеклянные параболоиды в виде прожекторных зеркал (диаметром до 3 м) изготовлялись по дорогой технологии: плоское стекло деформировали при нагреве, придавая форму пара­болоида, затем механической обработкой доводили поверхность до нужного качества и точности. Другой метод получения параболоид­ных поверхностей строится на свойстве жидкости приобретать па­раболоидную поверхность при равномерном вращении. Впервые таким способом знаменитый оптик Р. Вуд [1.5] изготовил параболо­идное ртутное зеркало. Затем были предложены способы зафикси­ровать форму ртути в твёрдом материале путём нанесения на неё во время вращения затвердевающих смол [1.6]. Суть метода строится на свойстве жидкостей с разными удельными весами образовывать эквипотенциальные поверхности при равномерном вращении (рис. 1.4). Форма образующегося параболоида определяется выра­жением:

z = coz/2g (х2 + у2), (1.2)

где со— угловая скорость вращения (сек-1 ); g — ускорение сво­бодного падения (м/сек2); z, х, у — линейные координаты. Выра­жение (1.2) является параболоидом с параметром параболы 1/а2 = (02/2g.

Представляет принципиальный интерес влияние вращения Земли на формообразование свободной поверхности жидкости, т. е. влияние ускорение Кориолиса, что может сказаться при проведении отливок большого диаметра (несколько десятков метров), для кото­рых данный метод изготовления будет наиболее выгоден.

На рис. 1.5 приведена схема, показывающая, что в системе «Земля — центробежная установка» частицы жидкости участвуют в двойном движении, а именно вокруг своей оси и вокруг оси враще­ния Земли. На частицу А действуют следующие силы:

— центробежная оо2г, направленная по радиусу г;

— сила от вращения Земли, равная 2QVr, где Q — угловая ско­рость вращения Земли, Vr= cor — скорость частицы в относительном движении;

— центробежная сила от вращения Земли Q2H, где Н — радиус точки А относительно оси вращения Земли;

— сила тяжести — g.

Учёт всех приведённых сил приводит к уравнению свободной поверхности вращающейся жидкости в виде:

_ (со2 + 20й»іп^>) 2 (Q2#sin ф) (а>2 +2С1а>) 2

2(g — Q2H cos <р) (g — ОН cos (р) 2(g — Ci2H cos (р ^

(1.3)

Рис. 1.4. Схема образования параболоидной формы поверхности
жидкости при вращении

Рис. 1.6. Матрицы-оригиналы 1,2 из эпоксидной смолы, отлитые
на ртути; 3 — никелевая гальванокопия; 4 — матрица из пека, отлитая

на глицерине

В результате преобразований получаем уравнение поверхно­сти на полюсе Земли:

(<» + Q)2 г2
2g

На экваторе при ф = 0 формула приобретает вид:

со2 + 2Clco,

+—————— у2.

2 g соответствующий эллиптическому параболоиду.

Анализ выражения (1.5) показывает, что при отливке на эква­торе параболоида диаметром 30 м разность между большой и малой полуосями эллипса составит 1,94 мм.

Форма отражающей поверхности параболоида образуется вращением параболы вокруг оси симметрии. Одно из свойств пара­болы — сходимость всех световых лучей, падающих параллельно главной оптической оси (оси симметрии) в фокусе F. Параболоид создаёт изображение удалённого предмета в фокальной плоскости.

Описанию распределения плотности энергии в фокусе пара­болоидных концентраторов посвящено много работ [1.1, 1.2, 1.3]. Парабола относится к разряду высокопотенциальных концентрато­ров, концентрация излучения которых может превысить 104.

Кратко рассмотрим формирование освещенности в фокальном пятне параболоида, эти сведения потребуются нам при оценке каче­ства поверхности концентраторов, расчёта плотности облучения в фокальных областях, для сравнения формирования пятна для отра­жательных систем и линзовых.

На рис. 1.1 показана схема формирования фокального пятна параболоида: элементарный солнечный луч с угловым размером 2ср0 (2ср0= 32 угл. мин., или 2 х 0,004654 рад) отражается от поверхности концентратора и попадает на фокальную плоскость, где след этого луча представляет собой элементарный эллипс с полуосями:

а =——— ^4 = (1.1)

(l + cosu)cosu 1 + COS и

где р = 2f — фокальный параметр параболы; f — фокусное расстоя­ние.

От разных радиальных зон отражающей поверхности концен­тратора (с разными углами и) эллипсы имеют разные размеры, кото­рые, накладываясь друг на друга, формируют плотность фокального облучения. Самой приближенной оценкой максимальной плотности излучения в фокусе является подсчёт по формуле:

Ер = Ротр Sin2 UmE0, (1.2)

<Ро

где р01р — коэффициент отражения концентратора; ф0 — угол раскры­тия элементарного солнечного луча; Um — наибольший угол раскры­тия параболоида на сторону (угл. град.); Е0 — плотность солнечной радиации (Вт/м2).

Несовершенство отражающей поверхности концентратора при этом приводит к размытию пятна вследствие несовпадения их центров по случайному закону. Лучше всего освещённость в фо­кальном пятне (Ег) описывается кривой нормального распределения Гаусса:

где г — радиус в фокальной плоскости; h — мера точности концентра­тора, характеризует форму распределения облучённости.

На рис. 1.2 показано влияние меры точности h на характер распределения энергии по фокальному пятну (максимальное значе­ние меры точности h = 4 град-1 или hK= 229 рад-1, соотношение меж­ду этими значениями определяется выражением h = Ькл/180).

С технологической точки зрения определять неточности по­верхности в процессе изготовления концентраторов и оценивать от­дельные технологические этапы по вносимым погрешностям удоб­нее по отклонениям луча от точки расчётного фокуса, что можно проверить непосредственно в процессе осуществления технологии и определить среднеквадратическую погрешность поверхности. На рис. 1.3 приведена связь между среднеквадратической погрешностью

р/2

Рис. 1.1. Схема формирования фокального пятна в фокусе
параболоидных концентраторов

Лк, раГ*

Рис. гі.3. Связь меры точности hK со среднеквадратической погрешностью ■отклонений лучей от расчётного фокуса (стк) параболоидных концентра — . Второв при разных значениях углового размера солнечного диска

(для Земли 16’)

отклонения реальных лучей от расчётной точки фокуса и мерой точ­ности [1.4]. Ниже будут рассмотрены вопросы определения средне­квадратической угловой погрешности при оптических испытаниях концентраторов, результаты которых по рис. 1.3 могут быть пред­ставлены как энергетические характеристики в фокальном пятне.

Концентраторы — это оптические устройства, повышающие плот­ность потока солнечного излучения. Для высокотемпературных установок, или «солнечны* печей» повышение плотности излучения на приемнике, приводит к созданию температур 3000°С и выше, что позволяет вести син­тез всех тугоплавких материалов.

Для солнечных электростанций с тепловыми циклами преобразова­ния энергии концентраторы позволяют создать температуры, необходимые для получения пара с определёнными параметрами.

Для фотоэлектричества концентраторы решают следующие задачи:

— повышают КПД преобразования излучения солнечными элемен­тами (СЭ), и это фундаментальное свойство концентрированного излуче­ния описано в [1, 2];

— повышают КПД преобразования за счёт комбинированного одно­временного использования электричества и тепла;

— снижают установленную стоимость солнечных установок за счёт уменьшения количества дорогостоящих СЭ.

В книге отражён сорокапятилетний опыт работы авторов по созда­нию концентраторов и различных устройств с их использованием, таких как солнечные высокотемпературные установки, фотоэлектрические моду­ли, солнечные тепловые коллекторы.

Книга может быть использована как учебное пособие для студентов и аспирантов по специальностям «Энергоустановки на основе возобнов­ляемых видов энергии», «Солнечные энергетические установки», а также представляет интерес для научных работников, инженеров и техников, за­нимающихся вопросами исследований, проектирования, изготовления и испытаний солнечных концентраторов и солнечных энергетических уста­новок. Книга будет полезна широкому кругу читателей, интересующихся проблемами развития солнечной энергетики.

Глава 1 посвящена разработке и изготовлению солнечных высоко­температурных установок, в том числе технологии изготовления точных параболоидных концентраторов методом центробежной отливки полимер­ных форм и изготовления по ним гальванопластических копий. Кроме того, здесь рассмотрены другие методы изготовления высокопотенциальных концентраторов.

Главы 2-9 посвящены, в основном, концентраторам, применяемым для создания фотоэлектрических модулей. Большое внимание уделено раз­работке и исследованию новых типов низкопотенциальных концентрато­ров, которые могут работать в стационарном режиме круглый год.

Главы 10-13 посвящены вопросам создания концентрирующих устройств для солнечных станций с тепловыми циклами преобразования энергии.

В главе 10 проанализирована работа существующих электростанций с тепловыми циклами, показано, что использование простых оптических схем для станций башенного типа и для параболоцилиндрических солнеч­ных электростанций (СЭС) является источником проблем этих станций, не вышедших на уровень рентабельности. Авторы не ставят свой задачей при­низить научные и технические достижения в области создания этих СЭС, а хотят лишь продемонстрировать, что выбранные оптические схемы не яв­ляются единственными. Возможны другие варианты создания мощных СЭС с иными оптическими схемами, которые даже в предварительном рас­смотрении показывают более высокие характеристики.

Варианты новых концентрирующих схем приведены в главах 11 — 13. В процессе разработки этих схем была выдвинута концепция создания солнечных станций «закрытого типа», в которых все оптические и механи­ческие устройства находятся в закрытом помещении с режимом «чистой атмосферы», а солнечное излучение проникает через прозрачные покрытия. По мнению авторов идея является плодотворной, поскольку решает многие проблематичные вопросы эксплуатации существующих СЭС, а именно старения и коррозии материалов, ветровых нагрузок, очистки от загрязне­ния. Предложенные варианты не решили проблему создания таких типов станций до конца, но определили перспективные направления исследований.

В главе 13 приведен вариант станции, которую можно было бы реа­лизовывать в настоящее время без риска неудачи, т. к. схемы линз Френеля со световодами в настоящее время прекрасно исследованы с положитель­ным результатом.

Глава 14 посвящена вопросам расчёта технико-экономического эф­фекта станций с концентраторами.

Немного об истории использования концентраторов в России.

В 1741 г. М. В. Ломоносов предложил многолинзовую солнечную печь [3]. Указывая на трудности изготовления больших линз и зеркал, при­менявшихся ранее для концентрации солнечных лучей, он написал: «Я счёл на благо по мере сил моих уничтожить каким-либо способом упомянутые трудности и попытаться увеличить зажигательную силу этих приборов, которые прославлены столькими работниками, двинувшими вперед естест­вознание, и которые, я не сомневаюсь, придут на помощь в химических работах, требующих сильного огня». Он описал предложенную им концен­

трирующую систему, состоящую из 8 стеклянных линз и 8 плоских зеркал, которые были установлены на «подвижном столике» для того, чтобы «лучи Солнца, непрерывно меняющие место, одинаково отражались зеркалами и преломлялись в линзах, а общий фокус неизменным оставался во время любого длительного опыта».

В 1890 г. профессор В. К. Церасский провёл опыты по расплавлению многих металлов и металлоидов с помощью концентрированных солнеч­ных лучей [4].

В 1928 г. в журнале «Вестник знания» профессор В. П. Вейнберг опубликовал анализ состояния гелиотехники в мире и предложил солнеч­ную установку для орошения степей Средней Азии [5].

В 1959 г. вышла первая аналитическая работа, посвященная исполь­зованию концентраторов солнечного излучения [6].

Впервые в СССР в 1970-х годах д. т.н. Б. В. Тарнижевским была раз­работана солнечная фотоэлектрическая установка с концентраторами и использована для водоподъемного комплекса в пустынях Туркмении.

Книга не претендует на освещение всех направлений отечественной солнечной энергетики. В ней рассматриваются работы, в которых авторы принимали непосредственное участие или выступали в роли заказчиков.

Вопросы общего содержания, посвященные использованию солнеч­ной энергии, изложены в следующих работах авторов книги [7 — 10].

Мы благодарны всем коллегам и сотрудникам, принимавшим уча­стие в работах.

Авторы с благодарностью и уважением отмечают вклад советских и российских ученых в развитие солнечной энергетики с концентраторами солнечного излучения: В. М. Андреев, Р. Р. Апариси, В. В. Афян, В. А. Баум, В. К. Баранов, А. В. Вартанян, В. А. Грилихес, Р. А. Захидов, А. И. Кулагин, Н. С. Лидоренко, Д. И. Тепляков и др.