К неподвижным линзам, установленным на крыше, станции предъявляются следующие требования:

— светосила должна быть максимальной;

— кружок рассеяния (фокальное пятно) должен быть мини­мальным;

— в пределах угла зрения (не менее 120°) кружок рассеяния должен быть постоянным.

Указанным требованиям хорошо удовлетворяет сферическая линза с исправленной сферической аберрацией и расположением входного зрачка в плоскости, проходящей через центр сферы [12.1]. На рис. 12.1 показана линза-шар (ЛШ) диаметром 65 мм, выбранная для дальнейших расчётов в качестве основного варианта выполне­ния данной концентрирующей системы. Линза-шар состоит из обо­лочки 1, выполненной из прозрачного оптического материала с тол­щиной стенок А, сердцевиной 2, заполненной прозрачной жидко­стью. Подобное выполнение позволяет уменьшить количество опти­ческого материала.

На рис. 12.2, а приведён один из вариантов всего устройства концентрирующей системы: линзы-шары 1 концентрируют солнеч­ное излучение при любом положении Солнца в фокусы Fi с фокус­ным расстоянием fjnu, которые отслеживаются механизмом слеже­ния. Механизм слежения выполнен в виде поворотных рычагов 2, оси которых постоянно направлены на Солнце, имеющих возмож­ность поворота в шарнирах 4 и несущих две платформы 5 и 6, меж­ду которыми установлены концы световодов 7 (рис. 12.2, б). Таким образом солнечное излучение при повороте рычагов 2 обеспечивает попадание пятен рассеяния от каждой линзы в торцы световодов 7. Солнечное излучение по световодам поступает на неподвижные их торцы, где излучение попадает в фокусы дополнительных линз и превращается в псевдопараллельный «скользящий» световой поток в световодном канале (рис. 12.2, в, г), при этом отдельные световоды могут объединяться в жгуты. Слежение за Солнцем рычагами 2 осуществляется как по углам склонения ±5, так и по часовым углам ±ш в азимутальном направлении (на риске не показано). В торце световодного канала установлен концентратор параболоци­линдрический (ПЦ), создающий концентрацию излучения на приём­нике в виде трубы с теплоносителем.

На рис. 12.3 приведена другая схема использования концен­трирующей системы с активной крышей, в которой жгуты светово-

дов непосредственно вставляются в теплоизоляционные трубы с те­плоносителем (сечение А-А). В данном случае значительно сокра­щаются потери на светопропускание.

В главе 11 была сформулирована концепция создания солнеч­ных станций «закрытого типа», которая имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными станциями «открытого типа». В данной главе рассматривается возможность создания таких станций с прозрачной крышей, являющейся одновременно частью концен­трирующей системы, активно участвующей в формировании свето­вого потока. Суть предложения состоит в том, что прозрачная кры­ша должна быть выполнена из неподвижных линз, а «скользящий» световой поток должен формироваться оптическими устройствами, отслеживающими положение фокусов неподвижных линз.

На основе рассматриваемой концентрирующей системы была проанализирована возможность создания крупных солнечных стан­ций с тепловыми циклами преобразования энергии [11.2, 11.3]. При этом для подобных конструкций существенной проблемой становится возможность загрязнения многочисленных оптических поверхностей и механических сочленений. Поэтому была предложена концепция создания солнечных станций «закрытого типа» (ЗТ). Станция "ЗТ"

(рис. 11.9, а) похожа па теплицу. Она имеет прозрачную крышу и оптические детали, системы слежения, опорные рамы расположены внутри. Станция состоит из одинаковых блок-модулей (рис. 11.9, б), которые могут поставляться в виде готовых сборочных единиц на строительную площадку и монтироваться. Система слежения в блок — модуле осуществляется общей гидравлической системой. Чистка прозрачной крыши может быть автоматизирована с применением моющих растворов и регенерацией стоков. Чистота блок-модулей поддерживается за счёт подачи небольшого количества чистого воз­духа и создания избыточного давления. Концентрация излучения на приёмнике может достигать высоких значений за счёт типа концен­тратора, суммирующего всё излучение, попавшее в блок-модуль.

Концентрирующая система, создающая световой поток внут­ри закрытого модуля, может быть выполнена разными способами и

может быть названа «Системой скользящего потока» (СП), в данном случае рассматривается система на основе вращающихся линз Фре­неля и неподвижных отражателей. Концентрирующая система "СП" состоит из следующих главных частей (рис. 11.9, б): закрытого бок­са с прозрачной крышей 1, механизма 2 ввода солнечного излучения (ВИ) в световодный пустотелый канал 3, вторичного концентратора 4, использование которого не обязательно, приёмника излучения 5. При любом положении Солнца всё излучение преобразуется в све­товой поток, расположенный ниже рядов ЛФ + отражатели и на­правленный к торцу модуля, где может быть установлен сумми­рующий концентратор.

Рассмотрим ожидаемые параметры блок-модуля с параболо­цилиндрическим и параболоидным суммирующим концентратором (рис. 11.10).

Принимаем угол раскрытия на сторону элементарного сол­нечного луча на входе в световодный канал <р = ± 50 угл. мин (по результатам эксперимента).

Оптический КПД такой концентрирующей системы опреде­лится как:

ЛФ; <рхо — угол раскрытия после неподвижного отражателя; (рг — угол
раскрытия после вторичного концентратора (на выходе системы)

X£ — ТЗС x ХЛФ x ^OT x Хл X Хк X Xnp, (11-2)

где хзс — светопропускание (с/п) защитного стекла крыши модуля (0,92 со стеклом солнечного качества); хлф — с/п линзы Френеля (0,85); хот — с/п неподвижного отражателя (0.94 по технологии алю­миниевых покрытий германской фирмы Alanod); хл — с/п корректи­рующей линзы (0,85); хк — с/п суммирующего концентратора (0,94); хщ> — с/п приёмника излучения (0,95). Суммарное светопропускание составит Х£ = 0,55 — 0,6.

Концентрация излучения на приёмнике суммирующего пара­болоцилиндрического концентратора определяется выражением (рис. 11.10):

Кх = КспхКк, (11.3)

где Ксп — концентрация в скользящем потоке; Кк — концентрация параболоцилиндра.

Ксп = L/Dk = 1 /sin(y + cp’o). (11.4)

Кк = DK / dn = sinU/ tg<p£ (П-5)

при этом dn = 21 tg ф£, где 1 = 0,5D/ sinU; <p’o — угол раскрытия по­сле неподвижного отражателя; (рг — угол раскрытия после вторич­ного отражателя.

Итоговая концентрация для параболоцилиндра:

К/" =———- ^———- . (11.6)

sm(/ + ft)fe

sn{r + (p0)tg2<p^

Параметры неподвижного параболоидного отражателя опре­деляются следующим образом (рис. 11.5):

р0 = cos2 0,5|/, |/ = 90° + 0 + у, (11.8)

Rn = fntgQ, г0 = ґл tgU.

_ fo(g©cos2[90° +© + f)]

2 cos(0 + у)

Принимая среднеарифметическую погрешность суммирую­щего концентратора ±10 угл. мин, имеем суммарный угол раскрытия элементарного луча в суммирующем концентраторе: ф £ = ±10 + (± 50) = ± 60 угл. мин.

На рис. 11.11 показана предложенная оптическая схема для СЭС со Стирлинг-генератором и параболоидным суммирующим концентратором.

Расчётные параметры блок-модуля приведены в таблице 11.1.

Выводы по главе 11

Предложена концентрирующая система, в которой первичные кон­центраторы осуществляют одинаковое движение, а направление отражен­ных световых потоков постоянно ориентировано на приёмник излучения.

Концентрирующая система позволяет осуществить новый тип СЭС «закрытого типа», в которой все оптические и механические устройства на­ходятся в закрытом помещении с режимом «чистой комнаты» и не подвер­жены атмосферным воздействиям.

Система позволяет осуществить режим концентрирования по типу «скользящий световой поток», при котором солнечное излучение подается в световодный канал, находящийся ниже устройств ввода излучения. В све­товодном канале излучение окончательно суммируется концентратором, расположенным в торце канала.

Концентрации, достигаемые в системе для суммирующих отражате­лей: для параболоцилиндра — до 100, для параболоида — до 600 — 800.

Недостатками предложенной системы являются:

— низкий оптический КПД из-за сложности оптической системы;

— наличие множества механических шарниров, что потребует значи­тельных усилий на привод системы слежения.

На приведённых рисунках работа системы представлена схе­матически без учета угла раскрытия элементарного солнечного луча фо = 16’. Рассмотрим более подробно формирование отраженного светового пучка для предложенных схем: при прохождении элемен­тарного луча через ЛФ фо увеличится до значения фл за счет эффек­тов, рассмотренных в главе 2. После отражения от неподвижного отражателя элементарный луч увеличится до величины ф’0. Значе­ние величины ф можно оценить в первом приближении по формуле:

РЛ/ РО ^ф’о^фл, (11.1)

где рл — длина осевой линии элементарного луча от ЛФ до отража­теля; ро — расстояние от точки фокуса F до точке на поверхности отражателя (рис. 11.5).

Поскольку ро < рл, то ф’0 > фо, что скажется на уменьшении концентрации на приёмнике излучения.

Значения длины радиусов-векторов р0 и рл при разных высо­тах положения Солнца также будут меняться: значения ф’0 при «вы­соком» положении Солнца будут ниже, чем при «низком».

Углы раскрытия ф’0 меняются значительно, что представлено на рис. 11.5, Б, расчёты выполнены для ЛФ 280 х 280 мм, фокусное расстояние 320 мм, Го= 44 мм.

Для уменьшения угла ф’0 на пути отраженного пучка лучей необходимо ставить дополнительную линзу, что было сделано на макете системы, показанной на рис. 11.6.

На рис. 11.6 показана схема расположения основных и допол­нительных ЛФ для уменьшения угла у скользящего потока, что по­зволяет увеличить длину блок-модуля.

На рис. 11.7 приведена схема конструктивного устройства ме­ханизма слежения.

Рис. 11.5.

А: Формирование угла рас-
крытия элементарного луча
в системе линза Френеля и
параболоидный (гиперболо-
идный) отражатель.

Б: а — Изменение угла раскры­тия (р[1] [2]о от положения эле­ментарной площадки на по­верхности неподвижного от­ражателя для точек 1,2,3; б — Положение точек 1,2,3 на поверхности отражателя

На рис. 11.8 внешний вид макетного образца модуля с ЛФ размером 280 х 280 мм с фокусным расстоянием 320 мм и параболо­идным неподвижным отражателем, стеклянной дополнительной линзой, расстоянием до мишени 4 м, диаметром пятна 100 мм, что соответствует углу ср’о = ± 43 угл. мин. Режим слежения осуществ­лялся вручную.

Использование этих принципов формирования световых по­токов может быть выполнено по схемам, показанным на рис. 11.2, 11.3.

На рис. 11.2 используется схема Кассегрена для формирова­ния концентрированного светового потока на приёмнике 1: первич­ные концентраторы 2 в виде параболоидов с фокусами в точках Fi, F2, F3j следят за положением Солнца, поворачиваясь вокруг указан­ных точек фокусов. Углы а (между оптической осью вторичного отражателя и базовой поверхностью) установки неподвижных вто­ричных отражателей 4 имеют разные значения для сведения отра­женных световых потоков в общий фокус F’ на приёмнике излуче­ния.

На рис. 11.3 приведена схема, работающая по схеме системы Мерсена, где отраженный световой поток имеет параллельную фор­му, уменьшенную в поперечном сечении. Такая схема может быть использована в СЭС башенного типа.

На рис. 11.4 приведена схема работы многолинзовой системы для создания «Скользящего светового потока», расположенного под углом у к плоскости неподвижных отражателей; заштрихованы уча­стки затенения друг друга линзами Френеля (ЛФ). Механизм син­хронного поворота ЛФ за положением Солнца, при котором каждая линза крутится вокруг фокальной точки своего стационарного отра­жателя, работает механизм следующим образом: датчики слежения

(не показаны) с помощью гидроцилиндров 6 удерживают ЛФ пер­пендикулярно солнечному потоку с помощью рамы 5, рычагов 4 и кронштейнов 3. Такой механизм позволяет осуществить синхронное слежение при повороте линз вокруг точек фокусов Fj, F2, F3, F4, рас­положенных внутри неподвижных отражателей 2.

Предложенная оптическая схема является развитием извест­ной системы Мерсена, в которой вторичные отражатели неподвиж­ны и ориентированы своими главными оптическими осями на при­ёмник излучения, а первичные отражатели совершают одинаковые движения вокруг своих оптических фокусов, отслеживая положение Солнца.

На рис. 11.1 показана схема трансформации системы Мерсена (параболоид + параболоид) в систему концентрации по предлагае­мому принципу. Первичный концентратор 1 (параболоид) с фокусом в точке F имеет вторичный софокусный отражатель в виде парабо­лоида 2 (классическая схема Мерсена). Работает такая система сле­дующим образом: солнечный световой поток от первичного отража­теля направляется на вторичный отражатель, где преобразуется в параллельный световой поток меньшего поперечного сечения. Та­ким образом, на вторичном отражателе происходит преобразование сходящегося светового пучка в световой поток, направленный вдоль оптической оси вторичного отражателя, т. е. оси 3. Поэтому, если оптическую ось вторичного отражателя направить на приёмник излучения 4, то для получения направленного светового потока

уменьшенного диаметра необходимо на вторичный отражатель по­давать сходящийся световой поток в общий фокус F, при этом суще­ственной роли не играет, каким образом сформирован конический световой пучок, а именно от линзы Френеля 5 или от параболоид­ных отражателей 6. Таким образом, в концентрирующей системе на приёмник направляют оптические оси вторичных отражателей, а первичные концентраторы в виде линз Френеля или параболоидов должны совершать слежение за положением Солнца, вращаясь во­круг точки фокуса F [11.1].

В качестве вторичных постоянно направленных отражателей могут быть использованы гиперболоиды вращения, в этом случае отраженный поток будет сходящимся, как и должно быть в системах Кассегрена.

Одним из недостатков поля гелиостатов является необходи­мость осуществлять слежение по разным параметрам для каждого гелиостата. Была предпринята попытка исправить этот недостаток путём разработки ниже описываемой концентрирующей системы, в которой первичные концентраторы осуществляют одинаковое дви­жение, а направление отраженных световых потоков постоянно ори­ентировано на приёмник излучения [11.1].

1. Изменяющаяся мощность станции в зависимости от высоты положения Солнца. Концентраторы расположены почти горизон­тально к поверхности земли (уклон 3° от С к Ю), поэтому при низ­ком положении Солнца на концентраторах и на стеклянном прием­нике возникают значительные не работающие затенённые зоны и френелевские потери при входе и выходе излучения из стекла. По­этому при коэффициенте отражения зеркал 94% эффективность концентрирующей системы составляет 68%.

2. Невозможность поднять температуру выше 400 — 500 °С, т. к. на действующих образцах станции достигнута концентрация более 70Х, что близко к предельно допустимой (100Х) для парабо — лоцилиндров.

3. Проблема очистки концентраторов. Очистка с помощью моечных машин имеет много недостатков, в том числе некачествен­ная очистка, большой расход воды и т. п. (рис. 10.5).

10.4.2. Недостатки СЭС с параболоидными концентраторами

1. Для набора больших мощностей необходимо объединять большое количество маломощных установок , что увеличивает веро­ятность отказов в работе.

2. Сложная и дорогая технология изготовления параболоид­ных концентраторов.

3. Необходимость точного наведения в «прицельное» положе­ние концентраторов.

Выводы по главе 10

Недостатки башенных вариантов СЭС.

Концентрирующие системы для башенных и параболоцилиндриче­ских (ПЦ) СЭС имеют переменный коэффициент оптической эффективности в зависимости от положения Солнца, т. к. при этом меняется оптический путь в стеклах гелиостатов и ПЦ концентраторов, и изменяются френелев­ские потери светового потока. Этот недостаток отсутствует для концентра­торов с параболоидными поверхностями, т. к. они всегда направлены пер­пендикулярно падающему потоку.

Башенный вариант станции имеет дополнительные потери от ветра на открытых поверхностях приемника излучения, что уменьшает его эф­фективность.

Недостатки СЭС на основе параболоцилиндров.

СЭС с ПЦ концентраторами имеет, например SEGS 1Х, длину при­ёмников излучения равную 84020 м, что даже при вакуумной изоляции при­ёмников излучения создает излишние тепловые и гидравлические потери.

Станции типа SEGS имеют низкую концентрацию порядка 70, вслед­ствие чего температура теплоносителя 393 °С и КПД турбины на уровне 37,6% , в то время как для башенных вариантов температура пара 540 °С имеет КПД 39,4%.

Недостатки СЭС с параболоидными концентраторами.

Трудоёмкость и большая стоимость изготовления параболоидов больших диаметров.

Единичные модули имеют относительно малую мощность, в резуль­тате чего требуется большое количество установок для набора мегаваттных мощностей, что уменьшает надёжность работы всей станции.

Кроме того, компоновка этих установок, когда турбина или двигатель Стирлинга расположены на высоте 10 и более метров в фокусе концентра­тора и установлены на вынесенных штангах, предполагает необходимость принимать меры дополнительной балансировки.

Все перечисленные концентрирующие системы относятся к «откры­тому» типу, т. е. поверхности концентраторов и приемников открыты всем атмосферным воздействиям, в том числе загрязнению и потере светопро — пускания.

і: У. .

Г-V-.

;■ ‘й./’-‘.лі’іг — ::■- ■-<

10.4.1. Проблемы СЭС башенного типа

Анализ проводится для двух типов станций: Solar Two (США) и Phoebus, прототип которой TSA успешно испытан в Испа­нии. Характеристики СЭС Solar Two (США), достигнутые и плани­
руемые для коммерческого использования, приведены в таблице 10.4 [10.8].

Таблица 10.4 показывает, что приемлемые коммерческие ха­рактеристики станции ещё не достигнуты. Следует обратить внима­ние на характеристики эффективности собирания светового потока полем гелиостатов на приёмнике излучения и стабильности их рабо­ты. Первая характеристика определяет изменение коэффициента от­ражения зеркал при разных положениях в пространстве, в настоящее время эта величина составляет 61%, в то время как коэффициент отражения зеркал составляет 94%, т. е. только этот фактор создает потери 21%.

Второй фактор, связанный только с полем концентраторов, состоит в вероятности безотказной работы гелиостатов и составляет 94%. 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. Таким образом, только потери, связанные с концентрирую­щей системой, составляют 0,61 х 0,94 = 0,57.

В США этот тип станций называют «Distributed Power Genera­tion». Суть их состоит в том, что в оптических фокусах параболоид­ных концентраторов устанавливают любой высокотемпературный преобразователь, например двигатели Стирлинга, газовые или паро­вые турбины. Исходной посылкой этого направления является то, что параболоидные концентраторы являются самыми высокопотен­циальными оптическими устройствами, позволяющими достигать в фокусе концентрации порядка 106 и температуры до 3000°С. Пред­ставление об этом направлении можно получить по рис. 10.6.

Установки этого класса показали высокие значения по КПД, но не получили широкого распространения из-за высокой стоимости вырабатываемой энергии.