На рис. 7.2 в солнечном модуле с концентратором двугранный угол между плоскостями симметрии 6 и 7 полупараболоцилиндри­ческих зеркальных отражателей 1 и 2 равен апертурному углу Ai/2 каждого зеркального отражателя 1 и 2 и равен апертурному углу А солнечного модуля, вершины 8 зеркальных отражателей 1 и 2 со­единены круговым зеркальным линейно-фокусирующим отражате­лем 12 с осью, совпадающей с фокальной осью 4, между фокальной осью 4 и ветвью зеркального линейно-фокусирующего отражателя 12 установлены два дополнительных полуцилиндрических зеркаль­ных отражателя 20 и 21, ориентированные в противоположные сто­роны и снабжённые устройствами поворота 22 на 180°, с радиусами, равными 1/4 фокусного расстояния ОР солнечного модуля, оси 24 и 25 дополнительных полупараболоцилиндрических зеркальных отра­жателей 20 и 21 установлены в одной плоскости 14. Приемник излу­чения 3 с двусторонней рабочей поверхностью установлен между осями 24 и 25 и ветвью каждого дополнительного зеркального отра­жателя 20 и 21 параллельно фокальной оси 4.

‘Рис. 7.2. Солнечный модуль с симметричным параболоцилиндрическим
концентратором и S-образными вторичными отражателями

На рис. 7.3 показан ход лучей и положение дополни­тельных полуцилиндрических зеркальных отражателей 20, 21 при изменении положения Солнца. При низком положении Солнца в пределах параметрических углов обоих полупараболоцилиндриче — ских зеркальных отражателей 1, 2 правый зеркальный отражатель 2 концентрирует излучение с правой стороны плоскости симметрии 14 в фокальной области F, а левый полупараболоцилиндрический зеркальный отражатель 1 концентрирует излучение с левой стороны плоскости симметрии 14 у вершины О полупараболоцилиндриче — ского зеркального отражателя 1. Дополнительные полуцилиндриче — ские S-образные зеркальные отражатели 20 и 21 переотражают кон­центрированное солнечное излучение на приемник 3.

При увеличении высоты Солнца солнечное излучение перехо­дит через плоскость симметрии 14, а полосы концентрированного из­лучения с обеих сторон при движении навстречу друг другу прохо­дят через середину фокусного расстояния OF в плоскости симметрии 14, при этом оба полуцилиндрических зеркальных отражателя 20 и 21 поворачивают на 180° вокруг своих осей.

При дальнейшем увеличении высоты Солнца в пределах апер­турного угла модуля полоса концентрированного солнечного излу­чения с левой стороны плоскости симметрии 14 будет перемещаться к фокальной области F, а с правой стороны — к вершине О полупарабо — лоцилиндрического зеркального отражателя 2.

На рис. 7.1 представлен общий вид солнечного модуля с кон­центратором, где зеркальные отражатели с различными апертурны­ми углами получены разворотом вокруг фокальной оси параболоци­линдрических отражателей, нижние края которых соединены ци­линдрическим отражателем, а приёмник излучения установлен в плоскости между фокальной осью и цилиндрическим отражателем [7.1, 7.2].

На рис. 7.1, а солнечный модуль содержит два линейно фоку­сирующих отражателя 1 и 2 с апертурными углами Ai и А2 и приём­ник 3 в виде полосы, установленный параллельно общей фокальной оси 4 отражателей 1 и 2. Зеркальные отражатели 1,2 развёрнуты во­круг фокальной оси 4 у поверхности входа 5 навстречу друг другу таким образом, что их плоскости симметрии первичных профилей 6 и 7, проходящие через фокальную ось 4 и вершины 8 отражателя 1 и 2, составляют двугранный угол А = 0! — 02, равный апертурному уг­лу солнечного модуля А, а плоскости симметрии 6 и 7 зеркальных отражателей 1 и 2 соотношениями А/2 < А] <А, А/2 < А2 <А, A/2<Ai+A2, а угол К между плоскостями 10 и 11, касательных к зеркальным отражателям 1 и 2 на линии входа 5 излучения, равен апертурному углу солнечного модуля А0, соответствующему одно­временной совместной работе двух зеркальных отражателей 1 и 2.

К 2 — Ki = Ai + А2 — А = Ао,

где Ki и К2 — углы наклона указанных плоскостей 10 и 11 к гори­зонтальной поверхности

К, = 02-(А-АО, К<0!,

a 6

Рис. 7.1. Солнечные модули с параболоцилиндрическими концентрато-
рами с несимметричными апертурными углами

К2= 0, -(А-А2), К>02.

Вершины двух зеркальных отражателей 1,2 соединены круго­вым линейно фокусирующим цилиндрическим зеркальным отража­телем 12 с осью О0, расположенной в плоскости симметрии 14 мо­дуля, которая проходит через общую фокальную ось 4 зеркальных отражателей 1 и 2 и равно удалена от плоскостей 6 и 7 параболоци­линдрических зеркальных отражателей 1 и 2.

На рис. 7.1, б в солнечном модуле с концентратором зер­кальные отражатели 1, 2 развернуты вокруг фокальной оси 4 на­встречу друг другу у поверхности входа 5 таким образом, что плос­кости 10 и 11, касательные к ветвям зеркальных отражателей 1, 2 на линии входа излучения 5, составляют между собой двугран­ный угол А = 03 — 04, равный апертурному углу А солнечного моду­ля, а указанные касательные плоскости 10 и 11 наклонены к гори­зонтальной поверхности 9 под углами 03 > 0, 04 > 03. Апертурный угол А солнечного модуля связан с апертурными углами зеркаль­ных отражателей соотношениями

А/2 < Ai <А. А/2 < А2 < А А < Aj + А2,

а двугранный угол К между плоскостями симметрии 6 и 7 зеркаль­ных отражателей 1 и 2 равен апертурному углу А солнечного моду­ля, соответствующему одновременной совместной работе двух зер­кальных отражателей 1 и 2.

К — К4 — К3 = Aj + А2 — А = Ао,

где Кз и К* — углы наклона плоскостей симметрии 6 и 7 зеркальных отражателей 1 и 2 к горизонтальной поверхности 9,

Кз — 0з — А2, К4 -04 + А), Кз < 0з, К*>04> О, К4 — Кз < 0з — 04-

Вершины 8 двух полупараболоцилиндрических отражателей соединены круговым линейно-фокусирующим цилиндрическим зеркальным отражателем 12 с осью, совпадающей с общей фокаль­ной осью 4 зеркальных отражателей 1 и 2, а приемник излучения 3 с двухсторонней рабочей поверхностью установлен в плоскости 14 между фокальной осью 4 и ветвью линейно-фокусирующего зер­кального отражателя 12.

Экспериментальный образец теплового модуля ТСМК состоит из параболоцилиндрического стационарного концентратора с коэф­фициентом геометрической концентрации 3,45 и теплового прием­ника солнечного излучения типа “лист-труба” [6.10].

Поперечное сечение модуля и схема конвективных и тепловых потерь модуля представлено на рис. 6.26. Описание модуля: двух­сторонний приемник солнечной радиации типа “лист-труба”, уста­новленный в фокальной плоскости ниже линии фокуса концентра­тора. Жидкий теплоноситель циркулирует в контуре, в который включен приемник. Модуль имеет прозрачное покрытие толщиной бои. Для уменьшения теплопотерь со стороны отражающего покры­тия использована теплоизоляция толщиной 8И30Л. В качестве отра­жающего покрытия концентратора использован зеркальный алюми­ний солнечного качества Miro-Sun. Концентратор солнечного излу­чения ориентируется поверхностью входа под угол широты местно­сти.

Стационарный U-образный параболоцилиндрический концен­тратор обеспечивает относительно невысокую концентрацию сол­нечной энергии. Однако эта концентрация позволяет получать на облучаемых поверхностях тепловые напряжения, достаточные для работы низко — и среднетемпературных приемников.

; — Рис. 6.16. Схема работы U-образного концентратора в качестве

теплового модуля

В качестве теплоизоляции был применён материал на основе вспененного полиэтилена “Теплофлекс”. Теплоизоляционный мате­риал “Теплофлекс” имеет диапазон рабочих температур -80 — г — +135 °С при коэффициенте теплопроводности А=0,038 Вт/(м-К). Для получе­ния превышения равновесной температуры 120 °С над окружающей средой при интенсивности солнечной радиации 500 Вт/м2 необхо­димо использовать не менее 5,3 мм этого материала при одинарном остеклении.

Эффективность солнечного теплового модуля в зависимости от отношения разности температур на входе и выходе (teba — /„) к интенсивности солнечной радиации 1е представлена в таблице 6.8.

^ Выводы по главе 6

Рассмотрены принципы построения и работы стационарных U-образных параболоцилиндрических концентраторов.

Проведён анализ работы концентраторов со сплошной отражающей поверхностью и поверхностью, выполненной в виде плоских зеркальных фацет.

Проведен анализ работы концентраторов в зависимости от парамет­рического угла, определен оптимальный угол, при котором выработка энер­гии в год составит максимальную величину.

Определен характер изменения плотности облучения по поверхности приёмника в течение сезонных изменений. Определены максимальные зна­чения локальной концентрации, позволяющие сформулировать техниче­ские требования к конструкции СЭ.

Разработана методика солнечных испытаний таких концентраторов, отличающаяся тем, что необходимо при солнечных испытаниях ограничи­вать углы зрения специальной насадкой на пиранометр. Насадка рассчита­на и изготовлена.

Разработаны, изготовлены и испытаны фотоэлектрические модули с жидкостным и воздушным охлаждением СЭ.

Разработан, изготовлен и проведены испытания теплового модуля на основе U-образного концентратора.

Модули со стационарными U-образными параболоцилиндрическими концентраторами имеют переменную выработку энергии в течение года, при этом максимальные значения приходятся на дни весеннего и осеннего рав­ноденствия.

-г і:

Целью разработки фотоэлектрического модуля с воздушным охлаждением являлось создание автономной системы без жидкост­ного охлаждения. Экспериментальный образец фотоэлектрического модуля состоит из двух симметричных параболоцилиндрических стационарных фацетных концентраторов (рис. 6.21) с коэффициен­том геометрической концентрации 3,45 и приемников излучения, каждый из которых собран из 18 последовательно соединенных сол­нечных элементов размером 100х50 мм с двухсторонней фоточувст­вительностью. Цепочка солнечных элементов помещена в стеклян­ный канал.

Солнечные элементы защищены от воздействия влажности и пыли. В одном из приемников солнечные элементы покрыты поли­мером этилвинилацетатом (ЭВА), расположены по центру воздуш­ного канала шириной 25 мм и охлаждаются воздухом с двух сторон (рис. 6.21). Ширина приемника с учетом стеклянных стенок канала толщиной 4 мм каждая, составляет 33 мм.

В другом приемнике солнечные элементы ламинированы ЭВА на поверхности стекла и принудительное охлаждение осуществляет­ся с одной стороны солнечных элементов. Ширина воздушного ка­нала в этом случае равна 18 мм. Ширина приемника с учетом стекла равна 26 мм. Вентиляторы типа XHY-8025 с напряжением 12 В ра­ботают непосредственно от СЭ. Характеристики вентиляторов даны в таблице 6.6.

Как показали опытные данные, условия охлаждения лучше в приемнике, где солнечные элементы расположены по центру воз­душного канала. Таким образом, можно увеличить тепловую и элек­трическую мощность модуля, если использовать оба приемника с расположением солнечных элементов по центру теплоотводящего канала. Техническая характеристика модуля приведена в таблице

6.7. Зависимость мощности модуля по сезонам на рис. 6.23.

Примечание.1 Характеристика приведена для стандартных условий: плот­ность потока солнечного излучения 1000 Вт/м2, температура окружающего воздуха

При КПД солнечных элементов порядка 14 % пиковая элек­трическая мощность модуля с воздушным охлаждением составит 70 Вт [6.12].

Превышение температуры СЭ над окружающей средой соста­вило 34°С при радиации 1000 Вт/м2 для системы охлаждения по рис. 6.25 (внизу), для другого варианта — 58°С. Расчёт величины рас-

хода воздуха, необходимого для поддержания заданного темпера­турного перепада на СЭ, представлен на рис. 6.26.

Фотоэлектрические модули со стационарными U-образными концентраторами и жидкостным теплоносителем предназначены для преобразования солнечной энергии в тепло­вую энергию и электрическую энергию постоянного тока и могут быть использованы для обеспечения автономного потребителя электро — и тепловой энергией в течение всего года. Внешний вид модуля на рис. 6.19, А.

Схема системы охлаждения СЭ представлена на рис. 6.19, Б. Солнечные элементы герметизированы светостойким полимером этил-винил-ацетат (ЭВА), что исключает попадание воды на сол­нечные элементы и коррозию контактов. Канал для циркуляции теп­лоносителя выполнен в виде стеклянных стенок. В таблице 6.5 при­ведены результаты теплотехнического расчёта системы охлаждения модуля с водой в качестве теплоносителя..

Экспериментальные выходные мощностные характеристики модуля при различном склонении Солнца представлены на рис. 6.20, а его технические данные — в таблице 6.6.

Использование тепла позволяет повысить эффективность пре­образования солнечной энергии. Например для солнечного модуля со стационарным концентратором пиковой электрической мощно­стью 50 Вт и пиковой тепловой мощностью 240 Вт увеличение эф­фективности преобразования солнечной энергии возрастает с 8 % (в случае использования только электричества) до 35 %.

Рис. 6.20. Мощность фотоэлектрического модуля с жидкостным
охлаждением СЭ при разных углах склонения 6

Особенность проведения солнечных испытаний стационарных модулей состоит в том, что эти концентраторы имеют большой угол зрения, который захватывает не только прямое солнечное излуче­ние, но и околосолнечный ореол, который содержит 30 % всей рас­сеянной небом радиации, поступающую из области небосвода, близ­кой к линии горизонта.

На рис. 6.17 приведена область поля зрения стационарного концентратора. При этом, угол а зависит от времени и периода ра-

боты стационарного концентратора в году. Для концентратора, ра­ботающего круглый год наиболее эффективно а = 27,5°. Угол к за­висит от ширины бокового добавочного отражающего покрытия по формуле: х = arctg—> гДе h — высота приемника, / — ширина боково­го отражающего покрытия. При ширине бокового отражающего по­крытия 1=0 угол Х=0°, а при /—«о — Х=90°.

t- Рис. 6.18. Насадка для пиранометра, имитирующая поле зрения — стационарного U-образного концентратора

-г Для проведения натурных испытаний необходимо изготовле­ние специальных насадок для пиранометра, имитирующих область сферы концентрации рассеянной составляющей солнечной радиа­ции. Вариант такой насадки, предназначенной для проведения изме­рений уровня полезной интенсивности поступления суммарной сол­нечной радиации на поверхность миделя концентратора h при испы­таниях солнечных модулей со стационарными концентраторами, показан на рис. 6.18. Насадка устанавливается на чувствительной части пиранометра, а сам пиранометр ориентируется на положение солнечного диска.

Результаты натурных испытаний приведены в таблице 6.5.

6.5.1. Исследование плотности излучения на приёмнике

Плотность излучения определялась на концентраторе, уста­новленном на поворотном стенде для различной ориентации его по отношению к падающему световому потоку. Поверхность концен­тратора сплошная с параметрическим углом 27,5°. Фотоэлектриче­ским тарированным датчиком снимались эпюры распределения об­лучённости поперек приёмника, имеющего размер 100 мм. На рис. 6.15 приведены графики распределения облучённости приёмника

-Рис. 6.15. Распределение облучённости (Вт/см2) по высоте приёмника

излучения 0… 16 см
при склонении 5 = 0°, 13°, 23,5°

излучения при солнечных склонениях 0°, 13°,23,5°. По графикам сле­дует, что использование фотопреобразователей требует от их техно­логии изготовления и конструкции необходимости работать при 20-ти кратной концентрации.

На рис. 6.16 представлены графики прихода радиации на при­ёмник в течение светового дня. Из рисунка следует, что концентра­тор обеспечивает работу от 5 часов (зимой) до 10 часов (осенью и весной).

В сравнительно мощных установках и солнечных электро­станциях модульного типа концентраторы устанавливаются в ряды (рис. 6.12). При этом, если стационарные U-образные концентрато­ры ориентированы на юг, то под влиянием так называемого “краево­го эффекта” не все солнечные лучи, отражаемые от концентратора, будут попадать на приемник солнечного излучения и, как следствие, не все концентраторы ряда будут вырабатывать свою расчетную мощность. Вырабатываемая мощность модуля будет зависеть от ча­сового угла. Для уменьшения потерь энергии, вызванных “краевым эффектом”, в торцах концентраторов устанавливается добавленное отражающее покрытие. Кроме того, далеко не всегда удается распо-

дожить ряды на разных уровнях, используя естественные склоны или элементы конструкции [3]. Если ряды концентраторов располо­жены на одном уровне, то при определенном значении высоты Солнца, начиная со второго ряда и далее, концентраторы будут за­теняться предыдущим рядом. Ввиду этого необходимо оптимизиро­вать длину добавленного отражающего покрытия концентратора и расстояние между рядами концентраторов.

Рассмотрим работу установки, состоящей из рядов U-образных параболоцилиндрических стационарных концентрато­ров солнечного излучения с южной ориентацией. Произвольный луч, приходящий на поверхность концентратора, разложим на две векторные составляющие: на вектор луча в горизонтальной плоско­сти и на вектор луча в вертикальной плоскости. При этом горизон­тальная составляющая луча определяет длину добавленного боково­го отражающего покрытия, а вертикальная составляющая луча — расстояние между рядами коллекторов.

JPvic. 6.13. Теоретическая кривая зависимости потерь энергопроизводи — t*’ тельности одного модуля от относительной длины бокового отражающего покрытия

Луч, приходящий на приемник солнечного излучения, в про­странстве описывается двумя углами — углом высоты Солнца ho и часовым углом со.

Эти углы находятся в строгой геометрической зависимости, определяемой выражением:

sinh0 = cos со • cos (р • cos 8 + sin^?-sin 8, (6.18)

где 8 — склонение Солнца, а ю — часовой угол.

Выражение (6.18) представляет собой функцию зависимости ho(oo). Таким образом, оптимизация длины добавленного бокового покрытия / тесно связана с оптимизацией расстояния между рядами коллекторов D и должна рассматриваться как единая задача.

Рассмотрим данную задачу для трех городов России: Петроза­водска, Москвы и Астрахани. Месячные суммы суммарной солнеч­ной радиации Е для этих городов, приходящие на горизонтальную, вертикальную и наююнную поверхности, приведены в таблице 6.4.

Весь дальнейший расчет представлен для единичного модуля (или бокового модуля ряда) длиной 1 м, т. е. без учета остальных модулей ряда, что ведет к некоторому увеличению расчетных потерь производительности ряда в целом, поскольку для не бокового моду-

ля ряда соседние концентраторы будут играть ту же роль, что и до­бавленное отражающее покрытие для бокового концентратора.

По результатам расчета построен график зависимости потерь энергопроизводительности от относительной длины отражающего покрытия для различных широт рассматриваемых городов (рис. 6.13).

Исходя из принятого значения потерь энергопроизводитель­ности, равного 10 % от суммарного поступления солнечной радиа­ции на приемник, ведем расчет оптимального относительного рас­стояния между рядами модулей D, выраженного в относительных единицах, равных отношению расстояния D к ширине по миделю концентратора d.

Расчет оптимального расстояния между рядами модулей D/d со стационарными концентраторами ведем по формуле (6.18) для среднего значения склонения Солнца, т. е. при 8=0°. Это объясняется симметричным графиком изменения склонения Солнца в течение года. Таким образом, имеем:

sin h0 = cos со • cos <р. (6.19)

С другой стороны, по теореме синусов:

sin(180° — p-h0)

sinh„

Решение системы уравнений (6.19) и (6.20) для рассматривае­мых городов представлено на графике. Как показали результаты расчета, относительное расстояние D/d между рядами модулей с концентраторами для Петрозаводска, Москвы и Астрахани равны соответственно D/rf=3,3; 2,9; 2,6 (рис. 6.14).

6.4.1. Выбор угла установки плоскости миделя стационарных концентраторов Кроме выбора оптимального значения параметрического угла следует учитывать угол установки плоскости миделя к горизонту: угол установки s, равный углу широты местности <р, не всегда гаран­тирует максимум прихода энергии [6.7]. Этот известный факт для тепловых коллекторов в случае для стационарных концентраторов дает другие значения оптимальных углов отклонения с учётом влияния параметрических углов. Углы отклонения от широты мест­ности (ф — s) для различных широт приведены в таблице 6.3, при этом выигрыш в вырабатываемой энергии ДЕ в процентах определён в сравнении, когда ср — s = 0, т. е. угол установки равен углу широты местности ф.

Таким образом, угол отклонения и величина дополнительной выработки энергии стационарным концентратором для более высо­ких широт (50° — 60°) оказывается выше, чем для более низких ши­рот (406 — 45°).

Максимальный отступ AL приёмника излучения от края кон­центратора следует определять для летнего солнцестояния, при ко­тором солнечное излучение стационарного параболоцилиндрическо­го концентратора собрано в виде световой полосы на верхнем крае приёмника излучения. Следует иметь в виду, что продольные дефо­кусировки в этом типе концентраторов приводят только к продоль­ному перемещению световой полосы вдоль фокальной линии в те­чении дня. Отступ AL от края концентратора до края приёмника оп­ределится как AL = R tg Тк/2, где тк — в угловых величинах; R — полуширина концентратора. Более подробно этот вопрос рассмотрен в разделе 6.4.