Солнечные коллекторы-концентраторы
Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.
Конструкция концентрирующего гелиоприемника представлена на
рис.9.1
Рис.9.1 Конструкция концентрирующего гелиоприемника – параболического
концентратора:
1 – солнечные лучи;
2 – тепловоспринимающий элемент (солнечный коллектор);
3 – зеркало;
4 – механизм привода системы слежения;
5 – трубопроводы, подводящие и отводящие теплоноситель
Концентрирующие гелиоприемники представляют собой сферические или параболические зеркала, параболоцилиндры, выполненные из полированного металла, в фокус которых помещают тепловоспринимающий элемент (солнечный котел), через который циркулирует теплоноситель. В качестве теплоносителя используют воду или незамерзающие жидкости. При использовании в качестве теплоносителя воды в ночные часы и в холодный период систему обязательно опорожняют для предотвращения ее замерзания.
Для обеспечения высокой эффективности процесса улавливания и преобразования солнечной радиации концентрирующий гелиоприемник должен быть постоянно направлен строго на Солнце. С этой целью гелиоприемник снабжают системой слежения, включающей датчик направления на Солнце, электронный блок преобразования сигналов,
|
|
|
электродвигатель с редуктором для поворота конструкции гелиоприемника в двух плоскостях.
Преимуществом систем с концентрирующими гелиоприемниками является способность выработки теплоты с относительно высокой температурой (до 100 °С) и даже пара. К недостаткам следует отнести высокую стоимость конструкции; необходимость постоянной очистки отражающих поверхностей от пыли; работу только в светлое время суток, а следовательно, потребность в аккумуляторах большого объема; большие энергозатраты на привод системы слежения за ходом Солнца, соизмеримые с вырабатываемой энергией. Эти недостатки сдерживают широкое применение активных низкотемпературных систем солнечного отопления с концентрирующими гелиоприемниками. В последнее время наиболее часто для солнечных низкотемпературных систем отопления применяют плоские гелиоприемники.
Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.
Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C.
|
|
|
Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.
Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.
Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.
Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.
|
|
|
Для повышения эффективности использования энергии солнечного излучения в солнечных электростанциях применяются концентраторы и системы слежения за Солнцем, представляющие периферийные устройства.
Системы слежения обеспечивают повышение коэффициента использования энергии солнечного излучения в 1,3 раза в зимние месяцы и в 1,8 раза в летний сезон (таблица 4.1).
Следует отметить, что принцип слежения зависит от наличия и типа концентратора. В солнечных тепловых электростанциях система слежения должна иметь высокую точность наведения и обычно выполняется в функции интенсивности солнечного излучения.
Точные системы слежения требуются и при использовании простейших концентраторов в солнечных электростанциях на фотоэлектрических преобразователях, так как такие концентраторы утрачивают эффективность при рассогласовании угла наведения на Солнце более 1 – 2 градусов. Альтернативным вариантом в электростанциях на фотоэлектрических преобразователях являются концентраторы второго порядка, представляющие собой поверхности вращения парабол.
|
|
|
Концентраторы второго порядка (параболические фоконы или фоклины) позволяют собирать лучи, попадающие во входную зону под углом до 45 градусов и более. Это, во-первых, позволяет использовать не только прямое, но и часть рассеянного солнечного излучения, а во вторых, угол наведения при суточном ходе Солнца можно изменять только два раза в сутки. Такие системы слежения могут работать в функции времени и являются более простыми и более дешевыми.
Таким образом, существует два основных альтернативных варианта автономных солнечных электростанций:
-отсутствие или простые концентраторы солнечного излучения в сочетании со сложной системой слежения:
-сложные концентраторы в сочетании с простой системой слежения.
Типы концентраторов солнечного излучения приведены на рисунке 9.3.
Рисунок 9.3. Типы зеркальных концентраторов
В односекционных концентраторах с прямой образующей выполненных в виде конуса на фотоприемник попадает неравномерное облучение. Это вызвано поперечным искажением лучей от радиальной поверхности. В пирамидальных концентраторах облученность фотопринимающей поверхности гораздо равномернее по тем же соображениям. В этой связи не рекомендуется применять конические концентраторы.
Фоконы по сравнению с фоклинами также имеют более равномерную облученность приемника, однако, фоклины требуют слежения только за высотой Солнца и не требуют азимутального слежения. Кроме того, пирамидальные фоконы допускают неточную ориентацию на Солнце, что достигается увеличением ширины их граней. Недостатком односекционных плоских фоконов являются их большие размеры (особенно высота) даже при умеренных коэффициентах концентрации. Многосекционные фоконы (рисунок 4.18) по сравнению с односекционными требуют меньшей высоты.
Многосекционные плоские концентраторы позволяют получить такие же коэффициенты концентрации при меньших размерах, чем односекционные. Однако и те, и другие не допускают больших разориентаций. Так при угле разориентации более 2 градусов их ширина возрастает в десятки раз.
Гораздо бόльшую разориентацию допускают параболические фоконы. На рисунке 4.19 показан ход световых лучей в параболическом концентраторе, из которого следует, что в нижней части концентрируются лучи, попадающие в приемное окно под различными углами.
Рисунок 4.19. Параболический фокон
а – прямое попадание лучей света, б – свет попадает под углом α
В пределе теоретически можно преобразовать рассеянное излучение в концентрированное, то есть отказаться от системы слежения. Практически для таких концентраторов достаточно дискретного слежения в функции времени с наведением на Солнце 2 – 3 раза в сутки. При этом возможно использование и какой-то части рассеянного солнечного излучения.
Однако в параболических фоконах и фоклинах при концентрации косых лучей в фокусирующей плоскости (в плоскости фотоэлектрических преобразователей) плотность облучения может быть не равномерна, что снижает к.п.д. фотоэлектрических преобразователей расстояние образующей параболы выбирается таким образом, чтобы при расположении ее фокуса в точке В выходного отверстия фокона парабола при вращении прошла через точку А этого же отверстия. Точка А на параболе определяется как точка ее пересечения с линией, проведенной из точки В под углом α к оси вращения. При этом любой луч, попадающий в фокон со стороны входного отверстия под углом не более α, дойдет до его выходного отверстия, при больших углах падения луча, он, многократно отразившись, выйдет из фокона. Таким образом, параболические фоконы допускают разориентацию на Солнце вплоть до угла α. Это и определяет целесообразность применения параболического фокона.
Рисунок 4.21. Параболический фокон
Концентраторы только прямого солнечного излучения, представляющие собой конические или пирамидальные устройства, или линзы Френеля, в отличие от параболических концентраторов не позволяют использовать рассеянное солнечное излучение, часть энергии остается недоступной.
Для работы тепловых солнечных электростанций, описанных в п.4.1, необходимы очень высокие температуры. Такие температуры достигаются применением сильно концентрирующих систем (см. рисунок 4.11, образующая 4). Практическое применение получили линейные и цилиндрические концентраторы.
Линейный концентратор (рисунок 4.22) требует слежения только за
углом солнцестояния и ориентируется в южном полушарии на юг.
Рисунок 4.22. Линейный концентратор солнечной тепловой электростанции
а – внешний вид, б - сечение
1 – экран, 2 – приемник концентрированного солнечного излучения
Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 2378; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!