Разработка и исследование параболического рефлектора с целью повышения энергетических характеристик солнечной установки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Ашурлы, Мурад Заурович

• Ашурлы, Мурад Заурович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ашурлы, Мурад Заурович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОЛНЕЧНЫЕ УСТАНОВКИ С ПАРАБОЛИЧЕСКИМИ РЕФЛЕКТОРАМИ.

1.1. Аналитический обзор по солнечным установкам с параболическими рефлекторами.

1.2. Преобразователи солнечной энергии.

1.2.1. Двигатели Стирлинга.

1.2.2. Термоэмиссионные преобразователи.

1.2.3. Теплоприемники солнечного излучения.

1.3 Методы измерения энергетических характеристик солнечных установок.

1.4. Солнечные установки с вторичным рефлектором.

1.5 Описание конструкции гелиоэнергетической установки ГЭУ-5.

1.5.1. Опорно-поворотное устройство.

1.5.2. Параболический рефлектор.

1.5.3. Металлические зеркала.

1.5.4. Система слежения за Солнцем.

1.5.5. Преобразователи, используемые на установке ГЭУ

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО РЕФЛЕКТОРА.

2.1. Расчет базового параболического рефлектора.

2.2. Расчет параболического рефлектора с учетом погрешностей

2.2.1. Влияние отклонений формы поверхности.

2.2.2. Влияние погрешности наведения.

2.2.3. Влияние погрешности установки приемника.

2.3. Методы расчета рефлекторов солнечных установок

2.4. Фацетная аппроксимация.

2.4.1. Оценка интегральной ошибки.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНОЙ УСТАНОВКИ С ПАРАБОЛИЧЕСКИМ РЕФЛЕКТОРОМ.

3.1. Исследование характеристик зеркал

3.1.1. Методы контроля зеркал солнечных установок.

3.1.2. Метод фокального пятна.

3.1.3. Модифицированный теневой метод.

3.1.4. Комбинированный метод.

3.2. Методика измерения распределения энергии в фокальном пятне рефлектора с использованием проходного проволочного анализатора.

3.2.1. Принцип работы проволочных болометрических приемников.

3.2.2. Основные технические характеристики проволочного анализатора

3.2.3 Программное обеспечение проволочного анализатора 107 3.2.4. Экспериментальные результаты измерений с помощью ПАРП.

4. ПУТИ МОДЕРНИЗАЦИИ СОЛНЕЧНОЙ УСТАНОВКИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование параболического рефлектора с целью повышения энергетических характеристик солнечной установки»

В настоящее время во многих развитых странах мира ведутся работы по созданию специальных установок и разработке технологий, использующих солнечное излучение для получения электрической энергии и тепла. Это связано как со значительным подорожанием и истощением запасов таких традиционных источников энергии как нефти, газа, угля и их продуктов, так и с загрязнением окружающей среды при их сжигании.

До последнего времени гелиоэнергетические установки (ГЭУ) создавались на основе фотоэлектрических кремниевых преобразователей солнечной энергии. Однако исследования, проведенные в разных странах мира, показали перспективность создания ГЭУ, основанных на других физических принципах, в том числе на основе высокотемпературных процессов.

Одним из перспективных направлений является создание параболических рефлекторов солнечного излучения различных типов с высокой плотностью излучения в фокальной плоскости и разработка термодинамических и термохимических высокотемпературных преобразователей [1-8]. Кроме наземных установок рассматривается также создание космических рефлекторов, размещенных на орбите ИСЗ, для передачи солнечной энергии на Землю [9]. Следует отметить, что в работах по солнечной энергетике обычно вместо термина «рефлектор» употребляется «концентратор».

В солнечных установках, предназначенных для генерации электроэнергии, обычно используются параболический рефлектор и двигатель Стирлинга (Dish/Stirling Systems). Разработкой подобного типа солнечных установок занимаются многие американские и европейские фирмы [1-8].

В ГНЦ «НПО Астрофизика» (Россия) создана установка многоцелевого назначения диаметром 5 м с фацетным параболическим рефлектором [10-12]. Отличительной особенностью установки является использование алюминиевых зеркал, изготовленных методом алмазного точения, который обеспечил их высокое эксплуатационное качество. Установка создана для поиска путей повышения эффективности использования солнечной энергии в условиях средней полосы России.

В настоящее время считается общепризнанным, что наиболее перспективными преобразователями солнечного излучения являются двигатели Стирлинга, отличающиеся высокой эффективностью и возможностью агрегатирования с нагрузочными электрическими машинами в одном узле. Разработкой двигателей Стирлинга занимается ряд известных фирм [14-16]. В результате проведенного анализа можно отметить, что развитие работ по созданию двигателей Стирлинга за рубежом и у нас в стране идет по идентичным направлениям. Однако, к сожалению, приходится отметить, что уровень отечественных разработок в большинстве случаев уступает зарубежным.

В солнечных установках применяются также теплоприемники различных типов. Теплоприемник солнечного излучения служит для преобразования энергии сконцентрированного солнечного излучения в тепло и передачи выделенного тепла рабочему телу солнечной установки или промежуточному теплоносителю. К настоящему времени для установок с параболическими рефлекторами разработаны приемники солнечного излучения с различными типами абсорберов, изготовленных из пористого материала, керамики, в виде матрицы из тонких трубок и др. [17-21, 37-41].

Конструкции зеркал составного рефлектора разрабатываются с учетом требований минимальности стоимости и веса. Зеркала в солнечных установках непрерывно подвержены воздействию атмосферы. Стабильность коэффициента отражения рабочей поверхности в диапазоне солнечной радиации является одним из главных технических требований к зеркалам солнечных установок. В большинстве установок применяются стеклянные зеркала с серебряным покрытием, которые имеют недостаточный ресурс работы [1, 2]. На установке ГЭУ-5, разработанной в ГНЦ «НПО Астрофизика», в течение нескольких лет изучается возможность применения металлических зеркал, изготовленных методом алмазного точения из алюминиевых сплавов [10-12].

Одной из актуальных задач при создании установок с параболическими рефлекторами является оценка требуемой точности изготовления параболического рефлектора и точности размещения его элементов, что требует расчета его энергетических характеристик. Наиболее распространенным для оценки энергетических характеристик солнечных установок с параболическими рефлекторами можно считать метод Апариси-Баума, основанный на математической модели расширения отраженного пучка[45,55]. Основная особенность данной расчетной модели заключается в том, что реальная отражающая поверхность заменяется геометрически точной, а влияние локальных угловых отклонений в неявном виде учитывается в индикатрисе отраженного пучка наряду с влиянием шероховатости поверхности и характеристиками излучателя. При этом вводится соответствующий параметр интегральной меры точности, который содержит информацию о макро- и микронеровностях отражающей поверхности. Модель достаточно хорошо аппроксимирует распределение облученности в фокальной плоскости для параболоидов с апертурным углом 40°<и<70°, что было подтверждено экспериментально.

Оптимальной оптической поверхностью для концентрации солнечного излучения, как известно, является параболоид. Однако изготовление сплошных параболоидов большого размера (несколько метров) достаточно дорого. В связи с этим в солнечной энергетике одним из основных направлений является применение составных рефлекторов.

Заметим, что применение фацетной структуры, где каждая фацета обладает собственной геометрией, отличающейся от геометрии несущей основы, приводит к тому, что поверхность рефлектора описывается негладкой разрывной функцией. С этой точки зрения вариант фрагментарного параболоида, т.е. составленного из элементов, являющихся фрагментами его поверхности, является более предпочтительным, однако нереальным из технологических соображений. Расчеты показывают, что альтернативой фрагментарному параболоиду является рефлектор на параболической основе из сферических сегментов (фацет) переменного радиуса кривизны. Увеличение числа фацет приводит к увеличению концентрации. В связи с этим составные рефлекторы солнечных установок обычно «комплектуются» из рядов сферических фацет с различными радиусами кривизны, величина которых выбирается с учетом оптимальной аппроксимации базовой параболической формы и технологических возможностей.

От выбора параметров фацет зависят энергетические характеристики установки, в связи с чем задача фацетной аппроксимации является достаточно актуальной. К настоящему времени разработаны методики для оценки оптимальных значений радиусов кривизны сферических фацет, в которых используются различные приближения [6163]. Полученные оценки затем обычно уточняются путем расчета хода лучей [64].

При создании солнечных рефлекторов возникают проблемы, связанные с необходимостью оценки качества их оптических поверхностей. Поэтому разработка методов и измерительных систем для оценки качества солнечных зеркал является частью программ развития солнечных технологий. К настоящему времени в ведущих мировых исследовательских центрах, занимающихся проблемами использования солнечной энергии, разработаны различные методы контроля качества солнечных зеркал, из которых можно отметить следующие: метод Гартмана со сканированием лазерного луча по заданным точкам поверхности, 2£-метод, основанный на компьютерной обработке видеоизображения мишени с системой цветных концентрических колец, размещенной вблизи центра кривизны зеркала, а также стереоскопический метод, основанный на обработке изображений поверхности, выполненных с различных позиций [65-69].

В ГНЦ «НПО Астрофизика» разработан метод фокального пятна, основанный на измерении распределения энергии в фокальной плоскости исследуемого зеркала с использованием компьютерной обработки видеоизображения его фокального пятна [70-72].

В ведущих исследовательских центрах разработаны различные системы для измерения энергетических характеристик солнечных установок. Широкое распространение получили системы на базе видеокамер с компьютерной обработкой видеоизображений фокального пятна, которые имеют преимущества по сравнению со сканирующими калориметрами [22-32].

Таким образом, видно, что создание солнечных установок является задачей сложной и комплексной - на стыке различных направлений науки и техники.

Целью настоящей работы является определение путей повышения энергетических характеристик солнечной установки с параболическим рефлектором, а также решение ряда актуальных задач, возникающих при создании этих установок, в том числе: расчетное обоснование параметров параболических рефлекторов, фацетной аппроксимации, разработка методов исследования и контроля формы поверхности оптических элементов для составного зеркала рефлектора.

Задачи, решаемые в настоящей работе, являются составной частью НИР, проводимой в рамках работ Министерства науки и технологий РФ (программа «Экологически чистая энергетика»).

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Ашурлы, Мурад Заурович

Основные результаты проведенной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработана методика расчета базового параболического рефлектора с учетом влияния на его оптико-энергетические характеристики погрешности формы поверхности, погрешности ориентирования рефлектора на Солнце и погрешности установки приемника излучения. Проведена оптимизация фацетной аппроксимации составного параболического рефлектора путем выбора необходимых радиусов кривизны сферических фацет.

2. В результате проведенных расчетов и анализа оптической схемы установки ГЭУ-5 определена конфигурация рефлектора, состоящего из 7 рядов гексагональных фацет, разбитых на 6 секторов. Фацеты имеют различные радиусы кривизны в пределах от 6,1 до 7,5 м. При этом эффективный диаметр сфокусированного пучка уменьшился со 180 до 100 мм.

3. Разработан модифицированный теневой метод, позволяющий определять величину и положение локальных искажений поверхности зеркал для солнечных установок. Обоснована применимость теневого метода с использованием системы круговых диафрагм, что позволяет оценить как знак, так и диапазон величин исследуемых локальных искажений поверхности. Разработана специальная программа для оценки знака и величины угловых ошибок формы поверхности зеркал.

4. Создан комбинированный метод контроля формы поверхности зеркал, который, кроме измерения распределения энергии в фокальной плоскости с помощью метода фокального пятна, позволяет одновременно оценить величину и положение локальных искажений поверхности исследуемого зеркала с использованием теневого метода.

Контроль двумя методами на одной измерительной установке с использованием общей оптико-электронной базы позволяет с меньшими временными затратами более полно оценить качество исследуемого зеркала.

5. Обоснован выбор параметров проходного проволочного анализатора распределения потока сконцентрированного солнечного излучения на основе проволочных болометрических элементов и получено экспериментальное подтверждение его работоспособности.

6. Для повышения энергетических характеристик установки ГЭУ-5 проведены расчеты и определены основные параметры вторичного рефлектора в виде параболической поверхности, помещенной за фокальной плоскостью установки аксиально-симметрично относительно оптической оси. Максимальный геометрический коэффициент концентрации вторичного рефлектора составил величину примерно 2,25. Однако в связи с потерями энергии при отражении от стенок вторичного рефлектора интенсивность выходного излучения при уменьшении коэффициента отражения до 0,8 согласно оценкам увеличится лишь в 1,6 раза.

7. Разработанные методы расчета, методики исследований и измерений использованы и внедрены при модернизации установки ГЭУ-5вГНЦ «НПО Астрофизика» на полигоне Грибаново (Московская область).

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ашурлы, Мурад Заурович, 2000 год

1. Stine W.B. Solar Dish /Stirling Technology a World Status Report and Comparison. Proceedings of the 1.ternational Conference on Comparative Assesssments of Solar Power Technologies, Jerusalem, February 14-18, 1994, pp. 171-188.

2. Stine W., Schief W., Beninga K., Experiences with International Dish/Engine Projects. Proceedings of the 8th International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Vol.1, pp. 225-241, Koln, Germany, Oktober 6-11,1996.

3. Bean J.R. and Diver R.E1. The CPG 5-kW Dish-Stirling Development Program. Proceedings of the 27th IECEC, Vol. 5, pp.221-228,1992.

4. Mancini T.R., Analysis and Design of Two Stretched-Membrane Parabolic Dish Concentrators. Transaction of the ASME, Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 113, N 3, pp. 180-187,1991.

5. Noyes S. The Effect of Component Efficiency and Operation Conditions on the 50 kW Dish Stirling System in Riyadh, Saudi Arabia. Transaction of the ASME, Journal of Solar Energy Engineering, Vol .112, N4, pp. 244-248,1990.

6. Schiel W.J. SBP Dish/Stirling, 7,5m/9 kW. Proceedings of the International Energy Agency Solar Paces Task 1 Working Group Meeting, Almeria, Spain.

7. Geyer M., Milow O., Richter C. Plataforma Solar de Almeria. Annual Technical Report, 1997.

8. Ашурлы М.З. Космический зеркальный отражатель для использования солнечной энергии// Материалы международной конференции «Прикладная оптика 98», 16-18 декабря 1998 г. г. СПб.

9. Alekseev V.A. Activities of State Enterprise "SPA Astrophisica" in Solar Power Engineering SolarPACES Technical report N.III 5/94, pp. 69-76.

10. Харченко H.B. Индивидуальные солнечные установки. -M: Энергоатомиздат, 1991. -208 с.

11. Shaltens R.K., Scraiber I.G. Comparison of conceptual designs for 25 kWe advanced Stirling conversion systems for dish electric application. Proc. 24th IECEC, 1989, p. 2305-2315.

12. Уокер Г. Двигатели Стирлинга. -М: Машиностроение, 1975. -375 с.

13. Ридер Г.А., Хупер Ч. Двигатели Стирлинга. -М: Мир, 1986. -464 с.

14. Heller P. VOBREC 4 status. Solar Paces. Technical report N.III -6/95, pp. 157-162.

15. Laing D. Hybrid heat pipe receiver status. Solar Paces. Technical report N.III 6/95, pp. 163 - 168.

16. Neumann A., Monterreal R. Advanced Flux Measurement Systems for Solar Tower Plants. Proceedings of the 7th International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Vol. 5, pp. 1118-1130, Moscow, Russia, September 26-30,1994.

17. Neumann A., Dibowski G., Groer U., Kalt A., and Lewan-dowski, A. Die optische Auslegung des Sonnenofens der DLR, Koln. In ISF 194 Proceedings, DGS-Sonnenenergie Verlags-GmbH, Munchen, 1, 45-58,1994.

18. Cordes S., Bohmer M., Monterreal Espinosa R. Test and evaluation of Schlaich, Bergemann und Partner heliostat prototype concentrator, Final Report IEA-SolarPACES TR-III-4/94.

19. Neumann A., Monterreal R.: Measurement of Concentrated Solar Radiation with the HERMES II System at the PSA. In: Proceedings of the 6th International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Vol.1, pp.539-552, CIEMAT, Madrid, 1993.

20. Neumann A. Flux densities in the focal region of the PSA Solar Furnace. SolarPACES Technical Report No III 2/94.

21. Schubnell, M. Sunshape and its influence on the flux distribution in imaging solar concentrators. J. Sol. En. Eng. vol.114, pp.260-266,1992.

22. Tschudi H.R., Schubnell M., Muller CHR. Optical probing of surfaces irradiated in a solar furnace. Proceedings of the 7th International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Vol. 4, pp. 1014-1022, Moscow, Russia, September 26-30,1994.

23. Babaev I.K., Narusbek E.A., Ruzin M.V. Wire analyzers of flux distribution (WAFD) for solar power installations. SolarPACES Technicalreport N. Ill 1/96, pp. 151-156.

24. Ашурлы M.3., Илюхин B.A. Проволочный анализатор распределения потока сконцентрированного солнечного излучения. Материалы Международной научно-технической конференции «Распознавание 99», 20-22 октября 1999 г. -Курск, 1999.

25. Lewandowski A., Bortz J., Shatz N., Flux redistribution guides. Proceedings of the 2nd Workshop on "High Flux and Temperature Measurement", Plataforma Solar de Almería, April 18,1996.

26. Kohne R. First results on secondary concentrator for VOBREC. Solar Paces, technical report N. Ill 3/94.

27. Heller P. The REFOS Receiver Project. Solar PACES, Technical report N. Ill-1/97.

28. Abele M. Status of the REFOS Project. Solar PACES, Technical report N. Ill-1/98.

29. Sagie D. Rotem's activity in the developmrnt of a volumetric solar thermal receiver. Solar Paces, Texnical report N. Ill 1/97.

30. Ашурлы М.З. К вопросу о выборе оптической схемы концентратора гелиоэнергетической установки // Материалы 3-й Международной конференции «Распознавание 97», 25-28 ноября 1997 г. - Курск, 1997.

31. Тепляков Д.И. Параболоидные концентраторы высокотемпературных установок: геометрические аберрации и концентрирующая способность. Сб. трудов ЭНИН, вып. 24,1974 г.

32. Апариси P.P. Сб. «Использование солнечной энергии», -М., 1957.

33. Красина Е.А. и др.// «Гелиотехника». -1974. -№1.

34. Рубанович И.М. // «Гелиотехника». -1967. -№6.

35. Баум И.В. Формирование поля облученности приемника в «точных» и «неточных» гелиоконцентратрах. //Сб. трудов ЭНИН. 1974. -вып. 24. ,

36. ЗахидовР.А., Тепляков Д.И. // «Гелиотехника». -1966. -№4.

37. МатвеевВ.М., Тепляков Д.И.// «Гелиотехника». -1966. -№1.

38. Тепляков Д.И. // «Гелиотехника». -1968. -№6.

39. Баум И.В. «Оптимизация фацетных отражателей »//Сб. трудов ЭНИН. 1974. -вып. 24.

40. Захидов P.A., и др. // «Гелиотехника». -1990. -№4.

41. Грилихес В.А. «Концентрация солнечного излучения: обобщенная постановка задачи и классификация частных математических мо-делёй»//Сб. трудов ЭНИН. 1974. -вып. 24.

42. Кудрин О.И. Солнечные высокотемпературные космические энергодвигательные установки., М., Машиностроение, 1987.

43. Использование солнечной энергии при космических исследо-. ваниях. //Сб. статей. /Под ред. В.А.Баума. -М: Мир, 1964.

44. Тепляков Д.И. Перенос и распределение излучения в гелиоустановках с зеркальными концентраторами. -М: Наука, 1968.

45. Квасников A.B., Кудрин О.И., Мельников М.В. Лабораториялучистой и солнечной энергии для исследования процессов в высокотемпературных установках./Доклады Всесоюзной конференции по использованию солнечной энергии. М., Изд. ВНИИТ, 1969.

46. M.I.O'Neill and S.L. Hudson. Optical Analysis of Paraboloidal Solar Concentrators. Proceedings 1987 Annual Meeting U.S. Section of ISES, August 1978, Denver, CO.

47. Вейнберг В.Г. Оптика в установках для использования солнечной энергии. -М: Оборонгиз, 1959.

48. Ходжаев А.Ш., Захидов Р.А., Клычев Ш.И. Допуски и параметры элементов фацетных концентрирующих систем. «Гелиотехника». №1. 1983.

49. Baum I.V. Scientific Visualization for Design and Evaluation of Solar Concentrating Systems. Proceedings of the 8th International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies, Vol. 2, pp. 999-1011, Koln, Germany, October, 6-11,1996.

50. Wendelin T.J., Jorgensen G.J. and Wood R.L.SHOT: A method for characterizing the surface figure and optical performance of point focus solar concentrators Solar Engineering ASME, pp. 555-560,1991

51. Jorgensen G., Wendelin T. and Carasso M. Determination of Accuracy of Measurements by NREL's Scanning Hartmann Optical Test1.strument. NREL/TP-257-4190, National Renewable Energy Laboratory, Golden CO.

52. Grossman J.W., Development of a 2f Optical Performance Measurement System. Joint Solar Engineering Conference ASME 1994, pp. 25-32.

53. Grossman J. W., Color 2f technique. SolarPACES Technical report N.III-6/95, pp. 107-114

54. Wendelin T. J., Grossman J.W. Comparison of Three Methods for Optical Characterization of Point-Focus Concentrators. Solar Engineering, Vol. 2, ASME 1995, pp. 775-780.

55. Ашурлы М.З. Контроль зеркал для солнечных установок методом фокального пятна// Материалы 54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 23-24 марта 1999 г. -М.: МИИГАиК.

56. Васильев JI.A. Теневые методы. -М: Наука. 1968.

57. Витриченко Э.А. Методы исследования астрономической оптики. -М: Наука. 1980.

58. Ашурлы М.З., Илюхин В.А. Методы контроля качества зеркал составных концентраторов солнечных установок. //Материалы Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика 99», 19-21 октября 1999 года, -СПб., 1999.

59. Ашурлы М.З., Черненко В.М. Заявка № 99122113 от 26 октября 1999 года на изобретение «Устройство для контроля поверхностей оптических элементов».