Исследование повышения эффективности солнечной теплогенерирующей установки с системой оптимизированного трекинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Алджубури Милия Хамид Маджид

• Алджубури Милия Хамид Маджид
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Алджубури Милия Хамид Маджид

Введение

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ И ТЕХНОЛОГИЙ СОЛНЕЧНОГО ТРЕКИНГА: КОМПЛЕКСНЫЙ ОБЗОР

1.1 Общаяинформация

1.1 Солнечная энергетика в мире

1.1.1 Солнечная энергетика в Российской Федерации

1.1.2 Солнечная энергетика в Республике Ирак

1.2 Геометрия Земли и Солнца

1.3 Солнечные углы

1.3.1 Уголпадения

1.4 Применение солнечной энергии

1.4.1 Солнечные системы отопления

1.5 Важность солнечных коллекторов

1.6 Классификация солнечных коллекторов

1.7 Основы работы солнечных коллекторов

1.7.1 Стационарные солнечные коллекторы

1.7.1.1 Составные параболические коллекторы (CPC)

1.7.1.2 Плоский коллектор (ПСК)

1.7.2 Тип Вакуумной Трубки

1.7.3 Концентрированные Солнечные Коллектор

1.7.3.1 Линейный отражатель Френеля (LFR)

1.7.3.2 Гелиостатная солнечная башня и центральный приемник (CRS)

3

1.7.3.3 Параболическая антенна-зеркальный коллектор (ПД)

1.8 Сравнение типов систем концентрации солнечной энергии (CSP)

1.9 Технология Слежения За Солнцем

1.9.1 Существует два основных типа слежения за Солнцем:

1.9.1.1 Активное слежение за Солнцем

1.9.1.2 Пассивное слежение за Солнцем

1.9.2 Методы слежения за Солнцем

1.9.2.1 Одноосная Система Слежения

1.9.2.2 Двухосевая система слежения

1.9.3 Методы управления слежением за солнцем

1.9.4 Общая номенклатура систем слежения за Солнцем

1.9.4.1 Уголсклонения Солнца(д)

1.9.4.2 Уголвозвышения Солнца(а)

1.9.5 Компоненты системы слежения за солнцем

1.10 Технология Parabola и система слежения за солнцем

1.10.1 Усовершенствования параболического антенного коллектора (ПД)

1.10.2 Усовершенствования Парабола Цилиндрического коллектора (ПЦК)

1.10.3 Усовершенствования Открытой Солнечной Вакуумной Трубки65

1.11 Выводы

1.12 Постановка проблемы

1.13 Цель работы

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДИК

2.1. Введение

2.1.1. Проектирование и изготовление параболических нагревателей для исследуемых систем

2.2. Модифицированный параболический зеркальный солнечный водонагреватель с системой слежения на основе математического алгоритма расчета положения солнца на небе на языке программирования C# 3.0 (СИСТЕМА 2)

2.2.1. Системы слежения за солнцем

2.3. Модифицированный параболический зеркальный солнечный водонагреватель с микроконтроллерной системой слежения Arduino -Uno (СИСТЕМА 3)

2.3.1. Двухосная микроконтроллерная система слежения за солнцем85

2.4. Модифицированный однофазный термосифонный вакуумный трубчатый параболический желобчатый солнечный водонагреватель с микроконтроллерной системой слежения Arduino - Uno (СИСТЕМА5)

2.4.1. Экспериментальноетестовоеустройство

2.4.2. Открытая термосифонная вакуумная трубка (OTET)

2.4.3. Одноосная микроконтроллерная система слежения за солнцем

2.4.4. Экспериментальные этапы и анализ неопределенности процесса

2.5. Модифицированный однофазный, вакуумный трубчатый параболический солнечный водонагреватель с системой прерывистого слежения за солнцем (СИСТЕМА 6)

2.5.1. Экспериментальное тестовое устройство

2.5.2. Система прерывистого слежения за солнцем и расчет среднего потребления электроэнергии

2.6. Модифицированный параболический желобчатый солнечный водонагреватель с микроприемником в фокусе и прерывистой системой слежения за солнцем (СИСТЕМА 7)

2.6.1. Система измерения и контроля

2.7. Методология обработки экспериментальных результатов и анализа неопределенности

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМ СЛЕЖЕНИЯ ЗА СОЛНЦЕМ И ВАКУУМНЫХ ТРУБЧАТЫХ ПАРАБОЛИЧЕСКИХ КОЛЛЕКТОРОВ

3.1 Системы слежения за солнцем

3.1.1 Система слежения на основе математического алгоритма расчета положения солнца на небе на языке программирования C#

3.1.2 Система слежения за солнцем с микроконтроллером Arduino-Uno и датчиками освещенности (LDR)

3.1.3 Система слежения за солнцем с микроконтроллером (Arduino-Uno) с прерывистыми временными интервалами

3.1.4 Электронный регистратор данных для двух микроконтроллерных систем слежения за солнцем (одна с

фоторезисторными датчиками, другая — с прерывистыми интервалами времени)

3.2 Испытание производительности и оптической эффективности параболоцилиндрического солнечного концентратора

3.3 Возможность создания модифицированных систем слежения за Солнцем

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЕЧНОЙ ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ С СИСТЕМОЙ ОПТИМИЗИРОВАННОГО ТРЕКИНГА

4.1 Введение

4.2 Место проведения исследования: Екатеринбург, Россия. (56.84° с.ш., 60.58° в.д.)

4.2.1 Модифицированный параболический зеркальный солнечный водонагреватель с системой слежения на основе математического алгоритма расчета положения солнца на небе на языке программирования C# 3.0 (СИСТЕМА 2)

4.2.2 Модифицированный параболический зеркальный солнечный водонагреватель с микроконтроллерной системой слежения Arduino -Uno (СИСТЕМА 3)

4.3 Место проведения исследования: Ирак, Киркук (35.46° с.ш., 44.38°

в.д.)

4.3.1 Модифицированный однофазный термосифонный вакуумный трубчатый параболический желобчатый солнечный водонагреватель с

микроконтроллерной системой слежения Arduino - Uno (СИСТЕМА 5)

4.3.2 Модифицированный однофазный, вакуумный трубчатый параболический солнечный водонагреватель с системой прерывистого слежения за солнцем (СИСТЕМА 6)

4.4 Анализ экономической целесообразности модифицированных систем слежения за солнцем

4.5 Модифицированный параболический желобчатый солнечный водонагреватель с микроприемником в фокусе и прерывистой системой слежения за солнцем (СИСТЕМА 7)

4.6 Анализ оптической эффективности параболического желоба и вакуумного трубчатого солнечного концентратора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рекомендации по возможному использованию результатов данной диссертации

СПИСОКСОКРАЩЕНИЙ

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование повышения эффективности солнечной теплогенерирующей установки с системой оптимизированного трекинга»

Введение

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Солнце -Самый мощный источник возобновляемой энергии, позволяет создавать эффективные технологии для борьбы с глобальным потеплением и энергетическим кризисом, вызванным истощением ископаемого топлива. Однако важно отметить, что интенсивность и доступность солнечной энергии зависят от географического положения. Большинство невозобновляемых и возобновляемых источников энергии, доступных на Земле, исходят от солнечного излучения. Большинство используемых традиционных источников энергии- древесина, нефть и газ, а также уголь, были выработаны в течение длительных периодов из-за воздействия солнечного света и тепла Возобновляемые ресурсы энергии, такие как растительные биомассы, волновая, гидравлическая и ветровая энергия также возникают и существуют благодаря Солнцу.. Исторически человечество использовало солнечную энергию в различных приложениях, таких как отопление помещений в зданиях или убежищах; сельскохозяйственные процессы, в частности сушка урожая; и методы орошения, включая обязанности по перекачке воды и деятельность по дистилляции воды для использования человеком. Более того, эта форма лучистой энергии может преобразовываться в другие жизненно важные формы, такие как электроэнергия через фотоэлектрические панели или тепло с помощью устройств сбора солнечной энергии. Принцип работы солнечного коллектора заключается в преобразовании полученного солнечного света в тепловую энергию, поглощаемую рабочими жидкостями, протекающими через коллектор, которыми могут быть вода, воздух или масло. Тепло, поглощаемое рабочей жидкостью, либо используется напрямую, либо сохраняется для использования в другие моменты по необходимости. Обычно существует два типа солнечных коллекторов: неконцентрирующие и концентрирующие; в неконцентрирующих коллекторах

площадь поглощения равна месту, которое получает солнечное излучение, в то время как концентрированные солнечные коллекторы являются вогнутыми и отражающими, такими как зеркало, которое работает, чтобы отражать полученные солнечные лучи и концентрировать их на меньшей площади, тем самым увеличивая поток излучения. Концентрированные агрегаты подходят для высокотемпературных применений. Параболическое зеркало представляет собой систему точечной фокусировки, которая использует параболический отражатель для фокусировки на одной точке. Напротив, параболический желоб представляет собой линейную концентрирующую систему, которая фокусирует солнечный свет на ряд длинных трубок, называемых элементами сбора тепла. В связи с постоянным изменением положения солнца относительно земли и по дням года (его эффективность меняется в зависимости от положения солнца на небе и степени перпендикулярности его лучей к параболической поверхности) возникает необходимость в непрерывном слежении за солнечными лучами поверхностью параболических солнечных коллекторов для повышения значения светового выхода. В целом выделяют два основных типа слежения за солнцем, один из которых одноосный, а второй — двухосный. Таким образом, целью исследования было улучшение характеристик параболических зеркал и лотковых солнечных водонагревателей с использованием одно- и двухосных систем слежения за солнцем и различных методов.

Повышение эффективности солнечных водонагревательных систем и снижение энергозатратявляется актуальной задачей для создания новых технологий и образцов оборудования, развивающих приоритетное направление развития науки, техники и технологий в Российской Федерации: пункт 8 (энергоэффективность, энергосбережение и атомная энергетика).

Разработке данной проблемы посвящены многочисленные исследования [193] показывающие, что активная ориентация ( трекинг), позволяет существенно

(свыше 50%) повысить тепловую эффективность солнечных коллекторов и концентраторов- однако требует дополнительных затрат механической (или электрической) энергии для привода систем ориентации, что существенно снижает прирост эффективности от ориентации, требуют дополнительных капитальных затрат на создание систем привода и управления системами ориентации, а также доплнительных затрат на их обслуживание при эксплуатации. Поэтому разработанность задач создания эффективных, малоэнергоемких систем ориентации на сегодняшний день нельзя считать завершенной. Особое значение создание новых- малоэнергоемких систем ориентации имеет для солнечных концентраторов, где явление точной фокусировки падающего солнечного излучения на приемник теплоты имеет принципиальное значение. Перспективными путями снижения энергетических затрат на привод и управление системами ориентации (трекинга) солнечных концентраторов являются: разработки пассивных систем привода, основанных на изменении объемов (или размеров) элементов приводов при изменении потова солнечной радиации [94], либо использование интеллектуальных- программно управляемых приводов периодического действия, способных задать энергетически оптимальный период (шаг) ориентации. Решению последней из этих задач и посвящено данное исследование.

Объектом исследования является повышение производительности параболических солнечных нагревателей (с использованием параболических антенных и параболоцилиндрических концентраторов) при одновременном снижении потребления энергии за счет применения различных технологий систем слежения за солнцем.

Предмет исследования - модификация солнечного водонагревателя путем применения усовершенствованных методов и новых технологий слежения за солнцем.

Цель исследования: Разработка методов повышения эффективности работы солнечных водонагревателей (параболозеркальных,

параболоцилиндрических установок) используются новые методы отслеживания солнечной энергии; создание универсальных систем, алгоритмов и программ, обеспечивающих максимальную энергетическую эффективность концентрации и ассимиляции солнечной энергии для использования в различных климатических условиях.

Задачи исследования:

1. Создание эталонного солнечного водонагревателя с фиксированным параболическим зеркалом (тарельчатым) (СИСТЕМА 1), который станет эталоном для других экспериментальных установок с точки зрения производительности.

2. Разработка и создание установки для изучения возможностей повышения эффективности параболического зеркального солнечного водонагревателя, оснащенного системой слежения за солнцем, построенной на математическом алгоритме расчета положения солнца на небосводе на языке программирования C# 3.0 (СИСТЕМА 2).

3. Разработка и создание установки для изучения возможностей повышения эффективности параболозеркального солнечного водонагревателя с микроконтроллерной системой слежения Arduino - Uno (СИСТЕМА 3).

Место проведения исследования (Российская Федерация)

4. Создание традиционного стационарного Фиксированного однофазного термосифонного вакуумного трубчатого солнечного водонагревателя с параболическим желобом (СИСТЕМА 4), который станет эталоном для других экспериментальных установок с точки зрения производительности.

5. Разработка и создание установки для изучения возможностей повышения эффективности однофазного открытого термосифонного—

параболического желобчатого солнечного водонагревателя, оснащенного микроконтроллерной системой слежения Arduino - Uno (СИСТЕМА 5).

6. Разработка и создание установки для изучения возможностей повышения эффективности однофазного открытого термосифонного— параболического желобчатого солнечного водонагревателя, оснащенного одноосной прерывистой временной системой слежения за солнцем -маломощный солнечный слежение (СИСТЕМА 6).

7. Разработка и создание установки для изучения возможности снижения капитальных и текущих затрат на техническое обслуживание солнечной водонагревательной системы (Система 6) с использованием модифицированной параболоцилиндрической солнечной водонагревательной системы с микроприемником в фокусной точке и прерывистой системой слежения за солнцем (Система 7).

8. Использование языка программирования C# 3.0 для системы слежения за солнцем (SO Automatic Software), написание кодов для микроконтроллерной системы слежения за солнцем и кода слежения за солнцем с прерывистым временем (солнечное слежение с низким энергопотреблением).

9. Проведение анализа и сравнение результатов экспериментов с традиционными, модифицированными и новыми конструкциями параболических солнечных нагревателей, оснащенных различными системами слежения за солнцем.

10. Разработать и внедрить программу численного моделирования с использованием MATLAB для изучения производительности и оптической эффективности центра параболического желоба путем тестирования определенного идеального дня в течение целого года.

Научная новизна исследования:

1. Доказано, что эффективность параболического солнечного нагревателя определяется количеством тепловой энергии, поглощаемой теплоносителем, которое в первую очередь зависит от количества солнечного излучения, отраженного от поверхности параболического зеркала в точке сбора в центре (место расположения радиатора-приемника). Для повышения эффективности солнечного нагревателя была предложена система слежения за солнцем, основанная на математическом алгоритме расчета положения солнца на небе на языке программирования C# 3.0 (СИСТЕМА 2) (постоянная перпендикулярность солнечных лучей к поверхности параболического зеркала).

2. Было установлено, что общие затраты (капитальные и эксплуатационные) и среднечасовое потребление энергии модифицированной системы слежения за солнцем на основе вращающегося параболического зеркала (СИСТЕМА 2). Была предложена менее дорогая и энергоемкая технология солнечного слежения с использованием микроконтроллера Arduino Uno (СИСТЕМА 3).

3. Впервые предложена новый метод повышения эффективности однофазного термосифонного солнечного водонагревателя с открытой вакуумной трубкой путем его установки в фокусе параболического желоба для максимального поглощения солнечной энергии и оснащения его одноосевой системой слежения с использованием микроконтроллера Arduino - Uno (СИСТЕМА 5).

4. Впервые предложена новая технология — прерывистое слежение за солнцем (ПСС), которая потребляет меньше энергии, чем система слежения за солнцем, управляемая микроконтроллером. Эта система слежения используется для вращения солнечного водонагревателя с

параболическим желобом открытого типа с востока на запад (СИСТЕМА 6).

5. Доказано, что вакуумная тепловая трубка открытого типа с термосифоном недостаточно прочна, что делает ее склонной к быстрому выходу из строя. Поэтому впервые был предложен небольшой приемный блок (плоский солнечный коллектор), установленный в фокусе параболического желоба вместо вакуумной тепловой трубы (СИСТЕМА 7).

Теоретическая и практическая значимость работы заключается:

• В физическом обосновании путей повышении эффективности солнечных водонагревательных систем.

• Временное или астрономическое слежение: программа SO-Automatic была разработана и написана с использованием математического алгоритма, который включал численные расчеты для определения положения солнца на небе на основе входных данных, представленных координатами долготы и широты, часового пояса места исследования, а также временных интервалов между периодами. Для написания программы использовался язык программирования С# 3.0.

• Слежение на основе датчиков (LDR): коды двухосевой системы слежения за солнцем были написаны для микроконтроллера

• Пошаговое или прерывистое слежение: код для одноосной системы слежения за солнцем был написан для микроконтроллера (Uno-Arduino).

• Разработана математическая модель для оценки и анализа производительности и оптической эффективности параболического желоба, оснащённого вакуумной трубкой, в течение всего года. Эта модель была реализована с помощью программы моделирования в среде численных вычислений (МЛ^ЛВ).

• Получение новых экспериментальных результатов для оценки эффективности модифицированных и новых типов солнечных нагревателей.

Методология и методы диссертационного исследования

Для изучения процессов солнечного нагрева воды были использованы основные теоретические принципы теплопередачи при нагревании. Для оценки производительности и эффективности солнечного нагревателя было проведено исследование процесса синхронного нагрева. В экспериментальных исследованиях использовались методы нестационарного теплообмена. Для написания программы солнечного трекера SO-Automatic использовался язык программирования C# 3.0, для написания программного обеспечения микроконтроллера Arduino Uno - язык программирования C++, а для написания математической модели для оценки и анализа производительности и оптической эффективности вакуумного трубчатого параболического желоба - язык программирования Matrix Laboratory. Эта модель была реализована с помощью программы численного моделирования (MATLAB). Результаты каждого типа модифицированной и новой системы солнечного нагрева были сравнены с точки зрения производительности, энергопотребления и экономической целесообразности применяемых систем солнечного слежения, а также с результатами других исследователей.

Личный вклад автора

Работа выполнялась под научным руководством д.т.н. Щеклеина Сергей Евгеньевич. Экспериментальные и теоретические работы, обобщение результатов исследования, подготовка материалов к публикации выполнены автором самостоятельно. Автором проведен комплекс экспериментальных исследований, их обработка и анализ, разработана математическая модель для SO-Automatic с использованием языка программирования C# 3, написаны коды

для микроконтроллера солнечного трекера Uno-Arduino, разработана математическая модель и выполнены расчеты на языке программирования Matrix Laboratory для оценки и анализа характеристик и эффективности вакуумного параболического концентратора с использованием программы численного моделирования (MATLAB), а также выполнена подготовка материалов к публикации. Также основные результаты, обладающие научной новизной и выносимые на защиту, получены автором лично.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментального исследования параболозеркального солнечного водонагревателя с фиксированным положением (СИСТЕМА 1) и модифицированного параболозеркального солнечного водонагревателя с системой слежения на основе математического алгоритма расчета положения солнца на небосводе на языке программирования C# 3.0 (СИСТЕМА 2.

2. Результаты экспериментального исследования модифицированного параболического зеркального солнечного водонагревателя с микроконтроллерной системой слежения Arduino - Uno (СИСТЕМА 3).

3. Результаты экспериментального исследования стационарного однофазного вакуумного солнечного водонагревателя (СИСТЕМА 4) и модифицированного однофазного вакуумного солнечного водонагревателя (СИСТЕМА 5) с системой слежения на базе микроконтроллера Arduino-Uno.

4. Результаты экспериментального исследования модифицированного однофазного параболического солнечного водонагревателя с вакуумными трубками и прерывистой системой слежения за солнцем (СИСТЕМА 6).

5. Результаты экспериментального исследования модифицированного параболического желобчатого солнечного водонагревателя с

микроприемником в фокусе и прерывистой системой слежения за солнцем (СИСТЕМА 7).

6. Оценка экономической целесообразности модифицированных систем слежения за солнцем (СИСТЕМА 2, СИСТЕМА 3, СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6).

7. Результаты моделирования и имитации математической модели для прогнозирования интенсивности прямого солнечного излучения и оптической эффективности параболического желоба, оснащенного вакуумной трубкой, с использованием численной вычислительной среды (MATLAB) в течение года.

Достоверность результатовработы обеспечивается использованием известных, зарекомендовавших себя методов расчета, проверенного программного обеспечения, а также сравнением полученных данных с экспериментальными данными других авторов.

Апробация работы: Результаты исследования были представлены и обсуждены на ряде научных конференций и в научных статьях:

1. Международной научно-практической конференции по последним достижениям в области энергетических систем, материалов и технологий (CESMTECH 2025).

2. 3-я Международная конференция по возобновляемым источникам энергии пройдет в Сулеймании, Ирак, с 16 по 17 апреля 2025 года.

3. Четвертая международная конференция по перспективным электротехническим, электронным и вычислительным технологиям (ICE4CT 2022), проводившаяся на факультете электротехники и технологий Университета Малайзии Перлис, совместно с NandhaEngmeermgCollege, Индия и Центром отличия по возобновляемой энергетике (CERE) с 28 по 29 декабря 2022 года. На этой конференции нам

была присуждена премия за лучшую научную статью, представленную на мероприятии.

4. Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика. Даниловские чтения — 2021.

5. XXXVII Сибирский теплофизический семинар». Конференция пройдет с 14 по 16 сентября 2021 года в Новосибирске.

6. 2-я Международная научная конференция по инженерным наукам (ISCES 2020), Университет Диялы, Инженерный колледж, Ирак.

Публикации: Общее количество статей по теме исследования - 13, из них 11 статей были опубликованы в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Российской Федерации и Аттестационным советом УрФУ, включая 10 статей в изданиях, индексируемых международными наукометрическими базами Scopus и Web of Science.

Объем и структура работы: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, основных выводов, списка сокращений/обозначений и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 217 страницах, включая 103 рисунков, 8 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 94 наименования.

ГЛАВА 1. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНЫХ НАГРЕВАТЕЛЕЙ И ТЕХНОЛОГИЙ СОЛНЕЧНОГО ТРЕКИНГА: КОМПЛЕКСНЫЙ ОБЗОР

1.1Общаяинформация

Солнечная энергия считается основным источником энергии на Земле. Она распределяется и преобразуется в другие формы энергии, такие как энергия ветра или тепловая энергия, хранящаяся под землей. Она также считается источником всей энергии, получаемой из ископаемого топлива, включая уголь, нефть и газ. Все новые и возобновляемые источники энергии, включая солнечную энергию, энергию ветра, гидроэлектроэнергию, энергию приливов и отливов, тепловую энергию океана и энергию биомассы, считаются устойчивыми. Мы используем их, преобразуя эту энергию в механическую, электрическую или опресняющую воду[1]. Солнечное излучение можно определить как лучистый свет и тепло, излучаемые Солнцем, которое является огромным источником энергии. Солнечное излучение распространяется в виде электромагнитных волн, которые равномерно распространяются в пространстве во всех направлениях, достигая Земли и других планет. Солнечное излучение теряет примерно половину своей энергии в результате отражения от атмосферы и облаков [2]. Когда солнечный свет проходит через атмосферу, он обесценивается, поскольку часть его поглощается при прохождении через различные слои атмосферы. Очень короткие волны, такие как рентгеновские и гамма-лучи, поглощаются в ионосфере на очень больших высотах. Озоновый слой поглощает относительно длинные волны в ультрафиолетовой области на высоте от 15 до 40 км над поверхностью Земли [3]. В ближайших слоях атмосферы часть инфракрасного излучения поглощается водяным паром и углекислым газом. Солнечное излучение, достигающее поверхности Земли, находится в основном в диапазоне

длин волн от 0,29 до 2,5 мкм [4] Кроме того, часть излучения рассеивается и

20

перехватывается сухим воздухом, водяным паром и взвешенными пылевыми частицами. В результате поглощения части излучения атмосферой и рассеивания другой части, энергия, переносимая излучением, уменьшается перед достижением поверхности Земли, как показано на рисунке 1.1. Также это зависит от степени кратности пути излучения в атмосфере и характера атмосферы вдоль этого пути [5]. Солнечное излучение подразделяется на прямое и рассеянное. Прямое излучение достигает поверхности Земли без каких-либо противопоказаний. Рассеянное излучение - это излучение, достигающее поверхности Земли опосредованно от Солнца в результате отражения при прохождении через атмосферу и облака.

Рисунок 1.1: Потеря солнечной радиации при достижении поверхности Земли

[6]

Рисунок 1.2: Изображение компонентов солнечного излучения [7]

1.1 Солнечная энергетика в мире

В странах «солнечного пояса» существует огромный потенциал солнечной

энергетики, поскольку круглый год наблюдается обилие солнечного горизонтального излучения. Следовательно, эти страны, включая Ближний Восток, Австралию, Северную Африку, Китай, США и Южную Африку, и это лишь некоторые из них, обладают большим потенциалом для развития солнечной энергетики. Среднегодовая интенсивность солнечного излучения составляет более 2800 кВт ч/м2, а средняя суточная — более 7,5 кВт ч/м2. На рис. 1.3 показаны области с оптимальным уровнем глобальной солнечной радиации. Распределение солнечного излучения и его интенсивность — два важных фактора, влияющих на эффективность солнечных фотоэлектрических технологий, и эти два параметра различаются в разных странах. Поэтому важно понимать, что часть солнечной энергии теряется, поскольку не используется. С

другой стороны, в ряде стран, особенно развивающихся, солнечное излучение в изобилии, что делает его бесценным [8,9].

Среднегодовая энергш солнечной энергии, вырабатываемой на

У " г ~ у земле (1983-2005)

. -^Пп шглГ * » г .

Л. А щ 7.5

% ТГ .

▼ ф-

'У 1

з

Инцидент изоляции при ясном небе, горизонтальная поверхность (кВт ч/м-.день)

Рисунок 1.3: Глобальная карта солнечного облучения [10] 1.1.1 Солнечная энергетика в Российской Федерации

Уникальные природные условия России позволяют использовать энергию воды, ветра, солнца, геотермальную энергию, энергию волн, приливов и биомассы. Возможности реализации проектов строительства источников энергии на основе возобновляемых ресурсов в Российской Федерации неравномерны. Россия обладает огромным потенциалом развития альтернативной энергетики на основе возобновляемых источников (таблица 1.1). Каждый регион России обладает определенным запасом различных возобновляемых энергоресурсов. Исходя из таблицы 1.2, отмечаем явное преобладание потенциала солнечной энергии над другими возобновляемыми ресурсами, а также тот факт, что технологический и технический уровни извлечения полезной энергии весьма невелики [11].

Таблица 1.1: Динамика добычи природного и попутного газа в России и мире за 1970-2020 гг. [11]

Год Мир, млрд м3 Россия, млрд м3 Мир, доля %

1979 1021 83 8,1

1980 1456 254 17,4

1990 2000 641 32,1

2000 2436 584 24,0

2010 3209 650 20,3

2015 3531 635 18,0

2016 3552 640 18,0

2017 3670 691 19,2

2018 3860 725 18,7

2020 4007 692 17,2

Таблица 1.2: Потенциал ВИЭ в России (млн т у.т.) [11]

Типмощности Общийпотенци ал Техническ ий потенциал Долятехническогопотенци ала, %

Солнечная энергия 2300000 2300 0,1

Энергия ветра 26000 200 7,69

Энергия биомассы 10000 53 0,53

Низкопотенциаль ное тепло 525 115 21,90

Малая вода 360 125 37,27

Ресурсы

Геотермальная энергия 180 20 11,11

Общий 2337065 4593 0,2

По данным Института энергетической стратегии, теоретический потенциал солнечной энергии в России составляет примерно 2300 млрд тонн условного топлива (ТУТ), а экономический - 12,5 млн тонн ТУТ. Наиболее перспективными с точки зрения использования солнечной энергии регионами считаются: Краснодарский край, Крым, Калмыкия, Ростовская область, Волгоградская область, Ставропольский край, Башкортостан, Алтайский край, Оренбургская, Астраханская и Амурская области([11].

Солнечная радиация. кВГч/м;

и Ч > ■ " ■ з ■ " ■ < Я «» ■ ■ «

Рисунок 1.4: Карта солнечной активности в России (ГИС «Возобновляемые источники энергии России», 2020) [11]

1.1.2 Солнечная энергетика в Республике Ирак

Ирак расположен в регионе Ближнего Востока, который характеризуется

высоким уровнем солнечной радиации в течение большинства месяцев года, как показано на рисунке 1.5. Эта особенность выделяет Ирак среди многих стран в использовании солнечной энергии в различных областях, в том числе для

производства электроэнергии и использования солнечных водонагревателей, особенно учитывая, что Ирак страдает от постоянного дефицита электроэнергии. [12].

Рис. 1.5: Скорость распределения солнечной радиации в Ираке [12]

1.2Геометрия Земли и Солнца

Солнечная энергия - это энергия Солнца, падающая на поверхность Земли.

Интенсивность излучения зависит от расстояния между Солнцем и Землёй. Минимальная интенсивность приходится на 21 декабря (зимнее солнцестояние), а максимальная - на 21 июня (летнее солнцестояние). Расстояния между Солнцем и Землёй в периоды минимальной и максимальной интенсивности составляют 1,471^1011 м и 1,521^1011 м. Следовательно, количество солнечного излучения, перехватываемого Землёй, меняется в течение года в зависимости от расстояния

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алджубури Милия Хамид Маджид, 2025 год

- У ГЛ

к г и 1Л ЧГ

сУ Л- ч4' ч1' V" ч*' О" ч^-

«р # ф

(А)

Время, час

Рисунок 4.22- Среднечасовое потребление электроэнергии в России для двух разных систем слежения за солнцем (СИСТЕМА 2 и СИСТЕМА 3)

187

175

150

н С

¡2 125

О

с

| 100 5 и я;

В 75

и §

ю

о С

50

25

-Система 5 Система 6

Л

\

1

--- 1

# ф- ч«' ч~ ч^ ч^ Ч>~ ч^' ч«"

(Ь)

Время, час

Рисунок 4.23- Среднечасовое потребление электроэнергии в Ираке для двух различных систем слежения за солнцем (СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6)

На рисунках (4.24 - 4.29) показаны ежедневные, ежемесячные и годовые затраты

на потребление энергии для двух разных мест (Россия и Ирак): Рисунки (4.24,

4.26, и 4.28) в России для двух разных систем слежения за солнцем (СИСТЕМА

2 и СИСТЕМА 3); Рисунки (4.25, 4.27, и 4.29) в Ираке для двух разных систем

слежения за солнцем (СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6). На рисунке 4.24 показано,

что в первом месте исследования (Россия) система слежения (СИСТЕМА 3) в

сочетании с параболическим зеркалом снизила ежедневные затраты на 44% по

сравнению с системой слежения (СИСТЕМА 2), установленной на том же

параболическом зеркале. На Иракском объекте исследования та же система

микроконтроля слежения (МС) была применена к системе нагрева воды с

параболическим желобом, который имеет больший вес, чем параболическое

зеркало, и поэтому требует больше электроэнергии для своего перемещения,

особенно в начале работы, как это видно на рисунке 4.25. Итак, во втором месте

исследования (Ирак) система слежения (СИСТЕМА 6) снизила ежедневные

затраты на 98% по сравнению с системой слежения (СИСТЕМА 5).

188

0,030

0.025

1-й В

и

4 со

И 0.020

6 п

л'

5 0.015 п

п; ^

У 0.010

а

о н

0.005

0.000

0.0243 Солнечный водонагреватель с параболическим зеркалом Место положение: Россия

- ш 0.0136

Ж §§

- || Ф/,

т

СИСТЕМА 2 СИСТЕМА 3

Тип системы слежения за солнцем

Рисунок 4.24. Ежедневные затраты в России для двух разных систем слежения

за солнцем (СИСТЕМА 2 и СИСТЕМА 3)

0.020

0.015

* 0.010

¿Г ^

о %

3

° 0.005

0.000

Параболический желоо

0.0157 Солнечный водонагреватель

Местоположение: Ирак

Г 0.0039

Ф,

т, И|

СИСТЕМА 5 СИСТЕМА 6

Тип системы слежения за солнцем

Рисунок 4.25. Ежедневные затраты в Ираке для двух различных систем слежения за солнцем (СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6).

Для слежения за солнцем (СИСТЕМА 2) добавляется стоимость интернет-услуг на скорости 100 Мбит/с, что составляет около 10 долларов США. Таким образом, ежемесячная стоимость составит 10, 723 доллара США. В то время как система слежения за солнцем (СИСТЕМА 3) зафиксировала ежемесячные расходы примерно в размере 0,409 долл. США, а улучшение составило около 96%, как показано на рисунке 4.26. В то время как в иракских испытаниях, с увеличенным весом блока системы нагрева воды, система слежения за солнцем с микроконтроллером (СИСТЕМА 5) зафиксировала немного более высокую ежемесячную стоимость, чем российские испытания, около $0,471, из-за возросшего расхода электроэнергии. Однако, по сравнению с системой слежения (СИСТЕМА 6), которая зафиксировала около $0,117 в месяц, темп улучшения составил около 75% для системы (СИСТЕМА 5) и 99% для системы (СИСТЕМА 2), как показано на рисунке 4.27. Такое же поведение было зафиксировано в течение целого года на обоих испытательных участках, как показано на рисунках 4.28 и 4.29.

12.5

Ьч а 10.0

и

3

«

N с 7.5

Ч

И

к и

и 2

М 5.0

л

н

о

г

с ь 2.5

и

0.0

10.7 Солнечный водонагреватель

с параболическим зеркалом

- Местоположение: Россия

- 0.409

т

система 2 система 3

Тип системы слежения за солнцем

Рисунок 4.26. Ежемесячные затраты в России для двух разных систем слежения

за солнцем (СИСТЕМА 2 и СИСТЕМА 3)

190

0.6

«

о о 5 й

е п о

4

й Й

5 к

г—

О

0

1

о ь

о

0.5

0.4

0.3

0.2

0,1

0.0

0.471 Параболический желоб Солнечный водонагреватель

- Местоположение: Ирак

- 0.117

СИСТЕМА 5 СИСТЕМА 6

Тип системы слежения за солнцем

Рисунок 4.27. Ежемесячные затраты в Ираке для двух различных систем слежения за солнцем (СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6)

Рисунок 4.28. Годовые затраты в России для двух разных систем слежения за

солнцем (СИСТЕМА 2 и СИСТЕМА 3)

191

Рисунок 4.29. Годовые затраты в Ираке для двух различных систем слежения за

солнцем (СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6).

Таблица 4.1 показывает, что концентрирующие солнечные водонагревательные системы (параболическое зеркало и параболический желоб) в настоящем исследовании хорошо согласуются с результатами предыдущих исследований по тепловой эффективности. На первом объекте исследования (Российская Федерация) двухосная система слежения за солнцем с датчиками фоторезистора (LDR) на параболическом зеркале показала хорошие результаты, тепловой КПД составил от 43% до 84%, что близко к показателям бездатчиковой астрономической системы слежения (39-78%). На втором объекте исследования (Республика Ирак) прерывистая одноосная система слежения на параболическом желобе показала хорошие результаты, тепловой КПД составил от 3% до 24%, в то время как система с датчиками фоторезистора (LDR) показала хорошие результаты, тепловой КПД составил от 7,7% до 29%. Это подчеркивает достижение двух основных целей при использовании прерывистой системы слежения: во-первых, повышение эффективности солнечного нагрева до

192

уровней, сопоставимых с другими системами слежения, и, во-вторых, снижение потребления электроэнергии, необходимой для работы системы слежения, что способствует снижению эксплуатационных расходов, как показано на рисунках 4.22-4.29.

Таблица 4.1: Сравнение предыдущих источников с точки зрения места исследования, типа отслеживания и технологии, а также результатов и повышения тепловой эффективности концентрированных солнечных нагревателей (параболическая тарелка и параболический желоб)

Ссылка Местоисслед ования Типотслеживани я Параболический тип Технологияуправлен ия Влияниенаэффе ктивность

[59] Нигерия Одноосная трехпозиционная система слежения за солнцем Параболическаяантенна (зеркальная) Непрерывное слежение за солнцем с помощью линейного привода (Superjack) 52-56 %

[63] Индия Слежение на основе датчиков 15-25%

[64] Пакистан Двухосевая и трехпозиционная система слежения за солнцем Ардуино + LDR улучшение ~30%

[66] Индия Слежение на основе датчиков 30-40%

[67] Ирак ПЛК + датчики ПЛК значительно повысил эффективность концентрации солнечной энергии по сравнению со статическим режимом.

[72] Греция Двухосевая и трехпозиционная Пара боли чески й жело Фотодиодные датчики, интегрированные с 30-40%

система слежения автоматизированной

за солнцем механической системой

Одноосная Простые оптические

[73] Индия трехпозиционная система слежения за солнцем датчики + система управления одним двигателем. 20-25%.

[74] Ирак Ручное отслеживание Ручное отслеживание шагов. 10-15 %

[75] Египет Одноосная трехпозиционная система слежения за солнцем фотоэлектронные датчики 18-22%.

Временное или

Текущее исследование Россия Двухосевая и трехпозиционная система слежения за солнцем Параболическаяан тенна (зеркальная) астрономическое слежение без использования датчиков 43-84 %

Слежение на основе датчиков 39-78 %

Одноосная трехпозиционная Параболический желоб Слежение на основе датчиков 7.7-29 %

Ирак система слежения за солнцем Пошаговое или прерывистое слежение 3-24%

4.5 Модифицированный параболический желобчатый солнечный водонагреватель с микроприемником в фокусе и прерывистой системой слежения за солнцем (СИСТЕМА 7)

На рисунке 4.30. показано почасовое изменение температуры воды на входе

и выходе для двух моделей (СИСТЕМА 7 и СИСТЕМА 6), а также погодных

условий, таких как интенсивность солнечного излучения и температура окружающего воздуха. Учитывая, что температура воды на входе у обеих моделей одинакова. Из этого рисунка видно, что погодные условия оказывают непосредственное влияние на температуру поступающей воды; например, температура воды на входе, зафиксированная в 09:00, 15:00 и 18:00, составляла приблизительно 40,1, 51,5 и 41°С соответственно; В эти же периоды температура окружающего воздуха (Та) была зафиксирована на уровне приблизительно 32,5, 44,6 и 39,3°С соответственно. Наибольшее значение солнечной радиации (I) наблюдалось в 12:00 дня, достигая приблизительно 1099 Вт/м2. Важно отметить, что температура воды на выходе для обеих моделей (СИСТЕМА 7 и СИСТЕМА 6) была очень близка. Этот рисунок показывает, что температура воды на выходе первой модифицированной модели (СИСТЕМА 7) была выше, чем у второй модели в разные периоды, особенно во второй половине дня. По мере увеличения значений интенсивности солнечного излучения, собираемых в фокальной точке (малом приемном устройстве), температура воды, проходящей через малое приемное устройство, увеличивалась, что свидетельствует об эффективности предлагаемого малого приемного устройства (плоского солнечного водосборника).На рисунке 4.31 показано почасовое изменение количества полезной тепловой энергии для обеих моделей (СИСТЕМА 7 и СИСТЕМА 6). На этом рисунке ясно видно, что полезная энергия в СИСТЕМА 7 всегда была близка к полезной энергии в СИСТЕМА 6, а в некоторые моменты (между 10:00 и 13:00) даже превышала ее. Это обусловлено эффективным воздействием предлагаемой технологии приемника, обусловленным интенсивностью солнечного излучения, перпендикулярного поверхности небольшого плоского приемника.

Рисунок 4.30- Почасовое изменение I, Та и температуры воды на входе, 23

апреля 2025 г.

Рисунок 4.31- Полезная энергия для моделей СИСТЕМА 7, и СИСТЕМА 6, 23

апреля 2025 г.

На рисунке 4.32 представлены часовые тепловые КПД обоих солнечных коллекторов (СИСТЕМА 7 и СИСТЕМА 6). Из этого рисунка следует, что тепловая эффективность СИСТЕМА 6 всегда выше, чем у СИСТЕМА 7, но в определенные часы (с 10:00 до 13:00) предлагаемая модель превосходит ее. Эффективность предлагаемого теплообменника можно объяснить повышенной интенсивностью солнечного излучения, сосредоточенного на его поверхности, что обеспечивало более эффективный нагрев воды и, как следствие, большую разницу температур (на выходе и входе теплообменника) относительно интенсивности поступающего солнечного излучения. Наибольшие тепловые КПД были зафиксированы для обеих моделей (СИСТЕМА 7 и СИСТЕМА 6) в полдень, примерно 17,97% и 16,6% соответственно.

Время, час

Рисунок 4.32- Термический КПД для моделей СИСТЕМА 7, и СИСТЕМА 6, 23

апреля 2025 г.

25

□- СИСТЕМА 7 О- СИСТЕМА б

20

□

0

4.6 Анализ оптической эффективности параболического желоба и вакуумного трубчатого солнечного концентратора

Оптическая эффективность параболического солнечного желоба рассчитывается для оценки его способности концентрировать солнечный свет и направлять его к приемнику энергии, что напрямую влияет на количество вырабатываемой тепловой и электрической энергии. Эта эффективность крайне важна для оптимизации производительности солнечной системы, поскольку она помогает определить количество поглощаемой энергии, минимизировать тепловые потери и обеспечить максимально возможное количество полезной энергии. Понимание оптической эффективности также помогает улучшить конструкцию системы, снизить затраты, повысить надежность и экономичность, способствуя производству чистой и устойчивой энергии.

На рисунке 4.33 представлено почасовое изменение прямого солнечного излучения, достигающего поверхности параболического цилиндра, в зависимости от времени. Эта криволинейная зависимость увеличивается утром по мере уменьшения воздушной массы, достигает пика перед полуднем, а затем уменьшается из-за удлинения оптического пути в атмосфере и увеличения рассеяния и поглощения. Наибольшее значение было зарегистрировано около 10:30 утра и составляет приблизительно 897,8 Вт/м2. Затем значения уменьшаются к полудню, возможно, из-за наличия пыли/облаков или горизонтального препятствия, сокращающего время прямого воздействия. Значение продолжает уменьшаться во второй половине дня, достигая наименьшего значения в 16:00 и составляет приблизительно 44,46 Вт/м2.

На рисунке 4.44 представлена кривая оптической эффективности параболоцилиндрического солнечного коллектора 15 января 2025 года, который был выбран в качестве типичного дня с точки зрения солнечного сияния. Горизонтальная ось представляет изменение во времени (по часам), а

198

вертикальная ось (оптическая эффективность, %) представляет процент солнечного излучения, сфокусированного на приемнике, по сравнению с общим входящим излучением. Предполагалась одноосная полярная техника слежения за солнцем (с востока на запад). Из этого рисунка можно отметить, что пик оптической эффективности был зарегистрирован в 10:30 утра, приблизительно 63%. Это связано с тем, что угол падающего солнечного света был идеально параллелен фокусу, достигая максимальной концентрации энергии на приемнике. Однако, когда угол падения солнечных лучей отклоняется от оптимального угла, оптическая эффективность снижается из-за рассеяния или неидеальных отражений, что приводит к потере солнечной энергии. Этото, чтонаблюдалосьдо и после 10:30 утра.

В Э 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Местное время (часы)

Рисунок 4.33- Интенсивность прямого солнечного излучения в час

11111

-

N.

\

Местное время (час)

Рисунок 4.44 Значения визуальной активности на 15 января 2025 г.

Из двух приведенных выше рисунков можно сделать вывод, что величина прямого солнечного излучения, получаемого центром, оказывает существенное влияние на оптическую эффективность.Разработанная математическая модель представляет собой эффективный инструмент для прогнозирования интенсивности прямого солнечного излучения и оценки оптической эффективности параболического коллектора, оснащенного вакуумной трубкой, в течение всего года. Модель основана на среде численных вычислений (MATLAB) для построения и проведения моделирования. Эта модель способствует созданию точной числовой базы данных, к которой можно обращаться перед проведением практических испытаний, поскольку она позволяет оценить фактическое количество солнечного излучения, ожидаемого к поверхности приемника (вакуумной солнечной трубки). Это способствует сокращению трудозатрат и затрат, связанных с проведением натурных экспериментов, а также совершенствованию конструкции и эксплуатации параболических солнечных коллекторов и разработке стратегий управления для достижения наилучших тепловых характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой работе были спроектированы и реализованы три модифицированные системы слежения за солнцем, интегрированные с двумя солнечными водонагревательными системами (параболическое зеркало и параболический желоб), и реализованы в двух различных средах (Россия и Ирак). Первая система слежения за солнцем основана на математическом алгоритме для расчета положения солнца на небе с использованием языка программирования С# 3.0 (контроллер Д2У-1). Вторая представляет собой систему слежения с микроконтроллером и точными оптическими датчиками (АМшш-Цпо). Третья — модульная система прерывистого слежения за Солнцем. Все три системы доказали свою эффективность и потенциал для использования в народном хозяйстве, особенно второй и третий солнечные трекеры. По результатам этой работы были сделаны следующие выводы:

1. На первом участке исследования (Россия) первый трекер оказался точнее второго, о чем свидетельствует разница температур воды на входе и выходе радиатора ЦП. В экспериментах 2 сентября 2021 года разница между двумя моделями (СИСТЕМА 2 и СИСТЕМА 1) составила около 21% (солнечный нагреватель с функцией слежения превзошел обычную модель). В экспериментах 4 сентября 2021 года разница между двумя моделями (СИСТЕМА 3 и СИСТЕМА 1) составила около 19% (солнечный нагреватель с функцией слежения превзошел традиционную модель).

2. На втором участке исследования (Ирак) наблюдалась четкая конвергенция

значений интенсивности солнечного излучения, полученных с помощью двух

моделей(СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6). Для СИСТЕМА 5 (микроконтроллер),

полученное SR, всегда было немного выше, чем полученное СИСТЕМА 6.

Самые высокие значения были зафиксированы на крышах двух систем,

примерно 1033,3 и 999 Вт/м2 соответственно, в полдень, а затем они начали

снижаться с заходом солнца. В 09:00 утра они были зафиксированы на уровне

201

примерно 640,5 и 584 Вт/м2, а в 15:00 — примерно 766,9 и 700,4 Вт/м2 соответственно.Часовые значения температуры воды на выходе из моделей (СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6) оказались весьма близкими, разница не превышала около 6%. Это означает, что метод отслеживания времени за 7 минут в мае показал хорошие результаты, близкие к результатам, достигнутым системой отслеживания на основе микроконтроллера. В 9:00 утра для обеих моделей (СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6) средние температуры составляли 57,68 и 54,38 °С, а в полдень они составляли 75,24 и 70,72 °С. Самые высокие температуры были зафиксированы в 3:00 дня, достигнув 83,38 и 778,3 °С соответственно. Это изменение зависит от интенсивности солнечного излучения и теплоемкости воды.

3. Потребление электроэнергии модифицированными системами слежения за солнцем в данном исследовании было следующим: на первом участке исследования (Россия) почасовое потребление энергии системой слежения за солнцем (СИСТЕМА 2) было значительно выше, чем у системы слежения за солнцем (СИСТЕМА 3). Это связано с тем, что в СИСТЕМА 2 имеется более одного компонента, требующего для работы электропитания, включая блок слежения за солнцем и блок контроля и управления (настольный компьютер). Таким образом, СИСТЕМА 3, не требующий дополнительных затрат, таких как система контроля и управления и выделенная линия интернета, снизил потребление электроэнергии на 44% при эффективности работы, близкой к эффективности СИСТЕМА 2. Что касается второго места исследования (Ирак), то вторая система слежения (ранее снизившая потребление электроэнергии в России на 44%) была испытана на параболоцилиндрической солнечной водонагревательной системе (СИСТЕМА 5), которая имеет больший вес, чем параболическое зеркало, и поэтому требует больше электроэнергии для своего перемещения, особенно в начале работы. Для

дальнейшего снижения потребления энергии была реализована новая система

202

слежения (СИСТЕМА 6) с прерывистыми временными интервалами (каждые 7 минут) с 8:00 до 18:00. Таким образом, модифицированная система слежения за солнцем (СИСТЕМА 6) внесла значительный вклад в снижение потребления электроэнергии на 97,5% по сравнению с системой слежения (СИСТЕМА 5).

4. Что касается суточных, месячных и годовых затрат на потребление энергии для двух разных мест (Россия и Ирак), то они были следующими: в России для двух разных систем слежения за солнцем (СИСТЕМА 2 и СИСТЕМА 3);

в Ираке для двух разных систем слежения за солнцем (СИСТЕМА 5 и СИСТЕМА 6). В первом месте исследования (Россия) система слежения (СИСТЕМА 3) в сочетании с параболическим зеркалом снизила ежедневные затраты на 44% по сравнению с системой слежения (СИСТЕМА 2), установленной на том же параболическом зеркале. На Иракском объекте исследования та же система микроконтроля слежения (МС) была применена к системе нагрева воды с параболическим желобом, который имеет больший вес, чем параболическое зеркало, и поэтому требует больше электроэнергии для своего перемещения, особенно в начале работы.

5. Для слежения за солнцем (СИСТЕМА 2) добавляется стоимость интернет-

услуг на скорости 100 Мбит/с, что составляет около 10 долларов США. Таким

образом, ежемесячная стоимость составит 10, 723 доллара США. В то время

как система слежения за солнцем (СИСТЕМА 3) зафиксировала ежемесячные

расходы примерно в размере 0,409 долл. США, а улучшение составило около

96%. В то время как в иракских испытаниях, с увеличенным весом блока

системы нагрева воды, система слежения за солнцем с микроконтроллером

(СИСТЕМА 5) зафиксировала немного более высокую ежемесячную

стоимость, чем российские испытания, около $0,471, из-за возросшего

расхода электроэнергии. Однако, по сравнению с системой слежения

(СИСТЕМА 6), которая зафиксировала около $0,117 в месяц, темп улучшения

203

составил около 75% для системы (СИСТЕМА 5) и 99% для системы (СИСТЕМА 2).

6. Из-за постоянной поломки вакуумной тепловой трубки (она была недостаточно прочной) она быстро выходила из строя, что создавало дополнительную финансовую нагрузку на систему. Поэтому впервые предлагается малогабаритный приемник (плоский солнечный коллектор), устанавливаемый в фокусе параболического желоба вместо вакуумной тепловой трубы. Данная система оснащена модифицированной системой слежения за солнцем (СИСТЕМА 7). Модифицированная конструкция показала хорошую эффективность работы, близкую к СИСТЕМА 6. Наибольшие тепловые КПД были зафиксированы для обеих моделей (СИСТЕМА 7 и СИСТЕМА 6) в полдень, примерно 17,97% и 16,6% соответственно.

7. Оказывается, среднее время для подходящего прерывистого слежения за Солнцем в зимние месяцы составляет от 4 до 5 минут, а летом — от 7 до 8 минут.

8. Разработанная математическая модель представляет собой эффективный

инструмент для прогнозирования интенсивности прямого солнечного

излучения и оценки оптической эффективности параболического коллектора,

оснащенного вакуумной трубкой, в течение всего года. Модель основана на

среде численных вычислений (МАТЬАВ) для построения и проведения

моделирования. Эта модель способствует созданию точной числовой базы

данных, к которой можно обращаться перед проведением практических

испытаний, поскольку она позволяет оценить фактическое количество

солнечного излучения, ожидаемого к поверхности приемника (вакуумной

солнечной трубки). Это способствует сокращению трудозатрат и затрат,

связанных с проведением натурных экспериментов, а также

совершенствованию конструкции и эксплуатации параболических солнечных

204

коллекторов и разработке стратегий управления для достижения наилучших тепловых характеристик.

Рекомендации по возможному использованию результатов данной

диссертации

В настоящее время разработанные в работе установки малоэнергоемкой ориентации солнечных концентраторов используются в демонстрационных целях и оразовательном процессе в Уральском федеральном университете (Россия) и Центре возобновляемых источников энергии Северного технического университета (Ирак), что подтверждается соответствующими актами внедрения.

В перспективе, научные и прикладные результаты данной диссертации могут быть использованы в следующих областях:

• энергетические компании и отрасли промышленности: внедрение систем слежения за солнцем (временных/астрономических, датчиковых или прерывистых) в промышленных водонагревательных проектах или солнечных тепловых электростанциях с целью повышения тепловой эффективности и снижения потерь.

• сферы услуг: университеты, больницы и жилые комплексы, где результаты сравнения различных систем помогают выбрать оптимальное решение с точки зрения стоимости, требований к техническому обслуживанию и экономической окупаемости.

• бытовой и сельскохозяйственный секторы, где внедрение простых систем слежения (сенсорных или прерывистых) в малых и средних солнечных водонагревательных системах, обеспечивая чистый и надежный источник нагрева воды и снижая зависимость от электросети или ископаемого топлива.

Экологический аспект: внедрение этих систем способствует сокращению выбросов углерода и загрязняющих веществ в атмосферу, поддерживает планы перехода на чистую энергию и повышает экологическую устойчивость. Стратегический аспект: внедрение комплексного подхода к управлению и повышению технических, экономических и экологических характеристик систем слежения за солнцем представляет собой важный стратегический шаг, открывающий путь к постепенной замене традиционных источников энергии возобновляемыми и экологически чистыми. Это имеет важное стратегическое значение как для Российской Федерации, так и для Республики Ирак

СПИСОКСОКРАЩЕНИЙ

Латинские буквы

Символ Значение Единица измерения

ЬЬ Местное солнечное время -

ЛБТ Видимое солнечное время -

ЕоТ Истинное солнечное время -

БЬ Стандартный меридиан времени -

АТ разница температур ос

I интенсивность солнечного излучения Вт/м2

Ь Длина солнечного коллектора см

V Ширина солнечного коллектора см

/ Фокусное расстояние см

Длина вакуумированной трубки см

сСо Внешний диаметр вакуумной трубки см

а Внутренний диаметр всасывающей трубки см

ь Толщина стекла см

1 Номер сегмента -

1ь Количество солнечной энергии, собранной каждым сегментом Втч

Ьг Длина приёмника м

Ширинаизображения см

0г1 Локальный угол обода о

ТБ Типичное отклонение -

Т.Е Типичная ошибка -

Ъ Экспериментально измеренное значение -

X Скорость экспериментально измеренных значений -

к Количество измерений -

т Массовый расход кг/м3

с Теплоемкостиводы кДж/кг.к

Эффективная площадь поглощения абсорбирующей трубки м2

W Ширина параболического желоба м

Ь Длина параболического желоба м

1а Прямая солнечная радиация Вт/м2

Р°: Отражательнаяспособностьотражающейповерхности -

Впитываемость абсорбционной трубки -

¥ Коэффициент перехвата -

К Константа, связанная с углом падения -

тА Оптическая масса воздуха рассчитывается по следующему соотношению -

Ъ Угол возвышения Солнца о

Ъ Высота местности над уровнем моря м

Ть Атмосферная турбулентность -

То Возмущение, вызванное поглощением водяным паром в воздухе -

т^ Молекулярное диффузионное расстройство -

Т2 Нарушение диффузии и поглощения света атмосферой -

Ahe Представляет сезонные изменения (лето-зима) -

Греческие символы

Угол склонения Солнца о

as Солнечный азимутальный угол о

a Угол возвышения солнца о

z Зенитный угол Солнца о

ш Угол часовой стрелки о

0 Угол широты о

p Угол наклона о

T Пропусканиестекла о

£ Поправочный коэффициент расстояния от Солнца до Земли о

в Уголпадениясолнечныхлучей о

Сокращения

CSP Концентрированные солнечные электростанции

CRS Гелиостатная солнечная башня и центральный приемник

PV Солнечные панели

HCE Теплособирающий элемент

CPC Составныепараболическиеколлекторы

ПСК Плоский коллектор

ETC Вакуумнойтепловойтрубы

OTET Открытой термосифонной вакуумной трубки

Id Прямое нормальное излучение

LFR ЛинейныйотражательФренеля

ПД Параболическая антенна-зеркальный коллекто

ПЦК Параболоцилиндрический коллектор

ПЛК Программируемый логический контроллер

EES Решатель инженерных уравнений

LDR Светозависимый резистор

СИСТЕМА 1 Фиксированный параболический зеркальный эталонный солнечный водонагреватель (СИСТЕМА 1)

Модифицированный параболический зеркальный солнечный водонагреватель

СИСТЕМА 2 с системой слежения на основе математического алгоритма расчета положения солнца на небе на языке программирования C# 3.0

СИСТЕМА 3 Модифицированный параболический зеркальный солнечный водонагреватель с микроконтроллерной системой слежения Arduino - Uno

СИСТЕМА 4 Фиксированные однофазные термосифонные вакуумные трубчатые параболические желобчатые солнечные водонагреватели

СИСТЕМА 5 Модифицированный однофазный термосифонный вакуумный трубчатый параболический желобчатый солнечный водонагреватель с микроконтроллерной системой слежения Arduino - Uno

СИСТЕМА 6 Модифицированный однофазный, вакуумный трубчатый параболический

солнечный водонагреватель с системой прерывистого слежения за солнцем

Модифицированный параболический желобчатый солнечный

СИСТЕМА 7 водонагреватель с микроприемником в фокусе и прерывистой системой

слежения за солнцем

Qu Фактической полезной энергией

CnHCOKHHTEPATYPbl

1. Slesser M., Hounam I. Solar energy breeders // Nature (London);(United Kingdom). 1976. T. 262, № 5566.

2. Dickinson R.E. Land surface processes and climate—Surface albedos and energy balance // Advances in geophysics. Elsevier, 1983. T. 25. C. 305-353.

3. Torres O. h gp. Derivation of aerosol properties from satellite measurements of backscattered ultraviolet radiation: Theoretical basis // Journal of Geophysical Research Atmospheres. Blackwell Publishing Ltd, 1998. T. 103, № D14. C. 17099-17110.

4. Reach W.T. h gp. The Dust Cloud around the White Dwarf G29-38 // The Astrophysical Journal. 2005. T. 635, № 2. C. L161-L164.

5. Wald L., Basics L.W. BASICS IN SOLAR RADIATION AT EARTH SURFACE.

6. Kim T.-J. Mitigation of Ecuadorian Earthquake Impact // Open Journal of Earthquake Research. Scientific Research Publishing, 2018. T. 7, № 03. C. 195.

7. de Souza M.B. h gp. Determination of diffused irradiation from horizontal global irradiation-Study for the City of Curitiba // Brazilian Archives of Biology and Technology. 2019. T. 62, № specialissue. C. 1-9.

8. Kannan N., Vakeesan D. Solar energy for future world: - A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. Elsevier Ltd, 2016. T. 62. C. 1092-1105.

9. Lof G.O.G., Duffie J.A., Smith C.O. World distribution of solar radiation // Solar Energy. Elsevier, 1966. T. 10, № 1. C. 27-37.

10. Maka A.O.M., Alabid J.M. Solar energy technology and its roles in sustainable development // Clean Energy. 2022. T. 6, № 3. C. 476-483.

11. Yang X., Wang Y., Xiong T. Numerical and experimental study on a solar water heating system in lhasa // Energies (Basel). MDPI AG, 2017. T. 10, № 7.

12. Merkulova E.Y., Margarita S.S., Svetlana S.S. Problems of Ensuring Energy Security in the Focus of Sustainable Development: From Traditional Resources

to Alternative Ones // International Journal of Energy Economics and Policy. 2022. T. 12, № 2. C. 1-10.

13. Stoddard L., Abiecunas J., O'Connell R. Economic, energy, and environmental benefits of concentrating solar power in California. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2006.

14. David Ibrahim I. Development of Smart Parabolic Trough Solar Collector for Water Heating and Hybrid Polymeric Composite Water Storage Tank.

15. Florida USF Tampa Graduate Theses S. h gp. Simplified Methodology for Designing Parabolic Trough Solar Simplified Methodology for Designing Parabolic Trough Solar Power Plants Power Plants Scholar Commons Citation Scholar Commons Citation. 2011.

16. SOLAR ENGINEERING PrinciPles of.

17. Gueymard f C. PREDICTION AND PERFORMANCE ASSESSMENT OF MEAN HOURLY GLOBAL RADIATION. 2000. T. 68, № 3. 285-303 c.

18. Padilla R.V. Simplified methodology for PTC plant. 2011.

19. Wald L. Fundamentals of solar radiation. CRC Press, 2021.

20. 3 -TheIrrigationSystemFedfromBiaxialPVPanel s. pdf.

21. Deceased J.A.D., Beckman W.A. of Thermal Processes Solar Engineering.

22. Stoddard L., Abiecunas J., O'Connell R. Economic, energy, and environmental benefits of concentrating solar power in California. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2006.

23. Alwan N.T., Shcheklein S.E., Ali O.M. A practical study of a rectangular basin solar distillation with single slope using paraffin wax (PCM) cells // International Journal on Energy Conversion. 2019. T. 7, № 4. C. 162-170.

24. Alwan N.T., Shcheklein S.E., Ali O.M. Experimental analysis of thermal performance for flat plate solar water collector in the climate conditions of Yekaterinburg, Russia // Mater Today Proc. Elsevier Ltd., 2021. T. 42. C. 20762083.

25. Alwan N.T., Shcheklein S.E., Ali O.M. Materials Today: Proceedings Experimental analysis of thermal performance for flat plate solar water collector in the climate conditions of Yekaterinburg , Russia // Mater Today Proc. Elsevier Ltd, 2021. № xxxx.

26. Alwan N.T., Shcheklein S.E., Ali O.M. Experimental Investigation of Modified Solar Still Productivity under Variable Climatic Conditions // International Journal of Design and Nature and Ecodynamics. International Information and Engineering Technology Association, 2020. T. 15, № 1. C. 57-64.

27. Raisul Islam M., Sumathy K., Ullah Khan S. Solar water heating systems and their market trends // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2013. T. 17. C. 1-25.

28. Saxena A., Srivastava G., Tirth V. Design and thermal performance evaluation of a novel solar air heater // Renew Energy. Elsevier Ltd, 2015. T. 77. C. 501-511.

29. Kulkarni G.N., Kedare S.B., Bandyopadhyay S. Determination of design space and optimization of solar water heating systems // Solar Energy. 2007. T. 81, № 8. C. 958-968.

30. TyagiV. V. ugp. Review on solar air heating system with and without thermal energy storage system // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. T. 16, № 4. C. 2289-2303.

31. Singh V. h gp. A categorical review of advancements, efficiency, and sustainability in solar water heating systems // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. Springer Science and Business Media B.V., 2025. T. 150, № 14. C. 10681-10724.

32. Mubarrat M. h gp. Research Advancement and Potential Prospects of Thermal Energy Storage in Concentrated Solar Power Application // International Journal of Thermofluids. Elsevier B.V., 2023. T. 20.

33. Suman S., Khan M.K., Pathak M. Performance enhancement of solar collectors -A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. Elsevier Ltd, 2015. T. 49. C. 192-210.