64382

ГЕОМЕТРИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОЗПОДІЛУ ВІДБИТОЇ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА ПРИЙМАЧІ

Автореферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Кількісна оцінка інтенсивності відбитого потоку дозволяє визначати зони розрідження і концентрації енергії. Розробити алгоритм побудови точкового каркаса поверхні розподілу ступеню концентрації відбитої енергії на приймачі з комп'ютерною реалізацією.

Украинкский

2014-07-05

229 KB

2 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ  І НАУКИ  УКРАЇНИ

      

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

ДЕНИСОВА Тетяна Володимирівна

УДК 514.18

ГЕОМЕТРИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОЗПОДІЛУ

ВІДБИТОЇ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ НА ПРИЙМАЧІ

Спеціальність 05.01.01 –

Прикладна геометрія, інженерна графіка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ-2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній академії природоохоронного та курортного будівництва Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:             - доктор технічних наук, професор

                                              ДворецЬкий Олександр Тимофійович,

                                              завідувач кафедрою геометричного та

                                              комп’ютерного моделювання,

                                              Національна академія природоохоронного

                                              та курортного будівництва (м. Сімферополь);

Офіційні  опоненти:             - доктор технічних наук, професор

                                               ПУГАЧОВ Євген Валентинович, професор

                                               кафедри архітектури Національного

                                               університету водного господарства та

                                               природокористування (м. Рівне);                                                 

                                             - доктор технічних наук, доцент

                                               СЕРГЕЙЧУК Олег Васильович, професор     

                                               кафедри архітектурних конструкцій, Київський  

                                               національний університет будівництва і

                                               архітектури (м. Київ).

Захист відбудеться 08.12.2010 року о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.06 у Київському національному університеті будівництва і архітектури за адресою:

03680,  м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31, Вчена рада університету, ауд. 466.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою:

03680,  м. Київ, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий  05.11.2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент_____________________________О.А. Бондар

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

 

Актуальність теми. Сонячна енергія в її утилітарному сенсі належить до поновлюваних енергетичних ресурсів нашої цивілізації. Принциповою відмінністю сонячної енергії від всіх використовуваних видів є її абсолютна екологічність з точки зору хімічного, теплового і інших видів забруднення довкілля. Перераховані властивості роблять її унікальним кандидатом на головну роль в енергетичній стратегії  нового тисячоліття.

Технології здобуття електрики і тепла з сонячної енергії бурхливо розвиваються. Ці технології екологічно чисті, що підкреслює актуальність даної теми. У багатьох країнах світу, у тому числі і в Україні, існують програми з використання поновлюваних джерел енергії.

Сонячна енергія може бути перетворена в теплову, механічну та
електричну енергію, використана в хімічних і біологічних процесах.
Сонячні установки знаходять застосування в системах опалювання і охолодження житлових і громадських будівель, в технологічних процесах, протікаючих при низьких, середніх і високих температурах. Вони використовуються для отримання гарячої води, опріснення морської або мінералізованої води, для сушки матеріалів і сільськогосподарських продуктів і тому подібне. Завдяки сонячної енергії здійснюється процес фотосинтезу і зростання рослин,
проходять різноманітні фотохімічні процеси.

Відомі методи термодинамічного перетворення сонячної енергії в електричну, засновані на використанні циклів теплових двигунів,
термоелектричного і термоемісійного процесів, а також прямі методи
фотоелектричного, фотогальванічного і фотоемісійного перетворень.
Найбільше практичне вживання отримали фотоелектричні
перетворювачі і системи термодинамічного перетворення з
використанням теплових двигунів.

Високотемпературні концентратори, що здатні забезпечити рівноважну температуру приймача-поглинача понад тисячу градусів Кельвіна і більш, найчастіше використовуються в установках для перетворення сонячної енергії в теплову і електричну. Кількісна оцінка інтенсивності відбитого потоку дозволяє визначати зони розрідження і концентрації енергії. Така оцінка необхідна при проектуванні   і випробуванні концентруючих систем.

Актуальність теми полягає в створенні математичної і комп'ютерної моделі розподілу відбитої енергії на приймачі для різних концентруючих систем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана згідно плану проведення науково-дослідних робіт кафедри геометричного та комп’ютерного моделювання Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (м. Сімферополь)  за темами:

-«Моделювання процесу одержання технологічного тепла (800 – 1200С) для опалення будівель в сонячних установках з нерухомим концентратором», державний реєстраційний номер 0106U004037;

-«Розробка рекомендацій на комплексне проектування   енергоефективної індивідуальної оселі з урахуванням  енергозбереження та використання сонячної енергії в пасивних та активних установках», державний реєстраційний номер 0109U003044.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка геометричного способу оцінки  інтенсивності відбитої сонячної енергії  на приймачі і реалізація його у вигляді алгоритмів і комп'ютерних програм.

Для реалізації вказаної мети в дисертації поставлені такі задачі:

  1.  Проаналізувати практичний досвід вимірювання та оцінки інтенсивності  відбитої сонячної енергії на приймачі.
  2.  Розробити алгоритм побудови точкового каркаса поверхні розподілу ступеню концентрації відбитої енергії на приймачі з комп'ютерною реалізацією.
  3.  Запропонувати спосіб оцінки інтенсивності відбитої  сонячної енергії на приймачі і визначення параметрів раціональної форми і положення приймача з побудовою карт ізоліній концентрації для різних концентруючих систем із змінним напрямом падаючого потоку сонячних променів.
  4.  Розробити методику проектування концентруючої системи з оцінкою розподілу інтенсивності відбитої сонячної енергії на приймачі на основі теорії квазіфокальних ліній.
  5.  На основі розробленого способу оцінки інтенсивності відбитої енергії запропонувати нові типи концентруючих систем.

Об'єкт і предмет дослідження. Об'єктом дослідження є інтенсивність відбитої сонячної енергії. Предметом дослідження є способи і алгоритми геометричного моделювання розподілу ступеню концентрації відбитої сонячної енергії на приймачі.

Методи  дослідження. Поставлені в роботі задачі вирішувалися на основі методів аналітичної і диференціальної геометрії, векторного і математичного аналізу, прикладної геометрії ліній та поверхонь, геометричного моделювання з використанням засобів комп'ютерної графіки в програмах Maple, MathCAD, AutoCAD і SURFER.

Наукова новизна отриманих результатів:

  1.  Вперше в прикладній геометрії запропонований алгоритм оцінки інтенсивності відбитої сонячної енергії.
  2.  Вперше розроблена програма комп'ютерного моделювання розподілу інтенсивності відбитого потоку у вигляді точкового каркаса поверхні на приймачі для різних концентруючих систем.
  3.  Розроблені карти ізоліній концентрації для оцінки параметрів форми, положення і розмірів приймача.
  4.  Отримав подальший розвиток аналітичний опис квазіфокальних ліній для змінного кута падіння сонячних променів, що дозволило визначити параметри форми і положення приймача в установках з нерухомим концентратором.
  5.  Розроблена нова методика проектування концентруючої системи на основі способу оцінки розподілу інтенсивності відбитої енергії на приймачі і теорії квазіфокальних ліній, що дозволяє підвищити ефективність сонячних установок.

Обґрунтованість і достовірність отриманих результатів підтверджується виведенням аналітичних залежностей, комп'ютерною візуалізацією геометричних моделей за допомогою математичних пакетів і графічних програм, довідками про впровадження та патентом.

Практичне значення отриманих результатів.

  1.  Викладені в дисертації результати дослідження є науковою основою для оцінки розподілу інтенсивності відбитої сонячної енергії на приймачі в установках з концентраторами.
  2.  Запропоновані алгоритми рішення просторової задачі розподілу інтенсивності відбитої енергії на приймачі дозволяють здійснювати пошук ефективних концентруючих сонячних систем при змінному куті падіння сонячних променів.
  3.  Впровадження результатів роботи виконане на підприємствах Альянс-СВ і Сінтек при проектуванні сонячних установок з концентраторами, в держбюджетні науково-дослідні теми і в навчальному процесі кафедри геометричного та комп’ютерного моделювання Національної академії природоохоронного та курортного будівництва за фахом «Нетрадиційні джерела енергії».

Особистий внесок здобувача. Автором розроблена математична основа рішення просторової задачі розподілу енергії на приймачі. Складені і реалізовані алгоритми комп'ютерного моделювання розподілу локального ступеня концентрації для різних форм приймачів і відбивачів. Запропонована методика проектування концентруючих систем із застосуванням карт ізоліній концентрації. Вклад співавторів у спільних публікаціях полягає в обговоренні наукових ідей і результатів комп'ютерної реалізації геометричних моделей.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: III-VI Кримських науково-практичних конференціях «Геометричне і комп'ютерне моделювання: енергозбереження, екологія, дизайн» (м. Сімферополь, 2006-2009 рр.); міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні проблеми геометричного моделювання» (м. Мелітополь, 2007-2008 рр.); міжнародній науково-практичній конференції «Геометричне моделювання і комп'ютерні технології: теорія, практика, освіта» (Харків, 2009 р.); щорічній науковій конференції Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (м. Сімферополь, 2006–2009 рр.); семінарі аспірантів в Київському національному університеті будівництва і архітектури (м. Київ, 2009 р.); семінарі аспірантів Національної академії природоохоронного та курортного будівництва (м. Сімферополь, 2006–2009 рр.); П'ятнадцятому міжнародному Симпозіумі «Технології використання сонячної енергії в установках з концентраторами» (м. Берлін, ФРН, 2009), 2-ій інтернаціональній конференції з геометрії та інженерної графіки (м. Белград, Сербія, 2010).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 робіт, з них 8 в наукових фахових виданнях, рекомендованих ВАК України, з яких 5 праць опубліковано без співавторів. За результатами досліджень отримано патент України на корисну модель.

Структура і зміст роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 120 найменування, додатків. Робота містить 125 сторінок основного тексту, 65 рисунків і 1 таблицю. 

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі приведено загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність вибраної теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження. Показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі  представлено огляд сонячних установок з концентраторами, а також проведено аналіз розподілу інтенсивності відбитої енергії на приймачі, отриманого на фізичних моделях.

Дослідженням оцінки розподілу енергії на приймачі в сонячних установках з концентраторами (у тому числі вивченням оптичних властивостей концентруючих систем) займалися Eckhard Lupfert, Nikolaus Benz, W. Reinalter, Robert Pitz-Paal, S. Ulmer. Поширене практичне використання отримали такі концентруючі системи: з центральним приймачем і полем геліостатів; параболоциліндри; параболоїди обертання; сонячні печі. Моделювання розподілу енергії було отримане внаслідок натурних випробувань з використанням спеціального устаткування і інфрачервоних камер, що потребує істотних матеріальних витрат і характеризується малою варіативністю задачі.

Проектуванням і розробкою концентруючих систем займалися Б.П. Вейнберг, Д. Мак-Вейг, Р.Р. Апаріси, Д.С. Стребков, Е.В.  Тверьяновіч, В.А. Майоров.

Великий вклад в розв’язання задач лінійчатої геометрії внесли такі вчені, як І.С. Джапарідзе, С.П. Фініков, С.В. Бахвалов, С.Д. Росінський, О.Л. Підгорний, В.С. Обухова, О.Т. Дворецький, Л.М. Куценко, С.М. Ковальов, Є.В. Пугачов, В.О. Плоский, В.А.Козлов, Н.І. Снісаренко. Розрахунком інсоляції приміщень і пошуком оптимальної форми енергоефективних будівель з врахуванням сонячної енергії займався О.В.Сергейчук.

В роботах О.Л.Підгорного створена теорія геометричного моделювання поверхонь відбитих променів і розроблені положення теорії конгруенції відбитих променів. В основу дослідження властивостей відбиваючих поверхонь покладений спосіб розшарування конгруенції відбитих променів на однопараметричне сімейство лінійчатих поверхонь.

У другому розділі запропоновані способи і алгоритми оцінки розподілу ступеню концентрації відбитої енергії на приймачі для ідеального відбивача. Вихідною інформацією для розрахунків є теоретична поверхня відбивача, задана рівнянням. На площині, перпендикулярній потоку прямої сонячної радіації, задається сітка з трикутними комірками рівної площі (рис. 1). Ця сітка проектується на відбивач падаючими променями і перепроектується на приймач відбитими променями. Порівнюючи площі трикутників вихідної сітки  (сітки фронту падаючих променів) з площами відповідних трикутників сітки на приймачі, спроектованих на площину, перпендикулярну напряму відбитого потоку,  визначаємо зміну локального ступеню концентрації на приймачі.

Розглянемо алгоритм визначення поверхні розподілу енергії на приймачі.

Рис. 1.  Схема щодо оцінки розподілу ступеню концентрації енергії на плоскому приймачі

1. З двопараметричної множини падаючих променів (конгруенції) для розрахунку вибираємо промені, що проходять через вузли сітки. Рівняння падаючого променя представимо як параметричне рівняння прямої:

                                                                                                              (1)

де   координати невласного джерела світла, {l, m, n}- направляючий вектор прямої.

2. Рівняння поверхні відбивача запишемо у явному вигляді:

                                                                                                                 (2)

Проектуванням падаючими променями отримуємо зображення сітки фронту падаючих променів на поверхні відбивача. Координати  вузлів цієї сітки знаходяться із спільного рішення (1) - (2).

3. Рівняння відбитого променя матиме вигляд:

                                                                                              (3)

де    точка, що належить відбитому променю і симетрична точці  відносно нормалі до поверхні відбивача в точці  .

 4. Відбитими променями задана сітка перепроектується на плоский приймач. Координати вузлів сітки на площині отримують в результаті спільного рішення рівняння відбитого променя і рівняння площини.

Для площини   маємо:

                                                                                           (4)

де   точка перетину відбитого променя з поверхнею приймача,

                                                       (5)

5. Визначаємо площі Sвідб. трикутників сітки на приймачі, спроектованих на площину, перпендикулярну напряму відбитого потоку. Для цього знаходимо відбитий промінь СС1 (назвемо його розрахунковим), що проходить через центр ваги трикутника сітки, яка знаходиться на поверхні відбивача (рис. 2).

                           

Рис. 2. Схема щодо підрахунку Sвідб.                       Рис. 3. Точка F каркаса поверхні

                                                                  розподілу ступеню концентрації

Потім визначаємо кут α між розрахунковим променем  і нормаллю до площини трикутника сітки на приймачі. Площу трикутника сітки множимо на косинус цього кута:

.                 (6)

      Ступінь концентрації k відбитих променів визначається шляхом порівняння величин площ Sпад. трикутників на фронті падаючих променів  і трикутників на приймачі, тобто k = Sпад/Sвідб. Оскільки сучасні технології виготовлення відбиваючих покриттів дозволяють досягнути значення коефіцієнта відбиття 0,95, то у формулі підрахунку ступеню концентрації коефіцієнт відбиття не враховується. Для плоского приймача точковий каркас поверхні розподілу ступеня концентрації будується таким чином: центрам ваги трикутників відображеної сітки привласнюється значення ступеню концентрації (рис. 3).

Запропонований алгоритм реалізований на комп'ютері в середовищі математичного пакету Maple. Програма містить два ключові цикли. Враховуючи те, що вирішується просторова задача, в першому циклі задається кількість вузлів сітки фронту падаючих променів по i та по j з кроком розбиття. З врахуванням кроку розраховується площа трикутників сітки падаючого фронту. У наступному циклі послідовно обчислюються координати центрів ваги трикутників на приймачі та їх площі.

На рис. 4, а і 4, б як результат роботи програми, представлено точковий каркас поверхні розподілу ступеню концентрації енергії на плоскому  приймачі при відбитті від сферичного концентратора радіусу R=6 з центром у початку координат. Рівняння приймача z=-1. Сонячні промені паралельні оптичній осі. На рис. 4, в і 4, г показано точковий каркас поверхні розподілу локального ступеню концентрації після зміни положення приймача і кута падіння променів.

                        

а)                                                                  б)

                                    

в)                                                                    г)

Рис. 4. Розподіл локального ступеню концентрації енергії

на приймачі сферичного концентратора:

а) просторове зображення; б) вигляд зверху; в) рівняння приймача z=-2;

г) рівняння приймача z=-2, кут падіння променів відносно оптичної осі дорівнює 200

Для випадків, коли форма приймача задана поверхнею обертання або трубчастою поверхнею (рис. 5), запропоновано такий алгоритм підрахунку розподілу локального ступеню концентрації:

Рис. 5. Вектор, що моделює значення локального ступеня концентрації енергії

на поверхнях обертання

  1.  Криволінійна ділянка поверхні приймача апроксимується плоским трикутником, площа якого дорівнює  .
  2.  .
  3.  З центру ваги О відкладається вектор нормалі , довжина якого дорівнює значенню концентрації на даній ділянці, тобто  .

На рис. 6 представлено розподіл локального ступеню концентрації на циліндричному приймачі радіусу м. Відбиваюча поверхня –  параболоциліндр, заданий рівнянням . Вісь приймача збігається з фокальною лінією параболоциліндра. Сонячні промені паралельні оптичній осі.

           

а)                                                                    б)

Рис. 6:

а) векторна модель розподілу локального ступеню концентрації

б) карта розподілу локального ступеню концентрації відбитої енергії

З рисунка видно, що енергія з однаковою концентрацією розташовується уздовж твірних циліндра приймача, а максимальне значення енергії припадає на боки приймача. На рис. 7, а представлений розподіл локального ступеня концентрації для параболоциліндра при куті падіння променів відносно оптичної осі рівному 50. Рис. 7, б ілюструє розподіл енергії на циліндрі для сферичного концентратора радіусу R=6 при стеженні відбивача за Сонцем. Вісь приймача проходить через центр сфери.

                                а)                                                                    б)

Рис. 7. Розподіл локального ступеню концентрації на циліндрі:

а) для параболоциліндра при куті падіння променів відносно оптичної осі 50;

б) для сферичного концентратора при падінні сонячних променів паралельному оптичній осі

Розроблена блок-схема програми, в якій реалізований даний алгоритм (рис. 8). Програма містить такі блоки. У першому блоці задаються рівняння поверхні відбивача, рівняння приймача, множина прямих, що перетинають відбивач і створюють лише первинні відбиття, кут падіння сонячних променів відносно оптичної осі відбивача. У другому блоці визначається множина відбитих променів, що пересікають приймач. Якщо відбиті промені не перетинають поверхню приймача, то змінюємо параметри форми і положення приймача до тих пір, поки всі відбиті промені не перетнуть приймач. У третьому блоці розраховується ступінь концентрації відбитої енергії і будується каркас поверхні розподілу локального ступеню концентрації на приймачі.

У третьому розділі отримані ізолінії концентрації енергії для плоских приймачів, а також отримані рівняння квазіфокальних ліній для ряду поверхонь при змінному куті падіння сонячних променів, що є основою моделювання параметрів форми і положення приймача.

Для отримання ізоліній концентрації точковий каркас поверхні розподілу ступеню концентрації інтегруємо в програмне забезпечення SURFER, де він апроксимується континуальною поверхнею. Плоскі перетини, паралельні площині приймача, є ізолініями концентрації. Результат для відбивача у вигляді параболоїда обертання  і падіння променів паралельно оптичній осі представлений на рис. 9. Якщо потрібно визначити інтенсивність відбитої сонячної радіації уздовж границь приймача, то необхідно інтенсивність прямої сонячної радіації в даний момент часу помножити на значення ступеню концентрації уздовж границі приймача.

Рис.8. Блок-схема програми


Рис. 9. Ізолінії концентрації на плоскому приймачі параболоїда обертання

Наприклад, при інтенсивності прямої сонячної радіації 0,05 Вт/см2 (середнє значення для III кліматичної зони в Україні в літні місяці опівдні) уздовж лінії з концентрацією 900 (рис. 9) інтенсивність відбитого сонячного потоку на приймачі дорівнюватиме 45 Вт/см2.

На рис. 10 зображені поверхні розподілу ступеню концентрації і ізолінії інтенсивності на плоскому приймачі для відбивача у вигляді сфери.

            

а)                                                             б)

Рис. 10.Ізолінії концентрації на плоскому приймачі сферичного відбивача:

а)  для напряму сонячних променів, паралельному оптичній осі;

б) для кута падіння сонячних променів 200

 Для попереднього визначення параметрів форми і положення приймача з подальшою оцінкою інтенсивності були виведені рівняння квазіфокальних ліній для деяких відбивачів у вигляді каналових поверхонь при змінному куті падіння сонячних променів у вигляді просторових кривих.

 На рис. 11 зображені квазіфокальні лінії для тора і цикліди Дюпена при падінні сонячних променів, паралельному оптичній осі. При однаковому вхідному потоці сонячної енергії отримуємо, що довжина квазіфокальної лінії l для відбивача у вигляді цикліди Дюпена менше ніж для тора, що робить його ефективнішим в роботі порівняно з тором.

                   

                                     а)                                                              б)

Рис. 11. Квазіфокальні лінії:

а) проекція тора l=7.3; б) проекція цикліди Дюпена l=6.3

Форма приймача в установках у вигляді каналових поверхонь і поверхонь обертання може бути представлена трубчастою поверхнею з квазіфокальною лінією центрів. Для полегшення розрахунків квазіфокальну лінію можна замінити частиною кола. На рис. 12, а представлено вигляд приймача для концентратора у вигляді тора з лінією центрів радіусу R=3 м і радіусом твірного кола r=1 м, радіус твірної поверхні приймача дорівнює ro=0.2 м. Розподіл ступеню концентрації на такому приймачі має вигляд, представлений на рис. 12, б.

                                        

                           а)                                                                       б)

Рис. 12:

а) модель приймача для концентратора у вигляді тора;

б) векторна модель розподілу ступеню концентрації на приймачі тора при напряму сонячного проміння паралельному оптичній осі

Рівняння приймача має вигляд:

       (7)

де

Отримано аналітичний опис квазіфокальної лінії для відбивача у вигляді тора (рис.13) при змінному куті падіння сонячних променів:

            (8)

де α – кут падіння променів відносно площини міделя концентратора, R  радіус лінії центрів тора, r радіус твірного кола.

     При зміні кута падіння променів, наприклад, на α=300  відносно осі Oz  можемо спостерігати зміну форми і положення квазіфокальної лінії (рис. 14, б).

              

                                а)                                                                    б)

Рис. 13. Комп'ютерна модель відбивача і квазіфокальної лінії:

а) α=00; б) α=300

У четвертому розділі запропонована методика проектування концентруючих систем з врахуванням розподілу інтенсивності енергії на приймачі та приклади практичної реалізації результатів, отриманих в попередніх розділах.

Моделювання приймача розглянемо для тора, коли промені падають паралельно його осі. На рис.14, а зображений розподіл відбитого потоку на площині, розташованій в площині міделя тора. Можна побачити, що відбита енергія на приймачі розсіяна по всій площині. Якщо площина приймача розташована уздовж квазіфокальної лінії, то енергія концентрується уздовж вузького кільця (рис. 14, б).

                                 

                                 а)                                                             б)

Рис.14. Перетин відбитих від тора променів з площиною приймача (вигляд зверху):

а) приймач не знаходиться в зоні  квазіфокальної лінії; б) приймач розташований в зоні квазіфокальної лінії

Рис.15. Ізолінії  концентрації

на площині для

відбивача у вигляді тора

        Слід зауважити, що для максимального попадання сонячних променів на приймач, розташований в зоні квазіфокальної лінії, можна переміщувати його уздовж осі концентратора. Так, наприклад, для відбивача у вигляді тора (R=3 м, r=1 м) при напрямі променів, паралельному осі Oz, приймач може бути зроблений у формі плоского кільця, розташованого на рівні z=-1,8 м. При цьому квазіфокальна лінія розташована на рівні z=-1,5 м. Отримані ізолінії концентрації (рис.15) дозволяють вибрати оптимальну ширину кільця. Наприклад, при вибраній ширині 0,3 м маємо ступінь концентрації на границі 8, максимальний ступінь концентрації дорівнює 9.

В результаті проведених досліджень була запропонована сонячна установка з концентратором. Метою даної пропозиції є удосконалення існуючої установки за рахунок зміни форми приймача і установки додаткового приймача. Аналогом запропонованої установки є сонячний модуль з концентратором у вигляді напівтороїдального відбивача з круглим приймачем, встановленим в площині міделя концентратора і має розміри, рівні діаметру поперечного перетину півтора (патент Російської Федерації RU2295675).

Поставлена технічна задача вирішується за рахунок того, що сонячна установка з концентратором у вигляді тора (рис.16) містить концентратор 1, поверхня якого є частиною тора, відсіченою площиною, паралельною мідельному перетину. Приймач 2 розташовано уздовж квазіфокальної лінії  і є кільцем із зовнішнім радіусом Rзовн і внутрішнім радіусом Rвнутр, що перекриває зону найбільшої концентрації відбитого потоку. Приймач 3 розташований в мідельному перетині концентратора і є кругом радіусу R2, що дорівнює половині радіусу кола центрів тора. Промені l1, що потрапляють в зону первинних відображень, після відбиття потрапляють на приймач 2, промені l2 (зона вторинних відображень) після декількох відображень потрапляють на приймач 3. Геометрична концентрація енергії дорівнює відношенню площі вхідного потоку енергії до площі енергії, що потрапляє на приймач.    

Площа вхідного потоку дорівнює:

, де - радіус мідельного перетину тора.

Площа приймача у формі кільця із зовнішнім радіусом  і внутрішнім радіусом , розташованого в зоні квазіфокальної лінії, дорівнює:

.                                      (9)

Площа приймача у формі круга радіусу R2=R/2, розташованого в мідельному перетині концентратора дорівнює:

    .                                                       (10)

Отже, геометричний коефіцієнт концентрації дорівнює:

                              .                                        (11)      

Концентрація установки збільшується з 4-х (у прототипі) до 9 завдяки формі і положенню кільцевого приймача, відповідних формі і положенню квазіфокальної лінії.

Рис. 16. Сонячна установка з тороїдальним концентратором

Запропоновано ряд нових концентруючих систем, в яких параметри форми і положення приймача визначалися за допомогою карт ізоліній інтенсивності. На рис. 17 представлено розподіл локального ступеня концентрації на плоскому приймачі для відбивача у вигляді цикліди Дюпена.

 

  а)                                                                    б)

Рис. 17. а) точковий каркас поверхні розподілу локального ступеня концентрації; б) ізолінії інтенсивності на плоскому приймачі

В результаті проведених досліджень запропонована методика проектування концентруючої системи:

  1.  Вибір типа концентруючої системи (рухомий або нерухомий концентратор).
  2.  Визначення зони максимальної концентрації відбитого потоку за допомогою квазіфокальної лінії.
  3.  Побудова точкового каркаса поверхні розподілу ступеню концентрації відбитої енергії на площині в зоні квазіфокальної лінії або побудова векторної моделі для трубчастого приймача.
  4.  Попередній вибір параметрів форми і положення приймача.
  5.  Побудова карт ізоліній концентрації на приймачі з вибраними параметрами форми і положення приймача.
  6.  Визначення границь приймача на основі карт ізоліній концентрації.
  7.  Розрахунок геометричного коефіцієнта концентрації сонячної установки.
  8.  Розрахунок мінімального і максимального значення інтенсивності відбитої сонячної радіації протягом часу роботи установки.
  9.  Створення експериментального варіанту установки, найбільш ефективного, вибраного з варіантів, отриманих в результаті геометричного моделювання.
  10.  Планування і випробування експериментальної моделі установки, і порівняння результатів експерименту з результатами геометричної і комп'ютерної моделей.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

В дисертації розроблено геометричний спосіб моделювання концентрації відбитої сонячної енергії на плоских і криволінійних приймачах, який, зокрема, дозволяє раціонально визначати їх границі, параметри форми і положення і, таким чином,  суттєво збільшувати ефективність установки в цілому.

Значення для науки роботи полягає в створенні способу оцінки розподілу локального ступеню концентрації відбитого потоку на приймачі з побудовою карт ізоліній концентрації.

Значення для практики досліджень полягає в розробці нових типів концентруючих систем та удосконаленні існуючих с раціональним вибором параметрів відбивача і приймача на основі теорії квазіфокальних ліній, що дозволяє зменшити витрати на виготовлення експериментальних сонячних установок з концентраторами.

При цьому отримані такі результати, які мають наукову і практичну цінність:

  1.  На основі аналізу існуючих способів експериментальної оцінки розподілу відбитої енергії на приймачі і геометричних досліджень властивостей поверхонь, що відбивають, зроблено висновок про необхідність створення просторової моделі розподілу інтенсивності відбитої енергії.
  2.  Запропоновано спосіб оцінки інтенсивності відбитого потоку для ідеального відбивача за допомогою поверхні розподілу локального ступеню концентрації в плоскому перетині відбитого потоку. Поверхня розподілу ступеню концентрації  відбитого потоку описується точковим каркасом.
  3.  Розроблено алгоритм просторової комп'ютерної моделі розподілу інтенсивності енергії на приймачі у вигляді поверхні обертання, що дозволяє розраховувати максимуми енергії потоку і визначати найбільш ефективне положення приймача.
  4.  Запропоновано алгоритм визначення енергетичної карти у вигляді ізоліній концентрації з використанням отриманого точкового каркаса поверхні розподілу локального ступеня концентрації енергії на поверхні плоского приймача, яка дозволяє на стадії проектування визначати параметри форми і положення приймача із заданим мінімальним ступенем концентрації на границях.
  5.  Отримано векторну модель розподілу відбитої енергії, яка дозволяє оцінити розподіл локального ступеня концентрації відбитого потоку на приймачах у вигляді поверхонь обертання та каналових.
  6.  Отримано аналітичний опис і комп'ютерна візуалізація квазіфокальної лінії для просторової задачі із змінним напрямом падаючих сонячних променів з метою визначення параметрів форми і положення приймача в установках з нерухомим концентратором.
  7.  Розроблено алгоритм і комп'ютерна модель формоутворення приймача по заданій квазіфокальній кривій за умови максимального поглинання відбитих сонячних променів.
  8.  Розроблено методику проектування концентруючої системи на основі теорії квазіфокальних ліній з врахуванням розподілу енергії на приймачі, що дозволяє підвищити ефективність сонячних установок.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

  1.  Денисова Т.В. Распределение энергии на плоском приемнике при отражении от сферического и параболического концентраторов / Т.В. Денисова // Вісник Київського Національного університету технологій та дизайну. - Вип. 4. –  Київ, 2006. – С. 178-182.
  2.  Денисова Т.В. Геометрическое моделирование распределения солнечной энергии на цилиндрическом приемнике параболоцилиндрического концентратора /  Т.В. Денисова // Працi Таврiйської державної агротехнчної академiї. – 2007. -  Вип. 4. Прикладна геометрiя та iнженерна графiка. -Том 34.- Наукове фахове видання. – Мелітополь. С. 130-133.
  3.  Денисова Т.В. Геометрическое моделирование распределения солнечной энергии на цилиндрическом приемнике сферического концентратора /  Т.В. Денисова // Прикладна геометрія та інженерна графіка. – Вип. 78. – КНУБА. - Київ, 2007. – С. 201-205.
  4.  Денисова Т.В. Эффективность работы солнечной установки при различных формах приемника /  Т.В. Денисова// Працi Таврiйської державної агротехнчної академiї. – 2008. -  Вип. 4. Прикладна геометрiя та iнженерна графiка. -Том 38.- Наукове фахове видання. – Мелітополь. С. 130-134
  5.  Денисова Т.В. Компьютерное моделирование потока отраженных лучей / Дворецкий А.Т., Денисова Т.В. // Прикладна геометрія та інженерна графіка. – Вип. 80. – КНУБА. - Київ, 2008. – С. 19-24.

Особистий внесок здобувача: виведені аналітичні рівняння однієї з двох квазіфокальних ліній і поверхні приймача для відбивача у вигляді тора.

  1.  Денисова Т.В. Параметры формы и положения приемника для отражателя в виде тора / Т.В. Денисова // Геометричне та комп’ютерне моделювання. Наукове фахове видання. - Харків, 2009. – Вип.25. – С. 147-152.
  2.   Denysova T. Computer simulation of the flux distribution on receiver surfaces [Електронний ресурс] / A. Dvoretsky, T. Denysova // The 15th International Symposium on Solar Thermal Concentrating Technologies. Berlin, Germany, 2009

Особистий внесок здобувача: виведене рівняння квазіфокальної лінії для тора при змінному куті падіння сонячного проміння.

  1.  Денисова Т.В. Моделирование интенсивности отраженного потока на приемнике для идеального отражателя/ А.Т. Дворецкий, Т.В. Денисова // Прикладна геометрія та інженерна графіка. – Вип. 82. – КНУБА. - Київ, 2009.– С. 10-15.

Особистий внесок здобувача: запропонований алгоритм оцінки розподілу інтенсивності сонячної енергії на плоскому приймачі відбивача.

  1.  Денисова Т.В. Определение границ приемника в зависимости от требуемой степени концентрации/ А.Т.Дворецкий, Т.В. Денисова // Прикладна геометрія та інженерна графіка. – Вип. 84. – КНУБА. - Київ, 2010.– С. 172-176.

Особистий внесок здобувача: запропонований спосіб визначення границь приймача концентруючої системи із заданим ступенем концентрації уздовж границь.

  1.   Denysova T. The reflected energy map [Електронний ресурс] / A. Dvoretsky, T. Denysova // The 2th  International Conference for Geometry and Engineering Graphics. Belgrade, Serbia, 2010

Особистий внесок здобувача: запропонований спосіб отримання точкового каркаса поверхні розподілу локального ступеня концентрації енергії на приймачі.

  1.   Патент на корисну модель № 47513, Україна, МПК F24J 2/00. Сонячна установка з концентратором // Дворецький О.Т., Денисова Т.В. - № u 2009 08204;

Заявл. 03.08.2009; Опубл. 10.02.2010, Бюл. № 3. – 4 с.

Особистий внесок здобувача: запропонована конструкція сонячної установки для тороїдального відбивача, яка містить два приймачі.

АНОТАЦІЯ

Денисова Т.В. Геометричне моделювання розподілу відбитої сонячної енергії на приймачі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.01 – Прикладна геометрія, інженерна графіка. – Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, Україна, 2010 р.

Дисертація присвячена моделюванню розподілу локального ступеню концентрації енергії на приймачі концентруючої системи, що є важливим етапом проектування сонячних установок, які використовуються для здобуття тепла і електрики. Кількісна оцінка інтенсивності відбитого потоку дозволяє визначати зони розрідження і концентрації енергії.

У роботі розглянуто відбивачі у вигляді циліндричних і каналових поверхонь, а також у вигляді поверхонь обертання. Запропонований спосіб оцінки локального ступеню концентрації відбитого потоку для ідеального відбивача на основі визначення і візуалізації відповідної поверхні і векторної моделі. Розроблені алгоритми опису розподілу енергії на плоскому приймачі. Отримано точковий каркас поверхні розподілу локального ступеню концентрації енергії та ізолінії концентрації енергії на плоскому приймачі. Описана векторна модель розподілу відбитої енергії на приймачах у вигляді поверхонь обертання і трубчастих поверхонь. Вперше розроблено програмне забезпечення для побудови просторової моделі розподілу енергії на приймачі для різних концентруючих систем.

Отриманий аналітичний опис і комп'ютерна візуалізація квазіфокальної лінії для просторової задачі із змінним напрямом падаючих сонячних променів з метою визначення параметрів форми і положення приймача в установках з нерухомим концентратором. Розроблений алгоритм і комп'ютерна модель формоутворення приймача по заданій квазіфокальній кривій за умови максимального поглинання відбитих сонячних променів. Розроблена методика проектування концентруючих систем з оцінкою розподілу відбитої енергії на приймачі і на основі теорії квазіфокальних ліній.

Результати роботи впроваджені  у виробництво на підприємствах при проектуванні сонячних установок з концентраторами, а також в держбюджетні науково-дослідні теми і в навчальний процес кафедри геометричного та комп’ютерного моделювання  Національної академії природоохоронного та курортного будівництва.

Ключові слова: концентруюча система, квазіфокальна лінія, локальний ступінь концентрації, ізолінії концентрації, інтенсивність відбитої сонячної енергії.

АННОТАЦИЯ

Денисова Т.В. Геометрическое моделирование распределения отраженной солнечной энергии на приемнике. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.01.01 – Прикладная геометрия, инженерная графика. – Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, Украина, 2010 г.

Диссертация посвящена моделированию распределения локальной степени концентрации энергии на приемнике концентрирующей системы, что является важным этапом проектирования солнечных установок, используемых для получения тепла и электричества. Количественная оценка интенсивности отраженного потока позволяет определять зоны разряжения и концентрации энергии.

В работе рассмотрены отражатели в виде цилиндрических и каналовых поверхностей, а также в виде поверхностей вращения. Предложен способ оценки локальной степени концентрации отраженного потока для идеального отражателя на основе определения и визуализации соответствующей поверхности и векторной модели. Разработаны алгоритмы описания распределения энергии на плоском приемнике. Получен точечный каркас поверхности распределения локальной степени концентрации и изолинии концентрации энергии на плоском приемнике. Описана векторная модель распределения отраженной энергии на приемниках в виде поверхностей вращения и трубчатых поверхностей. Впервые разработано программное обеспечение для построения пространственной модели распределения энергии на приёмнике для различных концентрирующих систем.

Получено аналитическое описание и компьютерная визуализация квазифокальной линии для пространственной задачи с переменным направлением падающих солнечных лучей с целью определения параметров формы и положения приёмника для установок с неподвижным концентратором. Разработан алгоритм и компьютерная модель формообразования приемника по заданной квазифокальной кривой при условии максимального поглощения отраженных солнечных лучей. Разработана методика проектирования концентрирующих систем с оценкой распределения энергии на приемнике и на основе теории квазифокальных линий.

Результаты работы внедрены в производство на предприятиях при проектировании солнечных установок с концентраторами, а также в госбюджетные научно-исследовательские темы и в учебный процесс кафедры геометрического и компьютерного моделирования  Национальной академии природоохранного и курортного строительства.

Ключевые слова: концентрирующая система, квазифокальная линия, локальная степень концентрации, изолинии концентрации, интенсивность отраженной солнечной энергии.

ANNOTATION

Denysova Т. Geometrical simulation of the reflected solar energy distribution on a receiver. - Manuscript.

The thesis for conferring scientific degree of the candidate of the technical sciences in specialty 05.01.01 - Applied geometry, engineering graphics.- Kiev National university of building and architecture, Kiev, Ukraine, 2010

Dissertation is devoted to the simulation of energy distribution on the receiver of the concentrating system. This simulation is the important stage of the solar installation designing for producing hot and electricity. Quantitative estimation of the reflected flow density allows determining the areas of energy lessening and concentration.

Reflectors as cylindrical and channel surfaces are considered in work, and also as the surfaces of rotation. The proposed method of the reflected flow density estimation for an ideal reflector allows constructing the surface of density distribution for any flat section of the reflected flow. The algorithm of energy surface description on a flat receiver is developed. The computer visualization of the point framework of the energy distribution surface on a flat receiver is obtained.  The energy map with lines of equal local concentration ratio is proposed. The vector model of the reflected energy distribution for receivers as the surfaces of rotation and tubular surfaces is described. Software for construction of 3D model of energy distribution on a receiver for different concentrating systems is developed.

Analytical description and computer visualization of quasifocal line for 3D task with variable direction of incident sunrays for installations with stationary concentrators is obtained, with the purpose of determining form and position parameters of receivers. The algorithm and computer model of receiver forming on the given quasifocal line with condition of maximal absorption of the reflected sunrays is developed. The method of the concentrating system designing with estimation of energy distribution on a receiver and with the basis of the quasifocal curve theory is proposed.

The results of work are applied in designing of solar installations with concentrators and in the educational process of the Geometrical and Computer Simulation department of the National Academy of Nature Protection and  Resort Construction.

Keywords: concentrating system, quasifocal  line, local concentration ratio, intensity of the reflected solar energy.

Підписано до друку 02.11.2010 р. Формат 60х90/16.

Ум. друк. арк. 1,0. Тираж 100 прим. Зам. №492

Друкарня ФОП Бражнікової Н.А.

м. Сімферополь, вул. Декабристів, 21


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

78479. Вторичные пневмонии: гипостатическая (застойная), инфарктная, эозинофильная, перифокальная, посттравматическая. Этиопатогенетические, клинико-рентгенологические и лабораторные различи 99.5 KB
  В периферической крови отмечаются минимальные изменения лейкоцитоз выражен мало или отсутствует; Лечение: борьба с гипостазами и ликвидация их является основным профилактическим мероприятием для предотвращения развития гипостатической пневмонии; Инфарктная пневмония – локальный воспалительный процесс в легком развивающийся как следствие эмболии тромбоэмболии сосудов легких в результате осложнения основного заболевания или одного из его проявлений.; банки горчичники компрессы на грудную клетку противопоказаны; в случаях когда...
78480. Синдром плеврального выпота (ПВ). Наиболее частые причины ПВ. Тактика ведения больных с плевральным выпотом. Диагностическое и дифференциально-диагностическое значение исследования плеврального пунктата 124.5 KB
  Синдром плеврального выпота (ПВ) - это синдром, характеризующийся скоплением жидкости (воспалительного/невоспалительного характера) в плевральной полости, являясь чаще всего синдромом и осложнением других заболеваний.
78481. Спонтанный пневмоторакс: основные причины его возникновения, принципы диагностики и лечения. Осложнения пневмоторакса 101.5 KB
  Классификация: Спонтанный возникающий без предшествующего травматического воздействия или других явных причин; Травматический вызванный прямой или опосредованной травмой грудной клетки; Ятрогенный пневмоторакс который возникает как непреднамеренное или неизбежное следствие диагностического или терапевтического вмешательства; Спонтанный пневмоторакс: Первичный идиопатический возникают у ранее здоровых лиц в результате разрыва субплевральных эмфизематозных булл обычно расположенных в верхушечных отделах легкого. Вторичный...
78482. Синдром бронхиальной обструкции (БО). Основные причины развития БО. Функциональные характеристики обратимой и необратимой БО 88.5 KB
  Синдром бронхиальной обструкции БОС – это патологическое состояние связанное с нарушением бронхиальной проходимости и последующим увеличением сопротивления потоку воздуха при вентиляции. Причины механизмы развития БОС: Инфекционный ОРВИ бронхит бронхиолит ХОБЛ пневмония туберкулез; Аллергический бронхиальная астма экзогенный аллергический альвеолит бронхолегочный аспергиллез; Обтурационный инородные тела дыхательных путей; Гемодинамический заболевания сердечно-сосудистой системы с развитием сердечной недостаточности;...
78483. Обратимая бронхиальная обструкция: бронхиальная астма (БА). Критерии постановки диагноза и тактика ведения больных при интермиттирующем и персистирующем течении БА 132 KB
  Бронхиальная астма (БА) - хроническое персистирующее воспаление бронхиального дерева с преобладающей ролью эозинофилов и тучных клеток, ведущее к гиперреактивности бронхов с их транзиторным спазмом, отеком слизистой оболочки, гиперсекрецией вязкой мокроты, обструктивными нарушениями
78484. Необратимая бронхиальная обструкция: хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ). Основные причины развития ХОБЛ. Критерии постановки диагноза с учетом фенотипических различий ХОБЛ 124.5 KB
  Основные причины развития ХОБЛ. Критерии постановки диагноза с учетом фенотипических различий ХОБЛ синего и розового типа. Хроническая обструктивная болезнь легких ХОБЛ это собирательное понятие объединяющее хронические воспалительные заболевания респираторной системы с преимущественным поражением дистальных отделов дыхательных путей с необратимой или частично обратимой бронхиальной обструкцией которые характеризуются постоянным прогрессированием и нарастающей хронической ДН.
78485. Игра в обучении детей младшего дошкольного возраста 43.04 KB
  Игра в обучении детей младшего дошкольного возраста Отечественные учёные рассматривают игру как своеобразную форму деятельности детей дошкольного возраста. Игра занимает важное место в педагогическом процессе ДОУ и как одна из форм организации жизни детей может определять и развивать другие виды их деятельности обучение труд. Гипотеза исследования: дидактические игры и игровые упражнения повышают уровень эффективности процесса формирования словаря детей 34 лет. Совместные самостоятельные игры детей создают условия для...
78486. Педагогические условия организации сюжетно-ролевой игры в старшей возрастной группе ДОУ 42.49 KB
  Педагог учит их осуществлять игровые действия с предметами строить ролевые взаимоотношения развивать сюжетную линию игры. На современном этапе данная проблема широко рассматривается на страницах периодической печати где авторы раскрывают педагогические условия формирования сюжетноролевой игры у дошкольников. сама по себе игра и ребенок без...
78487. Ознакомление детей старшего дошкольного возраста с многозначным словом 60.56 KB
  Ознакомление детей старшего дошкольного возраста с многозначным словом В современной методике словарная работа рассматривается как целенаправленная педагогическая деятельность обеспечивающая эффективное освоение словарного состава родного языка. Объектом исследования является процесс развития словаря детей старшего дошкольного возраста. Предметом исследования ознакомление детей старшего дошкольного возраста с многозначным словом. Гипотеза исследования: Понимание и точное словоупотребление в речи смысловых оттенков слов в...