Исследование солнечных параболических коллекторов для использования в системах теплоснабжения частных домов
жүктеу/скачать 3,59 Mb.
|
Диссер законченный вариант
- Бұл бет үшін навигация:
- 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА
| 1.4. Составные параболические коллекторы
На их потенциал как коллекторов солнечной энергии указал Уинстон [44]. Необходимость перемещения концентратора для приспособления к изменяющейся ориентации Солнца может быть уменьшена за счет использования желоба с двумя секциями параболы, обращенными друг к другу, как показано на рисунке 5. Составные параболические концентраторы могут принимать падающее излучение в относительно широком диапазоне углов. При использовании множественных внутренних отражений любое излучение, попадающее в апертуру в пределах приемного угла коллектора, попадает на поверхность поглотителя, расположенную в нижней части. Поглотитель может иметь самые разные конфигурации. Он может быть цилиндрическим, как показано на рисунке 4 или плоским. В СПК, показанном на рисунке 4, нижняя часть отражателя (AB и AC) является круглой, а верхние части (BD и CE) - параболическими. Поскольку верхняя часть СПК мало способствует излучению, достигающему поглотителя, они обычно усекаются, образуя более короткую версию СПК, которая также дешевле. СПК обычно покрывают стеклом, чтобы пыль и другие материалы не попадали в коллектор и тем самым снижали отражательную способность его стенок. Рис. 5 – Диаграмма составного параболического коллектора Рис. 6 – Схема попадания лучей на поверхность СПК 1.5 Вакуумные трубчатые коллекторы Обычные плоские солнечные коллекторы были разработаны для использования в солнечном и теплом климате. Однако их преимущества значительно уменьшаются, когда условия становятся неблагоприятными в холодные, пасмурные и ветреные дни. Кроме того, погодные воздействия, такие как конденсация и влага, вызовут преждевременный износ внутренних материалов, что приведет к снижению производительности и отказу системы. Солнечные коллекторы (трубки) с вакуумными тепловыми трубками работают иначе, чем другие коллекторы, представленные на рынке. Эти солнечные коллекторы состоят из тепловой трубки внутри герметичной трубки, как показано на рис.5. ETC продемонстрировали, что сочетание избирательной поверхности и эффективного подавителя конвекции может привести к хорошим характеристикам при высоких температурах [21]. Вакуумная оболочка снижает потери на конвекцию и проводимость, поэтому коллекторы могут работать при более высоких температурах, чем FPC. Как и FPC, они собирают как прямое, так и рассеянное излучение. Однако их эффективность выше при малых углах падения. Этот эффект дает ETC преимущество перед FPC в продолжительности рабочего дня. ETC использует материалы с жидкостно-паровой фазой для передачи тепла с высокой эффективностью. Эти коллекторы оснащены тепловой трубкой (высокоэффективным проводником тепла), помещенной внутри герметичной трубки. Затем труба, которая представляет собой герметичную медную трубу, прикрепляется к черному медному ребру, которое заполняет трубу (пластина абсорбера). Из верхней части каждой трубки выступает металлический наконечник, прикрепленный к герметичной трубке (конденсатору). Тепловая трубка содержит небольшое количество жидкости (например, метанола), которая проходит цикл испарения-конденсации. В этом цикле солнечное тепло испаряет жидкость, а пар перемещается в область теплоотвода, где он конденсируется и выделяет скрытое тепло. Конденсированная жидкость возвращается обратно в солнечный коллектор, и процесс повторяется. Когда эти трубки установлены, металл опускается в теплообменник (коллектор), как показано на рис. 5. Вода или гликоль протекает через коллектор и забирает тепло от трубок. Нагретая жидкость циркулирует через другой теплообменник и отдает свое тепло процессу или воде, которая хранится в резервуаре для хранения солнечной энергии. Поскольку испарение или конденсация выше температуры фазового перехода невозможны, тепловая трубка обеспечивает внутреннюю защиту от замерзания и перегрева. Такой самоограничивающийся контроль температуры - уникальная особенность вакуумного коллектора с тепловыми трубками. Вакуумгый коллектор в основном состоит из тепловой трубки внутри герметичной трубки. Вакуумные трубки отражателями также продаются несколькими производителями. Существуют различные виды цельных вакуумных коллекторов, что является достаточно новым видом данных коллекторов. Существуют коллектора с трубками Дьюара, в которых используются две концентрические стекляные трубки, а пространство между трубками вакуумируется (вакуумная рубашка). Преимущество такой конструкции состоит в том, что она полностью сделана из стекла, и нет необходимости отводить тепло из трубки, поэтому потери от утечек отсутствуют, а также она дешевле, чем система с одной оболочкой [24]. Другой вариант вакуумного коллектора, разработанный недавно, - это интегрированный составной параболический коллектор который объединяет в себе вакуумную изоляцию и стационарную концентрацию в одном устройстве. Рис. 6 – Рисунок вакуумной трубки Рис. 7 – Общий вид и конструкция вакуумной трубки 1.6 Коллекторы-концентраторы с отслеживанием солнца Температуру на поверхности приемника можно увеличить за счет уменьшения площади, из-за которой происходят тепловые потери. Температуры, намного превышающие те, которые достигаются ПСК, могут быть достигнуты, если большое количество солнечной радиации сосредоточено на относительно небольшой площади. Это достигается путем размещения оптического устройства между источником излучения и поверхностью, поглощающей энергию. Концентрирующие коллекторы обладают определенными преимуществами по сравнению с обычными плоскими коллекторами [23]. Основные из них: 1. Рабочая жидкость может достигать более высоких температур в системе концентратора по сравнению с системой плоских пластин при той же площади. Это означает, что может быть достигнута более высокая термодинамическая эффективность. 2. С помощью системы концентраторов можно достичь термодинамического соответствия между уровнем температуры и задачей. Задача может заключаться в работе термоэлектронных, термодинамических или других устройств с более высокими температурами. 3. из-за небольшой площади потери тепла по сравнению с площадью приемника возможно достижения более высокого КПД. 4. Отражающие поверхности требуют меньше материала и конструктивно проще, чем ПСК. Следовательно, для концентрирующего коллектора стоимость единицы площади солнечной собирающей поверхности меньше, чем для ПСК.
1. Системы концентраторов собирают мало рассеянного излучения. 2. Необходими система слежения, для обеспечения максимальной эффективности. 3. Отражающие поверхности со временем могут потерять свою отражательную способность, и им может потребоваться периодическая чистка и восстановление. Многие проекты были рассмотрены для концентрирующих коллекторов. Концентраторы могут быть отражателями или рефракторами, могут быть цилиндрическими или параболическими, а также непрерывными или сегментированными. Приемники тепла - ресиверы могут быть выпуклыми, плоскими, цилиндрическими или вогнутыми и могут быть закрыты стеклом или открыты. Отношение концентраций, то есть отношение площади отверстия к площади поглотителя, может варьироваться на несколько порядков, от всего лишь единицы до высоких значений порядка 10 000. Повышенные отношения означают повышенные температуры, при которых может передаваться энергия, но, следовательно, эти коллекторы предъявляют повышенные требования к точности оптического качества и позиционированию оптической системы. Из-за видимого движения солнца по небу обычные концентрирующие коллекторы должны следить за ежедневным движением солнца. Есть два метода, с помощью которых можно легко отследить движение солнца. Первый - это метод альтазимута, который требует, чтобы устройство слежения поворачивалось как по высоте, так и по азимуту, то есть при правильном выполнении этот метод позволяет концентратору точно следовать за солнцем. Параболоидальные солнечные коллекторы обычно используют эту систему. Второй - одноосевое слежение, при котором коллектор отслеживает солнце только в одном направлении либо с востока на запад, либо с севера на юг. Коллекторы с параболическим желобом обычно используют эту систему. Эти системы требуют постоянной и точной настройки, чтобы компенсировать изменения ориентации солнца. Первый тип солнечного концентратора, показанный на рисунке 8, по сути, представляет собой ПСК, оснащенный простыми плоскими отражателями, которые могут значительно увеличить количество прямого излучения, достигающего коллектора. Это концентратор, потому что апертура больше, чем абсорбер, но система неподвижна. Подробный анализ такой системы представлен в [3]. Рис. 8 – Конструкция плоского солнечного коллектора с отражателями Другие важные исследования в этой области были представлены в [24, 25]. Другой тип коллектора, уже охваченный стационарными коллекторами, КТК также классифицируется как обогатительная фабрика. Он, в зависимости от угла приема, может быть стационарным или отслеживающим. Когда используется отслеживание, оно бывает очень грубым или прерывистым, так как коэффициент концентрации обычно невелик, и излучение может собираться и концентрироваться одним или несколькими отражениями от параболических поверхностей. Как было показано выше, одним из недостатков концентрирующих коллекторов является то, что, за исключением низких соотношений концентраций, они могут использовать только прямую составляющую солнечного излучения, потому что диффузная составляющая не может быть сконцентрирована большинством типов. Однако дополнительным преимуществом концентрированных коллекторов является то, что летом, когда солнце встает хорошо к северу от линии восток-запад, солнечный последователь с осью, ориентированной с севера на юг, может начать принимать излучение непосредственно от Солнце задолго до того, как неподвижная плоская пластина, обращенная на юг, могла получать что-либо, кроме рассеянного излучения от той части неба, к которой она обращена. Таким образом, в относительно безоблачных областях концентрирующий коллектор может улавливать больше излучения на единицу площади апертуры, чем FPC. В концентрирующих коллекторах солнечная энергия перед преобразованием в тепло оптически концентрируется. Концентрацию можно получить путем отражения или преломления солнечного излучения с помощью зеркал или линз. Отраженный или преломленный свет концентрируется в фокальной зоне, таким образом увеличивая поток энергии в принимающей цели. Концентрирующие коллекторы также можно разделить на не отображающие и формирующие изображения, в зависимости от того, сфокусировано изображение солнца на приемнике или нет. Концентратор, относящийся к первой категории, - это CPC, тогда как все остальные типы концентраторов относятся к типу изображения. Коллекционеры, попадающие в эту категорию: 1. Параболический желоб-коллектор; 2. Линейный отражатель Френеля (ЛОФ); 3. Параболическая тарелка; 4. Центральный ресивер. 1.7 Параболоцилиндрические концентраторы Для обеспечения высоких температур с хорошей эффективностью требуется высокопроизводительный солнечный коллектор. Системы с легкими конструкциями и недорогой технологией для технологических процессов нагрева до 400˚C могут быть получены с помощью параболоцилиндрических коллекторов (ПЦК). ПЦК могут эффективно выделять тепло при температурах от 50 до 400 °C. ПЦК изготавливаются путем сгибания листа отражающего материала в параболическую форму. По фокальной линии приемника расположена металлическая черная трубка, закрытая стеклянной трубкой для уменьшения тепловых потерь (рис. 7). Когда парабола направлена к солнцу, параллельные лучи, падающие на отражатель, отражаются на приемную трубку. Достаточно использовать одноосевое слежение за солнцем, и таким образом получаются длинные коллекторные модули. Коллектор может быть ориентирован в направлении восток-запад, отслеживая солнце с севера на юг, или ориентирован в направлении север-юг и отслеживает солнце с востока на запад. Преимущества последнего режима слежения заключаются в том, что в течении дня требуется очень небольшая регулировка коллектора, а полная апертура всегда обращена к солнцу в полдень, но производительность коллектора в ранние и поздние часы дня значительно снижается из-за больших углов падения. У коллекторов, ориентированных с севера на юг, самые высокие потери косинуса наблюдаются в полдень, а самые низкие утром и вечером, когда солнце направлено на восток или запад. Рис. 9 – Конструкция параболоцилиндрического концентратора В течение одного года горизонтальное положение желоба север-юг обычно генерирует немного больше энергии, чем горизонтальное положение восток-запад. Однако положение север-юг собирает больше энергии летом и гораздо меньше зимой. Положение восток-запад собирает больше энергии зимой, чем положение север-юг, и меньше летом, обеспечивая более постоянный годовой объем производства. Следовательно, выбор ориентации обычно зависит от области применения и от того, требуется ли больше энергии летом или зимой [26]. Технология параболоцилиндрического желоба является наиболее передовой из технологий солнечной тепловой энергии благодаря значительному опыту работы с системами и развитию небольшой коммерческой отрасли по производству и продаже этих систем. ПЦК построены в модулях, которые поддерживаются с земли простыми опорами с обоих концов. ПЦК являются наиболее зрелой солнечной технологией для выработки тепла при температурах до 400˚C для производства солнечной тепловой энергии или технологических процессов тепла. Самым мощной станцией в которой применяется данная технология являются электростанции Южной Калифорнии, известные как солнечные электрические генерирующие системы (SEGS), общая установленная мощность которых составляет 354 МВт [27]. Другой электростацнией на базе данной технологии является Plataforma Solar de Almeria (PSA) на юге Испании и используется в основном в исследованиях. Суммарная установленная мощность СЭС составляет 1,2 МВт [28]. Обычно вдоль фокальной линии размещается трубка, образующая приемник на внешней поверхности (рисунок 7). Поверхность приемника обычно покрывается селективным покрытием, которое имеет высокий коэффициент поглощения солнечного излучения, но низкий коэффициент излучения потерь теплового излучения. Стеклянная закрывающая трубка обычно помещается вокруг приемной трубки, чтобы уменьшить конвективные потери тепла из приемника, тем самым дополнительно уменьшая коэффициент тепловых потерь. Недостатком стеклянной закрывающей трубки является то, что отраженный свет от концентратора должен проходить через стекло, чтобы достичь поглотителя, что добавляет потери пропускания около 0,9, когда стекло чистое. Стеклянная оболочка обычно имеет антибликовое покрытие для улучшения прозрачности. Одним из способов дальнейшего снижения конвективных потерь тепла из приемной трубы и, таким образом, увеличения производительности коллектора, особенно для высокотемпературных применений, является вакуумирование пространства между стеклянной закрывающей трубкой и приемником. Для достижения рентабельности при массовом производстве не только конструкция коллектора должна иметь высокое отношение жесткости к весу, чтобы содержание материала было минимальным, но также конструкция коллектора должна быть приспособлена к процессам изготовления с низким уровнем затрат. Был предложен ряд конструктивных концепций, таких как стальные каркасные конструкции с центральными торсионными трубами или двойными V-образными формами или стекловолокно [29]. Недавняя разработка этого типа коллекторов - это разработка и производство EuroTrough, нового PTC, в котором передовая легкая конструкция используется для достижения экономически эффективного производства солнечной энергии [30,31]. На основании данных экологических испытаний, проведенных на сегодняшний день, стекло является предпочтительным материалом для зеркал, хотя на рынке существуют самоклеющиеся светоотражающие материалы со сроком службы 5–7 лет. Механизм слежения данных типов солнечных коллекторов должен быть надежным и способным следовать за солнцем с определенной степенью точности, возвращать коллектор в исходное положение в конце дня или ночью, а также отслеживать в периоды непостоянной облачности. Кроме того, механизмы слежения используются для защиты коллекторов, то есть они выводят коллектор из поля зрения, чтобы защитить его от опасных условий окружающей среды и рабочих условий, таких как порывы ветра, перегрев и отказ системы движения теплоносителя. Известна солнечная многофункциональная сильноконцентрирующая 1.7. Линейные коллекторы Френеля Технология ЛКФ основана на массиве линейных зеркальных полос, которые концентрируют свет на неподвижном приемнике, установленном на линейной опоре. ЛКФ можно представить как раздробленный параболический желоб-отражатель (рис. 8), но в отличие от параболического желоба, он не обязательно должен иметь параболическую форму, могут быть сконструированы большие поглотители, и поглотитель не должен двигаться. Рис. 10 – Конструкция линейного коллектора Френеля Изображение элемента поля коллектора LFR показано на рис. 9. Рис. 11 – Схема работы станции с коллекторами Френеля Самым большим преимуществом этого типа системы является то, что в ней используются плоские или упруго изогнутые отражатели, которые дешевле по сравнению с параболическими стеклянными отражателями. Кроме того, они устанавливаются близко к земле, что сводит к минимуму конструктивные требования. Первым, кто применил этот принцип, был великий пионер солнечной энергии Джорджо Франсиа [85], который в 60-х годах в Генуе, Италия, разработал как линейные, так и двухосные системы рефлекторов Френеля. Эти системы показали, что с помощью таких систем можно достичь повышенных температур, но он перешел к двухосному отслеживанию, возможно, из-за отсутствия передовых селективных покрытий и вторичной оптики [86]. Две из ранее опубликованных работ в этой области приведены в статьях. [87,88], тогда как некоторые более поздние статьи приведены в [87,88]. [89,90]. В 1979 году корпорация FMC подготовила подробное исследование проекта электростанций LFR мощностью 10 и 100 МВт для Министерства энергетики США. На более крупной установке использовался поглотитель с линейной полостью длиной 1,68 км, установленный на 61-метровой башне. Однако проект так и не был реализован, так как на него закончилось финансирование Министерства энергетики [86]. Последняя попытка создать отслеживающий LFR была предпринята израильской компанией Paz в начале 90-х годов Фейерманом и Гордоном [91]. При этом использовалась эффективная вторичная оптика, подобная CPC, и вакуумный трубчатый поглотитель. Одна из трудностей технологии LFR заключается в том, что предотвращение затенения и блокировки между соседними отражателями приводит к увеличению расстояния между отражателями. Блокировку можно уменьшить, увеличив высоту опор поглотителя, но это увеличивает стоимость. Технология компактного линейного отражателя Френеля (CLFR) была недавно разработана в Сиднейском университете в Австралии. По сути, это второй тип решения проблемы поля отражателя Френеля, на которую до недавнего времени не обращали внимания. В этой конструкции смежные линейные элементы могут чередоваться, чтобы избежать затенения. Классическая система LFR имеет только один приемник, и нет выбора направления и ориентации данного отражателя. Однако, если предположить, что размер поля будет большим, как это должно быть в технологии электроснабжения большой мощности, разумно предположить, что в системе будет много вышек. Если они расположены достаточно близко, то отдельные отражатели могут направлять отраженное солнечное излучение как минимум на две башни. Эта дополнительная переменная в ориентации отражателя обеспечивает средства для гораздо более плотно упакованных массивов, потому что образцы чередующейся ориентации отражателя могут быть такими, что плотно упакованные отражатели могут быть расположены без затенения и блокировки [86]. Чередование зеркал между двумя приемными мачтами показано на рис. 10. Такое расположение сводит к минимуму блокировку луча соседними отражателями и позволяет использовать отражатели с высокой плотностью и малой высотой мачты. Близкое расположение отражателей сокращает использование земли, но во многих случаях это не такая серьезная проблема, как в пустынях. Избежание больших расстояний между отражателями и высоты башни является важным вопросом затрат, когда учитываются стоимость подготовки грунта, стоимость основания массива, стоимость конструкции башни, тепловые потери в паропроводе и стоимость паропровода. Если технология должна быть расположена в районе с ограниченной доступностью земли, например, в городских районах или рядом с существующими электростанциями, широкое покрытие земли может привести к максимальной производительности системы для данной земельной площади [86], что снижает использование земли, но это во многих случаях это не такая серьезная проблема, как в пустынях. Избежание больших расстояний между отражателями и высоты башни является важным вопросом затрат, когда учитываются стоимость подготовки грунта, стоимость основания массива, стоимость конструкции башни, тепловые потери в паропроводе и стоимость паропровода. Если технология должна быть расположена в области с ограниченной доступностью земли, например, в городских районах или рядом с существующими электростанциями, широкое покрытие заземления может привести к максимальной производительности системы для данной земельной площади [86]. 1.8. Параболические концентраторы Параболический концентратор, схематически показанный на рисунке 11, представляет собой точечный коллектор, который отслеживает солнце по двум осям, концентрируя солнечную энергию на приемнике, расположенном в фокальной точке тарелки. Рис. 12 – Конструкция солнечного параболического концентратора Конструкция тарелки должна полностью отслеживать солнце, чтобы луч отражался в приемник тепла. Для этого используются механизмы слежения, аналогичные описанным в предыдущем разделе, в двойном исполнении, так как коллектор отслеживается по двум осям. Приемник поглощает лучистую солнечную энергию, превращая ее в тепловую энергию циркулирующей жидкости. Затем тепловая энергия может быть преобразована в электрическую с помощью двигателя-генератора, подключенного непосредственно к приемнику, или может быть передана по трубам в центральную систему преобразования энергии. Системы с параболической тарелкой могут достигать температуры выше 1500˚C. Установки подобного рода имеют несколько отличительных черт: 1. Поскольку они всегда направлены на солнце, они являются наиболее эффективными из всех коллекторных систем; 2. Как правило, они имеют коэффициент концентрации в диапазоне 600–2000 и, следовательно, очень эффективны в системах поглощения тепловой энергии и преобразования; 3. У них есть модульные коллекторно-приемные устройства, которые могут работать независимо или как часть более крупной системы. В основном концентратор данного типа используются в качестве источника тепла тепловых двигателей. Система параболической тарелки - это электрический генератор, который использует солнечный свет вместо сырой нефти или угля для производства электроэнергии. Основными частями системы являются концентратор солнечной тарелки и блок преобразования энергии. Системы параболической тарелки, вырабатывающие электричество от центрального преобразователя энергии, собирают поглощенный солнечный свет от отдельных приемников и доставляют его через жидкий теплоноситель в системы преобразования энергии. Необходимость циркуляции теплоносителя по всему полю коллектора поднимает такие конструктивные проблемы, как расположение трубопроводов, требования к перекачке и тепловые потери. Системы, которые используют небольшие генераторы в фокусе каждой тарелки, вырабатывают энергию в виде электричества, а не в виде нагретой жидкости. Блок преобразования мощности состоит из теплового приемника и теплового двигателя. Тепловой приемник поглощает концентрированный луч солнечной энергии, преобразует его в тепло и передает тепло тепловому двигателю. Тепловой приемник может представлять собой набор трубок, по которым циркулирует охлаждающая жидкость. Теплоносителем, обычно используемым в качестве рабочего тела для двигателя, является водород или гелий. Альтернативные приемники тепла представляют собой тепловые трубы, в которых кипение и конденсация промежуточной жидкости используются для передачи тепла двигателю. Система забирает тепло от теплового приемника и использует его для производства электроэнергии. Двигатели-генераторы состоят из нескольких компонентов; приемник для поглощения концентрированного солнечного света для нагрева рабочего тела двигателя, который затем преобразует тепловую энергию в механическую работу; генератор переменного тока, прикрепленный к двигателю для преобразования работы в электричество, систему отвода отработанного тепла для отвода избыточного тепла в атмосферу и систему управления для согласования работы двигателя с доступной солнечной энергией. Эта распределенная параболическая система тарелок не обладает способностью аккумулировать тепло, но ее можно гибридизировать для работы на ископаемом топливе в периоды без солнечного света. Двигатель Стирлинга является наиболее распространенным типом теплового двигателя, используемого в подобных системах. Другими возможными технологиями блоков преобразования энергии, которые оцениваются для будущего применения, являются микротурбины и концентрирующие фотоэлектрические элементы [32]. Известна энергоустановка [36], содержащая первичный и вторичный концентраторы, приемник, расположенный в вершине первичного концентратора перпендикулярно его оптической оси с охлаждающим устройством, в центральной части общего конического концентратора, который выполнен стеклянным со сквозным отверстием перпендикулярно его оптической оси, распложены первичный концентратор-параболоид и вторичный концентратор-гиперболоид с разворотом их образующих вокруг оптической оси общего конического концентратора на 360° и закреплены на нем с помощью держателей, причем приемник, расположенный в вершине первичного концентратора-параболоида, закреплен на нем с помощью держателя и имеет цилиндрическую форму. Рис. 13 – Конструкция солнечного параболического концентратора Известна солнечная комбинированная концентрирующая энергоустановка [37], содержащей первичный и вторичный концентраторы, датчик слежения, приемник, расположенный в вершине первичного концентратора перпендикулярно его оптической оси с охлаждающим устройством, в центральной части первичного конического концентратора со сквозным отверстием соосно его оптической оси размещен датчик слежения, расположенный внутри вторичного полупараболоидного концентратора, который выполнен стеклянным, а на внутреннюю часть его нанесено селективное покрытие, причем вторичный полупараболоидный стеклянный концентратор развернут на 360° вокруг оптической оси первичного конического концентратора, при этом на внешней стороне вторичного полупараболоидного стеклянного концентратора размещены термоэлементы, а фотоэлементы размещены на поверхности полого трубчатого теплоносителя в форме круга с входным и выходным отверстиями, причем основания первичного конического концентратора, датчика слежения, вторичного полупараболоидного стеклянного концентратора и полый трубчатый теплоноситель в форме круга закреплены на изоляторной соединительной плоской круговой шайбе. Рис. 14 – Конструкция солнечного параболического концентратора 1.9 Гелиостатные коллекторы Для получения чрезвычайно высоких температур можно использовать множество плоских зеркал или гелиостатов с использованием альтазимутальных опор для отражения падающего прямого солнечного излучения на общую цель, как показано на рисунке 13. Рис. 15 – Схема СЭС на базе гелиостатных коллекторов Данная установка называется гелиостатной станцией. Используя слегка вогнутые сегменты зеркал на гелиостатах, можно направить большое количество тепловой энергии в полость парогенератора для производства высокотемпературного пара высокого давления. Концентрированная тепловая энергия, поглощаемая приемником, передается циркулирующей жидкости, которая может накапливаться и позже использоваться для выработки энергии. Башенные гелиостатные солнечные установки имеют следующие особенности: 1. Они оптически собирают солнечную энергию и передают ее в один приемник, тем самым сводя к минимуму потребность в транспортировке тепловой энергии; 2. Обычно они достигают коэффициентов концентрации 300–1500 и поэтому очень эффективны как при сборе энергии, так и при ее преобразовании в электричество; 3. Они могут удобно хранить тепловую энергию; 4. Подобные установки эффективно использовать в станциях с мощностью выше 10 МВт. Каждый гелиостат установки имеет от 50 до 150 м2 отражающей поверхности. Гелиостаты собирают и концентрируют солнечный свет на приемнике, который поглощает концентрированный солнечный свет, передавая его энергию теплопередающей жидкости. Система теплопередачи, состоящая в основном из труб, насосов и клапанов, направляет перекачиваемую жидкость по замкнутому контуру между приемником, накопителем и системами преобразования энергии. Система аккумулирования тепла обычно хранит собранную энергию в виде тепла для последующей передачи в систему преобразования энергии. Система хранения также отделяет сбор солнечной энергии от ее преобразования в электричество. Система преобразования энергии состоит из парогенератора, турбогенератора и вспомогательного оборудования, которые преобразуют тепловую энергию в электрическую и поставляют ее в энергосистему. В этом случае падающие солнечные лучи отражаются большими направляющими зеркальными коллекторами, которые концентрируют поток энергии к радиационным/конвективным теплообменникам, где энергия передается рабочему теплоносителю. После сбора энергии солнечной системой преобразование тепловой энергии в электричество имеет много общего с традиционными тепловыми электростанциями, работающими на ископаемом топливе [33]. Средний солнечный поток, падающий на приемник, составляет от 200 до 1000 кВт/м2. Этот высокий поток позволяет работать при относительно высоких температурах, превышающих 1500°C, и интегрировать тепловую энергию в более эффективные циклы. Подобные системы могут легко интегрироваться в электростанции, работающие на ископаемом топливе, для комбинированной работы и могут работать более 2000 тысяч часов в год на номинальной мощности с использованием аккумуляторов тепловой энергии. Считается, что такие системы имеют большой потенциал для среднесрочного снижения затрат на электроэнергию по сравнению с технологией параболического желоба, поскольку они допускают множество промежуточных этапов между интеграцией в обычный цикл Ренкина и более высокими энергетическими циклами с использованием газовых турбин при температурах выше 1000 ˚C, что приводит к повышению эффективности и производительности [34,35]. Другой альтернативой является использование газовых турбин в цикле Брайтона, которые требуют более высокой температуры, чем те, которые используются в цикле Ренкина. Существует три основных конфигурации коллекторной и приемной систем. В первом случае гелиостаты полностью окружают башню ресивера, а ресивер, имеющий цилиндрическую форму, имеет внешнюю поверхность теплопередачи. Во втором случае гелиостаты расположены к северу от приемной башни (в северном полушарии), причем приемник имеет замкнутую поверхность теплопередачи. В третьем случае гелиостаты расположены к северу от приемной колонны, и приемник, который представляет собой вертикальную плоскость, имеет обращенную к северу поверхность теплопередачи. Однако в конечном итоге центрально-приемная установка определяется выбором теплоносителя, теплоносителя и цикла преобразования энергии. Жидкий теплоноситель может быть водой / паром, жидким натрием или расплавом нитратной соли (нитрат натрия/ нитрат калия), тогда как теплоносителем может быть масло, смешанное с щебнем, расплав нитратной соли или жидкий натрий. В настоящий момент большинство установок работают в циклах Ренкина, хотя была предложена более продвинутая система, в которой в качестве теплоносителя использовался бы воздух, керамические кирпичи для хранения тепла, а также система цикл Брайтона. 1.10 Заключение по разделу Проведенный анализ литературы показывает, что существует достаточно широкий спект устройств использующих солнечную энергия для преобразования ее в другой тип, в частности тепловую энергию. Анализ также показал, что наиболее современными видами устройств являются солнечные параболические и параболоцилиндрические коллекторы, которые имеют высокую эффективность преобризования энергии. Исходя из проведенного анализа, было проведено исследование различных вариантов расположения приемника тепла, расположение трубок в нем, а также расчет солнечного параболического концентратора. 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА2.1 Численное моделирование процессов теплообмена в приемнике теплаВ разделе представлены результаты проведения оценки эффективности работы пяти различных форм примеников тепла. Плоские, сферические, куполообразные, цилиндрические приемники и приемники в форме усеченного конуса были смоделированы при помощи SolidWorks 16 и проанализированы в программном комплексе Ansys Fluent. Внутренняя сторона приемника считается изотермической поверхностью, а внешняя сторона - адиабатической. Колебания температуры и поток воздуха в ресивере и вокруг него являются факторами, влияющими на тепловые потери при конвекции. В случае сферического ресивера воздушный поток внутри полости почти неподвижен, область воздействия температуры сравнительно меньше, а скорость потока и область воздействия потока также сравнительно меньше. жүктеу/скачать 3,59 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|