Разработка проекта солнечного рефлектора

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Человечество использует различные источники электричества для удовлетворения своих потребностей в энергетической области. Традиционными источниками электроэнергии обычно считаются тепловые, атомные и гидроэлектростанции, а также дизельные/бензиновые генераторы (источники, появившееся относительно давно и наиболее используемые сейчас). И, не смотря на то что в современном мире эти источники энергии являются основными, они громоздки, используют невозобновляемую энергию (органическое топливо) и в процессе вырабатывания электроэнергии значительно загрязняют окружающий мир. В наше время популярность набирает нетрадиционная (альтернативная) энергетика, которая должна обеспечить конкуренцию традиционным источникам энергии.

Альтернативная энергетика становится все популярнее во многих странах, так как она во многом эффективнее, экологичнее и экономичнее традиционной энергетики. Но существующие на данный момент источники альтернативной энергии не соответствуют требованиям энергопотребления в современном мире. В первую очередь из-за больших площадей, необходимых для производства приемлемых объёмов электроэнергии, а также дороговизны используемых в конструкциях материалов.

Следует обратить внимание и на то, что иногда словосочетание «нетрадиционная энергетика» используется крупными корпорациями лишь в качестве пиар-хода, с целью убедить потенциальных инвесторов в экологичности и, как следствие, актуальности разрабатываемых проектов. Т.е. это термин может употребляться отнюдь не для обозначения экологически безопасных источников электроэнергии, а исключительно в корыстных маркетинговых ходах: подчас вредные вещества, выброшенные в атмосферу в процессе производства, например, солнечных панелей, гораздо более токсичны и опасны для человека, нежели загрязнение воздуха в процессе эксплуатации некоторых традиционных источников энергии (тепловые станции).

В то время как другой вид источников нетрадиционной энергетики - солнечные рефлекторы - не требует больших денежных затрат на изготовление основных элементов конструкции (зеркал), а процесс получения электроэнергии достаточно экологичен. Соответственно это направление в нетрадиционной энергетике весьма перспективно для проведения исследований.

В своей работе мы постараемся выявить недостатки солнечных рефлекторов, мешающие их повсеместному распространению, причины различия реального и теоретического КПД и, после проведения практической части исследования, ход которого будет сфокусирован на оптимизации энергоотдачи солнечного рефлектора башенного типа, представим действующую модель данного источника электроэнергии на базе платы Arduino.

Таким образом основная задача исследования - разработать концепт солнечного рефлектора оригинальной конструкции и создать рабочий прототип этой установки.

1. Общие сведения о существующих солнечных рефлекторах

1.1 Общие сведения об источниках нетрадиционной энергетики

Источники альтернативной энергетики классифицируются по типу преобразуемой возобновляемой энергии. Выделяются два основных направления развития нетрадиционной энергетики - ветряная энергетика, использующая энергию потоков воздуха с целью последующего ее преобразования в электрическую, и солнечная - черпающая ресурсы из излучения ближайшей к нам звезды.

Ветряная энергетика в качестве основной энергопреобразующей установки использует лопастной ветрогенератор.

Солнечная же энергетика подразделяется на 2 основных отрасли - выработку электроэнергии с помощью солнечных панелей (где энергия солнечных лучей, падающих на пластины полупроводника, преобразуется в постоянный ток) или же путем зеркального отражения излучения для последующего его фокусирования в одной точке, что позволяет получать достаточно высокие температуры и вырабатывать электроэнергию, используя паровой двигатель или, например, двигатель Стирлинга. Во второй отрасли солнечной энергетики, на наш взгляд, скрыт наибольший потенциал, и оно достаточно перспективно. Поэтому в своем исследовании я планирую осветить именно тему солнечных рефлекторов.

1.2 Сравнительная характеристика различных типов солнечных рефлекторов

солнечный рефлектор параболический

Впервые идея создания солнечной электростанции промышленного типа была выдвинута советским инженером Н.В. Линицким в 1930-х гг. Тогда же им была предложена схема солнечной станции с центральным приёмником на башне. В ней система улавливания солнечных лучей состояла из поля гелиостатов -- плоских отражателей, управляемых по двум координатам. Каждый гелиостат отражает лучи солнца в направлении центрального приёмника, который для устранения влияния взаимного затенения поднят над полем гелиостатов. По своим размерам и параметрам приёмник аналогичен паровому котлу обычного типа.

Солнечные рефлекторы подразделяются на несколько видов. Рассмотрим основные типы:

Табл. 1

Для дальнейших исследований нами был выбран солнечный рефлектор башенного типа.

Рис. 1

Конструкция солнечного рефлектора представляет собой поле зеркал (гелиостатов), расположенных в форме параболической поверхности, в точке фокусировки которой расположено энергопреобразующее устройство (двигатель Стирлинга)

Рис. 2

Рис. 3

Подобная конструкция может быть воплощена на практике благодаря тому, что параболическая поверхность имеет свойство фокусировать отраженные лучи в одной точке, где их интенсивность достаточно высока.

1.3 Достоинства солнечных рефлекторов

Как видно из табличных данных, КПД подобных установок достаточно высок и область их применения весьма обширна. Что же ещё делает солнечные рефлекторы перспективными и в значительной мере обуславливает потенциал развития данной отрасли нетрадиционной энергетики?

Во-первых, наиболее распространенным элементом солнечных электростанций являются зеркала (отражающая поверхность), которые являются недорогими и простыми в изготовлении. К примеру, в отличие от солнечных батарей, стоимость которых в значительной мере обуславливается дороговизной кремниевых полупроводников, производство зеркальных поверхностей хорошо освоено и не затратно. Достаточно высокий КПД подобных установок (в сравнении с, например, тепловыми электростанциями он примерно одинаков) достигается за счёт высокого отражающего коэффициента зеркал и ограничен лишь энергопреобразующим устройством. Ещё одно преимущество солнечных рефлекторов - возможность применения в некоторых регионах, где особенно остро встает вопрос об энергообеспечении рядовых потребителей (Южная Азия, Африка). Таким образом грамотный анализ возможных мест размещения и выбор наиболее перспективных из них даст вполне удовлетворительные энергетические показатели и, как следствие, материальные доходы после ввода электростанции в действие.

1.4 Недостатки солнечных рефлекторов

Однако у данного типа источников электроэнергии имеется и ряд недостатков, заложенных на конструктивном уровне.

К примеру, значительные материальные затраты возникают при размещении электростанций такого типа на местности. Из-за того, что для строительства подобных конструкций необходимы обширные территории (для получения запланированных объемов электроэнергии), необходимы большие вложения на аренду земли и ее подготовку под размещение электростанции. Себестоимость подобного рода проектов также достаточно высока из-за дороговизны многочисленных поворотных механизмов зеркал, которые к тому же ненадежны и часто выходят из строя, следовательно, возникают дополнительные расходы на техническое обслуживание и ремонт. К минусам подобных источников альтернативной энергетики можно отнести и необходимость в регулярной очистке рефлектирующих поверхностей (зеркал); большие эксплуатационные температуры; зависимость от условий данной местности (не все климатические пояса подходят для размещения солнечных рефлекторов), дороговизна основной энергопреобразующей установки (паровой котел либо двигатель Стирлинга).

2. Разработка собственной концепции солнечного рефлектора башенного типа

2.1 Поиск решений для повышения КПД солнечных рефлекторов башенного типа

Несмотря на целый ряд преимуществ, примеры воплощения солнечных рефлекторов башенного типа зачастую заканчиваются неудачно, то есть недостатки этих источников электроэнергии весьма существенны.

Основная проблема: одним из наиболее уязвимых узлов конструкции солнечного рефлектора башенного типа являются поворотные механизмы зеркал, так как они в наибольшей степени подвержены влиянию внешних природных условий (загрязнение пылью, песком, воздействие атмосферных осадков). И, соответственно, одним из возможных путей повышения КПД данного источника нетрадиционной энергетики является отсутствие в конструкции этих поворотных механизмов. Этого можно достичь, сделав подвижной точку фокусировки солнечного излучения (энергопреобразующее устройство должно двигаться над полем зеркал в зависимости от положения солнца относительно горизонта), в то время как гелиостаты остаются в зафиксированном положении.

2.2 Разработка собственной концепции солнечной станции

Все теоретические расчёты, в частности, высота точки фокусировки над параболической поверхностью, диаметр окружности, вдоль которой расположены гелиостаты, были произведены на базе программы Parabola Calculator.

Далее был разработан чертеж будущей установки, которая состоит из фоторезисторов, чьи показания постоянно сравниваются в программных циклах, и, в зависимости от них, приводятся в движение сервоприводы, которые соединены между собой тросами и таким образом в середине образуется подвижный участок, который должен подстраиваться под точку фокусировки солнечных лучей, отраженных от зеркал.

2.3 Реализация ключевого блока солнечного рефлектора при помощи платы Arduino

Описанную вышеконструкцию мы и воплотили на базе платы Arduino с использованием различных радиодеталей. Основной задачей было синхронизировать вращение четырех сервоприводов, сравнивая показания фоторезисторов. Для этого зашитая в плату программа работает по следующему алгоритму: если показания фотоэлементов примерно равны, то движения сервоприводов не происходит. Если же на одном из датчиков фиксируются показания, превышающие средние по остальным четырем, то сервоприводы, находящиеся на одной диагонали с наиболее освещённым фоторезистором, приводятся в движение, отодвигая центр конструкции от источника света.

Заключение

Проделанная работа по сбору и систематизации теоретической информации о солнечных рефлекторах видится нам завершенной и соответствующей поставленным целям. Практическая часть включает в себя описание основного узла конструкции солнечного рефлектора башенного типа, и, хотя данная работа лишь концептуальна, она может послужить хорошей базой для дальнейших разработок благодаря оригинальным конструктивным решениям.

Список литературы

1. Виссарионов В.И. Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии. - М.: Интерсоларцентр, 2001.-144 с.

2. Гительман Л.Д. Энергетический бизнес. - М.: Дело, 2006.-600 с.

3. Данилов О.Л.Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. - М.: МЭИ, 2010.-424 с.

4. Кашкаров А.П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. - М.: ДМК, 2011.-144 с.

5. Лабейш В.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: учебное пособие. - СПб.: СЗТУ, 2003.-79 с.

6. Стефон Л. Фактор нефти: как защитить себя и получить прибыль в период грядущего энергетического кризиса. - СПб.: Вильямс, 2007.-320 с.

Приложение

Теоретические расчеты

Интерфейс данной программы весьма удобен для расчета основных параметров представленной модели.

Рис. 4

На чертеже представлена схема расположения гелиостатов на модели с указанием их удалённости от центра конструкции.

Рис. 5

Имея координаты возвышения энергопреобразующего устройства над полем рефлектирующих зеркал и используя формулу сферического зеркала (1/F = 1/d + 1/f), можно рассчитать углы наклона каждого из трех гелиостатов. Разная удаленность от центра и различная высота опоры каждого зеркала имитируют разноуровневую структуру параболической поверхности, при которой лучи, отраженные от рефлекторов, не должны перекрываться впереди стоящими гелиостатами. Удалённость зеркал от центра конструкции составляет соответственно 11, 18 и 25 см по мере удаления от центра конструкции, высота - 4; 4,5 и 5,5 см; искомые углы соответственно равны 39, 27 и 22 градуса.

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8. Схема ключевого блока солнечного рефлектора

Рис. 9. Принцип действия

Размещено на Allbest.ru