Геометричне моделювання відбиваючих поверхонь у плоских сонячних колекторах з елементами-концентраторами - Автореферат

Складний процес розробки плоских колекторів з елементами-концентраторами має кілька етапів: наукові дослідження, проектування, виготовлення дослідного зразка, випробування та серійне виробництво. У питаннях формоутворення поверхонь та відбиття від кривих ліній і поверхонь були розглянуті задачі: вивчення властивостей кривих апарата відбиття (плоска задача), при різних положеннях джерела випромінювання (у вигляді точки); розшарування конгруенції відбитих променів та використання запропонованого методу при розвязанні просторової задачі апарата відбиття. Ще не дослідженими виявились питання розробки алгоритмів визначення положення каустики при змінному нахилі променів і визначення карстової ділянки для відбиваючих поверхонь, які застосовуються як концентратори та елементів-концентраторів у плоских колекторах. Процес моделювання відбиваючих елементів та їх взаємне положення із приймачем у плоских колекторах, вимагає рішення питань, повязаних з компютерною візуалізацією відбитого потоку сонячних променів. розробити способи та алгоритми дослідження властивостей відбитого сонячного потоку в різний час доби для визначення оптимальної форми елементів-концентраторів у плоских колекторах;Вступ містить загальну характеристику роботи, обґрунтування актуальності обраної теми дисертації, сформульовані мета і задачі дослідження. У першому розділі приведено огляд літературних джерел за обраної теми: розглянуто використання сонячної енергії та основних типів плоских колекторів, які застосовуються для даної мети; наведено загальну класифікацію геліоколекторів за геометричною формою відбиваючої поверхні. Плоскі колектори з елементами-концентраторами належать до середньотемпературного типу. Сфера використання плоских колекторів з елементами-концентраторами обмежується не тільки використанням сонячної енергії для промислових цілей, але також одержанням електроенергії на сонячних паротурбінних електростанціях. Геометричні форми твірних, які використовуються у відбиваючих поверхнях плоских колекторів, найчастіше мають такий вигляд: пряма, ламана або крива n-го порядку.Дослідження проводилися при потоці сонячних променів, які надходять на відбиваючу криву m паралельно осі ординат і під кутом до осі ОХ (рис. Рівняння, що описують положення сонячних променів для плоскої задачі апарата відбиття, задані видом: , . Якщо відбиваюча крива задана в параметричному вигляді, рівняння подери мають вигляд: , . Оскільки відбиті промені збігаються з нормалями ортотоміки для приймача, у якого твірна є ортотомікою, всі ці промені будуть нормалями. Оскільки нормалі ортотоміки o збігаються з відбитими променями, використовуючи рівняння нормалі до ортотоміки, визначається залежність між кутами, утвореними падаючим, відбитим променями і нормаллю ортотоміки до осі абсцис.Проведеними в дисертації дослідженнями досягнута основна мета роботи - розробка методу просторового моделювання відбитого потоку на основі плоскої задачі та алгоритмів геометричного моделювання параметрів форми і положення елементів, що концентрують для плоских колекторів. При цьому отримані результати, які мають наукову і практичну цінність: Аналіз літературних джерел з проектування плоских колекторів з елементами-концентраторами показав існування проблеми визначення зони концентрації сонячної енергії протягом доби для плоскої та просторової задач апарата відбиття. Для одержання найбільш повної картини розташування зони концентрації для відбиваючих поверхонь протягом доби був запропонований аналітичний опис положення ліній каустик для змінного кута нахилу сонячних променів для заданої відбиваючої кривої у явному та параметричному вигляді. З метою визначення ефективної форми відбиваючої поверхні у рухомих геліоустановках, у яких твірна є ортотомікою, був розроблений алгоритм аналітичного опису положення супутніх кривих апарата відбиття для ортотоміки, заданої в явному та параметричному вигляді. Було запропоновано використання плоскої задачі у розвязанні просторової при умові інциденції нормалей перетинів відбиваючої поверхні рухомої площини.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Проведеними в дисертації дослідженнями досягнута основна мета роботи - розробка методу просторового моделювання відбитого потоку на основі плоскої задачі та алгоритмів геометричного моделювання параметрів форми і положення елементів, що концентрують для плоских колекторів.

При цьому отримані результати, які мають наукову і практичну цінність: Аналіз літературних джерел з проектування плоских колекторів з елементами-концентраторами показав існування проблеми визначення зони концентрації сонячної енергії протягом доби для плоскої та просторової задач апарата відбиття. Розвязання даних задач дозволило одержати подальший розвиток моделі апарата відбиття.

Для одержання найбільш повної картини розташування зони концентрації для відбиваючих поверхонь протягом доби був запропонований аналітичний опис положення ліній каустик для змінного кута нахилу сонячних променів для заданої відбиваючої кривої у явному та параметричному вигляді.

З метою визначення ефективної форми відбиваючої поверхні у рухомих геліоустановках, у яких твірна є ортотомікою, був розроблений алгоритм аналітичного опису положення супутніх кривих апарата відбиття для ортотоміки, заданої в явному та параметричному вигляді. Отримано їх компютерні моделі.

Розвязання просторової задачі апарата відбиття ґрунтується на методі розшарування конгруенції відбитих променів на сімю лінійчатих поверхонь. Було запропоновано використання плоскої задачі у розвязанні просторової при умові інциденції нормалей перетинів відбиваючої поверхні рухомої площини.

Для ефективної роботи приймача протягом дня був розроблений метод визначення карстової ділянки конгруенції відбитих променів. Мета запропонованого методу - виключення положення приймача з карстової ділянки. Застосування даного метода розглянуто для поверхонь обертання, циліндричних та циліндричних завитків обертання.

Було запропоновано алгоритми побудови компютерних моделей апарата відбиття застосовувати для розвязання плоскої та просторової задач. Це є подальшим розвитком вивчення властивостей відбитого сонячного потоку.

З метою підтвердження запропонованого методу визначення карстової ділянки проведено експеримент. Результат показав, що отримані компютерні моделі відповідають дійсній картині відбиття.

На основі проведених досліджень був запропонований плоский колектор зі складеною відбиваючою поверхнею, який не потребує спостереження за сонцем. Складена відбиваюча поверхня складається із елементів, що плавно стикуються: елемента спіралі Архімеда, дуги кола та прямолінійної ділянки. Приймач примикає до відбиваючої поверхні. Запропонований колектор дозволяє використати пряме та відбите сонячне випромінювання, що збільшує ККД колектора.

Були розроблені рекомендації із впровадження результатів досліджень у інженерну практику проектування плоских колекторів з елементами-концентраторами в області геометричного моделювання відбиваючих поверхонь.

Впровадження результатів роботи здійснено в промислово-комерційній компанії «Сінтек» при проектуванні плоских колекторів з поверхнями, що концентрують, у держбюджетній науково-дослідній темі та у навчальному процесі кафедри архітектури будівель і геометричного моделювання Національної академії природоохоронного і курортного будівництва (м. Сімферополь). Реалізація результатів роботи підтверджується актами впровадження.

Дворецкий А. Т. Автоматизация расчетов для плоской отражающей системы с источником в несобственной точке / А. Т. Дворецкий, С. А. Митрофанова // Прикладна геометрія та інженерна графіка. - К.: КНУБА. - 2003. - Вип. 73. - С. 77 -81.

Дворецкий А.Т. Каустика для осевого сечения концентратора в виде поверхности вращения / А.Т. Дворецкий, С.А. Митрофанова // Труды VIII Международной научно-практической конференции «Современные проблемы геометрического моделирования» - 2004. - Мелитополь: ТГАТА. - С. 29-31.

Митрофанова С.А. Аналитическое описание поверхности отраженных лучей для концентраторов в виде поверхности вращения / С.А. Митрофанова // Сборник научных трудов II научно-практической конференции: «Геометрическое и компьютерное моделирование: Энергосбережение, экология, дизайн». - 2005. - К.: ДОП КНУТД. - С. 136 - 141.

Митрофанова С.А. Геометрическое моделирование каустики для ротативных поверхностей / С.А. Митрофанова // Збірник наукових праць науково-практичної конференції: «Геометричне та компютерне моделювання». - Харків: ХДУХТ. - 2007. - Вип. 16. - С. 140 - 145.

Митрофанова С.А. Компьютерная модель каустики для переменного направления солнечных лучей / С.А. Митрофанова // Сборник научных трудов III научно-практической конференции: «Геометрическое и компьютерное моделирование: Энергосбережение, экология, дизайн». - 2006. - К.: КНУТД. - С. 160 - 164.

Митрофанова С.А. Компьютерная модель отраженного потока в солнечных коллекторах с концентрирующими элементами / С.А. Митрофанова // Праці Таврійскої державної агротехнічної академії. - 2007. - Вип. 4. Прикладна геометрія та інженерна графіка. - Том 36. - Мелітополь - С. 112-116.

Митрофанова С.А. Компьютерные модели кривых аппарата отражения позаданной ортотомике / С.А. Митрофанова // Сборник научных трудов III научно-практической конференции: «Геометрическое и компьютерное моделирование: Энергосбережение, экология, дизайн». - 2006. - К.: КНУТД - С. 174 - 178