Исследование напряженно-деформированного состояния плёночных откачных и электростатических концентраторов - Дипломная работа

Кроме этого проводится моделирование, расчет и анализ напряженно-деформированного состояния для этих концентраторов в системе компьютерного моделирования ANSYS Workbench и FEMAP v10. Разработка энергетических установок с использованием солнечной энергии открывает путь к освоению неистощимого источника энергии на Земле и в космическом пространстве. Энергетическая установка, использующая солнечную энергию, состоят из трех основных элементов: гелиостата, концентратора и приемника. Гелиостат - плоское зеркало, вращаемое вокруг вертикальной и горизонтальной осей при помощи механизмов слежения за Солнцем, - получает солнечные лучи и отражает их на концентратор так, что оси элементарных пучков отраженных лучей всегда параллельны главной оптической оси концентратора. Широкому применению солнечной энергии препятствовала высокая стоимость затрат на получение единицы энергии по сравнению с другими источниками энергии.Рассмотрим прямоугольную пленку, закрепленную между двумя прямолинейными и параллельными опорами и нагруженную разностью газовых давлений между двумя ее поверхностями. Систему координат расположим так, чтобы ось была направлена параллельно линии прямолинейных опор, ось - перпендикулярно им, а ось дополняла эту прямоугольную систему координат, начало которой поместим в середину между опорами. Тогда уравнения равновесия элемента пленки длиной dl и шириной в направлении, перпендикулярном оси , и шириной будут иметь вид: (1) Заметим, что здесь нет ограничивающих условий, когда пленка между опорами предварительно натянута или имеет по оси равномерный напуск. Ввиду равномерности нагружения пленки газовым давлением, а также благодаря симметричности расположения опор относительно плоскости : можно принять, что деформация пленки будет симметрична этой плоскости и смена знака производной или угла наклона линии деформации произойдет на оси при = 0, = 0, т.е. и , поэтому в уравнениях и .Эта степень уплотнения оценивается средним коэффициентом концентрации С, который равен отношению площади входа в концентратор S0, к площади фокальной полосы 1 с учетом коэффициента отражения ?r , следовательно Принимая во внимание, что реальные поверхности отражателей отклоняются от идеальных геометрических на локальные углы ?, то необходимо в отраженном луче к углу максимального отклонения солнечных лучей от параллельности. Тогда при нормальном падении солнечных лучей на входную поверхность параболического желообразного концентратора с углом раскрытия (апертурой) 0 и фокальным параметром р средний коэффициент концентрации будет равен для цилиндрического приемника (типа трубы теплообменника) 1 представлены эти зависимости (17), (18) при значении ?0= 32" и параметрах ? = 0 (кривые 1,3) ? = 2" (кривые 2, 4) соответственно. Для случая цилиндрического желобообразного концентратора, можно показать, что в фокальной плоскости R/2, где R - радиус дуги цилиндра, средний коэффициент концентрации равен Как видно, значения коэффициента концентрации .Можно увеличить коэффициент концентрации цилиндрического отражателя, сдвинув от плоскости R/2 плоскость приема излучения в сторону отражателя на расстояниеЕсли верхнюю пленку соединить с источником напряжения величиной , а на нижнюю с источником напряжения , то на верхней и нижней пленках появится распределение зарядов, величина которых определяется формой и размерами пленок, величинами и свойствами диэлектрика, разделяющего пластины. Для краткости, величина кулоновской силы, действующей на единицу площади пленки, будет называться "электростатическим давлением". Величина электростатического давления, действующего на различные участки пленок, зависит от распределения зарядов на поверхности пленок и определяет форму деформированной поверхности пленок. Таким образом, для определения формы поверхности, которую принимает круглая мембрана под действием электростатического давления, требуется совместное решение двух краевых задач: задачи электростатики и задачи механики. В этом случае целесообразно использовать понятие средней поверхностной плотности заряда , под которой подразумевается средний заряд приходящийся на единицу площади поверхности проводника в окрестности данной точки, принадлежащей поверхностиРассматривается определение формы поверхности электростатического концентратора после деформации, у которого отношение R/l=10. Для недеформированной формы поверхности пленки определяется распределение электростатического давления по формулам, в которых полагается Для заданного значения напряжения определяется нагрузка на пленку. Тогда для точки с координатой конечно-разностная аппроксимация дифференциального уравнения запишется в виде Для решения данной системы представим уравнения в следующем виде: Введем новые обозначения для коэффициентовВ работе проведен анализ конструкций пленочных откачных и электростатических отражателей и сформулированы задачи исследования. Показано, что в качестве расчетной схемы для определения геометрических и оптических характеристик отражателей, может быть

Оглавление

Введение

Глава 1. Исследование пленочных откачных концентраторов

Глава 2. Исследование электростатического концентратора

Глава 3. Численные методы решения для электростатического концентратора

Заключение

Список используемой литературы

Приложения

В моей работе проводится аналитический расчет, а так же расчет с помощью системы компьютерной алгебры Mathematica 8.0 геометрических и оптических характеристик пленочных откачных и электростатических концентраторов. В качестве расчетной схемы берется задача о круглой мембране с предварительным натяжением, защемленной по контуру и нагруженной поперечной нагрузкой. Кроме этого проводится моделирование, расчет и анализ напряженно-деформированного состояния для этих концентраторов в системе компьютерного моделирования ANSYS Workbench и FEMAP v10.

Разработка энергетических установок с использованием солнечной энергии открывает путь к освоению неистощимого источника энергии на Земле и в космическом пространстве. Длительное пребывание человека в космосе требует надежных энергетических источников. Таким источником может явиться солнечная энергия. Для эффективного использования солнечной энергии требуются концентрирующие системы, которые должны быть легкими, долговечными, устойчивыми к температурным воздействиям и облучению.

В настоящее время во многих странах ведутся интенсивные разработки энергетических установок, использующих солнечную энергию. Энергетическая установка, использующая солнечную энергию, состоят из трех основных элементов: гелиостата, концентратора и приемника.

Гелиостат - плоское зеркало, вращаемое вокруг вертикальной и горизонтальной осей при помощи механизмов слежения за Солнцем, - получает солнечные лучи и отражает их на концентратор так, что оси элементарных пучков отраженных лучей всегда параллельны главной оптической оси концентратора. Последний собирает параллельный пучок лучей в пятно-фокус, в котором помещается приемник энергии, способный накапливать тепловую энергию или преобразовывать ее в другие виды энергии. Наиболее ответственным и дорогостоящим элементом солнечной энергетической установки является концентратор.

До последнего времени в качестве концентраторов использовались стеклянные, бронзовые, медные поверхности параболической формы, покрытые серебром, родием или стеллитом.

Широкому применению солнечной энергии препятствовала высокая стоимость затрат на получение единицы энергии по сравнению с другими источниками энергии. Поэтому солнечные установки использовались в основном в научно-исследовательских целях. Но существуют примеры и бытового применения солнечных концентраторов.

В качестве материала пленки обычно применяется полиэтилентеррифталат (ПЗТФ). Пленка закрепляется на каркасе и нагружается давлением, под действием которого принимает форму, способную концентрировать солнечные лучи.

В настоящее время разработано большое количество конструкций пленочных отражателей, предназначенных для использования в земных условиях и в космическом пространстве.

Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92% падающего на них солнечного излучения.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25% в установке, состоящей из параболического концентратора.

В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9-25КВТ. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3КВТ. КПД подобных систем около 22-24%, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий. В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09-0,12 за КВТ·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04-0,05 к 2015-2020 году. Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров - до 150 КВТ. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию в 2010 году уже было установлено 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВТ.

Для солнечных высокотемпературных установок больших мощностей концентраторы делаются составными. Составной концентратор собирается из одиночных пленочных отражателей (фацет), размещенных на параболоидальном основании. К достоинствам фацетного концентратора можно отнести: малую величину фокусного расстояния по сравнению с диаметром, слабую зависимость оптических характеристик от положения оси концентратора, устойчивость к ветровым нагрузкам и возможность получения больших плотностей энергии в фокальной плоскости.

Все конструкции отражателей, описанные выше, приобретают способность концентрировать лучи лишь при наличии перепада давлений на рабочей поверхности и поэтому должны быть герметичными.

В качестве расчетной схемы для определения формы отражающей поверхности концентратора можно взять мембрану с предварительным натяжением, защемленную по контуру и нагруженную поперечной нагрузкой. В данном случае упругая постановка задачи является достаточной. Величина прогибов пленочных концентраторов достигает 1000 толщин пленки, поэтому для определения формы поверхности концентратора следует привлечь теорию больших прогибов мембран. Дифференциальные уравнения, описывающие форму поверхности круглой пластины под действием поперечной нагрузки при больших прогибах, получены Карманом в 1910 г. В частном случае эти уравнения справедливы и для мембраны.