Простая технология изготовление параболоидных концентраторов

Солнечная энергия (Solar Energy), том 22, стр. 463-465. Этот документ был ранее представлен на Национальной конвенции Солнечной энергии, которая состоялась в университете Джадавпур в Калькутте, в ноябре 1976 года.

М. Сринивасан, Л.В. Кулкарни и К.С. Пасурати

Отдел нейтронной физики, исследовательский атомный центр, Тромбее, Бомбей 500 085, Индия

(Получен 13 апреля 1978 года, пересмотр принят 16 ноября 1978)

Введение

Параболоидные концентраторы способны увеличивать высоту температур различных поглотителей и рабочих жидкостей. Максимально достижимые на практике коэффициент концентрации и температура зависят от размера диафрагмы (площадь перехвата солнечной радиации), отражательной способности и точности поверхности контура, а также степени, к которой приближается концентратор в истинной параболоидной геометрии. Параболоидные концентраторы используются для различных применений: от приготовления пищи [1] и передвижение насоса, управляемого горячим воздухом для подъема воды [2] до выработки энергии для космического корабля [3] посредством управляемого парортутного электрического генератора. В последнее время преимущества различных типов соединения концентраторов [4] без визуализации, которые собирают не только прямые лучи радиации, но и часть рассеянных элементов, описанных в литературе.

Считается, что параболоидные тарелочные отражатели требуют относительно сложных методов изготовления ротационной вытяжки, формовка пластика или «нажим штампа» [5]. Практический и изящный способ изготовления простого и сложного параболоидного концентратора, начиная с плоского листа материала, описанного ниже.

Алюминизированный майлар (Aluminized Mylar, в словаре есть также перевод в виде значений искусственная пленка, пластмасса), который, как известно, очень хорошо отражает материал, в настоящее время широко доступен. Он наклеивается на подходящую поверхность, такую как картон, папье-маше, оловянное или оцинкованное железо или же тонкие листы алюминия, он может быть изготовлен для недорогих солнечных концентраторов.

Принцип изготовления

На рисунках 1 и 2 показан принцип построения параболоида, начиная от плоского листа материала. На рисунке 1 представлен график параболы Y = X 2 /4 f , представляющий вертикальное сечение через параболоид с фокусным расстоянием F см. Если параболоид разделен симметрично по длине на восемь радиальных направлений и расплющен, то он будет выглядеть, как восемь лепестков цветка, как на рис. 2. Незатененная часть на рисунке 2 представляет собой часть отражателя, а затененная — это та часть плоскости листа, которая должна быть вырезана и удалена. Круг окружности 2?R на плоскости листа будет занимать меньше окружности равной 2?X в параболоиде после изготовления. Таким образом, основное внимание при строительстве должно быть уделено вычислению длины дуги из материала, которая должна быть вырезана, а именно (2?R-2?X) в зависимости от R. Заметим, что радиальное расстояние R между истинной и любой другой точкой P на плоскости листа становится длина дуги контура параболы между истинной и той же точкой Р на поверхности параболоида.

Чтобы получить выражение для R в период X, используется следующая процедура:

dR — элемент параболической дуги, а dX и dY – соответствующие элементы по оси х и у (см. рис. 1).

(dR) = (dX)2 + (dY)2

Так как:

simple_html_m6ce7a934[4]

Подставляем

simple_html_1a0a4b7[4]

Заменяем

simple_html_m62fe6c82[4]

simple_html_m1d90537b[4]

Объединяем

simple_html_m7e156c67[4]

С X2/4f2 = (Y / ф) <1 для мелких параболоидов, члены более высокого порядка можно пренебречь в биномиальном разложение для [1 + (X2/4f2)] 1/2 и у нас есть

simple_html_710ff989[4]

Соотношение справедливо только для мелких параболоидов. Для глубоких параболоидов члены более высокого порядка не могут быть упущены. Используется результат стандартного интеграла, а именно:

simple_html_m6a4d380d[4]

Общее уравнение для R может быть показано, что дает

simple_html_m1f8f4aa6[4]

Общая длина материала, который должен быть вырезан при каждом значении R, то есть круговая усадка дает W = (2?R-2?X) = 2? (RX). Хотя для мелких параболоидов:

simple_html_m4ef3ec4b[4]

Получаем

simple_html_m6ede69b6[4]

На практике это усадка распространяется на 2N равных линейных отрезков, N — число лепестков. Длина отрезка, который должен быть вырезан, измеряется перпендикулярно к радиальным векторам с обеих сторон на расстоянии R от начала координат, и имеет вид (для мелких параболоидов)

simple_html_6b16de18[4]

Принцип изготовления параболоида

Рисунок 1 Сечение через параболоид.

simple_html_2a990a21[4]

Рисунок 2 Сплюснутый параболоид

Cut out portions – вырезанные части

Radius – радиус

simple_html_58bfc298[4]

Рисунок 3 Шаблон для изготовления

Uncut portions retained – невырезанные части сохраняются

For alignment with radial vector – выравнивание с радиальным вектором

simple_html_m750dcfb8[4]

Затененная область, которая представляет собой часть, вырезанную по обе стороны от радиального вектора, показана на рисунке 3.

Метод, установленный для глубоких параболоидов, идентичен за исключением того, что R должен быть оценен для каждого значения X, используя точные отношения. Тогда dW рассчитывается исходя из

simple_html_m2494371c[4]

Информация о прототипе параболоидного концентратора, изготовленного в Тромбае.

С помощью технологии, описанной выше, прототип параболоидного концентратора 1 м в диаметре был изготовлен толщиной в 1 мм производственного листа алюминия. Алюминизированный майлар аккуратно был вставлен первым на плоский лист (вырезанная окружность до ~ 12o мм в диаметре). Обратите внимание, что он не должен быть круговым. Можно было бы также сделать параболоид с использованием прямоугольного листа, используя принцип, описанный в этой статье, используя клей Favicol, чтобы избежать наличия складок и воздушных карманов. Уравнение для параболы Y = X2/115см, с фокусным расстоянием 28,8 см.

Был подготовлен картонный шаблон, схожий с рис. 3, соответствующий вышеуказанной параболе. Вырезанная часть (заштрихована на рис. 3) была отмечена на алюминиевом листе с помощью кисти и краски по обе стороны от 16 симметрично расположенных радиальных векторов. После обрезания ненужной окрашенной части, поднимаем 16 лепестков и фиксируем их в положении с их краями, соприкасающимися друг с другом посредством удобного расположения таких проволочных зажимов, заклепок, винтов или гаек.

Эта необрезанная часть в центре играла важную роль, обеспечивая механическую жесткость изготовленного параболоида. Получившийся параболоид оказался самонесущей и структурно весьма жесткий. Рисунок 4 показывает изображение прототипа параболоида, созданного в Тромбае. С осторожностью и умеренным давлением возможно сделать верхнюю часть параболоида более круглой и менее полигональной по форме. Максимальная ширина каждого лепестка составляла 20 см. Сделаны механические измерения.

Тестирования лазерного луча.

Размер фокальной области параболоида измерялся при помощи портативного гелио-неонового лазера. Используется лазер мощностью 10 МВт с диаметром луча 2,5 мм, с длинной волны 630 нм (красная область). Параболоид был установлен горизонтально на такой каркас, который может вращаться вокруг центральной оси. Кладется лист миллиметровой бумаги на подложку картона вдоль центральной вертикальной плоскости в фокальной области параболоида. Создается лазерный луч для того, чтобы освещение падало вертикально вниз на отражатель из-за расположения зеркала. Параболоид вращался, освещались крайние точки на графике, и отмечалось отраженное лазерное место.

Рисунок 4. Прототип параболоида, изготовленный в Тромбае.

simple_html_5fff36c4[4]

Произошел резкий горизонтальный сдвиг на 10 см в отраженном месте, когда пучок падающего лазерного луча перешел от одного лепестка к следующему. Форма данного лепестка также была индивидуально рассмотрена, разброс или сдвиг отраженного лазерного пятна не наблюдался. Таким образом, было установлено, что фокальная область составляла ~ 10 см в диаметре и фокусное расстояние (длина) 22 + 5 см от дна. Это меньше, чем ожидаемое значение в 28,5 см, так как нижняя часть необрезанной части плоская.

Эксперимент по подогреву воды.

Производительность концентратора оценивалась путем нагрева воды/ измерений во время кипения. Наполненная 0,8 л воды стеклянная колба с затемненным дном, созданным при помощи черной эмали, помещенной в фокальной области. А-образная деревянная конструкция была использована для настройки концентратора.

0,8 литра воды кипятят в течение 15 мин. Это соответствует ~ 300 Вт поглощенной солнечной энергии. Предоставленное КПД ~ 35% (на основе 1 кВт/м2 перехваченного излучения). Эффективность находилась в зависимости от природы поглощающего сосуда, его формы, размера и степени почернения. В некоторых случаях наличие с внешней стороны ограждение чистого стекла вокруг абсорбирующей емкости значительно увеличилась эффективность.

Сводка и выводы

Измерения производительности параболоидного концентратора, построенного из алюминированного майлара, вставленного на основу листа при использовании технологии изготовления, описанной в этой статье, подтвердили адекватность для различных приложений. Данный метод может быть легко расширен для соединения параболических концентраторов (КТК), а также других, неизображенных двухосевых коллекторов. Если аналитическое выражение между R и X оказывается громоздким, аналоговый метод прямого измерения R при помощи ряда или иным способом, который может быть принят после изображения желаемой параболы или составной кривой до полного размера на полу или на деревянной доске.

Ссылки:

1. М. Л. Гай, T.Д. Бансал & Б. Н. Кауль Дизайн отражателя типа солнечной плиты, 12А, 165, (1953)

2. Е. А. Фарбер, Солнечная энергетика образование Proc. ISES 1973 года.

3. К.Х. Кастель & E. С. Коваалчик, Развитие статуса солнечного алюминиевого концентратора. Космические энергосистемы, стр. 821, Академик Пресс, Нью-Йорк 1966 год.

4. Р. Уинстон, Солнечный концентратор оригинальной конструкции, солнечная энергия (Solar Energy) 16,89, (1974)

5. VITA Отчет № 10, Оценка солнечных печей (подготовлено по контракту с Министерством торговли США, офис технического обслуживания) 1975.

Документ подготовлен на основе англоязычного материала.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *