автореферат диссертации по инженерной геометрии и компьютерной графике, 05.01.01, диссертация на тему:Геометрическое моделирование отражающих элементов гелиоустановок на основе их оптико-энергетических параметров

•' '. I 1 ■■ -

ечнистерстео просещшя унракш киевскш ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО бе<шеш1

тшточлтоигелыш институт

На правах рукописи

ШД11ЕВ Фуркат Даврснович ГШ2ТИГ£СК0Е ГОГ£ЛИРОВАНИ£ ОТРЛГЛПЗК элзгзггов

Г2:::-:ауст:сгох ил основа ¡а оптико-энергетичесюк илрлззтров

Специальное! я: 05.01.01 - Прикладная геометрия и аккенер-

кая графгка

Автореферат диссертации на соискание ученой степени ка;щидата технических наук

КИЕВ

- 1 9 9 2 г.

Работа выполнена в Киевском ордена Трудового Красного Знаиеыи инженерш-строительном институте.

Научный руководитель; кандидат технических наук, доцент СШЕЦКАЯ 1!.М.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор НАИДШ в.ы.

кандидат технических наук, доцент ДВОРЕЦКИЙ Л.Т.

Ведущая организация: Киевский Зональный научно-иссдедо-вательский и проектный институт типового и ¡экспериментального проектирования жилых и общественных зданий (КиеьЗНШШ)

Защита состоится "2/ " огс.^я, 5/ъ У 1992 г, в 13 часов на заседании специализированного Совета Д 068.05.03 в Киевском ордена Трудового Красного Зналеш инженерно-строительном институте по адресу: 252057, Киев - 37, Воздухофлотский проспект, 31, аудит ория 3/9 .

С диссертацией нежно ознакомиться в библиотеке Киевского ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительного института.

Автореферат разослан " гр иТхВря. 1992 г.

Ученый сакротарь специализированного Совета . к.г.н., доцент

г«ха общая характеристика работы

Актуальность.В настоящий период, характеризующийся резким ухудшением экологического состояния окружающей среда, быстрым истощением ископаемых источников энергии, ростом цен на сырье, значительно возрос интерес к использованию солнечного излучения как экологически чистого источника энерпш. Уже существует множество систем гелиоустановок различного назначения.

Лучистая энергия Солнца, проходя через атмосферу, испытывает сложные преобразования, происходит поглощение и рассеивание. Поэтому плотность ее потока у поверхности земли относительно невысока, что является основным недостатком солнечного излучения как первичного источника энергии. В связи с этим обстоятельством актуальным является создание концентрирующих систем с целью повышения плотности потока на ограниченной площади и получения температур, необходимых для эффективной работы преобразователей солнечной энерпш. Создание концентрирующих систем позволяет снизить стоимость самой гелиоустановки, т.к. с применением отражающих элементов значительно уненьшется площадь поверхности дорогостоящее приемников (преобразователей) солнечной энерпш. Концентрация лучистого потока, улавливаемого зеркальной системой,зависит от. площади миделя концентратора - площади проекции отражающего элемента на плоскость, перпендикулярную к солнечным лучам.

В зависимости от функционального назначения к концентраторам солнечного излучения предъявляются различные требования оптико - энергетического характера. В частности, одной из проблем является обеспечение равномерного распределения сконцентрированного потока солнечных лучей и поддержание определенной температуры на поверхности приемника в течении солнечного дня. Для удовлетворения -этих требований необходимы регулируемые концентраторы с отражающими элементами определенных размеров, формы и положения. Эти геометрические параметры являются основными конструктивными характеристиками при проектировании концентраторов. Поэтому насущным вопросом является разработка геометрических моделей отражающих элементов, отвечающих определенным требованиям к оптико-энергетическим характеристикам концентраторов солнечной энерпш.

Основой для комплексных исследований по разработке методов геометрического моделирования регулируемых концентраторов солнечного излучения служат современные достижения в области прикладной геометрии и гелиотехники.

Настоящая диссертационная работа посвещена вопросам геометрического моделирования отражающих поверхностей гелиоустановок на основе их оптико-энергетических характеристик.

Цель работы. Разработать способ автоматизированного расчета геометрических параметров солнечных концентраторов на основе их оптико-энергетических характеристик и внедрить его в практику проектирования. Для реализации указанной цели поставлены и решены следующие теоретические и прикладные задачи:

1. Исследовать зависимость геометрических параметров концентраторов солнечного излучения от оптико-энергетических характеристик.

; 2. Разработать алгоритмы геометрического расчета солнечного концентратора с плоскими и криволинейными отражателями при равномерном распределении тепловой энергии.

3. Предложить способ управления количеством концентрируемого тепла путем изменения площади миделя концентратора и взаимного положения плоских отражателей с целью поддержания постоянной температуры на приемнике.

' 4. Предложить математическую модель формы криволинейного отражателя с учетом равномерного распределения и постоянной температуры на поверхности приемника солнечного концентратора.

5. Разработать программное обеспечение, реализующее предложенные способы и алгоритмы.

6. Внедрить результаты исследования в практику реального проектирования гелиоустановок.

Методика исследований. Теоретической и информационной ба-!зой для проведенных исследований и решения поставленных задач .являются работы ученых: ■ '

-в области прикладной геометрии - Ю.И.Бадаева, В.С.Завьялова, В.Е.Михайленко, В.М.Найдыша, В.А.Осипова, А.В.Павлова, А.Л.Подгорного, В.Н.Кислоокого, Н.И.Седлецкой, В.И.Якунина,К. Де Бора, А.Фокса, а также А.И.Пилипенко, А.Т.Дворецкого, С.А.Боева и др. i

-в области строительной физики - Н.М.Гусева, Б.Андерсона,

П.Ю.Гамбурга и др.

-в области теории и расчета концентраторов солнечного излучения - Р.Р.Апариси, И.В.Баума, В.Б.Вейнберга, В.А.Грилихи-са, Р.А.Захидова, Д.И.Теплякова, Г.Я.Умарова, Д.Дрессера, Ф.Трамба, а также А.В.Варталяна, Л.М.Симановского и др.

-в области САПР, Л.Н.Авдотыша, К.Л.Сазонова, Д.Роджерса

и др.

Научную новизну работы составляют:

-исследование зависимости геометрических параметров регулируемых концентраторов от их оптико-знергетотеских характеристик;

-алгоритш геометрического расчета солнечного концентратора с плоскими и криволинейными отражателями при равномерном распределении тепловой энергии;

-способ управления количеством концентрируемого тепла путем изменения площади и взаишого положения плоских отражателей с целью поддержания постоянной температуры на приемнике.

-способ формировашш онлайновой модели криволинейного отражателя с учетом равномерного распределения и постоянной температуры на поверхности приемника солнечного концентратора.

Практтеская ценность. Разработашше способы и алгоритма р, изованы в виде программного обеспечения геометрических ра-сч, 'В, предназначенных для решения инженерно - геометрических зал при автоматизированном проектированш гелиоустановок, что способствует снижению трудоемкости процесса проектирования ьри выборе рационального решения.

На защиту выносятся основные положешм, составляклцие научную новизну работы.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы в виде алгоритмов и программ внедрены в научно-техническом центре "Узгелиотехника" (г. Ташкент), при проектировании солнечного поселка на 2000 жителей в Ташкентской области, а также в проектных разработках центра "Среда" Союза Архитекторов Украины.

: Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены:

-на 48-й, 51-й, 52-й и 53-й научно-практических конференциях Киевского инженерно-строительного института (1987-1092

гг.);

-на 43-й научной .конференции Полтавского инженерно-строительного института (г.Полтава, 1991 г.);

-на научных семинарах кафедры начертательной геометрии, инженерной и машинной графики Киевского инженерно-строительного института (г.Киев. 1987 - 1992 гг.)

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех, глав, заключения, списка использованной литературы из 149 наименований, приложения и содержит 107 страниц машинописного текста, 38 рисунков и двух таблиц.

содержание работы

Во введении - обоснована актуальность исследований, приведен обзор. литератур}шх источников и основных достижений по вопросам проектирования и геометрических расчетов концентраторов солнечного излучения (КСИ), а также сформулированы цель и задачи исследований настоящей работы.

; В первой главе - рассмотрены вопросы подготовки геометрической информации к проектированию регулируемых КСИ в зависимости от оптико - энергетических характеристик. Энергетической характеристикой КСИ является количество концентрации потока солнечных лучей (освещенность, тепло) на определенной поверхности приемника, которая зависит от площади миделя концентратора. Исследуется положение и форма отражающих поверхностей для определения площади миделя регулируемых концентраторов с ■учетом равномерного распределения потока . сконцентрированных солнечных лучей на поверхности приемника (преобразователя).

Для повышения эффективности гелиосистем предлагается дискретный способ ориентации по Солнцу, т.е. солнечный луч представляется в виде вектора и его прямоугольные координаты выражаются через координаты Солнца - азимут А0 и высоту Н°. Здесь, -принципиально важным является вопрос о положении и форме отражателя в зависимости от положения Солнца.

При .проектировании регулируемых концентраторов солнечного излучения необходимо заранее установить геометрические параметры гелиоустановки, основными из которых является форма ^и положение ее отражающих элементов.

Пусть рассматриваемая гелиоустановка имеет возможность в течение солнечного дня вращаться по направлению азимута А солнца и состоит из приемника шириной т и из двух плоских отражателей шириной Ъ, расположенных по бокам приемника (рис. 1.а). Тогда угол наклона отражателей с горизонтальной плоскостью в зависимости от высоты солнцестояния Н° определяется из уравнения

а,.= 180°- агссоэ 11

'- ь - / ьс V

2+г.- 51пгН°

1 + г

2 г.

(1)

«21= атссоБ

Ь + / Ье V

2+г.- з1паН°

Т + г. 1

2 г.

(2)

где

знака

Ь = * У1 * г. ), к п

Б, Вэ+ Сг, В =-[((2 + кг)з1лгН^)/6 + ((4 - к2)/12)г]

кз:1лгН..,а

2

-, значение ъ зависит от

4_-кг"!3 _®1пЕн1г1 _ (2 + ка)(4 - ка):] _ 1 г кзш-Н...

I- ] о I о J

12 1 2 При 0>0

г. ^ Е + Р - (4 - к )/12,

где Е = V- С + /гГ . ? =Э/- С - /Г . ) При Б < О

г. = 2 В соэ (у/3) - (4 - кг)/12,

где соб у = - С/

(к^в)^)

Для практической реализации предложенной схемы гелиоустановки (рис. 1.а.), существенным является вопрос определения взаимного положения отражателей при различной высоте солнце-.стояния .Н? . С изменением Н°. в течении солнечного дня положе-

Рис Л б

ния отражателей образует два пучка прямых с носителями A(xa,ua) и В(хв,ув). Поскольку при изменении высоты солнцестояния фиксированному положению одного из отражателей соответствует строго определенное положите другого отражателя между лучами пупсов А и В устанавливается взаимно однозначное соответствие. Поэтому множество точек N (рис.1.6.) пересечения пар соответственных лучей образуют кривую второго порядка. : При L < га множество точек N образует кривую (1) - эллипс, вытянутый по оси Оц; при I = ш кривая (2) - окружность и при I > ш, кривая (3) - есть эллипс вытянутый по оси Ох.

В случае, когда рассмотренный КСИ обеспечен системой слежения за Солнцем ( рис.2), то поток солнечных лучей в течении солнечного дня остается перпендикулярным к поверхности приемника. Тогда угол наклона отражателей с плоскостью приемника ;(при заданных значениях I) определяется следующим уравнением

■ сх = arceos [(/Í7 + 8тг -1)/4т]. (3)

При различии значениях 1,точка М описывает кривую третьего порядка - строфоиду.

Если КСИ тлеет схему, представленную на рис. 3, т.е. положение приемника параллельно направлению солнечных лучей, то при различных ¡значениях I угол наклона отражателей к оси Ох 'определяется по формуле

а = arcsüi l/2m при условии, что L < 2и (4)

Множество точек М образует - окружность радиуса т. 1 Алгоритмы проектирования регулируемых КСИ с криволинейной образующей разработаны для цилиндрической поверхности.

Рассматривается формообразование криволинейных отражателей КСИ (рис.4.) в зависимости от количества концентрата! К, с учетом равномерного распределения потока солнечных лучей на поверхности приемника. Пусть в системе координат OXY плоский приемник шириной m расположен как показано на рис. 4. Луч, отраженный от произвольной точки Р(Х ,Y ), падает в точку É(m/2,y), при этом условием обеспечения одинаковой плотности сконцентрированного излучения по ширине приемника m является

К = (Y - 2in)R/(m - ц), (5)

it

а

7

где R - коэффициент отражения поверхности.

Форма линии каркаса I криволинейного отражателя определяется следующими уравнениями

1 —

X = -й- + Гек + R)Y + (К + 2R)ml- <6а)

г I J 2Kt

К + 2R KR г (К + R)t2 + (К - R)-i k^r"

V = К + R П + ЩГ L : £ J (66) (К + R)t

riV Г

Параметр t равен значении производной —= ctg Пределы изменения параметра t определяются положением точек G и М линии каркаса отражающей поверхности. Принимается, что точка G принадлежит параболе с вершиной в точке D(0,m) и параметром и, тогда tQ- 1. Для точки М ц = 0, тогда из (5) имеем

м(К + 2R)

у = --(V)

м R

Подставив данное значение YM в уравнение (66), можно определить значение t .

Выполнешше в главе геометршеские расчеты используются в дальнейшем для вычисления площади миделя концентратора при определении количества сконцентрированного на поверхности приемника тепла.

Во второй главе '- рассматривался вопросы конструирования .КСИ с учетом поддержания определенной температуры на поверхности приемника в течении солнечного дня. ' • . Количество сконцентрированного .тепла на поверхности приемника КСЙ определяется выражением

Q = Qnp + Qorp, ' (8)

ср ср

где йпр. --напряжение солнечной радиации (теплопоступлениа) на

ср

поверхности приемника в Вт/ы2, которое определяется уравнением Qnp = q sin Н° Snp, • (9)

ср ^Н 1 •

где Snp - площадь приемника,м2, q - напряжение солнечной ра-

диации на нормальную к направлению солнечных лучей поверхность, которое для широт 38°- 64° определяется соотношением

qosin Н°

Ч = -5-, (10)

н sin Н° + С i

где q0 - солнечная постоянная за пределами атмосферы, равная 1370 Вт/м, С - эмпирический коэффициент, характеризующий прозрачность атмосферы С = (1 - Р)/Р, Р - коэффициент прозрачности атмосферы, Н°- высота солнцестояния как .функция часового угла т, склонение б и широта местности ф определяются по формуле

sin = cos ф cos б cos Т + sin ф sin б (11)

Q°TP - отраженное количество тепла на поверхности приемника определяется уравнением

аотр = quROTPSM, (12)

Ср Н

где ROTP - коэффициент отражения поверхности, SM - площадь миделя концентратора.

Для КСИ, представленного на рис.1, количество сконцентрированного тепла на поверхности приемника определяется из соотношения

Q = qup {sin H?m + Rl [sin(H° + й,,) + sin(H°- CL, )]> , (13)

H i 111 1 el

где р - длина приемника и отражателя, ra.L - соответственно их ширина.

В случае, приведенном на рис. 2 •

Q = qH(p и + R S^i), ' (14)

где п - количество отражателей, установленных по бокам прием- ' rama. Если m = р, то п может быть равно трем или четырем. Для поддержания определенной температуры Qnp на поверхности приемника значение L определяется из уравнения

qHm р - Qonp

L = - - н --(15)

/qHm р(Rm + 1) - QDnp 4 /-rq R n ш p- qHRPn

H

Для КСИ, представленного на рис.3 количество сконцентрированного теша оцределяется уравнением

О = ян1?рт б1п2ос. (16)

Для поддержания требуемой температуры (15) приобретает вид

,ОТР

I = ± 2т / У чн к р т (17)

2

Отметим, что в этом случае количество сконцентрированного тепла равно отраженному.

1 В течение солнечного дня поверхность криволинейного отражателя в зависимости от количества концентрации тепла постепенно изменяет свою первоначальную форму. При этом неизбежно 'возникает задача определения деформированного состояния поверхностей. Исходя из этого в работе рассмотрено построение сплайнов, в состав управляющих параметров которые входят физические величины- жесткость Еи и натяжение (сжатие) N. ! Предложена сплайновая модель линии каркаса отражающей 'поверхности, построенная на базе уравнений

ц = + сус + а^ з1лрх + а4 СОБ^Х, (18)

у = ах + а^ + аэсЪрх + а^рх, (19)

выражающих состояние оси многопролетной балки, вдоль которой .приложена равномерное сжимающее (18) или растягивающее (19) усилие интенсивностью N. Коэффициент р определяется соотношением ■

Р = (20)

N

Рассматривается построение таких сплайнов на примере их интерполяционной схемы. Поскольку уравнения (18),(19) имеют по четыре неизвестных, то для построения сплайна на каждом интервале Сх , *х 3 его области оцределения [х1,х2, •••>хп3 необходимо решить систему четырех уравнений относительно четырех неизвестных. В локальной системе координат для произвольного интервала [х^ х^] эта система будет составляться для (18), ' исходя из следующих условий:

при = О

«1 = а1+ а4

и;

при х1+1- х±= Н1+1= а3 з1п(Р11)+ а4соБ(рЪ1)

а2+ р а3 соэСР^) - р а^пф^)

Подставив значения коэффициентов а , а2, а3 и а4, полученные в результате решения системы уравнений (21), в (18) и выполнив необходимые преобразования, получим

Ц =

(1 - К)(1 + соэрх) - ш(Р11- рх + Й1прх)

(КР^ - ш)(1 - соэрх) + (1 - К)(рх + з!прх) - шръ э1лрх

_ ,

(1 - К)(1 - собРх) - ш(рх - эллрх)

(га - Р11)(1 - созрх) + (1 - К)(Рх - эллрх) _

Н,

ы;

(22)

где А = 2 - 2К - шрг., К = собР'Ц, ш = зигР'Ц .

Аналогичные соотношения получены для (19). .

Исследуются формообразующие свойства сплайнов, полученных на базе (18), (19) при варьировании коэффициента р. На основании анализа полученных семеств линий показана возможность определения величины приложенного усилия N для достижения требуемой форш кривой.

Предлагается применить результаты этих исследований для моделирования линии каркаса отражающей поверхности концентратора, информация о дискретных узлах которой получается численным решением уравнений 6а, 66. Поскольку в случае равномерного распределения тепла отражающая поверхность является цшшндри- •

ческой, она полностью определена полученной линией каркаса и направлением образующей (рис.4).

Для случая поддержания постоянной температуры предлагается рассматривать множество мгновенных отражающих цилиндрических поверхностей, кавдая из которых соответствует определенному моменту времени.

В третьей главе рассмотрены вопросы автоматизации проек-.тирования регулируемых концентраторов солнечного излучения. На 'основе предложенных алгоритмов разработано программное обеспечение, содержащее следующие бсновные программные модули.

Программа TEPL0 определяет часовые углы, координаты солнца (А°,Н°), напряжение солнечной радиации qH и азимуты восхода и захода Солнца.

Программа СК1 (объект представлен на рис.1.) определяет положение плоских отражателей в зависимости от высоты солнцестояния и количества сконцентрированного тепла на поверхности 'приемника.

Программы СК2 и СКЗ (объекты представлены на рис.2.,3.) определяют количество сконцентрированного тепла при различных значениях L, а также геометрических параметров гелиоустановок с учетом поддержания требуемой, температуры на поверхности приемника в течении солнечного дня.

Программа СК.4 (объект представлен на рис.4.) определяет геометрические параметры кривой отражателя с учетом равномерного распределения Солнечных лучей и поддержания постоянной температуры на поверхности приемника.

• Программа FORMA -определяет напряженно - деформированное состояние отражателей гелиоустановок с кривым линиями каркаса. .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .

В работе рассмотрены вопросы геометрического моделирования отражающих элементов гелиоустановок на основе их оптико-эенргётических параметров. В связи'с поставленными задачами получены следующие результаты:

1. На основе анализа задач, возникающих' в процессе проектирования регулируемых концентраторов солнечного излучения, выявлен круг вопросов, решаемых на основе геометрического мо-

делирования с применением средств вычислительной техники.

2. Выведена зависисмость геометрических параметров гелиоустановок от их оптико-энергетических характеристик с учетом равномерного распределения сконцентрированного потока солнечных лучей на поверхности приемкниа.

3. Установлены зависимости геометрических параметров концентраторов солнечного излучения в зависимости от координат Солнца.

4. Установлено влияние направления солнечных лучей на взаимное положение плоских отражателей.

5. Разработаны алгоритмы регулирования количества концентрируемого тепла путем изменения площади миделя концентратора с целью поддержания определенной температуры на поверхности приемника.

' 6. Установлено влияние количества сконцентрированного тепла на формообразование криволинейных отражателей с учетом равномерного распределения тепловой энергии на поверхности приемника.

7. Разработаны алгоритмы формирования сплайновой модели криволинейного отражателя с учетом равномерного распределения и постоянной температуры на поверхности приемника солнечного концентратора.

8. На основе разработанных алгоритмов создано программное 'обеспечение, реализующее прикладные задачи проектирования на ПЭВМ. Предложена методика автоматизации процессов проёктирова-ния регулируемых концентраторов солнечного излучения.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на геометрическое моделирование концентраторов с учетом расширения физических факторов, таких как прозрачность атмосферы, свойства материала отражателей и приемника (преобразователя), а также .< поиск рациональной формы приемника.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора: ■

Пилипенко Д.И., Седлецкая Н.И., Шодиев Ф.Д. Формообразующие свойства "сжатого" сплайна //Прикладная геометрия и инженерная графика. К.: Буд1вачьник. Вып.53, 1992. С.40-43.

Шодиев Ф.Д. Об одном способе определения формы плоских сечений геометрического тела при центральном проецировании.

Тезисы докл. 43-й научной конференции Полтавского инж.стр. института, апрель, 1991 г. (г.Полтава, ПолтИСИ, 1991. С.259).

Шод1ев Ф.Д. Формотворн! властивост1 "розтягнутого" сплайну //Прикл. геометр!я та 1нж.граф1ка.К.:Буд1вельник,1992. Вип.54

В робот1 розроблеш! геометричн! модел! в!дбиваючих елемен-т1в гел1опристро1в на основ1 1х оптико - енергетичних парамет-р1в. Розроблен1 алгоритми геометричного розрахунку сонячного концентратора з плоскими 1 кривая 1н1йними в!дбивачами за р1вном1рного розпод1лу теплово! енерПУ на приймач1. Запропо-новано спос1б керування к!льк1стю концентрованоУ теплоти шя-■хом зм!ни площ1 м1деля концентратора з метою п!дтримання задано* температури на поверхн1 приймача протягом сонячного дня. -Ьпрацьована сплайнова модель для кривол1н1йного в1дбивача з урахованням р!вном1рного розцод1лу та пост1йно! температури на поверхн1 приймача. На основ1 роэроблених алгоритм!в створено програмне забезпечення, яке реал1зуе црикладн1 задач! проек-!тування.

-Подп. к печ.^.ад йг . Формат 60Х84'/ц. Бумага

. ' тип. ~Ля £ . Печать офсетная. Усл. печ. л. о 9) . Усл. кр.-отт. ^ ц . Уч.-изд. л.{,С. . Тираж 1СО

Зак. ЛаX-/11-7 . Бесплатно.

РАНО «Украузполиграф». 252151, г. Киев, ул. Волынская, 60.