optička analiza paraboličnog koncentratora sunčevog ... · katedra za termotehniku,...

Optička analiza paraboličnog koncentratora sunčevog zračenja sa trapezoidnim

reflektujućim segmentima

1

Mašinski fakultet u Nišu, Univerzitet u NišuKatedra za termotehniku, termoenergetiku i procesnu tehniku

Autor : Saša Pavlović PhD student - istraživač saradnik

Koautori: Dr Velimir Stefanovic - red. prof.Emina Petrović Phd student – istraživač saradnikDr Slavica Cvetković - red. prof

45 Međunarodni kongres o grejanju, hlađenju i klimatizaciji12/10/14

45. Međunarodni kongres i izložba o grejanju, hlađenju i klimatizaciji

3–5. decembar 2014, Beograd, Srbija

2

SADRŽAJ§ UVOD

§ PREGLED IZVEDENIH SISTEMA U SVETU

§ Geometrijski model solarnog paraboličnog termalnog koncentratora

§ Optička analiza solarnog paraboličnog termalnog koncentratora

§ RAY – TRACING SIMULACIJA SOLARNOG PARABOLIČNOG KONCENTRATORA

§ rezultati

§ ZAKLJUČCI

12/10/14


tehniku

45 Međunarodni kongres o grejanju, hlađenju i klimatizaciji

3

Uvod

• Uređaj koji transformiše energiju sunčevog zračenja u toplotnu energiju radnog medijuma naziva se solarni kolektor. Solarni termalni koncentratori su široko rasprostranjeni u svetu, i imaju osnovni zadatak da koncentrišu sunčevu energiju zračenja u maloj oblasti koja se nalazi u fokusu i konvertuju tu energiju u toplotu srednje i visoke temperature.

• Glavni tipovi solarnih koncentrišućih kolektora su:

→ Parabolično tanjirasti kolektor (Paraboic dish)→ Parabolično – cilindrični (PTC), solarni toranj sa heliostatskim poljem panela, CPC, → Frenelov kolektor sa sočivima i ogledalima, itd.12/10/14



4



LocationSolar irradiation on

horizontal plane (Wh/m2/year)

Solar irradiation on vertical

plane (Wh/m2/year)

Solar irradiation on optimally inclined

plane (Wh/m2/year)

Optimal inclination (deg.)

Ratio of diffuse to global solar irradiation

Bakersfield, USA 5311 3623 5879 55

Peoria, USA 5281 3696 5900 56

Sanlúcar la Mayor, Spain

4740 3390 5380 33 0,37

Guadix, Spain 4750 3400 5390 33 0,38

Calasparra, Spain

4650 3450 5350 34 0,37

Jülich, Germany 2630 2050 2960 34 0,59

Newcastle, Australia

4590 3154 5031 57

Subotica, Serbia 3430 2620 3910 34 0,49

Beograd, Serbia 3620 2750 4130 35 0,47

Kragujevac, Serbia

3710 2790 4210 34 0,47

Niš, Serbia 3700 2690 4140 33 0,48

Novi Pazar, Serbia

3890 2990 4470 35 0,46

5



Lokacija Proizvođač Površina (m2) Kapacitet (kWe)

SpainInfinia Corporation & Schaigh-Bergermann und Patner

N/A 3

Odeillo, France Schaigh-Bergermann und Patner 57 10

Seville, Spain Schaigh-Bergermann und Patner N/A 10

Eibelstadt, Germany Schaigh-Bergermann und Patner 57 10

Vellore, India Schaigh-Bergermann und Patner 57 10

Milan, Italy Schaigh-Bergermann und Patner 57 10Almeria, Spain Schaigh-Bergermann und Patner 57 2 x 10

Canbera, Australia Austalian National Universitz/Wizard Power Pty 400 150Plataforma Solar de Almeria, Spain

Sandia National Laboratories/Stirling Energy Systems

N/A 150

6

Faculty of Mechanical Engineering , University of Niš Department for Energetics and Process technique

12/10/14

╬ Konstrukcija Paraboličnog Termalnog Koncentratora Sunčevog Zračenja

q Konstrukcija se zasniva na paraboličnom koncentratoru sačinjenog od 12 identičnih krivolinijskih trepezoidnih reflektujućih segmenata

q Matematička reprezentacija paraboličnog koncentratora je paraboloid koji može biti predstavljen kao površina dobijena rotacijom parabole oko njegove ose

q Jednačina parabole u Kartezijanskom koord. sistemu kao i cilindričnom sistemu prikazana ja kao:

2 2 4x y fz+ =

712/10/14

q Odnos rastojanja na kome se fokus nalazi prema prečniku definiše oblik paraboloida i relativnu lokaciju njegovog fokusaq Jedna od najvažnijih k-ka fokusirajućih sistema jeste koncentracioni odnos

(CR) koji predstavlja odnos efektivne površine aperture i površine apsorbera

( ) 12 1sin /g a c r app recCR A A A Aθ− −= = =

:

q Projektovani parabilični koncentrator sunčevog zračenja ima geometrijski koncentracioni odnos

CR = 13615

q Koncentracioni odnos fluksa (Cflux):

╬ Konstrukcija Paraboličnog Termalnog Koncentratora Sunčevog Zračenja



812/10/14

X(cm) -140.0 -116.6 -93.33 -70.00 -46.67 -23.33 0.0Y(cm) 35 24.31 15.56 8.75 3.89 0.97 0.0

X(cm) 23.33 46.67 70.00 93.33 116.67 140

Y(cm) 0.97 3.83 8.75 15.56 24.31 35.00

TABELA I. Koordinate projektovanja parabolične površine solarnog koncentratora

Projektovanje Paraboličnog Koncentratora Sunčevog Zračenja



912/10/14 ICAT”14 Internatioanl Conference on Advanced Technology &Sciences

– Fizički model –

Odsečeni deo paraboloida (kružni paraboloid) dobijen je rotacijom segmenta parabole oko njegove - ose

3D CAD model solarnog paraboličnog koncentratora


1012/10/14

TABELA II. Konstruktivni parametri solarnog paraboličnog koncentratora

Parametri Numeričke vrednosti JedinicaPoluprečnik aperture R2 1.4 [m]

Poluprečnik male rupe R1 0.025 [m]Idealna osunčana površina koncentratora Aidel

6.208 [m2]

Površina poprečnog preseka paraboloida Aproj6.154 [m2]

Zaklonjena površina koncentratora Ashadow0.000452 [m2]

Efektivna površina koncentratora Aef=Aproj Ashadow6.1535 [m2]

Prečnika resivera - absorbera 0.024 [m]Oblik absorberske površine Ravni kružni disk -

Visina (dubina) koncentratora 0.35 [m]Žižna daljina 1.4 [m]

ψ1 10 [0]ψ2 45 [0]



– Fizički model –

1112/10/14

q Receiver - absorber je smešten u žižnoj oblasti - regionu gde prikuplja reflektovano zračenje od koncentratora. Resiver ima dve osnovne funkcije :

• da apsorbuje što je više moguće solarnog zračenja koje reflektuje koncentrator i • da transformiše tu energiju u toplotu radnog medijuma – heat transfer fluis -HTF

q Mala površina resivera pruža povećanje absorbovanog fluksa. Resiveri paraboličnih sistema su šuplji prijemnici sa malim otvorom (aperturom) kroz koju koncentrisana sunčeva energija ulazi

q Apertura resivera se optimizira da bude dovoljno velika kako bi primila najviše koncentrisane sunčeve energije, alii i dovoljno mala da ograniči zračenje i gubitke konvekcijom.

q Iako savršena refleksija paraboloida reflektuje paralelne zrake u jednoj tački, sunčevi zraci nisu potpuno paralelni (jer sunce nije tačkasti izvor), takođe svi realni koncentratori nisu idealno oblikovani. Zbog toga je koncentrisano zračenje u tački raspodeljeno na malu oblast sa najvećim koncentracionim fluksom u centru, opadajući eksponencijalno ka ivici


12



– Geometrijski modeli solarnih absorbera (resivera) –

13



14



qMonte Karlo metod je statisti ki metod koriš en za odre ivanje č ć đdistribucije fluksa zra enja u fokusnoj ravnič

qNaziv „Monte Karlo metod“ se odnosi na širok spektar matemati kih modela i algoritama ija je glavna karakteristika č čstohasti ki pristup, odnosno upotreba slu ajnih brojeva u č črešavanju razli itih problemač

qRay Tracing metodologija kopira realnu interakciju fotona snopa sun evih zraka sa prijemnom površinom reflektora i resivera.č

PRIMENA MONTE CARLO RAY – TRACING METODOLOGIJE

15


PRIMENA MONTE CARLO RAY – TRACING METODOLOGIJE

X

Y

Z

TR

f

nideal

nreal

nreal

Soltrace facet

Simulated element

nidealtrapezoidal reflective mirror petal

q Ugaona distribucija simuliranih zraka je modelirana primenom “pillbox-sunshape” modela, koja predstavlja idealan sunčev disk sa uniformnom osvetljenošćcu (brightness distribution) u polu konusnom uglu θsun.

( ) ( )

( )

2

2

1 1

0 0213

2

sun

sun

sun

cs sun

I I ,

I ,

θγ βθ

θ θ θπ θ β

πθ θ θ

+ − ÷ = ≤ ≤ + ÷

≤ ≤

Kjupersova ugaona distribucija simuliranih zraka

Vektorsko polje normala na površinu

1612/10/14

– Numerički Ray tracing model –q Za optičku analizu solarnog paraboličnog koncentratora korišćen je komercijalni softver

TracePro, Lamda Research Corporation, USA

q 12 trapezoidnih reflektujućih segmenata je definisano kao standarna ogledala sa visoko reflektivnom prevlakom. Koeficijenrt reflektivnosti je 95%.

q Receiver je cilindričnog oblika prečnika 24 mm postavljenog na 1400 mm od temena paraboličnog koncentratora ( u fokusnoj ravni).

q Izvor zračenja je postavljen na 2000 mm od temena paraboličnog koncentratora and poseduje kružni disk sa mrežom koja generiše 119401 zraka u okviru Monte Carlo simulacije.

q Prostorni profil simuliranih zraka je uniforman – “pillbox-sunshape”. Ulazni parametar za opitčku anlizu je direktna komponenta sunčevog zračenja

DNIaverage = 800 W/m2. Eksperimentalno izmerene vrednosti intenziteta sunčevog zračenja za grad Nis su između 750 W/m2 i 900 W/m2. (max.1100 W/m2 ).



17



q U optici generalno postoje dva načina simulacije hoda zraka:

• Sekvencijalna i• Ne-sekvencijalna simulacija hoda zraka

q.Prvi se koristi u projektovanju klasičnih optičkih sistema i on se karakteriše sa strogo definisanim prostiranjem zraka kroz optički sistem. To je uobičajeno sa leva na desno i jedan zrak može da pogodi reflektivnu površinu samo jednom.

q.Kod non-sequential ray - trace-a situacija je u potpunosti drugačija. Zraci mogu da se slobodno kreću. I u principu jedan zrak može više puta da pogodi jednu površinu.

q.Ovaj način hoda zraka se uglavnom koristi kod tzv. non-imaging optics tj.optike, koja ne formira lik već uglavnom služi za koncentraciju optičke energije (različiti tipovi solarnih koncentratora, reflektori različitih oblika, itd.).

1812/10/14

– Numerical optical model – Ray tracing model

Fig.5. Ray tracing optički model paraboličnog koncentratora

q Izvršena optička analiza primenuje Monte Carlo metodologiju i proračinava hod zraka od izvora do cilja. Simulacija je izvršena primenom SOBOL modela generisanjem 119401 zraka.

q Od ukupnog broja emitovanih zraka samo 103029 zraka je pogodilo površinu absorbera (82% emitovanih zraka je absorbovano na resiveru - absorberu)

q Proračunata količina zračenja absorbovanih zraka na resiveru je od 8.66∙106 W/m2 do 3.45∙107 W/m2. Ukupni proračunat fluks zračenja (snaga zračenja je 4031 W) - optička snaga



1912/10/14

– REZULTATI –

Slika.6. Raspodela fluksa absorbovanog zračenja na resiveru - absorberu

q Sa slike 6 mogu se videti proračunate vrednosti za ukupnu iradijansu - snagu zračenja u skladu sa teorijskim vrednostima

q U centru solarnog absorbera iradijansa je od 3.45∙107 W/m2 do 2∙107 W/m2 a na perifriji absorbera iradijansa (radiative flux) ide 8∙106 W/m2 to 2∙106 W/m2.

q Sa slike 7 možemo videti maksimalnu iradijansu koja je prikazana u kružnoj oblasti prečnika 8 mm (od -4 mm do 4 mm).

q Veoma zadovoljavajuća vrednost iradijanse je i u žižnoj oblasti prečnika 16 mm Dijagram iradijanse na periferiji absorbera je dat na slici 8.



2012/10/14

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 120.0

5.0x106

1.0x107

1.5x107

2.0x107

2.5x107

3.0x107

Irrad

ianc

e [W

/m2]

Receiver size [mm]

Irradiance diagram at the center of receiver y=0 mm

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 120

1x106

2x106

3x106

4x106

5x106

6x106

7x106

8x106

9x106

1x107

Irradiance diagram at the periphery of receiver y=8 mm

Irrad

ianc

e [W

/m2]

Receiver size [mm]

Slika.7. Dijagram zračenja u centru solarnog resivera- absorbera

Slika.8. Dijagram zračenja na periferiji solrnog resivera - absorbera



– REZULTATI –

21

zaključci§ Ovaj rad predstavlja prikaz optičke analize solarnog paraboličnog termalnog

koncentratora upotrebom Ray Tracing softvera Tracepro

§ Ukupni fluks zračenja u žižnoj oblasti se pokazao kao dobar. Raspodela energije zračenja – iradijanse absorbovanog fluksa je relativno uniformna za malu – usku oblast absorbera.

§ Između ostalog, u okviru optičke analize (budući pravci našeg istraživanja) variraćemo broj segmenata, veličinu segmenata, oblik segmenata, itd. Planiramo razvoj nove optimizacione metode - algoritma u okviru istrazivanja optimalnih parametara koncentrisucih paraboličnih prijemnika toplote.

§ Ovaj optimizacioni metod će omogućiti da se pronađu optimalni geometrijski i optički parametri solarnih paraboličnih koncentratora kao i sprega sa termičkim parametrima absorbera. (UDF –ANSYS FLUENT)

12/10/14



22

Zahvalnost§ Ovaj rad je urađen u okviru projekta III 42006 – “Istraživanje i razvoj energetski i

ekološki visokoefektivnih sistema poligeneracije zasnovanih na obnovljivim izvorima energije” (2011-2014), finansiran od strane Minisrarstva prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije

§ Autori se zahvaljuju Lambda Research Kompaniji za pruženu mogućnost korišćenja LICENCIRANOG softverskog paketa TracePro

12/10/14



HVALA NA PAŽNJI

optička analiza paraboličnog koncentratora sunčevog ... · katedra za termotehniku,...

Documents