Математическая модель поглощения оптической энергии разветвленной поверхностью приемника системы автономного энерготеплоснабжения сельскохозяйственного производства

Большая протяженность линий электропередач, характерная для сельскохозяйственного производства, увеличение тарифов на электроэнергию, отсутствие у удаленных сельскохозяйственных потребителей централизованного энергоснабжения, экологические требования делают актуальным преобразование энергии солнечного излучения в тепловую адаптированными устройствами к сельскохозяйственным технологическим операциям [5].

В свете изложенного, значительно возрос мировой интерес к освоению возобновляемых источников энергии, прежде всего Солнца, ветра и биотоплива. Эти виды энергии доступны и имеют значительный потенциал на большей территории Земли, по крайней мере, в заселенных районах.

Возобновляемые источники энергии по определению не подвержены истощению, следовательно, способны полностью решить проблему истощения энергетических ресурсов. Возобновляемые источники энергии находятся в среде обитания человека в естественном состоянии, следовательно, их можно использовать, не нанося экологического урона.

Однако практическое использование таких привлекательных источников энергии имеет свои, причем, весьма значительные, трудности, связанные с неуправляемостью и низкой плотностью энергетических потоков. Это в свою очередь порождает высокую стоимость используемой энергии. В этой связи, возобновляемые источники энергии пока находят применение преимущественно в автономных системах энергоснабжения небольшой мощности, хотя существуют и успешно реализуются проекты их использования в сетевом энергоснабжении в качестве дублирующих и разгрузочных энергостанций.

Значительное число потенциальных пользователей автономными гелиоустановками находится в сельском секторе экономики[1−4].

Повышение эффективности преобразования солнечного излучения в коллекторе инновационной энергосберегающей системы автономного энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий южных регионов России на базе гелиои фотоэлектрических модулей предлагается путем использования многократного долевого поглощения солнечного излучения за счет разветвленной поверхности коллектора [6].

При попадании излучения на поверхность солнечного коллектора возникает многократное отражение между множеством ребер специальной формы (рисунок 1), причем одновременно с этим происходят многократные отражения между отдельными элементами каждых из «n» плоскостей.

• а) вид сверху
• б) вид сбоку

Рисунок 1 — Оребренная поверхность солнечного коллектора как объект с многократными отражениями Потоки излучения, установившиеся в результате многократных отражений на каждой из сторон оребренной поверхности коллектора, равны сумме потоков излучения, поступивших извне и от каждой взаимодействующей поверхности коллектора в (- коэффициент многократного отражения) раз за счет многократных отражений на самой поверхности коллектора:

(1).

где — коэффициент многократного отражения ц-й поверхности коллектора;

— коэффициент отражения ц-й поверхности коллектора;

Fц/ - световой поток, первоначально упавший на ц-ю поверхность коллектора;

Fц — световой поток, установившийся на ц-й поверхности коллектора в результате многократных отражений;

Yцiкоэффициент использования ц-й поверхности коллектора относительно i-й.

Для решения полученной системы уравнений преобразуем ее, перенеся все свободные члены в левую часть:

(2).

Приняв обозначение, составим выражение определителя системы уравнений:

(3).

Следовательно, поток излучения, установившийся в результате многократных отражений на ц-й поверхности коллектора, равен:

(4).

Коэффициент использования определяют, интегрируя второе уравнение Ламберта по излучающей и освещаемой поверхностям:

(5).

так как полный световой поток ц-й равнояркой поверхности коллектора равен .

Теоретические исследования подтверждаются экспериментальными исследованиями фрагментов инновационной энергосберегающей системы автономного энергоснабжения крестьянских и фермерских хозяйств на базе гелиомодулей (рисунок 2).

Из графика видно, что в первом опыте (плоская воспринимающая поверхность) часть солнечного излучения отражается и теряется в окружающую среду.

Рисунок 2 — Зависимости температуры воды от времени нагрева при разных поверхностях солнечного коллектора Во втором опыте (разветвленная поверхность, создающая многократные отражения) при угле падения солнечных лучей в 90° происходит более интенсивный на 17% нагрев.

• 1. Газалов В. С. Всесезонный электрогелиоводоподогреватель для сельскохозяйственных потребителей/ В. С. Газалов, Е.Ю. Абеленцев// Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2011. — № 8. — С.28−29
• 2. Газалов В. С. Параметры и режимы работы солнечного коллектора всесезонного электрогелиоводоподогрева для сельскохозяйственных потребителей/ В. С. Газалов, А.В. Брагинец// Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения: материалы 6-й Междунар. науч.-практ. конференции в рамках 16-й Междунар. агропромышленной выставки «Интерагромаш-2013» (г. Ростов-на-Дону, ВЦ «ВертолЭкспо», 26 февраля — 1 марта 2013 г.). — Ростов н/Д: Донской ГТУ, 2013. — С.441−444.
• 3. Газалов В. С. Энергосберегающий всесезонный электрогелиоводонагреватель для сельскохозяйственных потребителей/ В. С. Газалов, Е. Ю. Абеленцев, А. В. Брагинец // Инновационные пути развития агропромышленного комплекса: задачи и перспективы: донская агропромышленная науч.-практ. конф. посвященная 75-летию Ростовской области (24−26 октября 2012 г., г. Зерноград Ростовская обл., ФГБОУ ВПО АЧГАА). — Зерноград, 2012. — С.143−147.
• 4. Стребков, Д. С. Концентраторы солнечного излучения / Д. С. Стребков, Э. В. Тверьянович; Под ред. Д. С. Стребкова. — Москва: ГНУ ВИЭСХ, 2007. -316 с.
• 5. Амерханов, Р. А. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии / Р. А. Амерханов. — Москва: Колос-Пресс, 2003. — 532 с.
• 6. Пахомов В. И. Повышение эффективности поглощения энергии солнечного излучения поверхностью солнечного коллектора как объектом с многократными отражениями/ В. И. Пахомов, В. С. Газалов, А. В. Брагинец // Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий: сб. науч. докладов Междунар. науч.-техн. конференции «Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий» (г. Москва, ФГБНУ ВИМ, 17−18 сентября 2014 г.). — М.:ФГБНУ ВИМ, 2014. — С.372−376.