Шерматов Ж.З., Акбаров Р.Ю., Тахиров Ш., Зафарова К.Ж., Лазерев М.А., Хрулёв К.В. // Автоматизация оценки энергетического вклада гелиостатов с использованием лазерного сканирования на Большой Солнечной печи в Узбекистане. Сборник статей международной научно-технической конференции «Новые технологии

1.Шерматов Ж.З.

2, Акбаров Р.Ю.

3, Тахиров Ш

4, Зафарова К.Ж.

5, Лазарев М.А.

6, К.В. Хрулев

1) Институт материаловедения Академии наук Республики Узбекистан; г. Ташкент, Узбекистан

2) Dept. of Civil and Environ. Engineering, University of California; Berkeley, USA

3) Специализированная школа №5 в Паркентском районе; г. Ташкент, Узбекистан

4) ГБОУ Школа №57; г. Москва, Российская Федерация

5) Школа «Летово», г. Москва, Российская Федерация Большая Солнечная Печь (БСП) оснащена современными приборами для измерения плотности концентрированной солнечной энергии, температуры ис-следуемых материалов и приборами для контроля протекания высокотемпера-21

турных процессов. К ним относятся высокотемпературный пирометр для дистан-ционного измерения температуры материалов (IMPAC IGA 12, T max=35000C), тепловизор (FLIR A655), различные радиометры, фотометры, цифровые термомет-ры, система технического зрения (разработки института Материаловедения) и др. Характерные для солнечных энергетических установок оптимальные значе-ния степени концентрации лежат в диапазоне от единиц до сотен.

При концен-трировании солнечного излучения не только повышается его плотность, но и изменяется распределение в пространстве, а, следовательно, и на лучевоспри-нимающих поверхностях [1]. Применение видеокамеры с ЭВМ – Системы Технического Зрения (СТЗ) для анализа энергетических характеристик БСП позволяет проводить измеритель-ные работы более оперативно, информативно и качественно [2]. На рисунке 1 показано трёхмерное распределение энергии от 44-х гелиостатов в фокальной зоне БСП, полученной с применением СТЗ. Для измерения плотности теплового потока концентрированного солнечного из-лучения на солнечных печах разработаны измерители плотности лучистых потоков, а также разработаны методики проведения измерений плотностей лучистых пото-ков. Разработанные измерители (теплоприемники) позволяют измерять как инте-гральную плотность (общую мощность) лучистого потока в фокусе концентратора солнечной печи, так и распределение плотности потока по фокальному пятну. В случае БСП особую важность приобретает энергетические вклады отдель-ных гелиостатов в формировании общей фокальной плотности. Для этого необ-ходимо иметь возможность всестороннего анализа энергетических характери-стик отдельных гелиостатов. Для этой цели используется система визуализации фокального пятна отдельных гелиостатов [2].

Рисунок 1 – Трёхмерное распределение энергии от 44-х гелиостатов в фокальной зоне БСП

Анализ характеристик технологических режимов синтеза и термообработки материалов, т.е. временные карты распределения плотности энергии в фокаль-ной зоне БСП, показывает, что они очень разнообразны. По этой причине вся-кая информация о технологических режимах БСП сопровождается сопутству-ющей технической информацией (т.е. дата, радиация, неточности зеркал, коэф-фициент отражения зеркал, число рабочих гелиостатов и т.д.). Детальную энер-22

гетическую информацию можно получить с помощью специальных программ расчёта энергетических характеристик БСП. При эксплуатации Большой Сол-нечной Печи используется программа для расчёта его энергетических характе-ристик с учётом реальных влияющих факторов. Входными параметрами программы являются: прямая солнечная радиация E

0 [Вт/см2], Rsc, R sg - коэффициенты отражения зеркал концентратора и ге-лиостатов, среднеквадратичная неточность зеркал гелиостатов σ

g и концентра-тора σc, относительные границы интегрирования гелиостатов, число точек в фо-кальной плоскости, число розыгрышей в методе Монте-Карло и др. Во всех проведенных расчётах распределение плотности энергии определялось для плоского приёмника, расположенного в фокальной плоскости концентратора. После выбора гелиостата, полок или всей системы, на экране компьютера появ-ляется второй экран, в котором необходимо ввести точные первичные данные. После нажатия кнопки «Расчёт» на экране появляются результаты расчёта в текстовом и графическом представлении. С использованием данной программы проведены численные расчёты по определению распределения облученности отдельных гелиостатов, полок ге-лиостатов, группы гелиостатов, всей системы при различных неточностях от-ражающих поверхностей гелиостатов и концентратора. На рисунке 2 представлена зависимость фокальной облученности E F от неточ-ности зеркал гелиостатов σ g и концентратора σc. ( E0 = 700Вт/м2 , Rsc= Rsg = 0.6). Важным является вопрос о размере фокального пятна в различных случаях. Обычно в солнечных концентраторах в качестве размера фокального пятна вы-бирают величину, в которой облучённость равняется 10% доли фокальной об-лученности. Проведенные расчеты показывают, что размер пятна по горизон-тальной оси изменяется от 52 см в диаметре (идеальная система) до 1 м (σ ми-нутные неточности концентратора и гелиостатов). Изменение диаметра пятна в зависимости от неточности зеркал приблизительно линейное. По вертикальной оси размер пятна немного уже.

Рисунок 2 – Зависимость фокальной облученности от неточности зеркал На рисунке 3 представлены зависимости плотности на пятне и средняя кон-центрация КСИ в определённых зонах пятна. 23

Такие зависимости представляется важными, когда появляется необходи-мость определения характера распределения мощности концентрированного солнечного излучения (КСИ) по размеру пятна и среднюю концентрацию излу-чения в определенных зонах фокального пятна. Нами определены мощности пятна W в различных квадратных зонах с центром в фокусе концентратора (d - диаметр зоны) и средние концентрации излучения E сред в этих зонах.

Рисунок 3 – Мощность и средняя концентрация в различных зонах Для оптимизации производительности Большой Солнечной Печи нами впервые было сделано лазерное сканирование с помощью Leica ScanStation С10 и активного управления с обратной связью. Лазерный сканер Leica ScanStation C10 позволяет получать трехмерные дан-ные и изображения 3D высокого качества максимально быстро. Скорость 1 млн. измерений в секунду, дальность сканирования до 120 метров, высокая точность дальномера - на всём диапазоне расстояний, угловая точность 8”. Основная функция - это поверка и калибровка параметров [3]. Лазерное сканирование основано на принципе электронной рулетки, угло-вые координаты исходящего луча известны и замеряется расстояние (радиус сферы) => вычисляются координаты X, Y, Z. Основы работы лазерного сканера: собирается местоположение большого количества точек объекта, эти множества точек называются облаками точек. Снимки были сделаны с 19 станций, с каж-дой станции собраны облака точек в локальной системе координат сканера (рисунок 4). Все облака точек сшиты вместе с помощью программы Cyclone.

Рисунок 4 – Лазерное сканирование активного управления с обратной связью 24

Облако точек переведено в систему координат с вершиной под средней точ-кой параболической поверхности, Ось X совпадает с направлением на гео-монумент у памятника Солнце, Ось Z совпадает с гравитационной осью. С помощью лазерного сканера подсчитали уклон дороги на вертикальном сече-нии вдоль оси X. Уклон дороги: Altitute = 40.05+0.1=41.05; Hypotenuse = 230.88; Θ = asin(41.05/230.88)=10.24º, расстояния между гелиостатами, расстояние от фокуса до концентратора и многие другие точки. Примеры сложных замеров: параболический концентратор. Уравнение пара-болической поверхности: x = p00 + p10y+ p01z+ p20y2+ p11yz + p02z2; Ось Z совпадает с гравитационной осью, поэтому преобразование системы ко-ординат сводится к переносу вершины в (x0, y0, z0) и поворот в плоскости. Величина вектора переноса и поворот определяется путём минимизации p00, p10, p01, и p11; чтобы X* = p20Y2 + p02Z2; p20 и p02 должны быть близки к друг другу (рис 3).

Рисунок 3. Примеры сложных замеров на примере параболического концентратора Измерения дали, следующие результаты: величина вектора переноса: (3.524025382, 3.925990241, 21.886048354). Величина угла поправки: 0.6360 гра-дуса. Фокальная дистанция: F = 1/4/((p20+p02)/2) = 17.9615 м. Проведенный теоретико-расчётный анализ энергетических характеристик БСП и выявленные их особенности, общие закономерности, а также представ-ленные подробные данные позволяют корректно определить конфигурационные параметры БСП для реализации различных режимов в фокальной зоне печи. Многолетний опыт применения Большой Солнечной Печи для синтеза и термо-обработки различных высокотемпературных материалов показал, что точность реализации определенных технологических режимов существенно влияет на конечные характеристики продукта. Поэтому полученные результаты имеют важное практическое значение для эффективной эксплуатации Большой Сол-нечной Печи [3]. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Андреев В.М., Грелихус В.А, Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения//Л.: Наука, 1989, -300с. 2. A.Abdurakhmanov, SA Faiziev, RY Akbarov, SK Suleimanov, MK Rumi, Properties of py-roxene glass ceramics, heat treated in the Big Solar Furnace//Applied Solar Energy 45 (1), 45-47. 25

3. Shakhzod Takhirov, Odilkhuja Parpiev, Zhavohir Shermatov, Anvar Zakhidov, Jamshid Avloni, Ravshan Shamansurov // Smart laser scanning of Uzbekistan’s Big Solar Furnace for pergormance optimization, ISAS 2023 - 7th International Symposium on Innovative Approaches in Smart Tech-nologies, 23-25 November 2023 y., Istanbul, Turkey, DOI: 10.1109/ISAS60782.2023.10391607. УДК 621.9