Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время во многих развитых странах мира ;дутся работы по созданию специальных установок и разработке технологий, спользующих солнечное излучение для получения электрической энергии и шла. Одним из перспективных направлений является создание гелиоэнерге-іческих установок на основе светосильных параболических рефлекторов. В рангах по солнечной энергетике обычно используется термин параболический энцентратор.
Из наиболее известных гелиоэнергетических установок данного типа мож-э отметить 25 киловаттную установку с рефлектором диаметром 10,6 м из 336 'еклянных зеркал (фацет) со сферической формой поверхности и двигателем гирлинга, разработанную американской фирмой Advanco Corporation в 1984 г. tancho Mirado, Калифорния). Установка имеет рекордно высокий кпд преоб-ізования солнечной энергии в электрическую, равный 29,4%. Другой амери-шской фирмой McDonnel Douglas Astronautics Corp. (Huntington Beach, Кали-орния) в 1984-1988 гг. была разработана установка с рефлектором диаметром ),5 м (из 82 стеклянных фацет). Разработкой солнечных установок на основе іраболических рефлекторов занимаются многие американские и европейские ирмы.
В 1989-1992 гг. в ГНЦ «НПО Астрофизика» (Россия) была создана гелио-іергетическая установка с параболическим рефлектором диаметром 5 м, состо-цим из 180 гексагональных зеркал (фацет) размером 420 мм со сферической эрмой поверхности.
Одной из важных задач при создании установок с параболическими реф-жторами является оценка требуемой точности изготовления рефлектора, его щетной аппроксимации и формы оптической поверхности зеркал (фацет). В :язи с этим разработка методов и измерительных систем для оценки точности іготовления рефлектора и качества формы поверхности зеркал для гелиоэнер-тических установок является необходимой частью программ развития солнеч-лх технологий.
К настоящему времени в ведущих мировых исследовательских центрах, нимающихся проблемами использования солнечной энергии, созданы различие методы контроля качества зеркал, из которых можно отметить следующие: ;тод Гартмана со сканированием лазерного луча по заданным точкам поверх-істи, 2і-метод, основанный на компьютерной обработке видеоизображения мигни с системой цветных концентрических колец, размещенной вблизи центра швизны зеркала, а также стереоскопический метод, основанный на обработке ідеоизображений поверхности, выполненных с различных позиций. Следует метить достаточную сложность и трудоемкость указанных методов, требую-их применения дорогостоящего оптико-электронного оборудования и разра-тки соответствующего программного обеспечения.
В ГНЦ «НПО Астрофизика» для контроля качества зеркал использовался ітод фокального пятна, основанный на измерении распределения энергии в шальной плоскости исследуемого зеркала.
Данная работа посвящена решению ряда актуальных задач, возникают^ при создании таких установок, в том числе расчетному обоснованию характер: стик параболических рефлекторов, фацетной аппроксимации, разработке мет дов исследования и контроля формы оптических элементов для составного зе кала рефлектора, разработке методов измерения распределения интенсивное! в фокальном пятне.
Задачи, решаемые в настоящей работе, являются составной частью НИ! проводимой в рамках работ Министерства науки и технологий РФ (програмл «Экологически чистая энергетика»).
Цель работы - определение путей повышения энергетических характер: стик гелиоэнергетической установки с параболическим рефлектором, а так» разработка методов и измерительных систем для оценки качества формы пове хности зеркал для этих установок.
Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:
разработана методика для оценки эффективности параболического реї лектора с учетом погрешностей его формы поверхности, ориентирования реї лектора на Солнце и размещения приемника излучения;
проведена фацетная аппроксимация составного параболического рефле тора путем выбора оптимизированных радиусов кривизны фацет;
разработан модифицированный теневой метод контроля зеркал солне ных установок, позволяющий определять величину и положение локальнь искажений на поверхности зеркал; разработана специальная программа д,з оценки знака и величины угловых ошибок формы поверхности зеркал.
создан комбинированный метод контроля качества поверхности зеркі на базе компьютерной обработки видеоизображений, который кроме измерені распределения энергии в фокальной плоскости (метод фокального пятна) позв ляет оценить величину и положение локальных искажений поверхности иссл дуемого зеркала (теневой метод);
разработана методика экспериментального исследования распределен! энергии в фокальном пятне установки с помощью проволочного анализаторе компьютерной обработкой экспериментальных данных:
выполнено расчетное обоснование возможности использования втори ного рефлектора, размещенного за фокальной плоскостью установки.
Методы исследований. При решении указанных задач использовались кі аналитические, так и числовые методы расчета с привлечением компьютерш техники. При расчете характеристик параболического рефлектора использова ся приближенный метод Апариси-Баума. При расчете хода лучей использов лись алгоритмы, применяемые для определения параметров оптических элеме тов. Для наглядного представления результатов расчетов разработан ряд пр грамм с использованием методов компьютерной графики и созданы специал ные программы для обработки видеоизображений.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: 1. Разработана методика оценки требований к точности изготовления п раболического рефлектора; решена задача фацетной аппроксимации парабол ческого рефлектора путем выбора оптимизированных радиусов кривизны фаце
-
Разработана модификация теневого метода, позволяющая определять еличину и положение локальных искажений на поверхности зеркал; создана пециальная программа для оценки знака и величины угловых ошибок формы оверхности зеркал.
-
Создан комбинированный метод контроля качества поверхности зеркал элнечного рефлектора на основе метода фокального пятна и теневого метода с омпьютерной обработкой видеоизображений.
-
Разработана методика расчета вторичного параболического рефлектора, озволяющего повысить энергетические характеристики солнечной установки.
Практическая ценность. В результате проведенных теоретических и экс-ериментальных исследований разработаны методики расчета, позволяющие ценить основные параметры и требуемую точность изготовления оптических цементов солнечной установки с параболическим рефлектором. Создан комби-ированный метод контроля качества поверхности зеркал параболического реф-ектора на основе метода фокального пятна и теневого метода. Разработанные етоды расчета, методики исследований и измерений внедрены при модерниза-ии гелиоэнергетической установки (ГЭУ-5) в ГНЦ «НПО Астрофизика» на по-игоне Грибаново (Московская область). Предложены варианты дальнейшей мо-грнизации этой установки, в том числе разработана методика расчета вторич-ого рефлектора и определены его основные параметры.
На защиту выносятся:
-
Методика оценки требований к точности изготовления параболическо-э рефлектора; решение задачи фацетной аппроксимации параболического реф-ектора.
-
Модификация теневого метода для зеркал солнечных установок, позво-яющая определять величину и положение локальных искажений поверхности сследуемого зеркала и специальная программа для оценки знака и величины гловых ошибок формы поверхности зеркал.
-
Комбинированный метод контроля формы оптической поверхности зер-ал солнечных установок на основе метода фокального пятна и теневого метода компьютерной обработкой видеоизображений.
-
Методика расчета, позволяющая обосновать выбор и определить основ-ые параметры вторичного параболического рефлектора с целью повышения яергетических характеристик солнечной установки.
Апробация работ. Основные положения работы докладывались на между-ародных научных конференциях:
-
3-й Международной научно-технической конференции «Распознавание 97», 25-28 ноября 1997 года в КГТУ (г. Курск).
-
Международной конференции «Прикладная оптика - 98» 16 -18 декаб-я 1998 года в г. Санкт-Петербурге.
-
54-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и моло-ых ученых, 23-24 марта 1999 г., в МИИГАиК, г. Москва.
-
Международной научно-технической конференции, посвященной 220-етию со дня основания Московского государственного университета геодезии и артографии, 24-29 мая 1999 года в МИИГАиК, г. Москва.
-
Международной конференции молодых ученых и специалистов «Опт] ка - 99», 19-21 октября 1999 года в г. Санкт-Петербурге.
-
Международной научно-технической конференции «Распознавание 99», 20-22 октября 1999 года в КГТУ (г. Курск).
Перечень публикаций основного содержания диссертации приведен в кої це автореферата.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введени;
четырех глав, заключения, списка литературы, включающего наименований
приложения. Общий объем составляет стр., рис., таблиц.
