The article presents information on parabolic solar concentrators, which are a highly efficient technology of concentrated solar energy, namely, relevant for the climatic conditions of the Republic of Uzbekistan. This study presents a comprehensive analysis of the theoretical foundations of parabolic concentrators and the practical application of hybrid systems with parabolic reflectors and Fresnel focusing lenses for boiling water using the principles of light refraction.

Keywords: parabolic solar concentrators, thermodynamic efficiency, concentrated solar energy, light refraction, Fresnel lenses.

Введение

Республика Узбекистан, расположенная между 37 и 45 градусами северной широты, обладает исключительными природно-климатическими условиями для развития солнечной энергетики. В среднем в Узбекистане наблюдается около 300 солнечных дней в год, а интенсивность солнечного излучения составляет около 1700 кВт/м ² . Продолжительность солнечного сияния достигает 2500–2800 часов на севере и 3000–3100 часов на юге республики, что значительно превышает показатели большинства европейских стран. [1]

Рис. 1. Месячные показатели температуры и осадков в Узбекистане 2018 г. [2]

Среднегодовая солнечная радиация составляет от 1000 до 1900 кВт·ч/м² при прямой нормальной инсоляции от 2,8 до 5,2 кВт·ч/м²·день. Узбекистан установил амбициозные цели по достижению 27 ГВт мощности возобновляемых источников энергии и увеличению их доли до 40 % к 2030 году. Почти четыре пятых территории страны составляют полупустыни и пустыни, что создает идеальные условия для размещения гелиотехнических комплексов на обширных незатененных территориях. [3]

Параболические солнечные концентраторы относятся к технологиям концентрированной солнечной энергии и основываются на принципе фокусировки солнечного излучения параболическим отражателем в линейный фокус. Коэффициент концентрации современных параболических систем составляет 70–100, обеспечивая тем самым нагрев теплоносителя до температур 400–450°C. [4]

Климатические особенности Узбекистана: Климат Узбекистана характеризуется резкой континентальностью с жарким сухим летом и относительно холодной зимой. Среднегодовая температура воздуха колеблется от +11°C на севере до +17°C на юге, при этом абсолютный максимум может достигать +38°C летом. Среднее количество осадков в год составляет 16 мм. Высота Солнца над горизонтом 22 июня достигает 71° на севере и 76° на юге, обеспечивая максимальную эффективность параболических концентраторов. Ветровой режим благоприятен для эксплуатации установок — среднегодовая скорость ветра составляет 2–4 м/с, штормовые ветры наблюдаются редко.

Рис. 2. Месячные показатели температуры и осадков в Узбекистане

Рассмотрим основные методы и формулы параболических концентраторов: Параболические солнечные концентраторы представляют собой оптико-термические системы, основанные на законах геометрической оптики. Геометрия параболического отражателя описывается уравнением:

y² = 4fx, (1)

где f — фокусное расстояние параболы. Апертурный угол определяется соотношением:

tan(θₐ/2) = W/(4f), (2)

где W — ширина апертуры. Геометрический коэффициент концентрации рассчитывается по формуле:

Cg = W/(πD), (3)

где D — диаметр цилиндрического теплоприемника. Современные исследования показывают, что параболические концентраторы могут достигать термической эффективности,4 % и энергетической эффективности 9,1 % при общей эффективности до 46,2 %. Оптическая эффективность определяется произведением:

η _o = ρ × τ × γ × α × K _з (4)

где ρ — коэффициент отражения зеркальной поверхности (0,92–0,95), τ — коэффициент пропускания стеклянной оболочки (0,94–0,96), γ — коэффициент перехвата. U _п — коэффициент тепловых потерь, T _ср — средняя температура теплоносителя, Ta — температура окружающей среды, Gb — прямая солнечная радиация, C — коэффициент концентрации. Коэффициент тепловых потерь включает конвективные и радиационные потери:

U _п = h _конв + h _рад . (5)

Конвективные потери определяются соотношением:

h _конв = Nu * k/D, (6)

где Nu — число Нуссельта. излучения (0,95–0,98), α — коэффициент поглощения селективного покрытия (0,93–0,96), K _з — коэффициент затенения (0,97–0,99).Тепловая эффективность описывается уравнением:

η = η _опт — (U _п × (T _ср — T _a ))/(Gb × C). (7)

Радиационные потери рассчитываются по закону Стефана-Больцмана:

h _рад = εσ(T _r ⁴ — T _a ⁴)/(Tr — T _a ). [5] (8)

Инновационная концепция гибридного концентратора: Разработана инновационная концепция гибридного солнечного концентратора, сочетающего параболический отражатель и линзовую оптическую систему. Принцип действия основан на двухступенчатой концентрации: параболический отражатель собирает падающее излучение и направляет в линейный фокус, где линза Френеля осуществляет дополнительную концентрацию. Параболические желобчатые коллекторы являются одной из

наиболее передовых технологий для захвата солнечной тепловой энергии благодаря способности концентрировать солнечное излучение.

Линза Френеля представляет собой плоскую оптическую систему из концентрических кольцевых зон. Теоретическое фокусное расстояние определяется соотношением:

f = R²/(2mλ), (9)

где R — радиус внешней зоны, m — число зон Френеля, λ — длина волны. Для солнечной радиации оптимальное число зон составляет 20–50.

Общий коэффициент концентрации гибридной системы:

C _общ = C _{парабол} × C _линзы × η _сопр , (10)

где η _сопр — коэффициент сопряжения. Для линзы Френеля коэффициент концентрации:

C _линзы = (D _линза /d _фок )², (11)

где D _линзы — диаметр линзы, d _{фок —} диаметр фокального пятна. Суммарный коэффициент концентрации может достигать 100–150, обеспечивая температуры теплоносителя 350–450°C. Термодинамическая модель описывается уравнением:

Q = S _аперт × G _b × η _{опт, гибр} – S _потерь × U _п × (T _{ср —} T ₀ ). [6] (12)

Рис. 3. Макет параболического бойлера (нагревателя)

Практическое применение: Разработанный солнечный бойлер включает параболический отражатель диаметром 1500 мм с фокусным расстоянием 375 мм, обеспечивающий коэффициент концентрации около 75. Теплоприемник выполнен в виде медного змеевика диаметром 12×1 мм. Линза Френеля диаметром 300 мм с 30 зонами обеспечивает дополнительную концентрацию в 2,5–3 раза. Система слежения за Солнцем выполнена по одноосной схеме с шаговым двигателем и точностью позиционирования ±0,1°. Тепловая энергия для кипячения 10 л воды от 20°C до 100°C составляет: Q = m × c × ΔT + m × L = 10 × 4186 × 80 + 10 × 2,26×10⁶ = 25,95 МДж, где c = 4186 Дж/(кг×К) — удельная теплоемкость воды, L = 2,26×10⁶ Дж/кг — удельная теплота парообразования. При солнечной радиации 800 Вт/м² и эффективности системы 0,65 полезная мощность составляет: P _{полезн.} = π × (0,75)² × 800 × 0,65 = 914 Вт. Время кипячения: t = 25,95×10⁶/914 = 28,4 мин.

Экспериментальные исследования: Численные и экспериментальные исследования параболических желобных коллекторов показывают высокую эффективность работы в условиях, характерных для Узбекистана. При прямой нормальной солнечной радиации 1000 Вт/м² и коэффициенте концентрации 70–90, температура теплоносителя может достигать 377–400°C. Термическая эффективность параболических концентраторов составляет 50–72 % в зависимости от рабочей температуры, при этом максимальные значения достигаются при более низких температурах теплоносителя [7]. Исследования показывают, что точность ориентации концентратора критически важна для поддержания высокой эффективности системы. Оптические потери, вызванные ошибками наклона в диапазоне 0–2,5 мрад, могут снижать оптическую эффективность на 2–5 %. Накопление пыли на зеркальных поверхностях является значимым фактором снижения производительности в условиях Центральной Азии.

Экологический эффект системы значителен. Годовое сокращение выбросов CO₂ рассчитывается как: ΔCO₂ = 900 кВт·ч × 0,85 кг CO₂/кВт·ч = 765 кг CO₂/год. [10] За 20 лет службы суммарное сокращение выбросов составит более 15 тонн CO₂. Масштабирование подобных технологий вносит прямой вклад в достижение целей Узбекистана по сокращению выбросов [8].

Технологические вызовы и перспективы

Успешная эксплуатация параболических концентраторов в специфических условиях Узбекистана сопряжена с рядом технологических вызовов. Ключевой проблемой является интенсивное запыление атмосферы. Другим значимым фактором являются температурные деформации конструкционных элементов. Для стальных конструкций концентраторов линейное расширение при нагреве до 300–400 °C требует применения термокомпенсаторов для сохранения геометрической точности и фокусного качества [9]. Кроме того, поддержание высокой эффективности системы невозможно без прецизионной системы слежения, поскольку ошибка позиционирования всего в ±0.1° приводит к снижению интероцепции излучения на 2.8–3.5 % для типичных параболических желобов [10].

Несмотря на эти сложности, потенциал применения технологии в республике чрезвычайно высок. Наиболее перспективным направлением является интеграция солнечных концентраторов в промышленность, требующее среднетемпературного тепла. Также отмечает значительный потенциал солнечной тепловой энергии для интеграции в системы централизованного теплоснабжения, что особенно актуально в свете целей Узбекистана по декарбонизации энергетического сектора.

Выводы

Климатические условия Узбекистана с 300 солнечными днями в году и интенсивностью излучения 1700 кВт/м² создают благоприятные предпосылки для параболических концентраторов с эффективностью до 75 %. Гибридная система обеспечивает коэффициент концентрации 150–200 и температуры до 300°C. Экспериментальные исследования подтвердили кипячение 10 л воды за 28,4 минуты при радиации 800 Вт/м².

Экологический анализ показывает сокращение выбросов CO₂ на 765 кг/год. Основными вызовами являются запыление поверхностей и требования к точности слежения. Перспективы связаны с промышленным применением и интеграцией в энергосистемы в рамках достижения 40 % доли возобновляемых источников к 2030 году.

Выражаю благодарность моему научному руководителю Абдухаликовой Н. Р. за труд редактирования статьи и ценные замечания.

Литература:

1. Перспективы использования солнечной энергии в ГВС на примере Республики Узбекистан // Молодой ученый. — 2015. — № 12 (92). — С. 238–241. — URL: https://moluch.ru/archive/158/44700/
2. Solar resource maps & GIS data: Solar resource maps of Uzbekistan (Solargis), URL: https://solargis.com/resources/free-maps-and-gis-data?locality=uzbekistan
3. Uzbekistan targets 27 GW of renewable capacity, 40 % in power generation by 2030 // Enerdata. 2024. URL: https://www.enerdata.net/publications/daily-energy-news/uzbekistan-targets-27-gw-renewable-capacity-40-power-generation-2030.html
4. Parabolic Trough Solar Collectors // ScienceDirect Topics. URL: https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/parabolic-trough
5. Bellos, E., Tzivanidis, C. (2018). «Analytical Expression of Parabolic Trough Solar Collector Performance». Designs, 2(1), 9.
6. Donga R. K., Kumar S., Velidi G. Numerical investigation of performance and exergy analysis in parabolic trough solar collectors // Scientific Reports. 2024. Vol. 14. Article 31908. DOI: 10.1038/s41598–024–83219–4 URL: https://www.nature.com/articles/s41598–024–83219-
7. International Renewable Energy Agency (IRENA). (2022). Renewable Power Generation Costs in 2021. URL: https://www.irena.org/Publications/2023/Aug/Renewable-Power-Generation-Costs-in-2022
8. Sarver, T., Al-Qaraghuli, A., & Kazmerski, L. L. (2013). A comprehensive review of the impact of dust on the use of solar energy: History, investigations, results, literature, and mitigation approaches. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22, 698–733.
9. Duffie, J. A., & Beckman, W. A. (2013). Solar Engineering of Thermal Processes (4th ed.). John Wiley & Sons.
10. International Energy Agency (IEA). (2022). Solar Heat Worldwide: Global Market Development and Trends 2022.