A BIG SOLAR OVEN

Abstract

The article describes a large solar furnace (Parkent, Uzbekistan) and its capabilities.

Full Text

Большая Солнечная Печь (БСП) мощностью 700 кило- ватт, расположена в горах недалеко от Ташкента. Большая Солнечная Печь представляет собой сложный оптико-ме- ханический комплекс с автоматическими системами управ- ления, состоящий из гелиостатного поля и параболоидного концентратора, формирующих в фокальной зоне концен- тратора стационарный поток энергии высокой плотности. Площадь отражающей поверхности гелиостатного поля - 3020 м², концентратора - 1840 м². image Общий вид гелиокомплекса Гелиокомплекс расположен в 50 км от Ташкента, в Пар- кентском районе, в поселке Чанги в предгорьях Тянь-Шаня на высоте 1100 метров над уровнем моря. Его строительство заняло не так много времени, учитывая грандиозность и вы- сокую точность установки - в период с 1981 по 1987 г. Место для строительства выбиралось очень тщательно: во-первых, должно было быть достаточно много солнечных дней в году, во-вторых, воздух должен быть с минимальным содержани- ем пыли, в-третьих, весь комплекс расположен на едином скальном массиве, чтобы не нарушалась юстировка и точ- ность, особенно при сейсмических колебаниях. Гелиокомплекс состоит из 4 основных структурных под- разделений: гелиостатное поле, концентратор, технологиче- ская башня и главный корпус. 141 image Вид сзади image Главный корпус image Главный корпус image Гелиостатное поле image Гелиостатное поле image Гелиостаты расположены в шахматном порядке Гелиостатное поле состоит из 62 гелиостатов, разме- щенных в шахматном порядке (для уменьшения затенения) на пологом склоне горы напротив концентратора. Каждый гелиостат размером 7,5 × 6,5 м состоит из 195 плоских зеркальных элементов. Отражающая площадь гелиостатного поля равна 3022 м2. Перед каждым гелиостатом установлен датчик слежения за лучом. Датчики автоматически корректируют положение каждого гелиостата в соответствии с движением солнца. Каждый гелиостат может поворачиваться как по вертикали, так и по горизонтали. Размер отдельной фацеты - 50 × 50 см. Отражающий слой фацеты образован вакуумным напы- лением алюминия с тыльной стороны и защищен акриловой краской. Нетрудно подсчитать, что всего на гелиостатном поле ис- пользуется 12 090 зеркал. Понятно, что управление таким количеством гелиоста- тов, да еще когда постоянно меняется положение Солнца в ручном режиме, абсолютно невозможно. В связи с этим, управление зеркалами полностью автоматизировано и ис- пользуются готовые программы на каждый день, учитыва- ющие положение солнца на небе. И это осуществляется не только по контролю датчиков, следящих за изменением положения Солнца, но и по программе, учитывающей ка- ким должно быть положение каждого гелиостата на дан- ный момент времени. Связанно это с тем, что если по ка- кой-то причине солнечный луч перекроется, например, из-за облаков, то гелиостаты должны все равно занять именно то положение, которое заняли бы, если солнечный свет попадал бы. Иначе, когда солнечный свет снова попа- дет на гелиостаты, лучи соберутся не в фокусе и могут по- пасть на какой-нибудь другой объект, например, на стенку технологической башни. Это приведет к моментальному ее повреждению. Гелиостаты направляют солнечный свет параллельно оп- тической оси гелиоконцентратора. Его форма соответствует параболоиду вращения. Площадь концентратора состав- ляет 1840 м2. Размер «зеркала» концентратора - 47 × 54 м. Фокусное расстояние концентратора 18 м. В концентраторе используется 10 700 зеркал, которые собраны в 214 блоков, размером 4,5 × 2,25 м, по 50 зеркал в каждом. Концентратор установлен неподвижно и ориентирован в направлении север-юг. image Вид на блок зеркал с тыльной стороны image Гелиостатное поле зимой image Вид технологической башни со смотровой площадки image image Концентратор и технологическая башня image А вот так концентратор выглядит изнутри Поток солнечной энергии, направленный гелиостатами, отражается от зеркальной параболической поверхности кон- центратора и 80% световой энергии фокусируется в одну точ- ку на технологической башне, диаметром 40 см. По центру параболической поверхности концентратора, на высоте 6 этажа, располагается пирометрическая лабора- тория, откуда управляют работой печи. Вес металлических конструкций концентратора - 200 тыс. т. На самый верх (12 этаж) ходит грузопассажирский лифт. На верхней отметке концентратора расположена смотро- вая площадка. Внизу расположен поселок Солнце, с многоэ- тажными домами для сотрудников института. Еще выше красные визирные метки для юстировки всех 62 гелиостатов. Преимущество солнечных печей состоит в мгновенном достижении высокой температуры, позволяющей получать чистые материалы без примесей (в том числе благодаря чи- стоте горного воздуха). Поэтому получаемые в ней материа- лы характеризуются крайне высокой чистотой и отсутствием примесей. Главным отличие свойств материалов, получаемых в солнечной печи, наряду с чистотой, является то, что под действием мощного потока фотонов с широким набором энергий, при взаимодействии с веществом реализуются все возможные метастабильные состояния проходят все термо- и фотохимические реакции, возможные в этом диапазоне энергий. Никакой другой способ не дает возможности по- лучать с такими уникальными свойствами, как с синтезиро- ванные под воздействие концентрированного солнечного излучения. Использование таких материалов позволило выйти на принципиально новый уровень во многих сферах и отраслях. Это медицина, синтез материалов с комплек- сом заданных свойств, высокотемпературные материалы, материалы с высокой термостойкостью и механической прочностью, химически стойкие материалы, материалы для спецоптики и др. Вторым важным аспектом БСП, является имитация све- тового излучения ядерного взрыва, что позволяет проводить исследование устойчивости различных объектов к экстре- мальным потокам энергии. Кроме того, возможно проводить испытания элементов летательных аппаратов при вхождении в атмосферу или при полете в зоне сверхзвуковых скоростей. Как известно, в этих условиях происходит нагрев аппаратов до очень высокой температуры. image Пирометрическая башня image Поселок Выводы В настоящее время в Институте материаловедения АН РУз занимаются научно-техническими разработками в об- ласти разработки материалов с уникальными свойствами, преобразования солнечной энергии, теорией твердого тела, изучением взаимодействия излучения с веществом. Также здесь проводили испытания обшивки космических аппаратов и военной техники, а сейчас на базе института создана производственная линия керамических изделий, на основе материалов, синтезированных в БСП. Также разрабатываются устройства на основе этих ма- териалов, позволяющих выйти на новый уровень во многих отраслях. Установлено сотрудничество со многими странами: Рос- сией, Германией, Китаем, Кореей, Малайзией, Сингапуром, Вьетнамом, Таиландом, Белоруссией, Индией, Казахстаном, Грузией, Киргизией, Арабскими Эмиратами и др. Уникальная техническая база комплекса «Физика-Солн- це» позволяет проводить многоцелевые наблюдения за Солнцем и заниматься теоретическими, эксперименталь- ными исследованиями и технологическими разработками. С некоторыми из них можно ознакомиться в приведенных ниже работах.