☰
Fazele proiectului
Pentru realizarea fazei s-au efectuat următoarele activități de cercetare experimentală:
Studiul de documentare concentrator plan.
Concentratorul plan este un element important pentru realizarea obiectivelor proiectului, și, totodată, un element de noutate prin noile metode științifice de proiectare și realizare. Pentru proiectarea lentilelor Fresnel folosite în realizarea concentratorilor de energie solară termică s-au folosit principiile opticii non-imagistice.
Optica non-imagistică
Diferența dintre optica imagistică și optica de non-imagistică depinde dacă sursele de raze sunt tratate ca puncte sau obiecte extinse. Acestea din urmă au temperatură și entropie și, prin urmare, le putem aplica metodele termodinamice, în timp ce sursele punctuale, nu, pentru că nu posedă grade interne de libertate.
Optica imagistică convențională este cea mai preocupată de ideea de mapare a punctului de punct al unui sistem optic. Un punct din spațiul obiectului este amplasat ideal printr -un dispozitiv optic până la un punct corespunzător în spațiul imaginii. De exemplu, un sistem optic gaussian începe cu cartografierea punctului central al obiectului la imaginea sa pe axa optică, iar apoi aberațiile punctelor de axa defazate sunt minimizate prin optimizare. Figura 1 prezintă o comparație între optica imagistică (stânga) și non-imagistică (dreapta). Un sistem de imagistică concentratoare „perfect”, fără aberație, nu poate fi obținut fără grade infinite de libertate de proiectare ).
Optica non-imagistică, însă, începe cu ideea de transfer de energie. În acest scop, numai limita obiectului trebuie luată în considerare pentru procesul de proiectare. Cartografierea punctelor în interiorul unei astfel de granițe nu este necesară. Într -un anumit sens, proiectarea opticii care nu generează imagini garantează doar faptul că razele de margine, sau granița, constând din poziții sau direcții extreme este preluată. Conținutul din razele de margine, sau razele pozițiilor și direcțiilor între ele, poate fi scăpat.
Fig.
1 Comparație între optică imagistică (stânga) și
non-imagistică (dreapta).
Concentratorul plan (lentila Fresnel) – a fost analizat din prisma opticii non-imagistice astfel încât să se obțină un maxim de randament la captarea energiei solare.
Un avantaj al concentratorului non-imagistic este că poate concentra radiațiile solare cu densitate mică fără un mecanism de urmărire a soarelui, practic, poate fi proiectat ca un concentrator solar staționar. Această caracteristică a atras cercetătorii din domeniul energiei solare și multe studii au fost efectuate încă din anii 70. Cele mai multe lucrări anterioare s-au concentrat pe proiectarea și fundamentele teoretice ale concentratorilor staționari. Raportul lor de concentrație maximă are un maxim teoretic de aproximativ patru în ceea ce privește densitatea de flux de radiații. În urma acestor studii de concentrare scăzută, preocupările cercetătorilor s-au orientat către proiectarea și realizarea concentratorilor care concentrează foarte mult radiațiile solare. În principiu, concentratorul optic care nu este imaginativ este ideal și poate obține un raport de concentrație maximă de n2 x 43400, unde n este indicele de refracție al materialului din care este executat concentratorul. (indicele de refracție al aerului este n = l).
Proiectarea non-imagistică a lentilelor plane
O lentilă Fresnel este esențial un lanț de prisme. Fiecare prismă reprezintă panta suprafeței lentilei, dar fără materialul corpului singletului convențional. Lentilele Fresnel imagistice refractă lumina de la un obiect și formează o imagine în planul focal. Aberațiile au un impact asupra calității imaginii; lentila imagistică nu trebuie să prezinte astfel de distorsiuni.
Datorită fabricării inexacte a vârfurilor și canelurilor prismă, calitatea imaginii lentilelor Fresnel este inferioară imaginilor produse de lentilele complete asferice.
Lentila Fresnel non-imagistică este proiectată cu scopul de a concentra fluxul luminos decât de a forma o imagine. Precizia fotografică nu este scopul unui obiectiv destinat aplicațiilor de energie solară. Mijloacele care ajută la crearea imaginii perfecte sunt de o importanță secundară. Cerințele de formare a imaginii sunt relaxate în măsura în care lumina incidentă trebuie să ajungă doar la absorbant, indiferent unde. Obiectivul principal al proiectării unui lentile Fresnel non-imagistice este de a maximiza cantitatea (energia) și calitatea (uniformitate flux) radiației solare concentrate de obiectiv.
Proiectarea lentilelor Fresnel presupune adesea lentile subțiri, adică prisme subțiri. „Subțire” înseamnă o grosime de zero. O lentilă Fresnel cu imagini subțiri poate fi proiectată analitic, așa cum s -a arătat anterior cu proiectarea exemplelor plate, precum și a lentilelor în formă de cupolă sferică. Acest lucru duce la luarea în considerare a formei obiectivului Fresnel non-imagistic.
În figura 2 sunt prezentate o serie de profile pentru lentilele Fresnel ce se pot obține prin aplicarea principiilor opticii non-imaginative.
Fig. 2 Lentile Fresnel în non-imagistice în funcție de funcțiile matematice folosite
Studiu de documentare motor cu ardere externă - Stirling
Denumirea de „mașini Stirling“ se referă la mașinile termice cu pistoane care funcționează după ciclul termodinamic Stirling cu sau fără regenerarea căldurii
Ciclul termodinamic Stirling este ciclul compus din două transformări izotermice (desfășurate, evident, la temperaturile minimă Tm și maximă TM între care funcționează mașina) legate între ele prin două transformări izocorice (care au loc la volumele maxim și minim ocupate de agentul de lucru în cilindru).
Instalațiile cu motoare cu ardere externă specializate sunt de obicei instalații staționare pentru generarea energiei electrice sau a energiei mecanice bazate pe motoare Stirling care folosesc ca sursă caldă:
• energia solară,
• combustibili neconvenționali (deșeuri agricole, forestiere, menajere etc.), • gaze provenite din gazeificarea reziduurilor organice,
• cărbuni și chiar combustibili lichizi sau gaze naturale,
• grupuri energetice navale cu motoare Stirling și pentru nave de suprafață, dar mai ales pentru submarine,
• instalații energetice pentru utilizări în spațiul cosmic, pe sateliți, nave cosmice sau alte corpuri cerești, instalații echipate cu motoare Stirling care folosesc ca sursă caldă:
• captatoare solare performante,
• surse termice cu izotopi radioactivi [105],
Fig. 3. Clasificarea motoarelor Stirling cu piston motor cu simplu efect: α - schema „alfa“; β - schema „beta“; γ - schema „gama“ (1 - cameră de destindere; 2 - piston împingător; 3 - încălzitor; 4 - regenerator; 5 - răcitor; 6 - cameră de comprimare; 7 - piston motor)
În cadrul studiului de documentare s-au analizat următoarele elemente specifice motoarelor cu ardere externă:
- Analiza teoretică ciclului termodinamic al motorului Stirling cu formule și metode specifice pentru proiectarea și analiza motoarelor Stirling
- Analiza schemelor de bază constructive ale motoarelor Stirling, cu avantajele și dezavantajelor lor. În figura 3 sunt prezentate schemele uzuale ale motoarelor Stirling folosite în prezent (motoare denumite generic alfa (α), beta (β), gama (γ))
Realizare stand experimental de determinare a energiei solare termice
Acest stand va fi dezvoltat și folosit pe întreaga durată a proiectului. În cadrul acestei faze s-a realizat studiul teoretic (analiză termică cu element finit) a elementului activ ce va fi folosit în cadrul acestui dispozitiv, urmând ca dezvoltarea lui să se facă pe parcursul fazelor ulterioare.
În figura 4 este prezentat elementul activ final al standului experimental, modelat 3D și analizat din punct de vedere termic cu element finit (analiza cu element finit s-a realizat cu ajutorul software-ului open source Salome – Code Aster).
Fig 4 – Elementul activ modelat termic cu element finit
În cadrul acestei faze s-au efectuat:
1. Calculul efectiv al concentratorului plan prin aplicarea formulelor opticii non-imagistice și prin folosirea programelor CAD specializate pentru proiectarea sistemelor optice.
Proiectarea lentilei Fresnel prin calcul analitic s-a efectuat după modelul geometric prezentat în figura 1
Fig. 1 Metoda de calcul analitic a lentilei Fresnel
Fig. 2 Modelul 3D al lentilei obținută prin calcul analitic
Prin
folosirea formulei 
și transformarea
profilului 2D realizat prin calcul s-a
obținut lentila Fresnel din figura 2
Lentila Fresnel proiectată cu ajutorul unui program de proiectare a elementelor optice este prezentată în figura 3.
Fig. 3 Modelul 3D al lentilei obținută cu ajutorul unui program specializat de proiectare elemente optice
S-a realizat un articol:
Dănuț Stanciu, Valentin Popescu, Cristian Logofătu, DESIGN OF AN ACTIVE THERMAL ELEMENT FOR A SOLAR THERMAL ENERGY MEASUREMENT SYSTEM BY SIMULATING HEAT TRANSFER PROCESSES USING THE FINITE ELEMENT METHOD,
International Journal of Mechatronics and Applied Mechanics, 2023, Issue 13
Articolul realizat în cadrul proiectului se află la adresa
În cadrul acestei faze s-au efectuat:
1 Modelarea și analiza termodinamică a motoarelor Stirling
Dezvoltarea motoarelor Stirling necesită înțelegerea proceselor care guvernează funcționarea acestora. Prima încercare de a descrie acest proces a fost prin intermediul ciclului termodinamic ideal Stirling. Dar acest ciclu nu reflectă interacțiunile reale din motor. Acest lucru a favorizat apariția mai multor tehnici de analiză cu diferite abordări de modelare. Majoritatea acestor tehnici se concentrează în principal pe descrierea circuitului intern de gaz al motorului, iar puține studii au luat în considerare alte interacțiuni. Din acest motiv, studiul de față a propus dezvoltarea unui model care ar putea integra fenomenele de transfer de căldură, termodinamica și eficiența mecanică pentru a descrie funcționarea sistemelor de motoare Stirling. În plus, modelul a inclus și interacțiunile externe de transfer de căldură cu sursele de energie calde și reci. Detaliile pentru dezvoltarea modelului propus sunt descrise în articolul I. Acest capitol rezumă acest studiu.
La acest punct s-a analizat și realizat calculul pentru cele 3 variante de motor Stirling: motorul alfa, beta și gama (detaliate la faza 1).
2. Proiectarea motorului Stirling ales conform fazei de calcul anterioară.
La faza anterioară și prin analizarea documentației din faza de studiu s-a ales și proiectat un motor stirling de tip Gamma, prezentat în figura 1.
Fig. 1 Imagine de ansamblu a motorului Stirling, Gamma.
3. Calculul termodinamic, cu ajutorul metodelor analitice clasice, a motorului proiectat.
Conform metodologiei descrise la faza 1 s-a realizat calculul termodinamic al motorului proiectat iar la finalul acestui calcul s-a trasat diagrama Presiune – Volum, prezentată în figura 2.
Fig. 2 Diagrama Presiune volum pentru motorul proiectat
4. Optimizare construcției motorului prin analiza cu element finit
Pentru obținerea unui randament maxim al motorului proiectat și pentru a folosi la maxim avantajele metodelor de prelucrare aditive s-a efectuat o analiză cu element finit a circuitelor fluidelor prin interiorul motorului Stirling proiectat. Pentru aceasta s-a efectuat o analiză a circulației fluidelor printr-un bloc motor realizat cu ajutorul metodelor clasice de prelucrare și apoi o analiză cu element finit a unui bloc motor realizat cu ajutorul metodelor aditive de prelucrare (proiectarea motorului optimizat a ținut cont de rezultatele analizei efectuate asupra blocului motor realizat cu metode clasice de prelucrare).
În figurile 3 și 4 este prezentat modul de curgere a fluidelor prin blocul motor realizat cu metode clasice de prelucrare.
Fig. 3 - Modul de curgere a fluidelor prin blocul motor (regenerator) realizat cu metode clasice de prelucrare
Fig. 4 – Detalui de curgere a fluidelor prin regeneratorul realizat cu metode clasice de prelucrare
În figura 5 este prezentat modul de curgere a fluidelor prin blocul motor (regenerator) realizat prin metode aditive de prelucrare
Fig. 5 - Modul de curgere a fluidului prin regeneratorul optimizat.
Realizare ME concentrator plan.
Pentru realizarea concentratorului plan s-a proiectat o lentilă Fresnel pentru a putea fi realizată prin metode aditive de prelucrare. Pentru aceasta s-a folosit o imprimantă DLP – Digital-Light Processing – Expunerea digitala a luminii tip FormLabs 3L. Pentru a putea realiza lentila pe această imprimantă s-a împărțit lentila în segmente circulare ca în figura 1.
Fig. 1 – Segment circular lentilă
În urma realizării tuturor componentelor s-a obținut și asamblat concentratorul plan prezentat în figura 2.
Fig. 2 Concentrator plan asamblat.
5.2 Realizare ME sistem de orientare.
Sistemul de orientare, care deplasează concentratorul plan astfel încât punctul de focalizare să fie fix, a fost realizat ca un sistem polar de deplasare pe 2 axe: o axă polară va urmări traseul soarelui pe direcția Est – Vest și o axă polară va urmări traseul soarelui pe înălțime.
S-a realizat banc optic de testare segment lentila
Banc de testare concentrator plan.
S-a realizat articolul
„IMPACT OF UV POST PROCESSING ON SIMPLE 3D PRINTED PARTS USING MASKED
STEREOLITHOGRAPHY” autori Popescu Valentin-Serban si Popescu Ionela-Mihaela ,
IJOMAM nr. 18, decembrie 2024
Obiectivul acestei faze a fost realizarea modelului experimental motor cu ardere externă.
Pentru a îndeplini realizarea acestei faze, s-a reluat documentația de execuție de la etapele
anterioare, s-au efectuat modificările care au fost necesare pe parcursul fazelor de după realizarea
modelului experimental și s-a obținut documentația de execuție finală introdusă în execuție în secția
de microproducție a institutului INCDMTM București. Varianta de realizare a motorului este
motorul Stirling varianta gamma.
Modelul 3D realizat prin proiectarea asistată de calculator este prezentat în fig. 1
Fig. 1 Modelul 3D a modelului experimental motor cu ardere externă – motor Striling varianta
gamma
Proiectare Stand de verificare
Pentru verificarea funcționării motorului cu ardere externă s-a implementat un stand de verificare a
cărei componență este prezentată în figura 2.
Fig. 2 – Stand de verificare a modelului experimental al motorului cu ardere externă.
Realizarea efectivă a motorului cu ardere internă este prezentată în figurile 3 și 4.
Fig. 3 Realizare practică model experimental motor cu ardere externă – vederea 1
Fig. 4 Realizare practică model experimental motor cu ardere externă – vederea 2
Realizare practică stand de verificare motor cu ardere externă
Etapele de verificare a motorului cu ardere externă
1 – Verificări mecanice
Verificările mecanice au constat în realizarea și verificarea jocurilor optime ale pieselor în
mișcare astfel încât deplasările pieselor mecanice să se realizeze cu frecări minime (cu pierderi
mecanice minime). Pentru piesele care nu au îndeplinit aceste condiții s-au realizat ajustări și
modificări asupra pieselor care funcționau cu probleme.
2 – Verificare transferului termic.
Pentru a verifica transferul termic s-a realizat un element special de încălzire alcătuit din 4
rezistențe electrice cu puterea de 100W fiecare. Pentru varierea temperaturii produse s-au folosit 1,
2, 3 sau 4 rezistențe conectate în paralel (rezultând o putere termică de 100, 200, 300, 400 W)Testele ulterioare se vor realiza în cadrul fazelor următoare.
