Объекты НПО "Физика - Солнце"

Синтез новых туго плавких оксидных материалов, лучевая термообработка с целью улучшения их эксплуатационных свойств, определение теплофизических, спектрально-оптических характеристик, получение сверхчистых материалов, испытание на лучевую стойкость узлов новой техники осуществляются в условиях высоких температур. При этом наряду с лазерами и печами с искусственными тепловыми источниками, широко используются концентраторы солнечной энергии, их применение является единственным способом решения многих указанных выше задач, когда требуются мощные световые потоки различного спектрального состава. В этих случаях наиболее приемлемыми могут быть крупногабаритные концентраторы солнечной энергии, аналогичные Большой солнечной печи (БСП) мощностью 1000 кВт НПО "Физика- Солнце" АН РУ.

Исследования и синтез тугоплавких материалов под воздействием сконцентрированного солнечного излучения были начаты в Физико-техническом институте АH РУз (ФТИ) в 1976 г. и стали основным научным направлением Института материаловедения, организованного в 1993 г. на базе нескольких лабораторий ФТИ и БСП.

Большая солнечная печь представляет собой сложный оптико-механический комплекс с авто-матическими системами управления, состоящий из гелиостатного поля и параболоидного концентратора, формирующих в фокальной зоне концентратора (технологическая башня) лучистый стационарный поток высокой плотности.

Печь расположена в 45 км от Ташкента, в Паркентском районе, в предгорьях Тянь-Шаня. Географическая широта местности 41°20', высота над уровнем моря 1050 м. Гелиостатное поле образуется 62 гелиостатами, размещенными на пологом склоне горы в шахматном порядке, которые обеспечивают в режиме непрерывного слежения за Солнцем в течение рабочего дня освещение всей зеркальной поверхности концентратора. Все 62 гелиостата комплекса имеют одинаковую конструкцию и размеры. Отражающая поверхность гелиостата размером 7,5 х 6,5 м плоская, составная, включает l95 зеркальных элементов - фацет размером 0,5 х 0.5 м и толщиной 6 мм. Отражающий слой фацеты обра-зован вакуумным напылением алюминия с тыльной стороны и защищен акриловой краской марки ЭM АК-5164. Общее количество фацет 12090 шт., площадь отражающей поверхности составляет 3022,5 м2.

Монтировка гелиостата альт-азимутальная. Тип привода электромеханический. Кине-матические схемы угла места и азимутального позволяют с погрешностью не более 1 угл. мин перемещать гелиостат в режиме слежения за Солнцем. Управление работой приводов осуществляется по сигналам датчика системы слежения, расположенного перед центральной фацетой гелиостата, среднеквадратичная погрешность поверхности которой не превышает 30 угл. с. Предусмотрена система синхронного управления всеми гелиостатами, расположенными на одной полке, одним ведущим гелиостатом полки. Погрешность такого управления не превышает 3 угл. мин. Кроме того, все 62 гелиостата в режиме автоматической системы регулирования температуры (АСРТ), предназначенной для обеспечения различных видов распределения светового потока, имеют возможность слежения с углом рассогласования до +25 угл. мин.

Управление может осуществляться и с помощью автоматизированной системы управления гелиостатным полем (АСУГ). В настоящее время АСУГ задействована для отдельных полок гелиостатов. Использование АСУГ позволяет гибко управлять распределением плотности лучистого потока в фокальной зоне печи и открывает возможности для проведения астрофизических исследований в ночное время, использования БСП как уникального астрофизического инструмента.

Формирование требуемой плотности лучистого потока осуществляется выводом из режима слежения отдельных гелиостатов под контролем радиометра с сопутствующими измерениями прямой солнечной радиации на актинометрическом стенде с помощью режима АОРТ или программным путем (АСУГ).

Отражающая поверхность концентратора представляет собой прямоугольно-ступенчатую высечку из параболоида вращения с фокусным расстоянием 18 м. Высота миделя концентратора 42,5 м, нижняя кромка расположена на высоте 54 м от земли, ширина миделя 54 м. Общая площадь миделя отражающей поверхности 1840 м2 , а площадь самой поверхности 2060 м2 .

Концентратор монтируется из 214 блоков в форме параллелограммов, с размерами сторон 4,5 х 2,25 м каждый, но с разными углами при вершинах, определяемыми координатами блока. На каждом блоке установлено 50 отражающих элементов - фацет ромбической формы. Общее количество фацет 10700 шт. Блоки крепятся к каркасу четырьмя узловыми точками, причем узлы крепления блоков позволяют скомпенсировать невысокую точность металлоконструкции каркаса концентратора и осуществить юстировку блоков в единую высокоточную параболоидную поверхность. Кроме того, монтаж и юстировка отдельных фацет на блоке осуществляются с помощью специальных юстировочных узлов. Такая система обеспечивает формирование концентрирующей поверхности с точностью не хуже 1 угл. мин.

Зеркало фацеты стеклянное, с тыльным отражающим слоем, образованным алюминиевой пленкой, нанесенной способом вакуумного напыления. Размеры зеркала 447 х 447 х 5. Отражающие поверхности фацет образованы деформационным способом и повторяют кривизну соответствующей зоны параболоида, на которой они установлены. Фацеты по форме имеют 10 типоразмеров.

В технологической башне размещено различное оборудование с необходимыми инженерными коммуникациями для проведения плавки материалов и специальных исследований в фокальной зоне БСП.

Шторный и роторно-щелевой затворы обеспечивают получение световых импульсов различной формы с длительностью 1 с и более. Автоматическая система регистрации импульсов с помощью фотометрического измерителя позволяет измерять характеристики полученных импульсов и исследовать образцы размерами до 1 м в диаметре. Образцы могут подвергаться комплексному воздействию световых потоков, механических нагрузок и обдуву.

Для проведения контрольно-юстировочных работ по настройке отдельных элементов БСП, измерения энергетических и спектральных характеристик фокального пятна используются анализатор фокального пятна, автоматическая система регистрации плотности энергии с помощью радиометра, телевизионная измерительная система, система технического зрения.

Наблюдения за изменением прямой солнечной радиации в течение многих лет в месте расположения объекта "Солнце" показывают, что в течение года количество условных солнечных дней составляет 250-270 дней.

Коэффициент зеркального отражения оптических элементов установки, усредненное значение которого близко к 0,7, с течением времени из-за запыленности воздуха падает и может снизиться до 0,5, поэтому требуются регулярные профилактические работы. Точность. отражающих элементов с учетом поверхностных ошибок зеркал колеблется в интервале 35 угл. мин. Такое состояние системы позволяет создать энергетическую освещенность в преде-лах Е=Зё780- Вт/см2 с шагом 3ё30 Вт/см2 при солнечной радиации 700 Вт/м2 . Суммарная мощность печи около 0,7 МВт, максимальный диаметр фокального пятна 1,2 м.

Спектральное распределение плотности лучистого потока в фокальной плоскости аналогично распределению для абсолютно черного тела с температурой 6000 К (атмосферное солнце) с провалом в области спектра 0,7ё1,1 мкм вследствие тыльного напыления алюминия на фацеты гелиостатов и концентратора.

В настоящее время на основе опыта создания и эксплуатации БСП выполняются комплексные исследования по следующим направлениям гелиотехники:

• разработка оптических элементов больших солнечных установок;
  
• организация проектирования солнечных высокотемпературных энергетических установок, монтаж, юстировка и введение их в эксплуатацию;
  
• разработка новых методов расчета зеркально-концентрирующих систем (ЗКС);
  
• разработка методов контроля, юстировки отражающих поверхностей ЗКС и измерения поля концентрации;
  
• разработка новых автоматических программируемых методов для системы слежения гелиостата;
  
• cтандартизация измеряемых характеристик различных зеркальных отражающих элементов;
  
• усовершенствование параметров уникального испытательного стенда, созданного на базе комплекса "Солнце"

Учеными Института материаловедения выполнен ряд исследований по технологии синтеза высокотемпературных оксидов солнечной печи. Синтезированы более 160 оксидных материалов, которые, обладая такими уникальными эксплуатационными и физико-химическими характеристиками, как малый коэффициент термического расширения, высокая прочность и термостойкость в экстремальных средах, имеют широкую область применения. На их основе получены:

• многофункциональная керамика (высокотемпературные нагреватели, термопары, преобразователи, газовые горелки);
• конструктивная керамика (печатные платы, трубки, наконечники, резцы);
• огнеупорная керамика (элементы для керамических двигателей, укрепляющие покрытия);
• оптические, сверхпроводящие и другие типы керамических материалов для электроники, химии и других отраслей.

В настоящее время, после десятилетней эксплуатации, основные оптико-энергетические характеристики печи соответствуют проектным параметрам. БСП играет важную роль в качестве уникального исследовательского инструмента при решении фундаментальных и прикладных задач науки и техники.