Как выбрать гостиницу для кошек
14 декабря, 2021
Введение представления об идеальной селективной поверхности и оптимальной пороговой длине волны (при которой низкое отражение в основной области солнечного спектра наиболее выгодно резко изменить на высокое отражение в области собственного теплового излучения поверхности) позволило расчетным путем определить оптимальный интервал концентрации солнечного-излучения и рабочей температуры для коллекторов с селективными оптическими покрытиями, а также вычислить, насколько параметры реальных селективных покрытий отличаются от предельных теоретических значений. Обычно подобные расчеты [23] проводились применительно к внеатмосферному солнечному излучению (условия АМ0). В работе [331] была выполнена оценка влияния селективных оптических свойств поверхности коллектора на его КПД в условиях облучения не только внеатмосферным спектром Солнца, но и одним из стандартных наземных солнечных спектров (условия АМ2), что имеет важное практическое значение для наиболее широкой области применения тепловых и фототермических коллекторов — отопление, кондиционирование, горячее водоснабжение, получение электрической и тепловой энергии для солнечных домов.
Рассмотрим подробнее вопрос о целесообразности применения селективных оптических поверхностей и установим область значений коэффициента концентрации С солнечного излучения, где селективная поверхность с определенной температурой превосходит по тепловому КПД поверхность черного тела.
В идеальном случае селективная поверхность имеет ступенчатый профиль изменения поглощательной способности с пороговой дли-
1—7 — 70, 100, 150, 200, 250, 300 и 500° С соответственно
ной волны А, п, определяемой из следующих условий: а(А,)=е(А,)=1 при А<ЯП и а(Я)=е(Я)=0 при Х>ХП. Очевидно, что оптимальное значение ^nopt, при котором поглощающая поверхность сохраняет максимальное количество энергии для полезной работы, зависит как от коэффициента концентрации излучения, так и от температуры преобразователя.
Расчетные зависимости Хп 0Pt и максимального теплового КПД идеальной селективной поверхности т]Ид от коэффициента концен
трации С при различных значениях рабочей температуры представлены на рис. 3.13. Эти зависимости были получены исходя из уравнения теплового баланса, записанного в наиболее общей форме. Для условий радиационного теплообмена поглощенное тепло
Qn=CaJE—eaT
где о — постоянная Стефана—Больцмана; Е — мощность падающего солнечного излучения.
Тогда получаем следующее выражение для максимального КПД идеальной селективной поверхности:
Лид=ас—еаТЧСЕ.
В наземных условиях ЛиД=ас—ео (Г4—Г04) /СЕ,
где среднесезонная температура окружающего воздуха Г0=10° С (принято предположение, что основным источником тепловых потерь является переизлучение, справедливое для вакуумированных преобразователей). В расчетах использовались табличные данные по распределению интенсивности излучения в спектрах АМО [332] и АМ2 [333], а также по энергии излучения черного тела в интервале длин волн от 0 до Я [46].
Поскольку солнечный спектр простирается в область Я>ЯП opt, где а(Я)=0, а часть спектра излучения черного тела расположена в области ЖЯпорі, где е(Я)=1, то даже у идеальной селективной поверхности КПД не достигает 100%. Однако при температуре, не превышающей 250° С, что характерно для комбинированных фототермических коллекторов, КПД теплового преобразования идеальной селективной поверхности в условиях АМО превышает 95 %т а в условиях АМ2 —97% (см. рис. 3.13,а, г). Сложный характер зависимостей ЯПОрі и т]Ид для спектра АМ2 объясняется наличием в нем полос поглощения после прохождения излучения через атмосферу Земли. Аналогичная зависимость получена и для спектра AM 1,5.
Сопоставить эффективности преобразования энергии поверхностью черного тела и идеальной селективной поверхностью Y|„» позволяют графики, приведенные на рис. 3.14. При фиксированном значении С необходимость в селективной поверхности возрастает по мере увеличения температуры. При заданной температуре селективная поверхность оказывается более эффективной, когда концентрация солнечного излучения невысока. Поверхность черного тела, освещаемая сильно концентрированным световым потоком, может переизлучать лишь однократный поток энергии, поэтому значение т|ч т приближается к т)ид.
Анализ полученных результатов показывает, что при Г<300° С и С=1-г-20 селективные поверхности в сравнении с черными обеспечивают значительно более высокий КПД преобразования энергии.
г—7 — 70, І00, 150, 200, 250, 300 и 500° С соответственно
Кроме того, в условиях АМ2 селективные поверхности обладают большим преимуществом перед черными поверхностями, чем в условиях АМО. В преобразователях солнечного излучения, работающих в наземных условиях без концентраторов и использующих в качестве теплоносителя воду (рабочая температура 70—100° С), оптически неселективная поверхность при Г=100°С (см. рис. 3.14,6, кривая 2) вообще не вырабатывает полезной тепловой энергии, а при 67=10 имеет КПД, составляющий 90% от КПД идеальной селективной поверхности. Когда необходимо получить рабочую температуру 200° С (см. рис. 3.14,6, кривая 4), поверхность черного тела начинает выдавать полезное тепло лишь при <7>3,3, а цч., при С=10 составляет 68% от Цид. Если Г=300° С, то поверхности обоих типов становятся сравнимыми по КПД при ОЇ00, если же Т>500° С, то т]чт приближается к т]ид при коэффициентах концентрации, значительно превышающих 100.
Полученные зависимости Anopt позволяют выбрать селективную поверхность с оптическими характеристиками, оптимальными для конкретного режима работы преобразователя.
Необходимость применения селективных оптических покрытий в комбинированных фототермических преобразованиях, рабочая температура которых ограничена из-за наличия температурной зависимости КПД солнечных элементов, при наиболее доступных коэффициентах концентрации С=1-^20 очевидна. В связи с этим оптимизация электрофизических характеристик солнечных элементов комбинированных фототермических преобразователей была выполнена в основном для этого интервала концентраций солнечного из лучения.
Следует отметить, что в тех случаях, когда оптическое покрытие обладает заметной селективностью свойств в пределах спектраль-
ного интервала солнечного излучения (например, имеет заметные интерференционные максимумы и минимумы), переход при расчете — ас от условий АМО к условиям АМ2 (или AM 1,5) заметно скажется на значении ас в силу влияния полос поглощения водяным паром и озоном, а также аэрозольного рассеяния, например, на соотношение между инфракрасной и видимой составляющей спектра. В связи с этим при расчете ас селективных покрытий следует учитывать влияние спектра наземного Солнца [334].