Для коллекторов с селективными оптическими покрытиями

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-

image151

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.

Подпись: Рис. 3.14. Зависимость отношения теплового КПД поверхности черного тела ij4t и идеальной селективной поверхности т]ид от коэффициента концентрации излучения С для условий АМО (а) и АМ2 (б) при различных значениях рабочей температуры
image153

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].