Существует много различных подходов к конструиро] ванию солнечного іколлектора. Поэтому представляется возможным рассмотреть подробно только некоторые, на] иболее интересные тенденции. Повышение эффективно] сти, особенно при значительной разности температур нагреваемой жидкости и окружающей среды, редко мо-| мет быть достигнуто без усложнения конструкции кол лектора и увеличения его стоимости. При создании кол­лекторов, обеспечивающих небольшое повышение тем] пературы, особое внимание уделяется конструкциям^ обусловливающим весьма непродолжительный период? возврата капитала.

Все элементы и материалы, используемые в солнеч­ном энергетическом коллекторе, должны удовлетвори­тельно работать в наихудших условиях, которые могут иметь место в любой конкретной установке. Эти матери­алы должны выдерживать как высокие температуры, ко­торые могут достигаться в периоды максимальной сол­нечной радиации при остановке циркуляции жидкости через коллектор, так и низкие температуры, которые воз­можны в течение зимй. Проблемы, которые могут возник­нуть в связи с циклическими изменениями температуры или большими перепадами температур в коллекторе,

также должны учитываться при выборе материалов и I конструкции. Расчетный срок службы любого элемента коллектора важен для определения фактической стоии мости энергии, отдаваемой потребителю, и коррозия мо-1 жет быть наиболее серьезным фактором, ограничиваю-! щи-м срок службы.

В большинстве систем солнечного нагрева теплоно-j ситель, обычно вода, находится в контакте с разнороді ными металлами. Трубопроводы могут быть выполнены! из меди или нержавеющей стали, а поглощающая плас-1 тина коллектора из меди, алюминия, нержавеющей или! малоуглеродистой стали. Наличие разнородных метал-1 лов в системе является одним из наиболее важных фак-1 торов, которые могут приводить к усилению коррозии.1 Другой причиной появления коррозии является присут-1 ствие в теплоносителе растворенного кислорода [36] .1 В простейшей солнечной водонагревательной установке] вода из холодного бака проходит через солнечный кол-1 лектор и подогревает воду, направляемую к потребите! лю. Достаточное количество кислорода в такой системе! и неправильный выбор материалов для трубопроводов и! коллектора могут привести к появлению течи через весь-1 ма короткий период работы. Например, алюминиевая! панель коллектора, которая испытывалась при постоян-] ном расходе обычной водопроводной воды, содержащей] растворенную медь, вышла из строя менее чем за два] месяца [37]. Кроме того, существуют проблемы, связан-! ные в районах с жесткой водой с образованием накипи и возможными повреждениями при замораживании кол-1 лектора в зимнее время.

В замкнутых системах теплообменник расположен в] баке-аккумуляторе горячей воды и вода циркулируем через коллектор и теплообменник. В качестве теплооб! менника может быть использована стандартная медная труба. На рис. 3.7 показана экспериментальная секция! испытанная в политехническом институте в Брайтоне! Обычно в таких системах после начала коррозии содер! жание кислорода в воде снижается до приемлемого уровня. В контурах с принудительной циркуляцией прЩ неправильном. расположении насоса вода может подам ваться через расширительный бак и обогащаться кислЛ родом. В идеальном случае расширительный бак должеЛ быть герметизирован. Может стать проблемой и деятеле ность микробов, поскольку растворы некоторых анті«

38

фризов при нагревании обеспечивают идеальные условия для роста грибков, особенно в том случае, когда водо­проводная вода, используемая для заполнения системы, содержит растворенные соли. Пестициды могут снизить эту активность, а растворенные соли могут быть исклю­чены в результате применения обессоленной или дистил­лированной воды. Системы из разнородных металлов по­зволяют максимально использовать менее дорогие мате­риалы, например малоуглеродистую сталь, не имеющую покрытия, однако такие материалы будут надежно рабо­тать только в замкнутом контуре с добавкой соответству­ющего ингибитора, подавляющего растворяющую способ­ность меди. Если для защиты от замерзания к рабочей жидкости добавляется гликоль, то жидкость должна обладать соответствующими пассивирующими свойст­вами.

Ресурс работы селективной поверхности трудно оце­нить, и начальные значения а и е могут ухудшаться в процессе эксплуатации. Испытания некоторых селектив­ных поверхностей показали, что при длительной эксплу­атации є увеличивается [38]. Рассматриваются две воз­можные причины: воздействие ультрафиолетового излу­чения и влияние атмосферной влаги и загрязнений. Теп — л°вая изоляция любого коллектора должна иметь низкую теплопроводность и быть термически стойкой при макси­мально возможной температуре. Различные материалы, Используемые в коллекторе, влияют на его тепловые ха — рактеристики, однако это влияние достаточно сложно и

должно оцениваться в каждом конкретном случае. Уро-1 вень рабочих температур коллектора является особенно’ важным; например, применение селективных покрытий может быть экономически выгодно в одном случае и не-j выгодно в другом.

Исчерпывающий обзор проблем, связанных с приме] нением алюминия и меди, был сделан Попплевеллом [39]. В этом обзоре обсуждаются вопросы конструкции системы с точки зрения борьбы с коррози­ей їй представлены данные по коррозии различных мед] ных сплавов в пресной воде. Использование в качестве теплоносителя органической жидкости, не вызывающей коррозию, рассматривалось как допустимый вариант. ]

поверхностью и некоторыми реальными поверхностями показано на рис. 3.6, где представлены данные из рабо4 ты Макдональда [25]. Реальные селективные поверхнон сти не обнаруживают резкого увеличения отражательн ной способности при определенной пороговой длине! волны, и их свойства постепенно изменяются с длиной^ волны. Интегрирование спектральных характеристик та"

кой поверхности по спектру собственного излучения позволяет оценить степень ее черноты в длинноволновом диапазоне, а интегрирование в солнечном спектре — по-И глощательную способность по отношению к солнечном)* излучению. *

Влияние на характеристики коллектора увеличени числа покрытий и применения селективной поверхности иллюстрируется данными табл. 3.1, в которой приведен^ значения потерь в окружающую среду через прозрачнунЯ изоляцию при средней скорости ветра 5 м/с и температур ре наружного воздуха 10°С. Пластина коллектора ра^ сматривается при температурах 40 и 80°С; первое зн чение типично для летних климатических условий н Британских островах, а второе характерно для многи: процессов использования тепла. Потери через днище J боковые стенки коллектора не учитываются. Приведе ные цифры основаны на данных Даффи и Бекмана [Г Уменьшение потерь энергии в результате применен селективной поверхности становится все более суще< венным по мере повышения температуры поглощающ

пластины. Любое снижение потерь энергии повышает эф­фективность работы коллектора, и суммарное годовое увеличение полезной энергии, полученное за счет исполь­зования селективных покрытий, зависит от числа часов в году, когда плотность потока падающей солнечной ра­диации достаточно велика, чтобы коллектор мог достиг­нуть температур, при которых эффект применения се­лективных поверхностей становится существенным. Со-

ществлял нанесение тонкодисперсных слоев металлов на4 полированные металлические подложки; другой способ состоит в нанесении тонких полупроводящих слоев, КО-] торые поглощают коротковолновое, но пропускают длин-! новолновое излучение, в результате чего металлическая! подложка определяет низкую степень черноты В ДЛИННО-] волновом диапазоне. Создание на поверхности микроше-1 роховатости увеличит только поглощательную способ-1 ность в коротковолновом диапазоне. Поверхности с V-1 образными канавками больших размеров (относительно] всех длин волн излучения) могут быть расположены та-! ким образом, что излучение, падающее в направлениях,! близких к направлению нормали ко всей поверхности, будет несколько раз отражаться внутри канавок. Пред­полагается [16], что можно получить значение а/є, рав­ное 9, при а=0,9, где е—степень черноты поглощаю-] щей поверхности.

Метод промышленного получения селективных по­верхностей и покрытий на медной поверхности описані Клоузом [30]. Медная пластина погружается в раствор,} состоящий из одной части хлорноватокислого натрия NaC102, двух частей гидроокиси натрия NaOH и двадца-1 ти частей .воды по массе. Пластина должна находить-] ся в растворе в течение десяти минут, при температуре около 62 °С. Как обычно, рекомендуется перед погруже-1 нием очистить и обезжирить пластину. Было установле­но, что КПД коллектора с одинарным остеклением и| селективной поверхностью, полученной указанным выше! способом, примерно на 10% выше КПД обычного кол-] лектора с неселективной поглощающей поверхностью id двойным остеклением.

Некоторые известные в литературе покрытия, наноси-] мые химическим способом, представляют собой совокуп] ность слоев цинка и никеля (черный никель) [27]І окись меди на меди [27, 28] и окись меди на алюминии [29]. Технология нанесения черного хрома фирмы «Хар| шоу Хромоникс» признавалась в 1975 г. одной из луч] ших, имеющих промышленное значение [25, 31, 32]. Эта модификация хорошо известного метода нанесенні обычного декоративного черного хрома гальванически!* способом. Сравнение нескольких покрытий типа черны! хром с другими селективными покрытиями, используеі мыми в гелиотехнике, дано в табл. 3.2.

Селективная поверхность С ВЫСОКИМ отношением П0ІІ

глотательной способности к степени черноты (а/е = 20) и а~1 была получена при нанесении черного золота [33, 34] на отражающую подложку, например, медь. От­носительно недорогой электрохимический способ нанесе­ния покрытий на основе окиси хрома, известный в про­мышленности под названием «Соларокс», был разрабо­тан в Австралии [35]. Типичные значения а/е составля­ют 18 при 25°С и уменьшаются до 7,5 при 300°С.

Длинноволновое излучение, испускаемое поверхно­стью поглощающей пластины, может быть значительно уменьшено в результате обработки этой пластины с целью снижения ее степени черноты в длинноволновой части спектра без существенного уменьшения поглощательной способности в коротковолновом диапазоне. Рисунок 3.5 характеризует свойства идеальной селективной поверх­ности. Монохроматическая отражательная способность очень низка при длине волны Я>3 мкм, которая назы­вается пороговой или критической и, наоборот, очень велика при Я>3 мкм. Для подавляющего большинства плоских коллекторов температура поверхности достаточ­но мала и практически вся энергия излучается при дли­нах волн, больших 3 мкм. Различие между идеальной 3—1240 33

Каждый из трех рассмотренных выше коэффициен­тов зависит от конструктивно-физических характеристик коллектора, основными из которых являются тип и чис­ло прозрачных покрытий, а также свойства поверхности коллектора.

Примерно 98% энергии в спектре внеземного солнеч­ного излучения приходная на длины волн менее 3 мкм. Когда это излучение достигает стеклянного покрытия, Д° 90% излучения непосредственно пропускается, а ос­тальная часть отражается или поглощается стеклом. Поглощенная энергия повышает температуру стекла, ко- торое, в свою очередь, переизлучает энергию с обеих по­верхностей— внутренней и наружной. Когда температу-

ра пластаны коллектора повышается, она также излу­чает, но в диапазоне длин волн более 3 мкм, за исклю­чением незначительной части энергии, обычно менее 1%,| как для абсолютно черной поверхности при 100оС| Длинноволновое излучение, испускаемое пластиной колі лектора, не может непосредственно пройти через стекло,] поскольку его пропускательная способность практически] равна нулю в диапазоне длин волн 3—50 мкм. Это яв-|

Рис. 3.4. Спектральная пропу
скательная способность стекло
пластикового листа фирмы
«Кэлуолл».

ление хорошо известно как «парниковый эффект», применение одного или нескольких прозрачных покры­тий в значительной мере снижает тепловые потери кол­лектора. Прозрачные пластмассовые материалы также хорошо пропускают коротковолновое излучение, но обычно имеїЬт заметную пропускательную способность в длинноволновой части спектра. Для прямого йзлуче-j ния пропускательная способность зависит от угла паде­ния, как показано на рис. 3.3, где пропускательная спо собность одинарного и двойного остекления из особо] прочного прозрачного оконного стекла [18, 19] сравни® вается с пропускательной способностью стеклопластика [20]. Стеклопластик имеет исключительно хорошие свой ства в длинноволновой области спектра, как показано] на рис. 3.4. Каждое прозрачное покрытие снижает каи тепловые потери с фронтальной стороны коллектора, та і и долю падающей солнечной радиации, которая може]

достигнуть поверхности поглощающей пластины. С уче­том поглощения энергии в каждом покрытии потери на пропускание при углах падения до 35° составляют для одинарного, двойного и тройного остекления соответст­венно 10, 18 и 25% [19]. Комбинированная изоляция,

состоящая из внешнего стеклянного покрытия и внутрен­него покрытия из более дешевой прозрачной пластмас­совой пленки, может иметь преимущество, поскольку пластмасса может обладать более высокой пропуска — тельной способностью, чем стекло, а наружное остекле­ние обеспечивает в определенной степени защиту от ат­мосферных воздействий [21 ]. Расстояние между покрыти­ями или между внутренним покрытием и поглощающей пластиной не является существенным параметром [16]. Согласно [22] оптимальный зазор составляет от 10 до 13 мм, однако он может быть увеличен до 25 мм. Харак­теристики коллектора могут быть улучшены путем на­несения такого прозрачного покрытия на внутреннюю поверхность стекла, которое пропускает практически всю падающую солнечную радиацию, но отражает об­ратно любое длинноволновое излучение, испускаемое по­верхностью пластины коллектора. Обычно используются окись индия и окись олова, а также покрытие, напыляе­мое в вакууме [23] и имеющее пропускательную способ­ность, равную 0,85 в видимой части спектра (0,55 мкм), и отражательную способность около 0,97 в инфракрас­ной части спектра (4,0 мкм) [24].

Основное уравнение, хорошо известное как уравне-* ние Хоттеля — Уиллера — Блиса [12—17], определяет полезное тепло Q на единицу площади коллектора в зависимости от двух переменных — плотности потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора GK и разности средней температуры теплоносителя в коллекторе Гер и температуры окружающей среды Г0Кр ч

С?=Г[(та) GK—£/(Гср—Гокр)], (3.1)

где F — коэффициент, связанный с эффективностью пере-* носа тепла от пластины коллектора к жидкости, от­водящей тепло. Этот коэффициент зависит от конструк-’ ции поглощающей пластины, в частности от размеров каналов с нагреваемой жидкостью, толщины пластину и свойств жидкости. Кроме того, он зависит от расхода жидкости через коллектор.

Приведенная поглощательная способность (та) учи­тывает результирующее влияние оптических свойств ма­териалов коллектора в диапазоне длин волн солнечно­го спектра [17]. Фактически эта величина примерно на 5% больше произведения пропускательной способности прозрачных покрытий т и поглощательной способности пластины коллектора а, поскольку некоторое количест­во .излучения, .первоначально отраженного от поглощаю­щей пластины, отражается покрытиями обратно к плас­тине.

Коэффициент тепловых потерь Uсильно возрастаете ростом ‘скорости ветра, если нет прозрачных покрытий, однако, если имеется хотя бы одно покрытие, U возрас­тает в меньшей степени. Число прозрачных покрытий^ расстояния между ними, а также условия в воздушном промежутке коллектора могут оказывать большое влия­ние на тепловые потери, например вакуумирование кол-^ 30

лектора сильно снижает их. Оптические свойства пог­лощающей пластины и прозрачных покрытий в длинно­волновом диапазоне также влияют на коэффициент теп­ловых потерь.

Эти три параметра F, та и U, зависящие от конст­рукции коллектора, определяют тепловой режим рабо­ты, и полная эффективность коллектора ц = Q/GK мо­жет быть представлена в зависимости от разности тем­ператур (ГСр—Г0Кр) и плотности потока падающей сол­нечной радиации GK как

4 = -|r = f[(«)- -^(Гер-Т^)]. (3.2)

Температуру Гср практически невозможно измерить, но, поскольку в любом отдельном коллекторе большин­ства систем имеет место сравнительно небольшое повы­шение температуры, ее можно заменить температурой жидкости на входе Гвх. Типичные значения F составля­ют примерно 0,88—0,90, та — около 0,7 при а=0,9 и двойном остеклении из трехмиллиметрового оконного стекла, а коэффициент тепловых потерь U того же кол­лектора примерно равен 3,6. Для незастекленного и не­изолированного коллектора значение та будет близко к единице, а значение U по крайней мере вдвое больше, чем для застекленного коллектора. Методы эксперимен­тального определения F, та и U были предложены Сми­том и Вайсом [17].

Солнечная энергия может быть легко преобразована! в тепловую и во многих странах может обеспечить зна-: чительную долю нагрузки горячего водоснабжения и, отопления помещений. Одним из препятствий для ис­пользования солнечной энергии в странах, расположен­ных на высоких широтах, например в Великобритании,] является большое число дней в зимние месяцы, когда приход солнечной радиации слишком мал.

Наиболее широко известным и освоенным способом преобразования солнечной энергии в тепловую является’ применение плоского коллектора для нагрева воздуха,, воды, или других жидкостей. Термин «плоский» явля­ется несколько условным и относится как к различным коллекторам, поглощающая поверхность которых пред­ставляет сочетание плоских, желобообразных и гофри­рованных элементов, так и к различным способам пере-] носа поглощенного солнечного излучения от поверхно­сти коллектора к нагреваемой жидкости.

В последние пятьдесят лет ряд исследователей неза^

висимо создали и испытали коллекторы различного типа; первые работы были выполнены в США [1, 2], Великобритании [3], Австралии [4], ЮАР [5] и Израи­ле [6]. Испытания проводились в районах-с различным приходом солнечной радиации при использовании раз­личных методик испытаний. Главная цель этих испыта­ний заключалась в том, чтобы преобразовать в тепло как можно большую часть солнечного излучения при наибольшей достижимой температуре и наименьших за­тратах на материалы и изготовление [7].

В Англии важное исследование в этой области было выполнено Хейвудом, который начал работу в 1947 г. с проведения экспериментов по определению характе­ристик плоского коллектора [3]. Первые опыты Хей­вуд провел на небольшом коллекторе квадратной формы площадью 0,093 м2. Собираемое тепло отводилось во­дой, протекающей в каналах, припаянных с обратной стороны к зачерненной медной пластине; количество тепла, поглощенного в единицу времени, определялось при различном числе прозрачных покрытий и различных температурах поглощающей пластины. Несколько упро­щенный теоретический анализ, выполненный Хейвудом в то время, все еще используется при проектировании плоских коллекторов для бытовых целей.

Наряду с этими исследованиями принципов собира­ния тепла Хейвуд разработал солнечный коллектор площадью около 1 м2, который в течение многих лет удовлетворительно работал в его доме, примерно в 15 км к юго-востоку от Лондона. Коллектор быд изго­товлен из двух листов рифленой оцинкованной стали и установлен в системе обычного типа, работающей по принципу термосифона. Водяная емкость коллектора равнялась 22,5 л, вместимость бака-аккумулятора бы­ла примерно такой же, так что общее количество воды в системе составляло около 45 л на 1 м2 поверхности коллектора. Данное соотношение между площадью кол­лектора и количеством воды в системе отчетливо про­слеживалось и в последующих экспериментах, выпол­ненных во многих странах. Основные выводы Хейвуда, которые до сих пор сохранили свое значение, формули­руются следующим образом:

простота конструкции должна быть неотъемлемой характерной чертой установок для нагрева воды или отопления помещений;

в Великобритании теплопроизводительность сол­нечных установок существенно изменяется изо дня в день;

удовлетворительная эффективность работы солнечно­го коллектора имеет место только при продолжительной и интенсивной прямой радиации. В периоды облачности! происходит сильное снижение эффективности работы ■ солнечного коллектора; хотя диффузная радиация мо-| жет быть частично эффективной, она значительно мень — і me прямой.

Хейвуд также отметил, что измерение падающей сол-; нечной радиации, которая редко бывает одинаковой да­же в течение двух или трех дней подряд, превращает эксперимент в изнурительную работу.

В Южной Флориде, США, в конце 30-х годов обес­печение горячей водой коттеджей и многоквартирных домов, а также небольших производственных помеще­ний осуществлялось в основном за счет солнечной энергии. Обзор, выполненный Скоттом в 1974 г. [8], показал, что почти все системы работают на принципе термосифона (см. гл. 8), а солнечные коллекторы со­стоят из медных труб, припаянных к медным листам, которые покрыты черной матовой краской и помещены в корпус из оцинкованной стали. Информация постав­щиков и потребителей подтвердила, что непосредственно сами коллекторы оказались весьма долговечными, а не­которые бесперебойно проработали свыше 30 лет. Даже отрицательная температура воздуха, изредка наблюдав­шаяся в районе Майами, не приводила к выходу из строя коллекторов, сделанных из мягкой меди. Отказ; потребителей от дальнейшего использования своих сол­нечных установок был обусловлен главным образом на­рушением работы, связанным с утечкой воды из основ­ных баков-аккумуляторов, недостаточно высокой темпе­ратурой воды и значительными затратами, требуемыми при замене баков-аккумуляторов.

Проблема герметичности баков появилась в связи с, коррозией, вызванной сочетанием в установке медных труб коллекторов и стальных баков-аккумуляторов. Увеличение потребления горячей воды в быту, связан­ное с неуклонно растущим применением стиральных и посудомоечных машин, привело к тому, что многие си­стемы перестали обеспечивать потребность в горячей воде. Этот опыт оказался весьма полезным для после­дующих разработок конструкции коллектора и системы в целом.

Большой практический опыт был накоплен в 50-е го­ды в Австралии [4]. Впоследствии Австралийская на­учно-техническая организация по промышленным и ис­следовательским работам (CSIRO) опубликовала ру­ководство по основам проектирования и конструирова­ния солнечных водонагревательных установок [9]. От­мечалось, что в то время промышленное производство солнечных водонагревателей получило в стране широкое развитие, поскольку это был практически приемлемый способ удовлетворения бытовых потребностей в горячей воде при умеренных затратах. Несложные детали обо­рудования, разработанного CSIRO и другими органи­зациями, были стандартизованы и могли быть купле­ны у поставщиков по всей Австралии. Стоимость этих установок была выше стоимости традиционных устано­вок, но эксплуатационные и ремонтные издержки были значительно меньше. Исследования в Австралии также показали, что автономная солнечная установка может обеспечить потребности средней семьи в горячей воде в течение всего года, хотя более удобно, а в некоторых районах и более экономично комбинировать такие уста­новки с традиционными источниками тепла. В то время многие коммерческие фирмы начали изготавливать и поставлять солнечные водонагреватели, но большинст­во из фирм не уцелело, в основном из-за малого спро­са на некомплектное солнечное оборудование. Выжили те немногие фирмы, которые поставляли полностью укомплектованные системы, и к середине 70-х годов они захватили лидерство в этой области, создав новые системы на основе многолетнего практического опыта.

ПЛОСКИЙ КОЛЛЕКТОР

Большинство плоских коллекторов состоит из пяти основных элементов (рис. 3.1). К ним относятся:

1. Прозрачное покрытие из одного или более слоев стекла или пластмассовой пленки.

2. Трубы или каналы, которые изготовлены как одно целое вместе с поглощающей пластиной или присоеди­нены к ней и по которым протекает вода, воздух или другой теплоноситель.

3. Поглощающая пластина, обычно металлическая, с черной поверхностью, хотя можно использовать мно-

ет их от атмосферны?| воздействий.

Элементы 1 и 4 мож| но исключить из уст] ройств, предназначенные для небольшого повыше ния температуры, как, на­пример, при нагреве воды в плавательных бассей нах. Некоторые конструк ции солнечных водо — Ї воздухонагревателей продемонстрированы на рис. 3.2 Гофрированный оцинкованный стальной лист широке используется во всем мире; на рис. 3.2,а и б показа ны два способа его применения. Один из примеров про] стейшего практического использования обычных стан’ дартных панельных радиаторов [5, 10] показан на рис 3.2, в (см. гл. 8). Способы присоединения и креплени — труб к плоскому или гофрированному листу показані] на рис. 3.2, а и д, тогда как на рис. 3.2, в изображен конструкция «труба в листе», представляющая^ собо! прокатно-сварную панель, в которой трубы «образова ны» в листе, обеспечивая хороший тепловой контакт между листом и трубой. Эффективный недорогой KOjd лектор, показанный на рис. 3.2, ж, работает по прин ципу обычного охлаждающего теплообменника. Дв’ различных типа поверхности солнечного воздухонагре вателя показаны на рис. 3.2, зим,

Основные области применения плоских коллекторо можно разделить на следующие три группы:

нагрев воды в плавательных бассейнах, где требу ется весьма небольшое повышение температуры. В это» случае коллектор не нуждается в прозрачной изоляцш или тепловой изоляции днища и боковых стенок [11 Высокий расход теплоносителя обусловлен необходим!! стью ограничить, повышение температуры двумя граду сами;

28

нагрев для бытовых и других целей, где требуемая температура не превышает 60° С. В этом случае необ­ходимы теплоизоляция днища и по крайней мере одно прозрачное покрытие;

процессы, требующие подвода тепла при температу­рах значительно выше 60° С, в том числе для получения механической энергии. В данном случае необходимы бо­лее тонкие конструктивные решения, чтобы снизить теп­ловые потери коллектора в окружающую среду.

Многообразие плоских коллекторов, показанных на рис. 3.2, свидетельствует о том, что плоский коллектор является сравнительно простым элементом оборудова­ния. В идеальном коллекторе все падающее на него из­лучение должно преобразовываться в тепло. На прак­тике полезное тепло Q всегда меньше падающей сол­нечной радиации GK Это обусловлено различными фак­торами и подробный анализ тепловых характеристик плоского коллектора очень сложен. Например, потери топла излучением возрастают в четвертой степени при увеличении абсолютной температуры и становятся все олее существенны по мере того, как температура на-

29

греваемой жидкости превышает температуру окружаю^ щей среды более чем на 25° С. Первый подробный анаі лиз этих факторов был выполнен Хоттелем и Вёрцем в 1942 г. [2]. Однако сравнительно простой анализ дает весьма полезные результаты и показывает, как связань между собой основные переменные и как они влияют нг режим работы коллектора.

Получение надежных данных по солнечной радиа­ции представляет трудную задачу. Даже опытные ме­теонаблюдатели считают, что при непрерывных долго­срочных наблюдениях трудно достигнуть точности выше ±5%’. Источником наиболее надежных данных явля­ются основные метеостанции, но часто они сильно раз­бросаны и удалены от мест, для которых такие данные необходимы.

На Британских островах более половины падающей, солнечной радиации составляет диффузная радиация и это ограничивает использование солнечной энергии с по­мощью фокусирующих систем. На рис. 2.3 показаны средние за 6 лет (1965—1970) значения суммарной сол­нечной радиации и ее составляющих, прямой и диффуз­ной радиации, для Кью (Лондон). В зимний период наблюдается сравнительно низкий уровень суммарной радиации в сочетании с повышенной долей диффузной составляющей, что значительно снижает эффективное^ многих систем солнечного отопления и горячего водо­снабжения.

При архитектурных разработках и строительстве ча­сто требуется знание общего количества радиации, по­ступающей на наклонную произвольно ориентированную поверхность, между тем как имеющиеся данные отно­сятся только к общему количеству суммарной радиации на горизонтальной поверхности в этом месте или на не­большом расстоянии от него. Очень мало метеостанций

Рис. 2.4. Влияние ориентации на отношение приходов солнеч­ной радиации на вертикальную и горизонтальную поверхности. 1 — юг; 2 — юго-восток; юго-запад; 3 — восток, запад; 4—северо-восток; северо-запад; 5—север.

измеряют облучение вертикальных поверхностей, одна­ко оно может быть рассчитано. На рис. 2.4, где пред­ставлены данные Кэша [11] для Дублина, показано влияние ориентации на отношение прихода солнечной радиации на вертикальную и горизонтальную поверх­ности.

В Великобритании первой работой по определению прихода радиации на наклонную, произвольно ориенти­рованную поверхность была работа Хейвуда [12—14], который предложил заменить календарные месячные
данные по радиации системой, основанной на конкрет-; ных значениях угла склонения, численно равных по ве­личине и противоположных по знаку. Преимущества этой системы, как утверждается в работе, состоят в том, что, разделив год симметрично относительно летнего солнцестояния, можно считать, что условия прихода сол­нечной радиации одинаковы в дни с равным значением угла склонения в весенний и осенний периоды. При этом использование относительно малого числа стан­дартных значений склонения уменьшает количество вы-] числений и обеспечивается лучшая основа для сравне-а ния данных по радиации. Хотя эта логическая концеп-] ция почти не обоснована, Хейвуд решил установитьі параметры, которые могут быть определены из соотно-1 шения измеренных потоков радиации, и построил кри­вые, показывающие, как они могут быть применены для определения уровня радиации, падающей на наклонную поверхность, к суммарной радиации на горизонтальной поверхности [15]. Эти кривые основаны на измерениях,

непрерывно проводившихся в течение трех лет в поли-1 техническом институте в Вулидже (БНЗО’ с. ш.). Данные! табл. 2.1 и 2.2, составленные на основе этих результа-1 тов, применимы для всей территории Великобритании при условии, что уровень суммарной радиации на го-| ризонтальной поверхности корректируется с учетом кон-1 кретного местоположения. Условия ясной погоды, ис| пользуемые Хейвудом, предполагают, что окрестность солнца свободна от облаков, покрывающих не более 7з неба.

Дневной прмход суммарной солнечной радиации на поверхность,
ориентированную на юг, в средних условиях

Месячные и годовые приходы солнечной радиации на наклонные
поверхности, МДж/м2 (рассчитаны по средним значениям
солнечной радиации в Кыо за период 1959—1968 гг.)

В табл. 2.3 представлены месячные и годовые при­ходы солнечной радиации на 1 м2 поверхности при раз­личных углах наклона к горизонту, полученные фирмой «Билдинг Ресёч Эстаблишмент» по данным метеостанции в Кью за период 1959—1968 гг. [16].

Можно видеть, что в течение всего года изменение! расчетных сумм радиации в диапазоне углов от 30 до] 60° не превышает нескольких процентов и что в летниеі месяцы меньшему углу наклона соответствует больший приход радиации. Этот теоретический анализ подтверж­дается данными табл. 2.2.

Другой подход к расчету часовых сумм солнечной; радиации, падающей на любую наклонную поверхность, был предложен Буглером [17]. Он использовал матема­тическую модель солнечной радиации, диффузная со­ставляющая которой рассчитывалась по суммарной ра­диации на горизонтальной поверхности с помощью трех различных соотношений. Подходящее уравнение выби-] ралось в соответствии с отношением измеренной часо-( вой суммарной радиации к часовой суммарной радиа-1 ции, рассчитанной для условий безоблачного неба. Про­верка этого метода по данным для Мельбурна за пери­од 1966—1970 гг. дала весьма хорошие результаты^ считают, что данный метод должен найти широкое применение.

Первыми стандартными приборами для измерения! прямой солнечной радиации были пиргелиометр Ангстре-: ма, разработанный в Стокгольме, и проточный калори-| метр Аббота из Смитсонианского института в Вашинг-. тоне. В пиргелиометре Ангстрема приводятся в соответ­ствие тепловые эффекты облучения приемника солиеч-] ной энергии и электронагрева затененного элемента. Для| измерения уровня электронагрева используются обыч-1 ные методы электрических измерений. Проточный ка-j лориметр Аббота имеет полость, которая поглощает сол-1 нечное излучение, а повышение температуры циркуля-і ционной охлаждающей воды пропорциональна! интенсивности падающего излучения. Пиргелиометр Аббота с серебряным диском является еще одним стам дартным прибором, в котором скорость изменения темпе! ратуры диска приближенно пропорциональна интенсив] ности падающего излучения. В течение многих лет отме] чалось, что американские и европейские измерений радиации не согласуются между собой и, как указывали 18 различные исследователи во многих странах, расхожде­ние составляло от 2,5 до 6% [6]. В сентябре 1956 г. была установлена новая Международная пиргелиомет — рическая шкала 1956, которая внесла поправки +1,5% к шкале Ангстрема и —2,0% к смитсонианской шкале Аббота. Впоследствии все приборы калибровались в со­ответствии с Международной пиргелиометрической шка­лой 1956.

Принцип действия большинства пиранометров, кото­рые используются для измерения суммарной радиации, а при затенении от прямых лучей и диффузной радиа­ции, основан на измерении разности температур черных (поглощающих излучение) и белых (отражающих излу­чение) поверхностей с помощью термоэлементов. По­следние дают сигнал в милливольтах, который можно легко контролировать с помощью целого ряда стандарт­ных самопишущих систем. Характерным примером та­кого типа приборов является пиранометр Эппли. Дру­гой, хорошо известный тип пиранометра — пиранометр Робича — основан на различном расширении биметалли­ческого элемента, тогда как с помощью дистилляцион — ного пиранометра Беллани, в котором спирт конденси­руется в калиброванном конденсаторе, измеряется сум­марная солнечная радиация за данный промежуток времени. Значительно более простые измерения, кото­рые проводятся во многих местах, связаны с определе­нием продолжительности солнечного сияния, т. е. вре­мени, когда диск Солнца не закрыт облаками или дым­кой. Она измеряется с помощью самопишущего прибора Кэмпбелла — Стокса, в котором используется сфери­ческая линза, фокусирующая солнечное излучение на термочувствительной бумаге. При наличии прямой сол­нечной радиации на бумаге появляется след в виде про­жога. Продолжительность солнечного сияния можно связать с суммарной радиацией с помощью уравнения регрессии

где G — среднее значение суммарной радиации на гори­зонтальной поверхности; Gi — эталонное (условное) значение суммарной радиации; п — средняя продолжи­тельность солнечного сияния; iV — средняя продолжи­тельность дня (или максимально возможная дневная 2* 19

продолжительность солнечного сияния); а и b — посто­янные. Период осреднения параметров в этой формуле обычно составляет один месяц.

Хорошим примером использования этого уравнения является анализ уровня радиации в Ирландии, прове­денный Коннотоном [7], в котором данные 23 станций, регистрирующих продолжительность солнечного сияния, : были обработаны вместе с данными для Валентин за период с сентября 1954 г. по август 1965 г. В итоге бы­ли получены значения а=0,25 и 6 = 0,58 и подготовлен ряд карт с расчетными средними значениями суммарной солнечной радиации для каждого месяца. Аналогичная работа была проведена Деем [8] для всей территории Британских островов. Работа Дея представляет более детальное исследование, поскольку в ней показано, что постоянные а и b существенно изменяются от одной станции к другой. Обработка данных одной и той же станции за разные периоды времени также может при­водить к изменению постоянных. Так, значения а и Ь, полученные Деем, для Валентин за период с 1954 по 1959 г. составляют соответственно 0,22 и 0,65.

Спектральное распределение прямой солнечной ра­диации изменяется при прохождении через атмосферу вследствие поглощения и рассеяния. Количество погло­щенной энергии зависит от длины пути излучения в; атмосфере. Обычный метод описания связи между уров­нями энергии основан на понятии массы атмосферы, которая представляет собой отношение фактической дли­ны пути излучения в атмосфе-j ре к длине пути, когда солнце находится в зените. Путь по< вертикали 30 (рис. 2.1) соот­ветствует единичной массе атмосферы, угол ЗОС между вертикалью и направлением на солнце называется зенит­ным углом z и масса атмо­сферы определяется выраже­нием m = C0/30 = secz, если пренебречь влиянием кривизны земной поверхности. Вплоть до 70° второе соотношение дает значения, весьма близкие к точным, учитывающим кривизну. Кроме того, необходимо учитывать изменения атмосферной рефрак­ции и уменьшение плотности с высотой [1].

На рис. 2.2 показаны кривые спектрального распре­деления для четырех различных случаев. Кривые а и в представляют теоретическое распределение излучения черного тела: а — при 6000 К, в — при 5630,7 К. По — 16

следнее значение — температура, при которой полнйя мощность излучения солнца, рассматриваемого как чер­ное тело, соответствует солнечной постоянной [2]. Кри­вая б характеризует спектр солнечного излучения за пределами атмосферы [2] и кривая г представляет рас­пределение прямой солнечной радиации в полдень* рас­считанное для сравнительно чистой атмосферы и зенит­ного угла 30° применительно к условиям типичного без-

облачного летнего дня в сельской местности Англии [3]. Рассеяние излучения аэрозолями (пылью) рассчитыва­лось на основе распределения частиц по размерам, ха­рактерного на континенте, а рэлеевское рассеяние и по­глощение озоном оценивалось в соответствии с моделью Эльтермана [4]. Нижняя кривая показывает также, что солнечное излучение ограничено длинами волн от 0,3 мкм (ближняя ультрафиолетовая область спектра) до

2,5 мкм (средняя инфракрасная область). Поглощение газами и водяным паром или туманом происходит толь­ко в определенных узких полосах спектра. Поглощение

излучения облаками на удивление мало, по-видимому ме­нее 10% при облачности толщиной 1000 м [5], а основные потери обусловлены рассеянием. Поглощение аэрозоля-1 ми также имеет место. Рассеяние излучения туманом и аэрозолями зависит от длины волны и размера частиц.] При малой концентрации частиц рассеяние становится] основным фактором, приводя к относительно интенсив-1 ному белому диффузному излучению при подернутом] дымкой небе или слабой облачности. Очень плотное об-‘ лако толщиной 1000 м отражает обратно в космическое! пространство более 90% падающего солнечного излу-| чения. Исследование спектрального распределения ос-| новано на использовании физических формул и коя-‘ стант и имеет большое значение в фотохимии и фото — j биологии.

Максимальное значение плотности потока радиации, j достигающей земли, составляет примерно 1,0 кВт на квадратный метр площади поверхности, перпендикуляр­ной солнечным лучам, причем доля прямой радиации в і условиях ясного неба составляет около 0,8 кВт/м2. Та­ким образом, значение солнечной постоянной уменьша-1 ется приблизительно до 70%.