Эффективность солнечных теплоэнергетических установок с селективными приемниками излучения (стр. 2 )

Во второй главе приведены результаты разработки методик определения интегральных поглощательной (αS)и излучательной (εT) характеристик реальных поверхностей приемников солнечного излучения в эксплуатационных условиях. Отметим, что если εT является функцией температуры тела, то αS является функцией температуры источника. Поэтому на первом этапе разрабатывалась методика определения εT. На рис.1. приведена схема определения εT по равновесной температуре. Одна из проблем определения εT это необходимость учета (исключения) при измерениях конвективных теплопотерь. Особенность разработанной методики в том, что для одних и тех же условий определяются равновесные температуры двух тонких пластин «черного» тела и рабочего образца.

Рис.1. Схема определения εT по равновесным

температурам

Так для равновесного теплового состояния этих тел имеем следующие уравнения баланса, для образца

  2*ε*σ*Т4 +2* бК*(Т-Т0) = б*ЕС + 2*ε*σ*Т4  (1)

Для «черного» тела

  2*εa*σ*Та4 +2*бКa*(Та-Т0) = бa*ЕС + 2*εa*σ*Тa4  (2)

Важным здесь является обеспечение условия б = ε и бa  = εa, что определяет и  температуру источника, так при условии 90% излучения в области длин волн более 3мкм она составляет не более 3200С, а для 80%, не более 5200С. 

В этих уравнениях известны температуры образца и «АЧТ», температуры стен, окружающего воздуха и плотность падающего излучения E, неизвестными являются ε и коэффициенты конвективной теплоотдачи бК, бКa. При этом из уравнения (2) определяем бКa и считая, что бК = бКa (погрешность допущения при естественной конвекции не более 5%, а при вынужденной равенство становится еще более точным). Далее из уравнения  (1) определяем ε. При этом  погрешность метода составляет около 8%, что вполне приемлемо.

Анализ методики определения εT по равновесным температурам показывает, что на этой основе возможно создание и нестационарного метода определения εT. Метод заключается в том, что излучательная способность определяется не только по равновесной температуре, а в целом по кривым охлаждения (нагрева), рис.2.

Рис. 2. Расчетные и экспериментальные кривые нагрева и

охлаждения зачерненной медной пластины

Расчетная модель задачи нагрева одномерной пластины приведена на рис. 3, где h – толщина образца; L – характерный (условный) размер пластины.

 

Рис. 3. Схема одномерной нестационарной задачи нагрева

Как, показали исследования на этой основе возможно создание и упрощенного метода определения еТ. Известно, что  при одинаковой плотности потока падающего излучения  серые тела, независимо от еТ имеют одинаковую равновесную температуру. В то же время динамика их нагрева может отличаться (рис.4а, б). Анализ временной зависимости динамика нагрева пластины показал, что по разности равновесных температур или максимальных разностей на кривой нагрева относительно черного тела можно определять еТ на воздухе для заданных условий (рис.5). При определении поглощательной способности по этим методикам необходимо, чтобы температура излучателя была близкой к температуре Солнца. В связи с этим были реализованы схемы, когда источник Солнце и ксеноновая лампа. При этом, как видно из уравнений (1) и (2) этот метод позволяет решать две задачи –непосредственно из измерений также определять такой важный параметр, как параметр селективности П = αS/еТ для любой поверхности приемника, а при предварительном измерении еТ может быть определена и поглощательная способность материала к солнечному излучению αS.

а - в вакууме	б  - на воздухе	1-максимальные; 2 – равновесные
Рис.  4. Динамика нагрева пластины во времени при различных еТ	Рис. 5 Разности температур тел с различными еТ  относительно "черного"  тела

Влияние селективности поверхности на равновесную температуру при различных значениях параметра селективности П  показано на рис. 6, где приведены разности равновесных температур серой (TСЕР) и селективной (T) поверхностей дТ = Т – ТСЕР, и различными б1 (е1 = б1) серой поверхности.

 

  а - EС=5000 Вт/м2;  б - EС=900 Вт/м2;

Рис.  6. Влияния селективности на равновесные

температуры нагрева для αST = 0,9

В третьей главе приведены результаты работ по реализации предложенных методик и результаты измерения радиационных характеристик, различных поверхностей приемников, в том числе поверхностей «охлаждения».

На рис.7. приведены установки для определения интегральных излучательной (а) и поглощательной (б) способностей.

а – излучательная способность;	б – поглощательная способность;

Рис. 7. Экспериментальная установка для определения интегральных

радиационных характеристик материалов

На этих установках были исследованы радиационные характеристики образцов различных материалов без предварительной обработки их поверхностей, характерных для условий  эксплуатации, как показано в таблице.

Интегральная поглощательная к солнечному излучению

и излучательная способности различных материалов

ОБРАЗЦЫ	еT	бS	бS/еT
«сажа»	0,945	0,945	1
медь	0,45	0,45	1
нержавеющая сталь	0,53	0,52	1
алюминий	0,32	0,32	1
черная краска	0,919	0,9	0,998
серая краска	0,76	0,75	1,019
синяя краска	0,54	0,5	1,08
зеленая краска	0,7	0,7	1
красная краска	0,61	0,6	1,04
«селективная»	0,4	0,9	2,25
белая эмаль	0,897	0,5	0,6
гипс	0,902	0,3	0,3
шамот	0,75	0,25	0,3

Анализ результатов исследований и сравнение с материалами с известными радиационными характеристиками показал, что погрешность методик составляет порядка 8 – 10%. Так например, подтверждается, что некоторые из красок и строительных материалов имеет существенно обратную селективность и могут быть использованы как поверхности охлаждения. В целом такие установки и разработанная методика могут быть рекомендованы для использования на практике. 

На рис. 8 приведены равновесной температуры различных образцов, отличающихся поглощательной способности. Как видно, имеет место существенное влияние радиационных характеристик на температуре нагрева, что позволяет управлять температуры нагрева (охлаждения).

Рис.8. Равновесные температуры образцов

В четвертой главе  на основе исследований, проведенных выше были разработаны тепловые модели приемников солнечных установок для определения влияния радиационных характеристик на КПД приемника и солнечных установок в целом, и выработки на этой основе рекомендаций по их оптимизации и рациональному применению. В общем случае можно выделить два основных типа солнечных теплоэнергетических установок (СЭУ) – тепловые («горячий ящик» - водонагреватели, сушилки, опреснители) и собственно теплоэнергетические, преобразующие тепло в термодинамических циклах.

Типы и конструктивное исполнение СЭУ могут существенно различаться, однако всегда можно выделить следующие основные элементы: – приемник и преобразователь тепловой энергии в механическую (см. рис.9), для горячих ящиков обычно имеем один элемент «приемник».

В общем случае КПД СЭУ  равно

            (3)

Влияние радиационных характеристик имеет место, как в тепловых, так и в теплоэнергетических установках. Для исследования влияния радиационных характеристик на КПД горячего ящика была разработана тепловая модель, основные параметры которой представлены на рис.10.

Рис.9. Основные характеристики СЭУ	Рис.10. Схема и основные параметры, и тепловые потоки в приемнике НПУ

Разработанная стационарная тепловая модель горячего ящика отличается от существующих тем, что позволяет учитывать все основные виды теплопотерь, в том числе и с боковых сторон (составляют от 20% до 30% площади дна), а также селективность радиационных характеристик приемника, прозрачного ограждения, а также поверхностей теплоизоляционных ограждающих конструкций.