Особенности солнечных теплоэнергетических установок

Указанное определяет значительные габариты и высокую стоимость солнечных установок и в первую очередь их приемно - концентрирующих устройств [4-5]. Принципиальная возможность управления эффективностью теплового приемника обусловлена существенным различием температуры солнечного излучения (спектр) и температурами приемника нагрева (охлаждения), т.е. возможность влияния на эффективность приемника за счет направленного изменения его радиационных характеристик [1-6]. Одна из задач в селективных приемниках это измерение их селективности в процессе эксплуатации.

В общем случае эффективность солнечной теплоэнергетической установки определяется в виде

η = η П ⋅ η ПР ;                                (1)

Как видно, общая эффективность установки представляет произведение эффективности приемника (ηП) и преобразователя (ηПР).

Эффективность термодинамического преобразователя определяется циклом Карно и, в общем, не зависит от источника энергии, а зависит от температур на входе и на выходе, а также от теплотехнических и конструктивных параметров преобразователя.

Т.е. задача повышения КПД солнечных установок это в первую очередь задача повышения КПД приемника.

Рис.1. Схема солнечных теплоэнергетических установок.

Основными составляющими теплопотерь приемника являются: потери отражением, излучением и конвекцией с лучевопринимающей поверхности приемника (ЛП) и ограждающих поверхностей (прозрачное ограждение (ПО) и наружные поверхности). Потери отражением и излучением непосредственно зависят от радиационных характеристик этих поверхностей, практически они пропорциональны поглощательным и излучательным способностям этих поверхностей. Однако, как известно, спектры падающего солнечного и собственного излучения приемника существенно различаются, что создает возможности повышения КПД приемника за счет оптимизации радиационных характеристик этих поверхностей.

На возможность повышения КПД приемников солнечного излучения за счет оптимизации их радиационных характеристик впервые было указано Тейбором [7]. Он обратил внимание на разницу между спектрами солнечного излучения и излучения черных тел, обусловленными температурами поверхности Солнца и тела. Спектр солнечного излучения с очень хорошим приближением соответствует температуре излучения черного тела при 5800К и в интервале длин волн от 0,3 до 2,5 мкм сосредоточено около 97% энергии солнечного излучения [8]. В то время как энергии излучения черного тела при температуре 1000 - 1500К в основном происходит в интервале длин волн от 1 = 2,5 до 10 мкм на которую приходится от 91% до 97% всей энергии излучения. Конечно, эти спектры для излучения черного тела никогда не перекрываются. Однако Солнце является источником излучения достаточно малого углового радиуса, поэтому могут иметь место перекрытие кривых спектральной плотности излучения. Вследствие этого появляется возможность создания приемников солнечного излучения с оптимальными радиационными характеристиками, например для поверхностей нагрева, это повышение поглощательной способности до точки пересечения и максимальное уменьшение после точки пересечения.

Существенное развитие понятия селективного приемника было проведено Гэ Синь Ши [3]. Согласно подхода Д. Тривича и П. Флинн [10] он предположил, что существует какая-то оптимальная пороговая длина волны 1ПОР для каждой заданной температуры поверхности теплового приемника солнечного излучения. Это λПОР определяла радиационные характеристики идеальной селективной поверхности, причем в области длин волн 1 < 1ПОР.ОПТ а р) = £ р) = 1, а при 1 > 1ПОР.ОПТ £(.) = ар) = 0. Полученное выражение для 1ПОР не учитывало в явном виде концентрацию, а также не была рассмотрена задача определения λПОР для реальных селективных поверхностей.

Ге Синь Ши - Баумом [11] определено значение λПОР.ОПТ   из уравнения баланса энергии путем дифференцирования полезной энергии P по dP

Х ПОР как---- = 0 и получено выражение:

d"n°p с2 • (-S)

_л     -____ ^- s - Т      где M = — • а • ( Т ⁴ - Т _о4 )           (2)

"пор . оп- = ln M + 4ln                    C

T где, C2 - постоянна Планка, 1.4380-10’2м-К; а - постоянная Стефана-Болцмана, 5.68∙10-8Вт/(м2∙К); ТS – температура Солнца, К; Т – температура приемника, К; ЕС – падающего солнечного излучения, Вт/м2.

Они при определении выражения (2) рассмотрели сложный случай с учетом конвективных потерь и сделали допущение для того чтобы аналитически выделить λПОР.ОПТ. Учет конвективных потерь не позволяет выделить в чистом виде зависимость λПОР.ОПТ от температуры нагрева и плотностей падающего потока излучения и затрудняет дальнейший анализ, а сделанное допущение вводит значительную ошибку при широком просмотре зависимости λПОР.ОПТ = f (T, n), где n – концентрация падающего потока и не выясняет ряд важных предельных случаев селективного лучепоглощения.

C ₂

^P                      C 2/

( Л пор ) on- ' ln n • ( e ^Л" ПОР ) °П^{- Т} - 1) + 1

Вопросы эффективности селективной поверхности преобразующей концентрированное солнечное излучение были впервые разработаны в работах О.И. Кудрина и А. Абдурахманова [12]. Ими были получены выражения λПОР.ОПТ для случая преобразования концентрированного солнечного излучения.

Также впервые ими было показано, что за счет оптимальных селективных характеристик даже в случае прямого солнечного излучения можно теоретически достичь температур, близких к температуре Солнца:

lim Tn = lim

⁽ Л ПОР ) ОПТ > 0   ⁽ ^ ПОР ) ОПТ > 0

T (1 - Т^---+--с/¹----)

S         C 2                           C 2

e /(^ЛПОР ) ОПТ■ ^TS     n . e /(^ЛПОР ) ОПТ■ TS

= т

T S

Однако полученные λ ПОР.ОПТ также были определены для приемника с идеальными селективными характеристиками и в условии вакуума.

В целом можно отметить, что к настоящему времени понятия селективной поверхности, методы оптимизации радиационных характеристик приемников солнечного излучения разработаны достаточно полно.

Однако, как показала практика разработки и испытания селективных поверхностей, их применение в приемниках солнечного излучения, в настоящее время недостаточно полно разработаны методы измерения интегральной селективности приемников в условиях эксплуатации.

Суть этих методов заключается в определении излучательной способности измерениями потоков энергии (конвекция, излучение) и температур тела и окружающей среды.

Причем реализация этих методов может быть самой различной. Для анализа схем реализации этих методов определения радиационных характеристик, в том числе приемников солнечного излучения рассмотрим следующую общую схему метода (см. рис.2).

Рис.2. Схема определения излучательной способности прямыми методами.

В схеме, представленной на рис.2. приведены все основные параметры и потоки энергии (излучение и конвекция) характеризующие баланс энергии для каждого момента времени, в том числе и для стационарного режима.

Общее уравнение теплообмена для схем прямого метода удобнее разделить на уравнения двух типов. Первая, это система уравнений теплообмена для каждого момента времени.

Для экрана

qЭФ.Э = εЭ ⋅ ТЭ + ρЭ ⋅ (UЭЭ ⋅ qЭФ.Э + UOББ.Э ⋅ qЭФ.ОБР)                (5) qРЕЗ.Э = εЭ ⋅ ТЭ - αЭ ⋅ qЭФ.ОБР                                       (6) Для образца qЭФ.ОБР = εОБР ⋅ ТОБР + ρОБР ⋅U Э.OББ ⋅ qЭФ.Э                            (7) qРЕЗ.ОБР = εОБР ⋅ ТОБР +αОБР ⋅ qЭФ.Э                                   (8) где, qЭФ.Э , εЭ ⋅ ТЭ4 – эффективное и собственное излучение экрана; ТЭ – температура экрана; αЭ, εЭ, ρЭ – поглощательная, излучательная и отражательная способности экрана; qЭФ.ОБР , εОБР ⋅ ТО4БР - эффективное и собственное излучение образца; ТОБР – температура образца; αОБР, εОБР, ρОБР – поглощательная, излучательная и отражательная способности образца; U – угловой коэффициент.

Достаточно широко применяются и нестационарные методы определения излучательных характеристик. Они основаны на уравнении m∙C(dT) = αC∙ FC ∙ EC - ε ∙FC∙σ(T4 –T4Э) - αK∙F ∙( T –TЭ)        (9)

dτ

В этом уравнении, описывающим изменение температуры T образца во времени, входят температуры экрана, окружающей среды (обычно принимают постоянной), а также конвективные потоки. Т.е. также желательно проводить измерения в вакууме.

Таким образом, из анализа следует, что наиболее приемлемыми методами для измерения интегральных радиационных характеристик селективных к солнечному излучению материалов являются радиационный и косвенные методы, определяющие радиационные характеристики по отражению. В первом случае для этого необходимо решить задачу учета конвективных потоков, а во втором случае, необходимо разработать способы позволяющие определять коэффициенты отражения реальных материалов с зеркальной и диффузной составляющей отражения.