Применения селективных покрытий на низкие высокотемпературные установки

В основном задача повышения КПД СВ связана с необходимостью уменьшения теплопотерь со стороны прозрачного ограждения и корпуса.

В связи с этим рассмотрим состояние работ, направленных на уменьшения теплопотерь СВ, в том числе за счет оптимизации радиационных характеристик приемника и ограждающих конструкций.

В целом здесь имеем две задачи, первая это определение понятия КПД СВ и вторая это влияние селективности приемника не только на КПД приемника, но и на КПД СВ в целом.

Обычно КПД СВ записывают в виде [1, 7-15; 4]

П = F^E c -( a s - T ) - £ t Q (T 4 - T r⁴ ) - а к (Т - T o )

где, F – площадь СВ, м²; E C – падающего солнечного излучения, Вт/м²; a S - т - приведенная поглощательная способность СВ; Т - температура приемника СВ, К; T R - температура «неба», К; Т₀ - температура окружающей среды, К; a _K – коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²∙К). Т.е. в этом виде в уравнении не учитываются потоки излучения от Земли, окружающих зданий и сооружений и деревьев. В связи с этим рассмотрим уравнение баланса более детально

Е РЕЗ = Е С + Е R + Е Z + Е ДЕР + Е ЗД - Е П

где, Е РЕЗ – полезный тепловой поток, отводимый от приемника; Е С , Е R , Е Z , Е Д _ЕР, Е_З Д – потоки излучения падающие на установку – Солнца, «Неба», «Земли», деревьев и зданий; Е_П – тепловые потери приемника. Причем эти потоки падают не только на приемник, но и на ограждающие конструкции СВ (прозрачное ограждение, боковые поверхности, дно), каждая со своими радиационными характеристиками и площадью. Соответственно имеем и различные виды потерь с наружных поверхностей СВ (излучение и конвекция).

И КПД СВ в соответствии с (2) будет равно

_ E PE3 _ ^EC   ^Е П _ | _ ^ЕП

EC     ECE

С учетом (3) его можно записать в виде

E   E   E   EДЕР п == 1+ —+ +   ++

EEE EE

Отметим, что обычно, считают, что члены E и E малы, и ими можно RZ пренебречь, однако в ряде работ [5-6] было указанно о возможном существенном влиянии температур «Неба» и «Земли» на КПД солнечных коллекторов.

Рассмотрим составляющие тепловых потерь приемника ЕП. В общем случае они включают теплопотери с прозрачного ограждения EПО, дна EД и боковой поверхности EБ. Причем теплопотерями можно также считать потери происходящие за счет отражения падающих потоков излучения, не только солнечного, но и остальных видов излучения падающих на СВ.

Е П = Е ПО + Е Б +Е Д                                (5)

Распишем составляющие теплопотерь прозрачного ограждения (ПО):

Е_ПО = Е_И.ПО + Е_К.ПО + Е_ОТР.ПО = F_ПО ∙ ε _ПО ∙ σ ∙ Т_ПО⁴ +

+F ПО ∙ α К.ПО ∙ (Т ПО – Т В ) + Е С ∙ ( ρ +( ρ ∙ τ ² ∙ (1- ρ )²))                (6)

где, Е И.ПО - теплопотери излучением от ПО; Е К.ПО - теплопотери конвекцией от ПО; Е ОТР.ПО - потери отражением от ПО; F ПО - поверхность ПО; Т ПО -температура ПО; α К.ПО - коэффициент конвекции над ПО; ε ПО - коэффициент излучения ПО; р - коэффициент отражения ПО; Т В - температура воздуха; а -постоянная Стефана – Больцмана.

Теплопотери для боковой изоляции E равно:

Е Б =Е И.Б +Е К.Б +Е ОТР.Б =F Б ∙ ε Б ∙ σ ∙ Т Б ⁴+F Б ∙ α К.Б ∙ (Т Н.Б –Т В ) + (Е R +E Z ) ε Б        (7)

где, F_Б - поверхность боковой изоляции; Т_Н.Б - наружная температура боковой изоляции; α К.Б - коэффициент конвекции около боковой изоляции; ε Б -коэффициент излучения боковой изоляции.

Теплопотери для дна корпуса E равны:

Е Д = Е И.Д +Е К.Д +Е ОТР.Д =F Д ∙ ε Д ∙ σ ∙ Т Д ⁴+F Д ∙ α К.Д ∙ (Т Д – Т В ) +E ДZ ∙ ε Д         (8)

где, F Д , Т Д – площадь и температура поверхности дна; α К.Д - коэффициент теплоотдачи конвекцией; ε Д - коэффициент излучения поверхности дна.

Как видно, уравнение баланса включает достаточно большое число параметров. Обычно считают, что их влияние несущественно и в целом практически учитывают только теплопотери с дна и потери с прозрачного ограждения. В связи с этим стараются упростить формулы для расчета КПД. В частности предложено характеризовать КПД коллектора двумя обобщенными параметрами F' (фактически характеризует эффективность использования падающего на СВ потока – какая часть этого потока попадает на приемник) и Y

(средний коэффициент теплоотдачи СВ в целом).

F ^/ = ^Ec E

где, ЕС – поток, падающий на установку; Е – поток, падающий на приемник. Определение этих параметров проводится экспериментально для заданных температур и параметров окружающей среды. Здесь не учитывается изменение угла падения солнечных лучей (увеличение коэффициента затенения переплетом [7] и увеличение потерь отражением от прозрачного ограждения). При определении обобщенного коэффициента теплоотдачи учитывается только температура окружающего воздуха, температуры неба, зданий, сооружений не учитываются.

В приведенные выражения входят и радиационные характеристики не только приемника, но и радиационные характеристики ПО и ограждающих поверхностей. Влияние их, очевидно, зависит не только от их значений, но и их сомножителей (площадь, температура, угловые коэффициенты окружающих тел и неба). Эти коэффициенты, можно рассматривать как весовые, т.е. радиационные характеристики при отдельном рассмотрении или в составе КПД установки будут иметь различные значения. Отметим, что обычно эффективность селективного приемника оценивается как для отдельной пластины, в то время как видно из уравнения баланса их эффективность надо оценивать в целом по влиянию на КПД установки.

Только в [8,9,465-475;] было рассмотрено влияние селективности на КПД вакуумированного коллектора в целом по КПД установки. В приведенной методике, вследствие вакуумирования не учитывались внутренние конвективные потоки от приемника к ПО. Использование этой методики для плоских коллекторов требует включения в уравнения эти конвективные потоки, которые оказывают достаточно большое влияние. Как известно, с изменением температуры приемника изменяется и параметр селективности. Оценка эффективности селективных приемников для высокотемпературных солнечных установок с учетом изменения £Т от температуры приемника была проведена в [10]. Методы определения эффективности солнечных высокотемпературных установок (ВПУ) не отличаются в принципе от низкотемпературных установок (НПУ). Однако в ВПУ солнечной частью установки является только сам приемник. Поэтому, указанная методика фактически требует определения только КПД приемника. Особенность определения КПД высокотемпературных приемников заключается в том, что, во-первых, основные потери - это потери приемника (много больше теплопотерь с теплоизолирующих ограждений приемника) и во-вторых «открытость» приемника, что усложняет решение задачи повышения их КПД.

Большинство средне - и высокопотенциальных теплоэнергетических установок преобразуют солнечную энергию в термодинамических циклах.

КПД приемника с увеличением температуры быстро падает, в то время как эффективность термодинамического цикла растет с увеличением температуры.

Поэтому в целом необходима оптимизация радиационных характеристик селективных приемников с учетом общего КПД теплоэнергетической установки. Идеализация задачи [10] заключалась в следующем - перепад температур между температурой стенки приемника и теплоносителя отсутствует; температура холодного источника в цикле Карно равна температуре окружающей среды. Задача была рассмотрена для случаев «черного», «серого» и «селективного» приемника. Было показано, что для всех этих случаев имеется оптимальная относительная температура приемника (отношение температуры приемника к его равновесной температуре при заданной плотности (концентрации) падающего излучения), при которой обеспечивается максимальный КПД энергоустановки. Авторы отмечают «Необходимо оговорится, что в нашем анализе мы сознательно не затрагивали специфических вопросов, касающихся свойств селективных поверхностей вообще. Среди них, по нашему мнению, пристального внимания заслуживает изучение возможности сохранения стабильности отношения αS/εT для реальных селективных поверхностей в широком диапазоне температур. Этот вопрос не входит в общий аспект нашего рассмотрения, но в то же время он является принципиально важным для гелиотехники и должен быть в будущем самостоятельно разобран». Отметим, что в полученные выражения для КПД не входит в явном виде концентрация (косвенно она входит в относительную температуру приемника t и одновременно в относительную температуру холодного «источника» t 0, что приводит как бы к обобщенным кривым и для цикла Карно, в то время, как известно, при уменьшении температуры горячего источника КПД резко падает. Для разграничения этих случаев на графиках приведены оба параметра t и t 0.