1.3Физические основы преобразования солнечного излучения в тепло

Общеизвестно, что на солнце предметы нагреваются. Солнечную энергию можно использовать либо непосредственно -- для обогрева домов или приготовления пищи, либо косвенно -- для генерирования электричества.

К.П.Д. преобразования солнечного излучения

Весьма важным является вопрос о максимально возможном К.П.Д. термодинамического преобразования энергии солнца в другие виды.

Известно, что максимально возможный К.П.Д. имеет термодинамический цикл Карно:

К.П.Д.= (Тнагр-Тхол)/Тнагр.

Температура охладителя в обычных условиях на Земле примерно соответствует средней температуре окружающей среды, то есть составляет величину примерно 300-350 К (23-73°С). Следовательно, рост температуры нагревателя ведет к росту К.П.Д преобразования энергии.

С другой стороны излучающая поверхность Солнца имеет температуру около 6000К. Это и будет максимально возможная температура нагревателя.

Тогда идеальный К.П.Д. преобразования солнечного излучения в условиях Земли в другие виды не может превышать (6000- 300) /6000=0,95.

Особо следует подчеркнуть, что любой способ преобразования, в том числе и фотоэлектрический не может иметь К.П.Д больше К.П.Д цикла Карно[7].

Возможность повышения равновесной температуры различных приемников солнечного излучения.

Плоские коллекторы.

Во многих устройствах для теплового преобразования используются так называемые коллекторы - приемники солнечного излучения (рис. 1.1.) Прозрачное покрытие ослабляет отвод тепла от коллектора за счет теплопроводности и конвекции.

Рис.1.1. Плоские солнечные коллекторы.

Если полностью устранить дополнительные потери тепла, то остаются только потери тепла за счет излечения от коллектора в окружающую среду. В том случае, когда поступление излучения от Солнца сравняется с растущим при нагреве тепловым излучением от коллектора, получится равновесие и, следовательно, равновесная температура.

Обозначим интенсивность солнечного излучения через Р, а поглощательную способность пластины для этого вида радиации через бс. Под действием солнечного излучения пластина нагревается до тех пор, пока не достигнет равновесной температуры Т. При такой температуре интенсивность падающего и испускаемого излучения равны, что позволяет записать равенство

бс Р = еуТ4

где е -- излучательная способность пластины при низких температурах.

Тогда равновесную температуру Т мы получим из уравнения

Очевидно, равновесная температура тем выше, чем больше отношение бс/е. А согласно табл.1.2.[26], это отношение иногда, в частности для полированных металлов, достигает значений 2-3, но чаще оно много меньше. Однако полированные металлы вследствие их низкой поглощательной способности непригодны для изготовления коллекторов солнечного излучения. Для подобных целей обычно выбирают материалы с высокой поглощательной способностью, для которых отношение бс/е близко к 1.

Такие материалы называются нейтральными поглотителями.

Полагая Р = 800 Вт/м2 (типичная интенсивность солнечного излучения в тропиках в летнее время), из уравнения мы находим значение равновесной температуры, равное 343 К (70° С). Эта величина действительно близка к реальной температуре черной пластины, установленной на длительное время под тропическим солнцем. К.П.Д теплового двигателя с таким поглотителем не более (343-300)/343 =0,125

Селективные поглотители. Обычно такой поглотитель представляет собой полированную металлическую поверхность, покрытую тонкой темного цвета пленкой окисей никеля или меди. Его поглощательная способность в коротковолновой области (там, где находится спектральный максимум излучения солнца) довольно высока, порядка 0,9. При очень тонком покрытии подобный поглотитель прозрачен для излучения с длиной волны, превышающей его толщину.

Таблица 1.2.

Радиационные характеристики веществ

Тогда его излучательная способность в длинноволновой части спектра (там, где находится спектральный максимум у черного тела при температуре коллектора) должна быть не выше, чем у блестящего металла, то есть около 0,1. В этом случае равновесная температура будет выше, чем у неселективного покрытия, так как баланс излучения/поглощения возможен только при более высокой температуре. Равновесная температура такого селективного поглотителя с величиной отношения бс/е, близкой к 9, в рассмотренных ранее условиях должна повыситься до 427 К, или 1540С. К.П.Д теплового двигателя с таким поглотителем не более (454-300)/454 = 0,339.

Концентраторы солнца

Дальнейшего повышения равновесной температуры поглотителя можно добиться, если с помощью зеркал сконцентрировать на нем энергию солнечного излучения. На рис. 1.2. схематически показано одно из таких простейших устройств с плоскими зеркалами. Очевидно, что при использовании полностью отражающей зеркальной системы интенсивность облучения поглотителя увеличивается пропорционально отношению общей облучаемой поверхности зеркал к поверхности поглотителя.

Этот показатель называется коэффициентом концентрации К.

Зеркала монтируют таким образом, чтобы все падающие лучи были направлены на поверхность поглотителя. Если поглотитель квадратной формы снабжен, как показано на рис. 1.2, четырьмя зеркалами того же размера (что облегчает компоновку и сборку устройства), установленными под углом в = 60°, то в этом случае коэффициент концентрации равен 3.

На практике реализовать все достоинства подобной конструкции оказывается невозможным, поскольку отражающая способность зеркал меньше 100%, а при малых углах падения поглощательная способность поглотителя снижается. Тем не менее, величина К, как правило, бывает не ниже 2. В данных условиях равновесная температура плоского солнечного коллектора с зеркальными отражателями рассмотренного типа достигает 180° С (для нейтрального поглотителя) и 332° С (для селективного поглотителя). Следует заметить, что в данном случае с помощью рефлекторов усиливается лишь прямая составляющая солнечной радиации, так как сконцентрировать рассеянную составляющую оказывается невозможным, однако при небольших коэффициентах концентрации часть рассеянной радиации полезно используется.

Рис. 1.2. Концентрация солнечного излучения с помощью плоских зеркал.

Наиболее совершенной конструкцией обладает параболический концентратор, который фокусирует солнечные лучи так, как это показано на рис. 1.3. В результате коэффициент концентрации значительно увеличивается.

Рис.1.3. Концентрация солнечного излучения с помощью параболического зеркала.

На первый взгляд кажется, что в фокусе такого концентратора можно получить совершенно невероятную равновесную температуру, однако на практике этому препятствует непараллельность солнечных лучей.

Если для плоского зеркального отражателя подобное обстоятельство не имеет существенного значения, то в случае параболического концентратора оно ограничивает величину коэффициента концентрации. Вследствие непараллельности лучей их энергия собирается не точно в фокусе (точке), а в некоторой области вокруг него. На рис. 1.3 показаны траектории лучей, исходящих от противоположных краев солнечного диска и попадающих в точки А и Б.

Поэтому для получения максимального количества энергии облучаемое тело должно быть достаточно большим, чтобы принять все лучи, отраженные от концентратора. Кроме того, с ухудшением оптических свойств зеркальной поверхности концентратора и с увеличением размеров приемника солнечной энергии уменьшается эффективное значение К, а, следовательно, и равновесная температура,

При среднем качестве зеркал и использовании приемников, достаточно полно воспринимающих отраженное излучение, К обычно не превышает 10000. Равновесная температура составляет для такого коллектора около 1930К (1660° С).

Что же касается максимально возможной равновесной температуры поглотителя солнечного излучения, то она естественно, не может быть больше температуры излучающей поверхности солнца - 6000К, однако достижение столь высоких температур практически невозможно.

Другие виды поглотителей

Кроме обычных плоских коллекторов и коллекторов с концентраторами существуют и другие конструкции солнечных коллекторов, например солнечный бассейн. В таком устройстве поглотителем служит непосредственно водный бассейн, который при необходимости можно оборудовать дополнительным покрытием. Под воздействием солнечной радиации температура воды повышается как за счет непосредственного поглощения водой фотонов энергии, так и за счет теплообмена между поглощающим излучение днищем бассейна и водой.

В обычном бассейне при нагревании вода расширяется, и нагретые более легкие слои поднимаются вверх, происходит быстрое испарение воды, и вода нагревается слабо. Наличие простого пленочного покрытия улучшает положение, но незначительно, тек как перенос тепла испарением-конденсацией между водой и пленкой очень эффективен.

Однако, если подавить конвекцию воды в бассейне положение резко улучшается. Для этого необходимо наличие нерастворенной соли на дне бассейна, при повышении температуры растет растворимость соли в воде и, несмотря на более высокую температуру, плотность слоев воды вблизи дна становится больше, чем наверху, и конвекция пропадает.

Такой бассейн может хорошо работать и без покрытия. Результаты экспериментов показали, что равновесная температура в подобных бассейнах может достигать 100° С.

Для простоты можно считать, что такой бассейн подобен плоскому коллектору, поглотитель которого по своим свойствам занимает некоторое промежуточное положение между рассмотренными ранее нейтральным и селективным поглотителями.

Солнечные бассейны имеют ряд преимуществ перед коллекторами других типов в засушливых и пустынных районах с естественными солеными водоемами. Это наиболее дешевые приемники больших количеств солнечной энергии; благодаря высокой теплоемкости воды они обладают возможностями сохранения внутренней энергии в течение нескольких суток и, несмотря на различные технические трудности, солнечные бассейны находят все большее применение.

Рабочая температура тепловых приемников и реальный К.П.Д преобразователей

Реальная рабочая температура приемника солнца

Оцененная в выше равновесная температура дает только максимальную оценку.

Реальная рабочая температура тепловых приемников должна определяться из реального теплового баланса и, как правило, она намного ниже равновесной.

В реальной установке важнейшей частью теплового баланса является полезно используемое тепло. Для преобразователя излучения это тепло - один из видов потерь.

Таким образом, реальная рабочая температура- это равновесная температура, определенная с учетом не только «паразитных» потерь (обратное излучение, конвекционные потери и другие), но и полезно используемого тепла.

Следовательно, с ростом доли полезно используемого тепла рабочая температура уменьшается, стремясь к температуру окружающей среды, а тепловой К.П.Д. растет.

Тепловой К.П.Д. солнечного приемника

Тепловой К.П.Д., определенный как отношение полезно используемого тепла к падающему солнечному, будет максимален при условии максимума отвода тепла от солнечного приемника и равен нулю на холостом ходу установки.

Оптимальная рабочая температура термодинамического преобразователя солнечного излучения

Термодинамический преобразователь солнечного излучения преобразует полезно используемое тепло солнечного приемника с К.П.Д. не более К.П.Д цикла Карно с температурой нагревателя равной реальной рабочей температуре. Взаимосвязь этих двух важнейших параметров приводит к тому, что преобразуемая установкой мощность имеет максимум при определенной рабочей температуре.