1.9. Плоские коллекторы. Представление о селективной поверхности, введенное Тейбором
Плоский коллектор — это простейшее устройство, применяемое при использовании солнечной энергии. Он содержит поглощающую пластину, изготовленную из окрашенной мягкой стали, оцинкованного железа или листового алюминия, которая может иметь черную или селективную приемную поверхность и защищена слоем прозрачной изоляции (рис. 1.9.1). Для уменьшения тепловых потерь можно использовать несколько слоев прозрачной изоляции. Для повышения эффективности коллектора воздух из пространства между поглощающей пластиной и прозрачной изоляцией удаляют. Солнечное излучение проходит через прозрачную изоляцию и в поглощающей пластине преобразуется в теплоту, которая частично передается теплоносителю. Чтобы процесс поглощения солнечной энергии был эффективным, необходимо свести до минимума потери. Потери (Т) с единицы площади приемника, имеющего температуру Т, можно выразить следующим образом [64]:
(1.9.1), где первый член в правой части уравнения определяет конвективные потери от тела с температурой T к окружающему воздуху с температурой Tα, ε0 - степень черноты тела , С - константа, зависящая от формы тела, и σ- постоянная Стефана-Больцмана.
Рис. 1.9.1. Конструкция солнечного плоского коллектора с прозрачным теплоотражающим покрытием [2].
1 — прозрачная защитная пластина; 2 — поглощающая пластина; 3 — прозрачное теплоотражающее покрытие; 4 — изоляция.
Если тело окружено оболочкой, степень черноты которой , то уравнение (1.9.1) принимает вид
где T1 - температура оболочки, С' - новая константа и (l/ε0 + l/s1 - 1)-1 - эффективная степень черноты тела. Предполагается, что потерями теплопроводностью qc = b(T -Та) можно пренебречь. Степень черноты стекла ~ 0,961). Для черных тел, температура которых мало отличается от температуры окружающей среды, член, определяющий радиационные потери, превышает конвективный член в уравнениях (1.9.1) и (1.9.2) и увеличивается с ростом температуры Т (T - температура тела). Снизить потери можно либо путем увеличения Т1, либо путем уменьшения С' и эффективной степени черноты.
1)Эта величина не превышает 0,86 при измерении излучения в полусферу и 0,9 при измерении излучения по нормали к поверхности. — Прим. ред.
Температуру T повышают, используя несколько слоев стеклянной изоляции, но каждый дополнительный лист стекла вызывает потери на отражение и пропускание, что уменьшает количество солнечной энергии, попадающей на приемник, поэтому оптимальной является изоляция из 2 - 3 прозрачных слоев. Для уменьшения коэффициента С' требуется вакуумирование пространства между поглощающей пластиной и прозрачной изоляцией. Однако если конвективные потери намного меньше радиационных, то вакуумирование экономически неэффективно. На возможность уменьшения эффективной степени черноты и, таким образом, сведения до минимума радиационных потерь путем использования поглощающей пластины с спектральной селективностью оптических свойств, указал Тейбор [ 64], внесший заметный вклад в развитие этого направления. Тейбор обратил внимание на разницу между спектрами солнечного излучения и излучения черных тел. Спектр солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, заключен в интервале длин волн 0,3 - 2 мкм, в то время как максимум энергии излучения черного тела приходится на длину волны 10 мкм при температуре 300 К и на ~ 5 мкм при 600К. В соответствии с законом излучения Планка при температуре тела 300 - 600 К можно пренебречь энергией, излучаемой этим телом в области длин волн солнечного спектра (λ < 2 мкм). Таким образом, спектры не перекрываются, и на этом построен принцип "спектральной селективности", сформулированный Тейбором [64], а также Гиром и Данклем [64а]. Можно уменьшить эффективную степень черноты поверхности коллектора, если ее поглощательные, отражательные и пропускательные свойства различны относительно солнечного и инфракрасного излучения. Селективная поверхность поглощающего фильтра должна быть черной в видимой области спектра и хорошо отражать (т. е. плохо излучать) в инфракрасной. Селективная поверхность прозрачного фильтра будет хорошо отражать инфракрасное излучение и пропускать солнечное. Прозрачные теплоотражающие покрытия относятся к классу прозрачных фильтров, а черные поглощающие поверхности - к классу поглощающих.
Испарением золота с вольфрамовой нити в атмосфере азота с небольшой примесью кислорода были получены фильтры из золотой черни, прозрачные для излучения с длиной волны более 2 мкм [ 65]. О подобных результатах, относящихся к другим методам, сообщалось ранее в работах [66, 67]. Хотя именно фильтры из золотой черни натолкнули на мысль о возможности достижения спектральной селективности, в настоящее время разработки направлены главным образом на создание покрытий следующих типов: 1) светопоглощающих покрытий, прозрачных в инфракрасной области, получаемых методами электрохимического осаждения и химического осаждения из паровой фазы, или селективных красок, которые наносят на металлические подложки с низкой степенью черноты; 2) покрытий, которые получают путем химического превращения металла на поверхности в соединение, обладающее свойствами, описанными в п. 1; 3) структурных покрытий, структура поверхности которых обеспечиваем различные оптические свойства относительно коротковолнового и длинноволнового теплового излучения; 4) поглощающих фильтров с хорошим пропусканием в видимой области и хорошим отражением в инфракрасной.
