При использовании солнечной энергии для обогрева и охлаждения зданий применяют плоские солнечные коллекторы, которые должны быть достаточно эффективными при температурах около 100-110°С. Обычные плоские солнечные коллекторы обладают при этих температурах сравнительно низкой эффективностью из-за больших тепловых потерь вследствие конвекции и излучения. Подавить конвекцию и излучение можно с помощью ячеистой структуры, помещенной между поглощающей и прозрачной пластинами в плоском коллекторе. При этом удается получить высокие температуры поглощающей пластины. В 1929 г. Вейнберг [375] провел эксперименты с ячеистыми структурами, образованными сложенными проволочными ситами или вертикальными листами лакированной гофрированной бумаги, размещенными на поглощающей пластине. Франсиа [376] показал эффективность ячеистых структур в коллекторах с умеренными и низкими температурами. Исследования в этом направлении были продолжены; упрощенный анализ ячеистых солнечных коллекторов представлен в работе Холландса [377]. В работе [378] приведены результаты дальнейших исследований влияния радиационного теплообмена и свободной конвекции на характеристики солнечных тепловых преобразователей с прямоугольной ячеистой структурой. Теоретические выражения даются для преобразователей при отсутствии или наличии движения воздуха через них. Результаты анализа подтверждены экспериментальными данными, полученными на экспериментальном модуле площадью 0,09 м 2, встроенном в остекленный хорошо изолира ванный корпус, установленный на платформе с регулируемым углом наклона к горизонту. Показанная на рис. 5.14.1 исследованная ячеистая структура состоит из множества прямоугольных ячеек, на высокоотражающие зеркальные стенки которых нанесена диэлектрическая пленка. Эта пленка прозрачна в области солнечного спектра и поглощает длинноволновое излучение. Измерения были проведены для трех конфигураций структуры: 1) L/d=7,11, W/d=3,4 при L= 3,81 см; 2) L/d=4,67, W/d = 3,4 при L= 2,54 см и 3) L/d= 4,17, W/d =2,l при L= 3,81 см (L, d и W обозначены на рис. 5.14.1). Теоретические зависимости сравниваются с экспериментальными на рис. 5.14.2. На этом же рисунке представлены данные из работы [379] для двух гофрированных воздухонагревателей I и III. Теория хорошо согласуется с экспериментом, и преимущество ячеистых воздухонагревателей перед гофрированными при высоких температурах поглощающей пластины очевидно.
Рис. 5.14.1. Преобразователь энергии излучения в тепловую энергию с прямоугольной ячеистой структурой [ 378].
1- ячеистая структура (просмоленная прозрачная бумага с алюминиевым покрытием); 2 — пористая насадка; 3 - стеклянная изоляция.
Рис. 5.14.2. Экспериментальная и теоретическая эффективности преобразования энергии излучения в тепловую при использовании ячеистой структуры и эффективности нагревателей I и III [378]. ------------------ эксперимент, теория; нагреватель I [ 379]; нагреватель III [ 379].
В фирме "Локхид мисайлз энд спейс" была найдена возможность существенно повысить эффективность коллектора с помощью тонкостенных прозрачных ячеистых структур на основе органического пластмассового материала типа майлара.
рис. 5.14.3, α, О показаны тонкостенные структуры из стеклянных трубок и стеклянных гофрированных листов, предложенные в работе [ 381 ]. На рис. 5.14.4 приведены тепловые характеристики модулей коллекторов с ячеистой структурой из тонкостенных стеклянных трубок, а Однако позднее прозрачные тонкостенные ячейки стали изготавливать на основе неорганического стекла в связи с тем, что органические пластмассы повреждаются под действием ультрафиолетового излучения, имеют низкую температуру стеклования и поглощают воду. На также с одним и двумя слоями стеклянной изоляции. В случае неселективной поглощающей пластины коллектор с такой ячеистой структурой оказывается гораздо более эффективным, чем плоский солнечный коллектор со стеклянной изолирующей пластиной, Ячеистая структура позволяет подавить тепловое ИК-излучение с поверхности коллектора, т. е. выполняет роль селективной поверхности, однако с экономической точки зрения такая структура невыгодна.
