CC BY
95
УДК 532.783 А.Б. Поллер
ЗАО «СКБ», СГГ А, Новосибирск
О ПОСТРОЕНИИ СВЕТОТЕПЛОВОГО ЛЮМИНОФОРНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
В статье рассматривается система люминесцентного накопления солнечного света и тепла с целью освещения и обогрева различных помещений.
A.B. Poller
JSC "SDB", SSGA, Novosibirsk
ABOUT CONSTRUCTION OF THE LIGHT-HEAT LUMINESCENT CONVERTER OF SOLAR ENERGY
The system of luminescent accumulation of sunlight and heat for the purpose of illumination and heating of various premises is considered in article.
Распространенные методы преобразования солнечной энергии базируются на фотоэлектрическом преобразовании c помощью кремниевых пластин света в электроэнергию, а также на преобразовании солнечной энергии в тепло, а затем тепла в электрический ток [1,2]. Этим методам присущи недостатки, связанные с необходимостью концентрировать солнечный свет для повышения КПД кремниевых преобразователей, для повышения эффективности нагрева теплоносящих жидкостей. Однако при рассеянном солнечном свете обычные концентраторы начинают работать неэффективно, поэтому в последние десятилетия были начаты исследования по использованию люминофорных концентраторов и светонакапливающих систем [3-5].
Значительный интерес представляет задача построения светотеплового преобразователя солнечной энергии, который бы одновременно накапливал свет и тепло, а затем передавал их потребителю на небольшие расстояния в десятки метров. Такой метод актуален для освещения и обогрева различных помещений, подземных автостоянок, помещений и складов с огне- и взрывоопасными материалами, так как в этом случае может быть сэкономлена электрическая энергия, увеличена безопасность людей и движения транспорта.
Для оценки возможности построения такого преобразователя были выполнены исследования ряда энергетических характеристик новых светонакапливаюших люминофоров (ФВ-490 Д), и также свойств некоторых жидкостей содержащих частицы таких люминофоров. Также исследовались характеристики передачи тепла в макете светотеплового преобразователя.
Была снята характеристика световой эффективности люминофора ФВ-490Д в соответствии с формулой
К,% = ^±100%
где Еосв - величина освещённости слоя люминофора от лампы ДРЛ - 150, Еизл. - величина освещенности площадки от слоя люминофора.
В зависимости от величины освещенности люминофора Еосв, при одинаковом времени засветки слоя люминофора была получена характеристика, представленная на рис. 1.
К э %
3 2.5 2 1.5 1 0,5 0 ♦
♦ 4 ►
♦ 4
♦ < ► ♦ 4 ► ♦ і ► ♦
) 2 4 6 8 10 12 14 Е осв (Клюкс)
Рис. 1. Характеристика световой эффективности
Из рис. 1 видно, что при росте облученности люминофора более 1 Клюкс, световая эффективность существенно снижается. То есть люминофор накапливает рассеянное солнечное излучение с большей эффективностью, чем прямое солнечное излучение.
Частицы люминофоров в жидкости после накопления света и тепла перемещаются в потоке жидкости в зону освещения и обогрева. Спектральные характеристики пропускания таких жидкостей - 8(л) должны соответствовать спектральным характеристикам люминофора, то есть иметь высокую прозрачность в области поглощения солнечного света люминофором - 8>Ч[ и в области излучения люминофора - 8ли. Кроме того такие жидкости должны сохранять текучесть в рабочем диапазоне температур солнечного преобразователя.
Были выполнены модельные эксперименты по облучению смесей различных жидкостей с люминофором световым излучением от лампы ДРЛ -150. В качестве жидкостей использовались дистиллированная вода (В), полиэтиленгликоль (П) и глицерин (Г). При эксперименте смесь представляла собой одинаковое количество люминофора, заливаемого одинаковым количеством жидкости. После интенсивного размешивания смесь состояла из верхнего слоя жидкости толщиной около 3 мм и осадка из люминофора толщиной около 2 мм. Образцы таких смесей выдерживались под лампой ДРЛ-150 равное время, при равной величине облученности. Затем измерялась величина светоотдачи от каждого вида смеси. Характеристики такой светоотдачи представлены на рис. 2.
вода+глицерин
полиэтеленглик...
.а
і—
и
О
сі
X
X
вода
глицерин
0,2 0,4 0,6
Свето отдача, отн.ед.
0,8
0
Рис. 2. Характеристики светоотдачи смесей жидкостей с люминофором
Из рис. 2 следует, что наилучшие характеристики светоотдачи были у смеси люминофора с глицерином, что свидетельствует о наилучшем соответствии спектральных характеристик пропускания глицерина, характеристикам люминофора.
Для оценки характеристик теплового преобразователя был разработан макет, схема которого, показана на рис. 3.
7
Тепловой
радиатор
компрессор
1,2 м
1, °С
Рис. 3. Схема макета
1
Две трубы из полиметилметакрилата (сосуд 1, 2) с внешним диаметром 55 мм, внутренним 50 мм, длиной 300 мм соединены трубкой (поливинилхлорид сечением 5 мм), образуя между собой замкнутую цепь, в которую подключен компрессор (предварительно было установлено, что мощность компрессора позволяет поднять воду по трубке на высоту не менее 6 м) и датчики с цифровым термометром. Сосуд 1 установлен на тепловом радиаторе (1 = 60-70°С) на высоте 1,20 м от сосуда 2.Цель эксперимента с данным макетом заключается в оценке времени выравнивания температуры в нижнем и верхнем сосудах в зависимости от мощности компрессора. А также в оценке скорости движения частиц люминофора вместе с водой или вместе с глицерином.
Весовая концентрация люминофора в жидкости составляла около 1 %, при этом расчетное количество частиц люминофора в 1 см жидкости составляло
ориентировочно 105.При эксперименте была получена зависимость скорости движения частиц люминофора в воде в зависимости от мощности компрессора, представленная на рис. 4.
0
Э
- и ^ 9
.. / _□ \— и
Q. ^ о :е U 1
1
U,b
и С 1 0 2 Мо 0 3 щность компре 0 4 ?ссора, Вт 0 5
Рис. 4. Зависимость движения частиц люминофора в воде от мощности
компрессора
При одинаковой мощности компрессора скорость движения частиц в глицерине в 8-15 раз меньше по сравнению со скоростью движения частиц люминофора в воде.
Заключение:
1. Полученные экспериментальные оценки позволяют приступить к технической реализации светотеплового преобразователя.
2. При технической реализации также необходимо учесть, что зарубежной фирмой «Kopin Nanoscale Imaging Corp.» разработан нанофосфор обладающий повышенной светоотдачей - это может повысить эффективность светопреобразователя, так же необходимо отметить, что нанопорошки обладают свойствами жидкости, что в дальнейшем позволит в светотепловых преобразователях отказаться от использования жидкостей.
1. Куртиз С., Фридман Д. Фотоэнергетика, путь к световому будущему // Оптический журнал. - 2007.- Т. 74, № 1.
2. Преобразование солнечной энергии вопросы физики твердого тела // М: Энергоиздат.-1982.- 32 с.
3. Барашков Н.И., Сахно Т.В. Оптически прозрачные полимеры и материалы на их основе. Наука. 1991.
4. Поллер Б.В., Попков В.К., Поллер А. Б., Бритвин А.В., Коломников Ю.Д., Трушенко Д.Е., Орлов С.Г. О характеристиках преобразователей солнечного света с полимерными волноводами // Сб. матер. междунар. научн. конгр. «ГЕО - Сибирь - 2006». -Новосиб., 2006. - Т. 4. - С. 176-180.
5. Поллер Б.В., Попков В.К., Поллер А.Б. Перспективы применения наземнокосмических пленочных систем накопления и передачи солнечного света для сельского хозяйства // Пленарный доклад на Междунар. научно-практ. конф. «Электроэнергетика в сельском хозяйстве». - Новосибирск, 2009.
© А.Б. Поллер, 2010
б
