CC BY
3
УДК 004.02:004.5:004.9
Тураева У.Ф., кандидат технических наук
БГУ Тураев А.Ф. учитель БГУ
ОСОБЕННОСТИ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
Аннотация: Основная проблема создания и использования солнечных установок, как известно, обусловлена особенностями солнечного излучения у поверхности Земли - низкая энергетическая плотность, суточная цикличность поступления и существенная зависимость от климатических факторов.
Ключевые слова: поглощательная способность, излучательная способность, радиационная характеристика, пороговая длина волны, параметр селективности.
Turaeva U.F., candidate of technical Sciences
Turaev A.F. teacher
FEATURES OF SOLAR THERMAL POWER PLANTS
Abstract: the main problem of creating and using solar installations, as is known, is caused by the features of solar radiation near the Earth's surface - low energy density, daily cyclical input and significant dependence on climatic factors.
Keywords: absorption capacity, emissivity, radiation characteristic, threshold wavelength, selectivity parameter.
Указанное определяет значительные габариты и высокую стоимость солнечных установок и в первую очередь их приемно - концентрирующих устройств [4-5]. Принципиальная возможность управления эффективностью теплового приемника обусловлена существенным различием температуры солнечного излучения (спектр) и температурами приемника нагрева (охлаждения), т.е. возможность влияния на эффективность приемника за счет направленного изменения его радиационных характеристик [1 -6]. Одна из задач в селективных приемниках это измерение их селективности в процессе эксплуатации.
В общем случае эффективность солнечной теплоэнергетической установки определяется в виде
1 = 1п-ЛПР ; (!)
Как видно, общая эффективность установки представляет произведение эффективности приемника (пп) и преобразователя (ппр).
Эффективность термодинамического преобразователя определяется циклом Карно и, в общем, не зависит от источника энергии, а зависит от температур на входе и на выходе, а также от теплотехнических и конструктивных параметров преобразователя.
Т.е. задача повышения КПД солнечных установок это в первую очередь задача повышения КПД приемника.
Рис.1. Схема солнечных теплоэнергетических установок.
Основными составляющими теплопотерь приемника являются: потери отражением, излучением и конвекцией с лучевопринимающей поверхности приемника (ЛП) и ограждающих поверхностей (прозрачное ограждение (ПО) и наружные поверхности). Потери отражением и излучением непосредственно зависят от радиационных характеристик этих поверхностей, практически они пропорциональны поглощательным и излучательным способностям этих поверхностей. Однако, как известно, спектры падающего солнечного и собственного излучения приемника существенно различаются, что создает возможности повышения КПД приемника за счет оптимизации радиационных характеристик этих поверхностей.
На возможность повышения КПД приемников солнечного излучения за счет оптимизации их радиационных характеристик впервые было указано Тейбором [7]. Он обратил внимание на разницу между спектрами солнечного излучения и излучения черных тел, обусловленными температурами поверхности Солнца и тела. Спектр солнечного излучения с очень хорошим приближением соответствует температуре излучения черного тела при 5800К и в интервале длин волн от 0,3 до 2,5 мкм сосредоточено около 97% энергии солнечного излучения [8]. В то время как энергии излучения черного тела при температуре 1000 - 1500К в основном происходит в интервале длин волн от X = 2,5 до 10 мкм на которую приходится от 91% до 97% всей энергии излучения. Конечно, эти спектры для излучения черного тела никогда не перекрываются. Однако Солнце является источником излучения достаточно малого углового радиуса, поэтому могут иметь место перекрытие кривых спектральной
плотности излучения. Вследствие этого появляется возможность создания приемников солнечного излучения с оптимальными радиационными характеристиками, например для поверхностей нагрева, это повышение поглощательной способности до точки пересечения и максимальное уменьшение после точки пересечения.
Существенное развитие понятия селективного приемника было проведено Гэ Синь Ши [3]. Согласно подхода Д. Тривича и П. Флинн [10] он предположил, что существует какая-то оптимальная пороговая длина волны ХПОР для каждой заданной температуры поверхности теплового приемника солнечного излучения. Это ХПОР определяла радиационные характеристики идеальной селективной поверхности, причем в области длин волн Х < Хпор.опт а (Х) = е (Х) = 1, а при Х > Хпор.опт е^ = а^ = 0. Полученное выражение для ХПОР не учитывало в явном виде концентрацию, а также не была рассмотрена задача определения Хпор для реальных селективных поверхностей.
Ге Синь Ши - Баумом [11] определено значение ХПОР.ОПТ из уравнения баланса энергии путем дифференцирования полезной энергии Р по Хпор как йР
-= о и получено выражение:
й2ПОР
Т - Т
С2 • (Т^-Т) „ 1
Т„ • Т
где М = — •*• (Т4 - То4) (2)
2 =_ з где м =--и• (Т — т
лпор.опт =т е
1п М + 41п Т^ С
Т
где, С2 - постоянна Планка, 1.4380-10-2м-К; и - постоянная Стефана-Болцмана, 5.68-10-8Вт/(м2-К); Тб - температура Солнца, К; Т - температура приемника, К; ЕС - падающего солнечного излучения, Вт/м2.
Они при определении выражения (2) рассмотрели сложный случай с учетом конвективных потерь и сделали допущение для того чтобы аналитически выделить ХПОРОПТ. Учет конвективных потерь не позволяет выделить в чистом виде зависимость ХПОРОПТ от температуры нагрева и плотностей падающего потока излучения и затрудняет дальнейший анализ, а сделанное допущение вводит значительную ошибку при широком просмотре зависимости Хпор.опт = / (Т, п), где п - концентрация падающего потока и не выясняет ряд важных предельных случаев селективного лучепоглощения.
С
Тс =-р-Сь-=т (3)
р
(2пор )опт •1п
с2/
п • (е /(2пор )опт Т — 1) +1
Вопросы эффективности селективной поверхности преобразующей концентрированное солнечное излучение были впервые разработаны в работах О.И. Кудрина и А. Абдурахманова [12]. Ими были получены выражения Хпор.опт для случая преобразования концентрированного солнечного излучения.
Также впервые ими было показано, что за счет оптимальных селективных характеристик даже в случае прямого солнечного излучения можно теоретически достичь температур, близких к температуре Солнца:
1 1
Нт Тп
пор )опт
Нт
(^пор )опт
Т (1 -■
(^пор )опт
(^пор )опт
(4)
е' "ор>о"' ° п-е
Однако полученные ХПОРОПТ также были определены для приемника с идеальными селективными характеристиками и в условии вакуума.
В целом можно отметить, что к настоящему времени понятия селективной поверхности, методы оптимизации радиационных характеристик приемников солнечного излучения разработаны достаточно полно.
Однако, как показала практика разработки и испытания селективных поверхностей, их применение в приемниках солнечного излучения, в настоящее время недостаточно полно разработаны методы измерения интегральной селективности приемников в условиях эксплуатации.
Суть этих методов заключается в определении излучательной способности измерениями потоков энергии (конвекция, излучение) и температур тела и окружающей среды.
Причем реализация этих методов может быть самой различной. Для анализа схем реализации этих методов определения радиационных характеристик, в том числе приемников солнечного излучения рассмотрим следующую общую схему метода (см. рис.2).
Рис.2. Схема определения излучательной способности прямыми методами.
с
с
В схеме, представленной на рис.2. приведены все основные параметры и потоки энергии (излучение и конвекция) характеризующие баланс энергии для каждого момента времени, в том числе и для стационарного режима.
Общее уравнение теплообмена для схем прямого метода удобнее разделить на уравнения двух типов. Первая, это система уравнений теплообмена для каждого момента времени.
Для экрана
Ч-эф.э ~ еэ ' Тэ рэ ' (иээ ■ Цэф.э + Uобб .э ' q эф .обр ) (5)
чрез.э ~ еэ ' Тэ ~ аэ ' qэф.обр (6)
Для образца
q эф .обр ~ еобр ' Тобр + робр ' Uэ.обб ' Чэф.э (7)
qрез.обр ~ еобр ' Т обр аобр ' Яэф.э (8)
где, дЭФэЭ, £э-ТЭ - эффективное и собственное излучение экрана; Тэ - температура экрана; аэ, еэ, рэ - поглощательная, излучательная и отражательная способности экрана; ЯЭФ,ОБР, еОБР • ТАОБР - эффективное и
собственное излучение образца; Тобр - температура образца; аоБР, 8обр, Робр - поглощательная, излучательная и отражательная способности образца; U - угловой коэффициент.
Достаточно широко применяются и нестационарные методы определения излучательных характеристик. Они основаны на уравнении
1 гр
m^C(—) = ае Fc • Ec - е •Fo^a(T4 -Т4э) - ак-F •( T -Тэ) (9)
dx
В этом уравнении, описывающим изменение температуры Т образца во времени, входят температуры экрана, окружающей среды (обычно принимают постоянной), а также конвективные потоки. Т.е. также желательно проводить измерения в вакууме.
Таким образом, из анализа следует, что наиболее приемлемыми методами для измерения интегральных радиационных характеристик селективных к солнечному излучению материалов являются радиационный и косвенные методы, определяющие радиационные характеристики по отражению. В первом случае для этого необходимо решить задачу учета конвективных потоков, а во втором случае, необходимо разработать способы позволяющие определять коэффициенты отражения реальных материалов с зеркальной и диффузной составляющей отражения.
Использованные источники:
1. Авезов Р.Р. Повышение эффективности использования низкопотенциальных солнечных нагревателей в системах теплоснабжения. Дис. докт.техн.наук. -Ташкент: 1990. - 447с.
2. Возобновляемые источники энергии. / В кн. Первое национальное сообщение Республики Узбекистан по Рамочной конвенции ООН об изменении климата. Фаза 2. Главное управление по гидрометереологии при КМ Республики Узбекистан. -Ташкент, 2001, -С.34-36.
3. Гэ - Синь - Ши. Применение поверхностей с селективными радиационными характеристиками для гелиоустановок.: Автореф. дис. канд.
тех. наук. - М.: 1961. - 16с.
4. Захидов Р.А. Повышение роли альтернативных и возобновляемых источников энергии в энергетической стратегии США. // Гелиотехника, 2008. - №1. - С.89-96.
5. Захидов Р.А., Саидов М.С. Возобновляемая энергетика в начале XXI века и перспективы развития гелиотехнике в Узбекистане. // Гелиотехника, 2009.
- №1. - С.3 - 12.
6. Использование солнечной энергии при космических исследованиях. // Сб. переводов под. ред. В. И. Баума. Вводная статья. - Москва, 1964. - С. 59.
7. Клычев Ш.И. Моделирование приемно - концентрирующих устройств солнечных теплоэнергетических установок.: Дис. д.т.н- Т.: ФТИ. 2004. -268с.
8. Колтун М.М. Селективные оптические поверхности преобразователей солнечной энергии. - М.: Наука, 1979. - 215с.
9. Кудрин О.И., Полуэктов В.П., Кочетов В.К., Васильев Ю.Б. // Доклады Всесоюзный конференции по использованию солнечной энергии. - Ереван, 1969. - С.58-63.
10. Кудрин О.И. Солнечные высокотемпературные космические энергодвигательные установки. - М.: Машиностроение, 1987. - 248с.
11. Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д., Теплообмен излучением. - М.: Энергия, 1977. -294с.
12. Тривич Д., Флин П. Исследования по использованию солнечной энергии:
- М.: Энергия, 1960. - 152с.
13. Tabor H., in Trans. Conf. Use of Solar Energy, Tucson, AZ, Oct., 1955, E.F. Carpenter, ed., Univ. Arizona Press, Tucson, AZ, Oct., 1955 Vol. 2, Pt.1, Sec. A, p.1. pp 10- 12.
14. Атоева М.Ф. Периодичность обучения физике. Аспирант и соискатель.-Москва, 2010. -№6. - С. 41-43.
15. С.K.Kаxxоров, Атоева М.Ф. Периодичность в качестве педагогической законамерности обучения физики. Педагогические науки. -Москва, 2010. -№ 6. - С. 56-59.
16. Атоева М.Ф. Эффективность обучения электродинамике на основе технологии периодичности. The Way of Science. - Volgograd, 2016. -№ 10 (32). - P.65-66.
