Солнечный коллектор на основе вакуумированных труб состо1

из двух концентрических трубок (цилиндров). Внешний цилиндр сделан из стек­ла, а внутренний представляет собой трубку, через которую протекает жидкость. Внешне таите коллекторы похожи на флюоресцентные лампы. Пространен > между двумя цилиндрами вакуумировано, что снижает конвективные теплой потери в окружающую среду.

Вакуумированные трубки способны нагревать жидкость до температуры 80 С и выше. Солнечный коллектор собирается из нескольких трубок, расстоян между которыми, как правило, равно диаметру внешней трубки. Обычно пол трубками устанавливают специальную отражающую поверхность, чтобы уве чить количество поглощаемого солнечного излучения.

10.3.2. Концентраторы

Существующие концентраторы делятся на две группы: безьшиджі

вые и имеющие фокус. Концентраторы фокусируют солнечное излучение либо на фокальную линию (2 - D - концентраторы), либо в точку (З-D-koiіцеїпраторы) Типичный концентрирующий солнечный коллектор состоит из концентрате ра и приемника (ресивера). Концентратор может пропускать солнечное излучение

(линза) или отражать его от своей поверхности (зеркало). Приемники излучения делятся на тепловые и фотоэлектрические.

Солнечный коллектор с концентратором характеризуется двумя важными параметрами:

1) степенью концентрации С;

2) телесным углом приема излучения 0.

Степень концентрации может быть определена либо как отношение плошади апертуры к площади приемника, либо как отношение плотности мощности из­лучения, падающего на апертуру, к плотности мощности излучения, падающего на приемник. Эти определения не являются эквивалентными. Во втором случае степень концентрации определяет энергетическую эффективность концентратора и с этой точки зрения предпочтительнее для использования.

Телесный угол приема излучения представляет собой максимальный угол (относительно оси), под которым падающее на поверхность концентрато­ра излучение эффективно концентрируется на поверхности приемника (см. рис. 12.10).

Ниже представлена теоретическая зависимость между коэффициентом кон­центрации и телесным углом приема излучения для идеального случая:

для 2-D-кон центратора

Qdeal = (sine) 1; (23)

для З-О-копцентратора

cideai = (sine)-2 (24)

Оценим максимальную температуру, которая может быть достигнута на по­верхности приемника солнечного излучения в зависимости от коэффициента концентрации. Наши оценки будут верны только для идеального приемника, работающего в вакууме (т. е. при отсутствии конвективных тепловых потерь) и идеально теплоизолированного (тепловые потери, связанные с теплопроводнос­тью, также отсутствуют). Будем учитывать только радиационные потери, которых в рассматриваемом случае избежать невозможно (Вт/м2):

Рг = оеТ4 , (25)

где е — коэффициент черноты поверхности, а о — постоянная Стефана-Боль­цмана (5,67 • 10-8 Вт • м-2 • К-4). В нашем случае желательно иметь поверхность с высоким коэффициентом поглощения излучения в диапазоне длин волн солнеч­ного излучения и низкой степенью черноты в диапазоне длин волн радиационных потерь (она зависит от температуры приемника).

Плотность потока излучения, поступающего на ресивер, без учета пот энергии при прохождении солнечного излучения через атмосферу (Вт/м2)

і? = 1360С.

В состоянии термодинамического равновесия значение падающего на прие ник излучения равно значению испускаемого им излучения, Рг - Рт.

оТ4 = 1360С

или

Т = (2,4 • 1010С)1/4 = 394С1'4 .

При коэффициенте концентрации С = 1, что характерно для плоского сол­нечного коллектора, Т = 394 К, или 120 °С.

Если значение концентрации увеличивается до 1000, максимальная тем г ратура теоретически должна возрасти до 2200 К. Если бы удалось создать ко центратор со степенью концентрации 1 000 000, то согласно выше при веде пн формулам температура приемника могла бы достичь 12 400 К. Однако в эт случае нарушается второй закон термодинамики, так как получается, что теч самопроизвольно передается от более холодного тела (Солнце, 6000 К) к бог горячему1*. Совершенно ясно, что предельная температура приемника не мол быть выше 6000 К.

К аналогичному выводу мы можем прийти, рассмотрев предельно достил мое значение коэффициента концентрации Cideal. Известно, что угловой ради> Солнца, наблюдаемого с Земли, равен 0.25°. Тогда с учетом предположен»' лежащих в основе уравнений (23) и (24), мы можем получить Стах = 52 000 X 3-D-концентратора и 230 для 2-D-коп центратора. При концентрации 52 000 уравнению (28) вычисляем Tmax = 5900 К, это не нарушает второй закон термов динамики.

В действительности концентрация плотности потока солнечного излучение будет меньше идеальной из-за следующих факторов:

1) форма отражателя всегда имеет дефекты и погрешности изготовления:

2) реальная отражательная способность тела меньше идеальной;

3) имеют место погрешности системы слежения концентратора за Солнцем.

4) атмосферное рассеяние солнечного излучения;

5) поглощение излучения атмосферой.

'* Прим. ред. В принципе передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому возмо - например, с помощью так называемых тепловых насосов. Однако в соответствии со вторым законом термодинамики это возможно лишь в случае реализации некоего термодинамическс го цикла с обязательными затратами работы (в парокомпрессионном тепловом насосе работ» затрачивается на привод компрессора).