1.3.4. Нестационарные методы

Для проведения экспериментов в меняющихся метеорологических условиях, при изменяющемся потоке солнечного излучения, применяются нестационарные методики испытаний СК.

Нестационарные методы используют как одноэлементные, так и многоэлементные модели СК, в которых уравнения теплового баланса записываются для каждого отдельного элемента СК - теплоносителя, абсорбера, светопрозрачного ограждения, теплоизоляции задней стенки или даже отдельных их участков.

Простейшая нестационарная методика испытаний СК, в которой кроме эффективной поглощательной способности и полного коэффициента тепловых потерь учитываются динамические характеристики, связанные теплоёмкостью коллектора описана в [31]. В этом случае полную полезную энергию, поглощенную коллектором можно записать в виде:

dT

qu=F'-{ra)-S -F'-Ul-(Tf -Ta)-Ca , (1.9)

где:Са - теплоёмкость СК в расчёте на 1м2 его площади.

Тепловая эффективность коллектора описывается уравнением

Я и +С (dTf/dt) , , (Т,-Та)

п = Чи-Л / >=F{Ta)_FljLl±(110)

Данные по эффективности наносятся на график в зависимости от параметра (TF-TA)/S.

Метод применим при медленно изменяющемся солнечном излучении.

В методике, приведённой в [32], также рассматривается одноэлементная модель СК, учитывающая динамические эффекты и отдельно угол падения для прямой и диффузной радиации.

Результатом испытаний по данной методике явилось создание в апреле 2001 года европейского стандарта EN 12975:2000: "Тепловые солнечные системы - Солнечные коллекторы" для испытаний солнечных коллекторов в переходных условиях" [47, 48].

Методика испытаний СК, базирующаяся главным образом на анализе единственной экспериментальной кривой, включает в себя процесс нагрева и последующего охлаждения и описана в [33]. Процесс нагрева требуется проводить достаточно долго при квазистационарных условиях.

В [50] описана разработанная трёхэлементная нестационарная модель плоского СК, учитывающая локальный теплообмен между поглощающей пластиной коллектора и теплоносителем, а также радиационно-конвективный теплообмен между поглощающей пластиной и остеклением. Сформулирована краевая задача для системы уравнений теплового баланса поглощающей панели и теплоносителя.

Важной особенностью предложенной методики является то, что при проведении испытаний не требуется ни жесткого отбора ясных дней, ни термостатирования теплоносителя на входе в коллектор, что даёт основание для поведения испытаний в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации солнечных установок непосредственно на объектах. При этом должен существенно упрощаться процесс возможных периодических испытаний и мониторинга теплотехнических характеристик солнечных коллекторов в течение периода их эксплуатации, однако из-за большого количества параметров алгоритм обработки работает неустойчиво и практическая реализация данной методики затруднительна.

Предложенная в [43, 49] методика, позволяет устойчиво получить характеристики плоского солнечного коллектора по результатам

натурных нестационарных экспериментов. Методика является частью британского стандарта [29].

Эксперимент проводится в нестационарных условиях для не менее четырех значений постоянных температур теплоносителя на входе в СК. Температура окружающей среды усредняется за весь период эксперимента.

Для обработки экспериментальных данных используется уравнение

оо

qu(t) = \FR(ra)ek(r)S (t-r)dr - FRUL(Tf,-Та) (1.11)

о

Предполагается, что существует некоторое значение времени tD, за пределами которого k(t) пренебрежимо мала, и что выполняется условие нормировки:

ю

jk(t)dt = jk(t)dt = l, (1.12)

о о

которое в данном случае обеспечивает совместимость (1.14) с уравнением Хоттеля-Уиллера-Блисса.

Если записать эффективную плотность потока солнечного излучения в следующем виде:

00

Heff(t) = jk(t)S(t-r)dtf (1.13)

о

= = FR(ra)e-FRUL^f^. (1.14)

MeffV) Heff

то получим уравнение эффективности СК похожее на (1.3):

Veff

Методика позволяет достаточно точно определить как параметры теплотехнического совершенства коллектора, так и его динамические характеристики и оценить погрешность измерений.

К недостаткам данной методики можно отнести необходимость поддержания постоянства входной температуры теплоносителя во

время эксперимента и невозможность предсказания динамической реакции коллектора на ее изменение.

Методика хорошо отработана и апробирована в крайне неустойчивых метеорологических условиях Великобритании, что позволяет надеяться на её работоспособность при проведении натурных испытаний в условиях средней полосы России.