2.2. Исследование спектральных характеристик прозрачных

покрытий солнечных коллекторов

Как уже упоминалось выше, в качестве прозрачной изоляции солнечных коллекторов обычно применяется стекло. Применение других материалов было ограничено отсутствием недорогих материалов, удовлетворяющих довольно жестким требованиям [15, 65] и, прежде всего, обладающих высокой прозрачностью для солнечного излучения и стойкостью к внешним атмосферным воздействиям, включая ультрафиолетовое излучение.

В последние годы вследствие бурного развития технологий производства и обработки пластмасс появилась возможность замены стекла современными прозрачными полимерными материалами.

Основными функциями прозрачного ограждения солнечных установок являются:

эффективное пропускание внутрь солнечного коллектора солнечного излучения, которое затем поглощается теплообменной панелью, преобразуя его в тепло, идущее на нагрев прокачиваемого через неё теплоносителя;

снижение радиационных и конвективных тепловых потерь в окружающую среду от нагретой тепловоспринимающей панели. Радиационные потери снижаются за счет того, что прозрачное ограждение не пропускает инфракрасное излучение нагретой панели в окружающую среду (поглощает или отражает его). Тем самым, создается так называемый "парниковый эффект". Снижение конвективных потерь обеспечивается за счет создания тонкой воздушной прослойки с относительно большим термическим сопротивлением.

Стекло в качестве прозрачного ограждения солнечного коллектора выполняет перечисленные функции в полном объеме. Сорта стекла с малым содержанием окисов железа характеризуются высоким коэффициентом пропускания излучения в области солнечного спектра (до 0,9). В то же время, оно практически непрозрачно для инфракрасного излучения и обеспечивает парниковый эффект.

С учетом этих свойств стекла практически все солнечные установки, количество которых в мире оценивается более 100 млн. м2, сегодня оснащаются солнечными коллекторами с прозрачным ограждением из стекла. Вместе с тем, существенными недостатками стекла являются его большой удельный вес и низкая ударостойкость. Это приводит к повышенному весу солнечных коллекторов и повышенным эксплуатационным затратам, связанным с необходимостью периодической замены треснувших и разбитых стекол.

Предметом исследования возможности замены в солнечных коллекторах стекла на современные пластики в настоящей работе является экспериментальное изучение спектральных характеристик

сотового поликарбоната различной толщины, являющегося одним из наиболее перспективных потенциальных конкурентов стеклу в солнечной энергетике [66, 67].

Промышленно выпускаемый экструзионный листовой сотовый поликарбонат - сложный полиэфир угольной кислоты и 2,2-бис(4- оксифенил) пропана, обладает рядом привлекательных характеристик: высокой прозрачностью для видимого излучения (по данным производителей 80 - 85%), малым удельным весом (1200 кг/м3), стойкостью к атмосферным воздействиям, высокой ударной вязкостью (250-500 кДж/м2), высокой прочностью (при статическом изгибе 77-120 МН/м2, что в 200 раз выше, чем для стекла), морозостойкостью (до - 40°С), теплостойкостью (до 120°С), устойчивостью к действию кислот, растворов солей, окислителей. Сотовый поликарбонат представляет собой полые панели, в которых два или более слоев поликарбоната соединены продольными ребрами жесткости.

В результате решения проблемы защиты поликарбоната от разрушающего воздействия солнечного ультрафиолета путем покрытия его тонким (60-100 мкм) слоем защитного материала (соэкструзией или лакированием) поликарбонат стал широко применяться в строительстве. Панели из поликарбоната практически не бьются и не растрескиваются, что в отличие от стекла исключает серьезные проблемы при их транспортировке и сборке. Это свойство гарантирует высокую стойкость к воздействию града и падающих предметов. Высокая пластичность и прочность самого материала делает возможным получение экструзионным способом листов с очень тонкими стенками (0,3-0,7 мм) без потери ударопрочных характеристик и в то же время с очень малым весом.

В мире производится множество марок сотового поликарбоната. Все они по своим техническим характеристикам практически не отличаются друг от друга. Отличие сотового поликарбоната различных фирм заключается в использовании различного экструзионного

оборудования и добавок, определяющих прозрачность и цветность листов.

Попытки производителей получить такие же листы из других светопропускающих материалов успехом не увенчались. При использовании для этих целей гранул полиметилметакрилата (оргстекла) лист с такими тонкими стенками не может сформироваться после выхода из головки экструдера из-за повышенной хрупкости и тут же ломается. Поэтому сотовые листы из оргстекла имеют очень толстые стенки (более 1 мм) - этим обеспечивается прочность листа, но в то же время резко повышается его вес. При использовании полипропилена сотовые листы получаются, но добиться их высокой прозрачности из-за особенностей химического строения материала невозможно.

Если механические и физические свойства поликарбоната достаточно хорошо исследованы, то детальному изучению его оптических характеристик, важных для гелиотехнических приложений, внимания не уделялось.

В этой связи основной целью данной работы было экспериментальное изучение спектральных оптических свойств сотового поликарбоната в широком диапазоне длин волн от 0,2 до 25 мкм. Этот диапазон практически полностью перекрывает спектр солнечного излучения и спектр теплового излучения тел, нагретых до температуры 50 - 100°С, характерной для солнечных нагревательных установок. Результаты известных исследований спектральных свойств стекла и проведенных измерений спектральных характеристик поликарбоната суммированы на рис. 2.1, на котором представлены:

типичная зависимость спектральной интенсивности прямого солнечного излучения от длины волны (кривая (а));

спектральная пропускательная способность стекла с содержанием Fe203 0,02% (кривая (б));

спектральная пропускательная способность листового поликарбоната толщиной 2 мм (кривая (в));

спектральная пропускательная способность сотового поликарбоната Polygal®: толщиной 4 мм (кривая (г)) и толщиной 10 мм (кривая (д)).

Измерения спектрального коэффициента пропускания в различных спектральных диапазонах проводились с использованием спектрофотометров: Shimadzu MPS - 2000 (0,19 - 0,9 мкм) и Hitachi U- 3400 (0,19 - 2,5 мкм и 3,0 - 25 мкм). Эти приборы построены по двухлучевой схеме, обеспечивающей высокую точность измерений на уровне 0,1% [67].

Длина волны, мкм

Рис. 2.1. Спектральная интенсивность солнечного излучения (а), спектральная

пропускательная способность: стекла толщиной 3,2 мм (б); листового поликарбоната толщиной 2 мм (в); сотового поликарбоната толщиной 4 мм (г); сотового поликарбоната толщиной 10 мм (д)

Основная мощность солнечного излучения сосредоточена в диапазоне длин волн 0,2 - 2,5 мкм. Стекло имеет высокую равномерную пропускательную способность (около 0,9) практически во всем солнечном спектре (от 0,3 мкм). При больших длинах волн стекло практически непрозрачно для излучения (коэффициент пропускания близок к нулю). В отличие от стекла поликарбонат характеризуется сильно изменяющейся ("полосатой") спектральной характеристикой, что объясняется сложным химическим составом. Вместе с тем, в диапазоне длин волн основной части солнечного излучения, исследованные образцы имеют достаточно высокие значения спектрального коэффициента пропускания, превышающие 80% для сотового поликарбоната толщиной 10 мм, 85% для сотового поликарбоната толщиной 4 мм и 90% для листового поликарбоната толщиной 2 мм. При длинах волн больше 2 мкм спектральная пропускательная способность поликарбоната резко снижается, а при Л>5 мкм поликарбонат, также как и стекло, становится практически непрозрачным.

Специальный интерес представляет рассмотрение спектрального диапазона, соответствующего коротковолновому излучению с длиной волны менее 0,4 мкм, оказывающему максимальное разрушающее воздействие на органические материалы.

На рис. 2.2 для стекла и поликарбоната изображена эта область. Видно, что пропускание излучения стеклом резко возрастает, начиная с 0,25 мкм, а поликарбоната- с 0,38 мкм. Более высокое пороговое значение длины волны для поликарбоната объясняется применением упомянутого ранее специального наружного покрытия, обеспечивающего его защиту от ультрафиолета. Важно отметить, что в отличие от стекла, поликарбонат практически не пропускает ультрафиолетовое излучение внутрь солнечного коллектора. Это в принципе позволяет применять для изготовления теплопоглощающей панели незащищенные от ультрафиолета материалы (пластики). - *- стекло ?? сот. полик

0,25

I

/

I ' I ' I 1 I 1 I I

0,4

0,2

I 1 I 1 I 1 I 1 I

0,35

0,3

Длина волны, мкм Рис. 2.2. Спектральная пропускательная способность сотового поликарбоната и стекла в ультафиолетовом спектре излучения

На рис. 2.3 выделена спектральная область 2,5 - 25 мкм, в которой лежит излучение нагреваемых в солнечных коллекторах теплоприемных поверхностей (кривые спектральной плотности излучения для "черных" тел в диапазоне температур 50 - 150°С приведены на этом же рисунке).

-1 600 25

о

о. 2

^ е

Ш О

го

О н о с

I

ф

11

m to

о s с

о

X

л н

8 I ?

CN

Ё 3-

к ь го со

- 500

400

- 300

200

100

"I ' т

5 10

Длина волны, мкм

20

Рис. 2.3. Спектральная пропускательная способность сотового поликарбоната (а) в интервале длин волн излучения чёрного тела в диапазоне температур 50-150°С (б)

Видно, что поликарбонат, также как и стекло, является практически полностью непрозрачным в этой области, что в случае его применения в качестве прозрачного ограждения в солнечных коллекторах обеспечивает "парниковый эффект".

Полученные данные подтверждают возможность применения сотового поликарбоната при создании СК полностью из полимерных материалов.

<< | >>
Источник: Сулейманов Муси Жамалуттинович. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКСОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.14.01 - Энергетические системы и комплексы. Москва - 2007. 2007

Еще по теме 2.2. Исследование спектральных характеристик прозрачных:

  1. 6.2. Сопоставление спектральных характеристик асфальтенов
  2. 2.2 Обоснование выбора методики проведения экспериментальных исследований
  3. ВВЕДЕНИЕ
  4. 1.4. Выводы
  5. 2.2. Исследование спектральных характеристик прозрачных
  6. 2.4. Выводы
  7. Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ И СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК
  8. 4.1. Исследование теплотехнических характеристик солнечных коллекторов
  9. 4.2.4. Исследование теплотехнических характеристик солнечной водонагревательной установки с разработанными солнечными коллекторами
  10. выводы
  11. ЛИТЕРАТУРА
  12. 2.3.4. Исследование тепловых характеристик теплоутилизаторов к котлам малой теплопроизводительности