Основные публикации по солнечной энергии

Селективные поверхности

Анализ энергетического баланса солнечных коллекторов показы­вает целесообразность создания поверхностей, обладающих высокой поглощательной способностью в диапазоне длин волн солнечного из­лучения и низкой степенью черноты в длинноволновой области спект­ра. Такое сочетание свойств можно получить благодаря незначитель­ному перекрыванию спектральных' диапазонов падающего солнечного Излучения (в спектре внеатмосферного солнечного излучения 98% из­лучения приходится на область длин волн менее 3 мкм) и испускаемо­го поверхностью длинноволнового излучения (энергия излучения чер - ного тела при температуре 400 К составляет менее 1% в области длин волн менее 3 мкм).

Спектральная отражательная способность1, представленная на фиг. 5.6.1, разъясняет смысл понятия селективной поверхности. Эта идеализированная поверхность называется "полусерой", поскольку ее можно рассматривать как серую в области солнечного спектра (т. е. в диапазоне длин волн, меньших -3,0 мкм) и также как серую, но с другими свойствами в инфракрасной области спектра (т. е. в диа­пазоне длин волн, больших - 3,0 мкм). Спектральная отражательная способность такой идеализированной поверхности в области длин волн, меньших критической, или пороговой, длины волны Ав, имеет очень низкое значение, а в области длин волн, больших Лс, — очень высокое значение. Следовательно, поглощательная способность по отношению к солнечному излучению будет очень близка К (1 — РЛ) пРи Л 4: 3 мкм. Значение степени черноты будет зависеть от темпе­ратуры поверхности, т. е. от того, какое количество излучения испус-

,Так как почти все характеристики являются полусферическими, пределение *’полусферический" опускается.

кает поверхность в области длин волн, больших Лс, и какое количе­ство — в области длин волн, меньших Лс. Поскольку плоские солнеч­ные коллекторы обычно работают при достаточно низких температу­рах, практически все испускаемое ими излучение приходится на об­ласть длин волн, меньших 3 мкм.

На практике зависимость рЛ от длины волны не совпадает с иде­альной кривой, представленной на фиг. 5.6.1. В качестве примера на фиг. 5.6.2 приведены спектральные распределения рЛ для некоторых реальных поверхностей. Поскольку реальные селективные поверхнос­ти не имеют строго определенной критической длины волны Лс и не обладают постоянными свойствами в коротковолновой и длинноволно­вой областях спектра, значения степени черноты будут сильнее зави­сеть от температуры поверхности, чем в случае идеальной полусерой поверхности (фиг. 5.6.1). Интегрирование по спектру собственного излучения дает значение степени черноты в длинноволновой части спектра, а по спектру солнечного излучения — значение поглощатель­ной способности поверхности по отношению к солнечному излучению’.

Хоттель и Вёрц [7] - указывали на возможность применения селек­тивных покрытий в солнечных коллекторах, и позднее этот вопрос об­суждался Гиром и Данклом [4], а также Тейбором [13 — 15L Потреб­ность в создании селективных поверхностей для применения их в кос­мических аппаратах, а также в связи с использованием солнечной энергии привела к широким исследованиям и накоплению большого числа экспериментальных данных (например, Мартин и Белл [91,- Эд­вардс и др. [2],- Шмидт и др. [10] - и др.). Тейбор [14] -сделал обзор по селективным поверхностям iT предложил несколько способов их изго­товления. Таким образом, в этой области, начиная с 1955 г., прове­ден ряд исследований, результаты которых нашли применение при со­здании солнечных коллекторов, и разработан ряд способов получения требуемых сочетаний свойств. Из них для гелиотехники представля­ют интерес следующие покрытия:

1. Покрытия, имеющие высокую поглошательную способность по отношению к солнечному излучению и высокую пропускательную спо­собность по отношению к длинноволновому излучению, которые могут быть нанесены на поверхности, обладающие малой степенью черноты. В результате покрытие поглошает солнечное излучение, а подложка является излучателем (причем плохим) в длинноволновой части спек-

’Во многих опубликованных работах по солнечной энергии для обозначения степени черноты в длинноволновой области используется символ с, а для поглощательной способности — символ а.

тра. Покрытия могут быть однородными или иметь мелкозернистуї структуру, вследствие этого их свойства определяются либо тольк оптическими свойствами, присущими материалу покрытия, либо св< - ствами и структурой покрытия. Покрытия из окислов металлов на ь е - таллических подложках, имеющие подходящие для солнечных колле - торов характеристики, были разработаны Тейбором [141, Хоттелем и Унгером (61,. Кокоропулосом и др. [81. Уильямс и -;р. [191 исследова­ли покрытия из тонкодисперсного сульфида свинца. Мелкозернистая структура этих покрытий (подобная тем, которые исследовали Хот - тель и Унгер) в значительной степени влияет на селективность. Кро­ме того, в этой работе указывалось на возможность создания под­ходящей селективной краски при использовании связующего вещества с высокой пропускательной способностью в длинноволновой области спектра.

2. Интерференционные фильтры, которые могут быть нанесены, на подложки, имеющие низкую степень черноты. Фильтры формируют­ся путем поочередного осаждения слоев металлов и диэлектриков с оптической толщиной в четверть длины волны видимого и ближнего инфракрасного излучения. Мартин и Белл [9] показали, что трехслой­ные покрытия, такие, как Si02 — А1 — Si02, на подложках из алюми­ния позволяют получить отражательную способность менее 0,1 для солнечного спектра и более 0,9 для длинноволнового излучения.

3. Структура поверхности металла, обычно обладающей высокой отражательной способностью, может быть сформирована таким обра­зом, что поверхность становится хорошим поглотителем коротковол­нового излучения. Это можно осуществить путем нанесения царапин или вытравливания поверхности для создания углублений, размеры которых соизмеримы с пороговой длиной волны. Для коротковолново­го излучения такая поверхность представляет собой набор "полост­ных" поглотителей, а для длинноволнового излучения является глад­кой поверхностью. Однако степень селективности, достигаемая путем применения такой технологии, ограничена.

4. "Направленная селективность" может быть получена путем развития площади поверхности. Поверхности глубоких V-образных ка­навок достаточно больших размеров относительно всех рассматрива­емых длин волн могут быть расположены таким образом, что излуче­ние, падающее в направлениях, близких к направлению нормали ко всей поверхности, будет несколько раз отражаться внутри канавок, причем при каждом отражении часть излучения будет поглощаться. Такое многократное поглощение приводит к увеличению поглощатель­ной способности относительно солнечного излучения, но в то же вре­мя увеличивает степень черноты по отношению к длинноволновой час-

ти спектра. Однако, как было показано Холландеом [5], соответствую­щая конфигурация поверхности позволяет существенно улучшить эф­фективность частично селективной поверхности. Например, если на Поверхность с а * 0,6 и £ * 0,05 плоского коллектора с оптимальной ориентацией нанести канавки с углом 55°, то получится среднее эф­фективное значение а * 0,9 и эквивалентное значение е *0,1, На фиг. 5.6.3, заимствованной из работы Тромбе и др. [17], показано мно­гократное поглощение, полученное при различных углах падения сол­нечного излучения на гофрированную поверхность с углом раскрытия канавок 30°.

Использование селективных поверхностей в солнечных коллекто­рах зависит от двух основных факторов. Во-первых, в связи с тем, что низкая степень черноты в длинноволновой части спектра обычно получается при некотором снижении высокого значения поглощатель­ной способности относительно солнечного излучения, необходимо пред­варительно оценить результирующее влияние селективности на харак­теристики коллектора (и в конечном счете на стоимость получаемой с помощью коллектора энергии). Это можно сделать путем совместно­го рассмотрения баланса энергии (гл. 7) и экономических соображе­ний, изложенных в последующих главах.

Во-вторых, на практике солнечные коллекторы должны быть рас­считаны для работы в течение нескольких лет. Поверхности коллекто­ров обычно подвергаются воздействию окисляющей и коррозионно-ак­тивной среды и работают при более или менее повышенных темпера-

Свойства некоторых селективных поверхностен, используемых в гелиотехнике

турах. Имеющиеся данные по а и с чаще всего относятся к только что изготовленным поверхностям. В то же время информация о радиа­ционных характеристиках поверхностей коллекторов, проработавших в течение продолжительного периода времени, весьма ограниченна.

В табл. 5.6.1 представлены значения поглощательной способности от­носительно солнечного излучения и степени черноты относительно длинноволнового излучения при характерных для плоских коллекто­ров рабочих температурах. В коммерческих солнечных водонагрева­телях были использованы только два типа поверхностей, остальные поверхности являются экспериментальными.