 |
4.3.1 Спектральные оптические характеристики поликарбоната
|
|
|
|
4. 3. 1 Спектральные оптические характеристики поликарбоната
Основными функциями прозрачного ограждения солнечного коллектора являются:
– эффективное пропускание внутрь коллектора солнечного излучения, которое поглощается тепловоспринимающей панелью, преобразующей его в тепло, идущее на нагрев прокачиваемого через панель теплоносителя;
– снижение фронтальных радиационных и конвективных тепловых потерь в окружающую среду от нагретой тепловоспринимающей панели.
Наиболее подходящим полимерным материалом, отвечающим перечисленным выше требованиям к прозрачной теплоизоляции солнечных коллекторов, является поликарбонат.
В этой связи одной из важных задач стало экспериментальное изучение спектральных оптических свойств поликарбоната в 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 оС, характерной для солнечных водонагревательных установок.
Результаты известных исследований спектральных свойств стекла и проведенных авторами измерений спектральных характеристик поликарбоната при нормальном к поверхности падении излучения в наиболее важном диапазоне длин волн 0, 2 …2, 5 мкм суммированы на рис. 4. 3. 1. 1.
Практически вся энергия потока солнечного излучения (более 95%) сосредоточена в диапазоне длин волн 0, 2…1, 4 мкм. Стекло имеет высокую почти постоянную пропускательную способность на уровне 0, 91 практически во всем солнечном спектре, начиная с 0, 3 мкм. При длинах волн более 2, 8 мкм прозрачность стекла резко снижается, и его спектральный коэффициент пропускания в диапазоне длин волн 2, 8…25 мкм оказывается близок к нулю.
|
|
|
Рис. 4. 3. 1. 1. Спектральная пропускательная способность стекла, монолитного и сотового поликарбоната: 1 – сотовый поликарбонат Polygal® толщиной 4 мм, 2 –монолитный листовой поликарбонат толщиной 2 мм, 3 – стекло толщиной 3, 2 мм. 4 – относительная спектральная плотность солнечного излучения
Исследованные образцы поликарбоната так же, как и стекло, имеют в солнечном спектре достаточно высокие показатели прозрачности. Спектральные коэффициенты пропускания для монолитного поликарбоната достигают 0, 9, для сотового поликарбоната – 0, 85. Вместе с тем, пропускание света поликарбонатными образцами имеет следующие существенные особенности:
а) в отличие от стекла пороговая длина волны, начиная с которой имеет место высокое пропускание, составляет около 0, 4 мкм (у стекла 0, 3 мкм), что объясняется использованием специального защитного покрытия, не пропускающего внутрь материала разрушающее его ультрафиолетовое излучение;
б) поликарбонат характеризуется линейчатой спектральной характеристикой, что обусловлено его сложным химическим составом;
в) как и у стекла, на длинных волнах спектральная пропускательная способность поликарбоната резко снижается: поликарбонат, как и стекло, становится практически непрозрачным для теплового излучения, обеспечивая необходимый для эффективного преобразования солнечного излучения в тепло «парниковый» эффект.
Обработка спектральных характеристик стекла и исследованных образцов поликарбоната позволяет определить их интегральные показатели прозрачности в солнечном спектре. Для стекла интегральный коэффициент пропускания солнечного света составляет 90%, для монолитного листового поликарбоната толщиной 2 мм – около 82%, для сотового поликарбоната толщиной 4 мм –около 78%. [43]
4. 3. 2 Оценка влияния угла падения солнечного излучения на пропускательную способность прозрачного ограждения
|
|
|
В отличие от монолитных материалов, сотовый поликарбонат является анизотропным, что обусловлено наличием внутренних перегородок (ребер жесткости). Световой луч, падая на поверхность листа под различными углами и претерпевая различное число отражений и преломлений в сотовой структуре поликарбоната, проходит неодинаковый путь к тепловоспринимающей панели и ослабляется неодинаково. Чтобы оценить пропускательную способность сотовой структуры в произвольном направлении, рассмотрим зависимость прозрачности от угла падения в двух характерных перпендикулярных плоскостях: вдоль направления сот и перпендикулярно им. Расчет был выполнен при следующих допущениях:
– рассматривалось только прямое солнечное излучение;
– во внимание принималось только зеркальное отражение от границ раздела фаз с разными коэффициентами преломления, то есть диффузная составляющая отраженного луча не учитывалась;
– показатель преломления стекла принимался равным 1, 5, поликарбоната – 1, 6;
– интегральные показатели прозрачности рассматриваемых материалов при нормальном падении солнечного излучения принимались в соответствии с результатами обработки спектральных измерений.
Полученные расчетные зависимости для рассмотренных прозрачных материалов приведены на рис 4. 3. 2. 1. По сравнению с сотовым поликарбонатом стекло и монолитный поликарбонат при всех углах падения излучения демонстрируют более высокую прозрачность. Пропускательная способность сотового поликарбоната, ориентированного так, что солнечное излучение в течение дня падает вдоль его ребер жесткости, в диапазоне углов 30…90. на 1…2% выше, чем для сотового поликарбоната с поперечным расположением ребер, однако разница существенна лишь при больших углах падения. В широком диапазоне изменения углов падения излучения (до 40…50. ) пропускательную способность можно считать постоянной.
Проведенные расчеты позволяют сделать вывод о том, что хотя в случае использования в качестве прозрачного ограждения СК сотового поликарбоната, его целесообразно располагать с горизонтальной ориентацией внутренних ребер жесткости, такая ориентация по сравнению с поперечной может дать выигрыш в пропускании суммарной за день энергии солнечного излучения внутрь коллектора не более 2…3%. [44]
|
|
|
Рис 4. 3. 2. 1. Пропускательная способность материалов в зависимости от угла падения излучения: 1 – сотовый поликарбонат толщиной 4 мм, падение излучения вдоль ребер жесткости; 2 – сотовый поликарбонат толщиной 4 мм, падение излучения поперек ребер жесткости, 3 –монолитный поликарбонат толщиной 2 мм, 4 – стекло толщиной 3 мм.
|
|
|
