4.2. Концентрация солнечных лучей
Если концентрировать излучение от источника через оптическое устройство, концентратор, с открытием диафрагмы Ak, как правило, ресивер и приемник с площадью концентрации Ar (рис. 4.1.).
В нашем случае, солнце – источник излучения. Для высокой концентрации необходимы параллельно падающие лучи света. Вот почему рассеянная солнечная радиация (глава 2) не подходит для концентрированных систем. Только прямое солнечное излучение может быть сконцентрировано, что делает использование интересным для богатых солнцем регионов Земли.
Рисунок 4.1 Концентрация света
Коэффициент концентрации:
Так как свет никогда не падает на землю параллельно, он не может быть высоко концентрированным. Из-за огромного размера по сравнению с размером земли солнце не светит как бесконечно малая точка, а в виде круга в половину угла.
Этот
угол получается из радиуса солнца
и расстояния
от солнца до земли и варьируется в
зависимости от времени года. Рисунок
4.2 иллюстрирует геометрические соотношения
для определения угла раскрытия солнечного
света.
Рисунок 4.2 Угол раскрытия Солнца
То что солнечный свет падает не параллельно земле, можно заметить по тени от высокого здания. Это не имеет на некотором расстоянии четкой границы больше, чем разложение области полутени в тени.
Полный
угол открытия так же называют дивергенцией
.
С дивергенцией света равной
рад
это дает теоретически максимальную
концентрацию двухосного отслеживания
точечных концентраторов.
Для одноосного отслеживания линейная концентрация ниже максимальной концентрации
Эти вычисления верны только для угла раскрытия солнечного света на Земле. На планетах, расположенных дальше, чем Зелмя от Солнца, больше максимальная концентрация света. Это не означает, что невозможно достичь более высоких температур, концентрируя солнечный свет.
Так
как солнечная энергия передается
тепловым излучением, что известно из
глав 2 и 3, можно применять закон излучения
абсолютно черного тела. Если тепло не
отводится от идеального абсорбера с
,
то он должен излучать энергию, поглощенную
снова пренебрегая конвекцией в тепловом
равновесии. Постоянная Стефана-Больцмана
σ = 5,67051·10−8Wm−2 K−4 и солнечная постоянная
E0
без влияния атмосферы:
Из
этого уравнения температура поглотителя
:
При максимальной концентрации Cmax, это дает максимальную температуру поглотителя/абсорбера:
Это в точности соответствует уже известной из главы 2 температуре поверхности солнца. Если преобразовать уравнение подставить
в уравнение 4.6, может быть также получена теоретически максимальная температура абсорбера при других коэффициентах концентрации:
Рисунок 4.3 показывает теоретическую температуру абсорбера для разных коэффициентов концентрации. Температура коллектора для коэффициента концентрации C=1 лежит выше 470К, что значительно выше теоретического максимума в 394К (глава 3.)
В целом, для достижения более высоких температур больших коэффициентов концентрации не требуется. На практике, например, в солнечной печи в Одейо (Франция) при концентрации более 10000 температура достигает 4000К.
Рисунок 4.3 Максимальная температура абсорбера в зависимости от коэффициента концентрации