6.6. Солнечные пруды

Солнечный пруд представляет собой оригинальный нагреватель, в котором теплозащитной крышкой является вода. Водоём может быть вырыт в земле.

В солнечный пруд заливается несколько слоёв воды различной степени солёности. Наиболее солёный слой толщиной 0,5м располагается на дне. Солнечное излучение поглощается дном водоёма, и придонный слой воды нагревается. Придонный слой не поднимается наверх и конвекция исключается. В солнечных прудах температура придонного слоя достигает 90⁰С. Теплоёмкость и термическое сопротивление большого солнечного пруда достаточно, чтобы сохранить тепло до зимы и использовать его для отопления зданий.

Рис. 6.6. В солнечном пруду конвекция подавлена, и придонные слои сохраняют тепло, полученное от Солнца.

6.7. Концентраторы солнечной энергии

Многие производства требуют высоких температур от 500 до 2000⁰С, чем те, которые можно получить с помощью лучших плоских пластинчатых нагревателей. Концентрирующий коллектор (гелиостат) включает в себя приёмник, поглощающий излучение и преобразующий его в какой – либо другой вид энергии и концентратор, который представляет собой оптимистическую систему, направляющую поток на приёмник. Обычно концентратор требуется непрерывно поворачивать, чтобы он во время работы был обращён к Солнцу. Апертура системы А_аесть площадь поверхности концентратора, обращённой к потоку излучения. Коэффициент концентрации У определяется как отношение апертуры к площади поверхности приёмника:

У = А_а/А_п(6.16)

Для идеального коллектора Х представляет собой отношение плотности потока излучения на приёмнике к плотности потока на концентраторе. Расстояние до Солнца Lи его радиус Г_cопределяют конечный угол на поверхности Земли, который ограничивает коэффициент концентрации величиной: У < (L/Г_c) = 45000 (6.17)

.

Рис. 6.7. Параболический концентратор

Показаны: приёмник, проходящий вдоль оси, опоры, поддерживающие приёмник и зеркало (а) и сечение устройства (б). 1- экран; 2- поглотитель; зеркало.

Параболический вогнутый концентратор

На рис.6.7. показан типичный коллектор. Концентратор представляет собой параболическое зеркало длиной ℓ с приёмником, расположенным вдоль его оси. Это даёт концентрацию энергии только в одном направлении, поэтому коэффициент концентрации меньше, чем для параболоида. Необходимо, чтобы коллектор следил за Солнцем только в одном направлении. Ось располагают с Запада на Восток, и зеркало автоматически поворачивается вокруг оси, отслеживая наклон в сторону Солнца. Энергия, поглощаемая приёмной трубкой, равна:

Р_абс= ρ_с*α_п*А_п*G_с, (6.18)

где ρ_с– коэффициент отражения концентратора;

α_п– коэффициент поглощения приёмника;

А_п– площадь;

G_с– средняя облучённость зеркала.

Экран (рис. 6.7.), уменьшает тепловые потери поглотителя, а также закрывает его от прямого излучения, которое незначительно по сравнению с концентрированным. Приёмник теряет энергию только в направлениях, не защищённых экраном. Он излучает:

Р_рад= ε·(σТ_r⁴)·(2πrℓ)·(1-ζ/π), (6.19)

где Т, εи г – температура, излучательная способность и радиус поглощающей трубки; σ – постоянная Стефана – Больцмана = 5,67·10^-8Вт/м²К⁴

Обычно выбирают

г = D´·θ, (6.20)

приёмник, где D´ - расстояние от концентратора до трубки.

Все тепловые потери, кроме радиационных, можно исключить, поэтому Р_рад= Р_абс.

Максимальная температура составит 1160К.

Температура Т = 1160К намного выше той, которую можно получить с помощью плоского пластинчатого приёмника. При благоприятных условиях жидкость можно нагреть до 700⁰С. Если использовать объёмный параболический концентратор, который имеет форму параболоида вращения, то возможно достижение температуры до 3000К, но конструирование представляет большие трудности.