1.3.1. Квазистационарные методы испытаний солнечных коллекторов
Детальное исследование СК представляет весьма сложную задачу, но сравнительно простой анализ тоже даёт очень полезные результаты. В процессе такого анализа можно выявить наиболее существенные переменные, а также взаимосвязь этих переменных и их влияние на режим работы солнечного коллектора [16].
Основой квазистационарных методов испытаний плоских солнечных коллекторов служит модель Хоттеля-Уиллера-Блисса, или модель с нулевой теплоёмкостью.
При расчёте установок солнечного теплоснабжения она позволяет с достаточной точностью описывать производительность солнечного коллектора в различных условиях работы. В рамках этой модели влиянием переходных процессов при нагреве и охлаждении коллектора на его производительность пренебрегают.Из поступающей на площадь коллектора солнечной энергии только часть отводится от него в виде полезного тепла (рис. 1.8). Часть солнечного излучения отражается от светопрозрачного ограждения
или поглощается в нём. Часть поглощенного коллектором тепла расходуется на нагрев его конструкции, а также на тепловые потери.
Рис. 1.8. Основные энергетические потоки в солнечном коллекторе 1- поступающее солнечное излучение; 2- отражённое солнечное излучение; солнечное излучение, поступающее на поглощающую панель (абсорбер); 3- тепловая энергия, передаваемая теплопоглощающей панели; 4- тепловая энергия, передаваемая теплоносителю; 5- тепловые потери через заднюю и боковые стенки СК; б- тепловая энергия, поглощенная светопрозрачным покрытием коллектора; 7- конвективные и радиационные потери тепла
Режим работы солнечного коллектора описывается уравнением энергетического баланса, которое расчленяет энергию солнечной радиации на полезную энергию и потери. Энергетический баланс коллектора в целом можно представить в виде:
A{[S-(ra)]b+[S-(Ta)]d} = Qu+QL+Qsf (1.1)
где: S - плотность потока солнечного излучения (прямого-b или рассеянного-d), падающего на единицу площади поверхности СК; (та)- приведённая эффективная поглощательная способность поглощающей панели СК с учётом системы покрытий относительно прямого и рассеянного излучения; АС - площадь коллектора; QU - тепловой поток, переданный рабочей жидкости в солнечном коллекторе (полезное тепло); QL - тепловые потери коллектора в окружающую среду излучением и конвекцией, а также передачей тепла по опорам поглощающей пластины и т.д.; QS - тепло, аккумулируемое коллектором.
Приведённая эффективная поглощательная способность (та) учитывает результирующее влияние оптических свойств материалов коллектора в диапазоне длин волн солнечного спектра и определяет долю солнечного излучения, поглощённую абсорбером.
Потери вследствие отражения от покрытий учитываются членом (га).Тепловые потери СК определяются полным коэффициентом тепловых потерь ULL являющимся суммой коэффициентов тепловых потерь через отдельные элементы СК.
Мгновенный КПД коллектора, определяемый как отношение его удельной производительности (в расчёте на 1 м2 площади коллектора)
qe=G-c,-(Tf,-TfJ), (1.2)
к плотности потока солнечного излучения в плоскости коллектора Н, описывается уравнением: (1.3)
uL-(TLi-Ta)
п = fr-
(та)- если параметром служит температура теплоносителя на входе в коллектор Ту. Здесь 7>/0 - температура теплоносителя на выходе из коллектора, Га - температура окружающей среды, G - массовый расход теплоносителя в расчете на 1 м2 площади коллектора, СР - удельная теплоемкость теплоносителя, FR - коэффициент отвода тепла из коллектора.
Коэффициент отвода тепла из коллектора Fr представляет собой отношение фактической полезной энергии коллектора к полезной энергии в случае, когда температура всей поглощающей пластины равна температуре жидкости на входе в коллектор.
Он связан с коэффициентом эффективности поглощающей панели F соотношением [7]: \
.4JJL
G-C"
(1.4)
1-ехр
f, = g-c'
и, o Если в качестве параметра используется средняя температура теплоносителя в коллекторе Tf, то его КПД описывается уравнением вида:
(1-5)
rj = F
UL-{Tf-Taj (та) - a
S
Уравнения (1.3) и (1.5) представляют собой математическую формулировку модели Хоттеля-Уиллера-Блисса.
Наиболее сильное влияние на мгновенный КПД плоского СК оказывают метеорологические параметры - интенсивность солнечного излучения в плоскости СК и температура наружного воздуха, ряд конструктивных параметров, а также режимные параметры СК - расход теплоносителя и его температура на входе в СК и на выходе из него.
При проведении квазистационарных испытаний солнечных коллекторов испытания солнечного коллектора представляет собой многодневный процесс, в разные дни которого эксперименты проводятся при различных, но постоянных в течение опыта значениях среднемассовой температуры теплоносителя TF.
По методике, описанной в [18] измерения температур, расхода теплоносителя и потока солнечного излучения проводятся сериями продолжительностью 5-15 минут, в пределах которых значения измеряемых параметров усредняются. Испытания проводятся в околополуденные часы ясных дней при угле падения солнечного излучения на поверхность коллектора не более 30°.
Необходимо, по меньшей мере, 4 опыта и не менее четырех серий при различных 7>. Плотность потока солнечного излучения, измеряемая в плоскости СК должна составлять не менее 630 Вт/м2, а диапазон допустимых колебаний в течении эксперимента не должен превышать ±50 Вт/м2. По методике [21] аналогичные значения указанных величин равны, соответственно, 790 Вт/м2, и ± 32 Вт/м2.Требования стандартов по поддержанию во время эксперимента параметров теплоносителя весьма жесткие. Расход теплоносителя должен поддерживаться в течение эксперимента в пределах +1-5%. Температура теплоносителя на входе в СК должна поддерживаться в (зависимости от стандарта) с погрешностью ±0,1-^0,5°С от заданного
значения [22, 23]. Температура наружного воздуха в течение всего периода испытаний может изменяться не более, чем на 30°С, а скорость ветра не должна превышать 5 м/с.
Определённые таким образом условия эксперимента требуют для каждой серии измерений постоянства метеорологических условий, на состояние которых мы влиять не можем. Атмосферные помехи, вызванные облачностью, нарушают условие квазистационарности СК, что в итоге приводит к увеличению погрешностей и плохой повторяемости результатов. По этим причинам исследования тепловых характеристик СК в натурных условиях представляет собой длинный и трудоёмкий процесс.
Расчёты КПД СК проводятся на основе экспериментальных данных, полученных для различных температур теплоносителя на входе в СК по формуле (1.2), причём в разных стандартах используется либо значение габаритной площади СК, либо значение апертурной площади.
Результаты измерений обрабатываются методом наименьших квадратов в зависимости от параметра (TF/RTA)/S либо параметра (TF- TA)/S, в качестве уравнений регрессии используются (1.3) или (1.5).
Параметры FR(RA) или F(RA) определяют координаты пересечения графика эффективности с осью ординат и определяются как оптический КПД солнечного коллектора.
В ряде стандартов и рекомендаций [20] методика НБС модернизирована в части обработки экспериментальных данных: вместо (1.5) в качестве уравнения регрессии используется выражение
a-(Tf-Ta) b.(Tf-Ta)2
T] = F -(та) , (1.6)
что позволяет учесть зависимость коэффициента тепловых потерь коллектора от температуры.
Большинство из разработанных стандартов [24-28] предлагают стационарные методики испытаний и допускают проведение исследований, как в натурных, так и в лабораторных условиях.
Методика НБС не лишена ряда недостатков. Основными недостатками методики НБС являются трудоёмкость и большая длительность экспериментов, обуславливающих низкую повторяемость результатов. Необходимость обеспечения приблизительно одинаковых относительной влажности воздуха, направления и скорости ветра создаёт дополнительные трудности в выборе дней проведения экспериментов.