1.3.4. Нестационарные методы
Для проведения экспериментов в меняющихся метеорологических условиях, при изменяющемся потоке солнечного излучения, применяются нестационарные методики испытаний СК.
Нестационарные методы используют как одноэлементные, так и многоэлементные модели СК, в которых уравнения теплового баланса записываются для каждого отдельного элемента СК - теплоносителя, абсорбера, светопрозрачного ограждения, теплоизоляции задней стенки или даже отдельных их участков.
Методики для испытаний СК в меняющихся метеорологических условиях приведены в [29-46].Простейшая нестационарная методика испытаний СК, в которой кроме эффективной поглощательной способности и полного коэффициента тепловых потерь учитываются динамические характеристики, связанные теплоёмкостью коллектора описана в [31]. В этом случае полную полезную энергию, поглощенную коллектором можно записать в виде:
dT
qu=F'-{ra)-S -F'-Ul-(Tf -Ta)-Ca , (1.9)
где:Са - теплоёмкость СК в расчёте на 1м2 его площади.
Тепловая эффективность коллектора описывается уравнением
Я и +С (dTf/dt) , , (Т,-Та)
п = Чи-Л / >=F{Ta)_FljLl±(110)
Данные по эффективности наносятся на график в зависимости от параметра (TF-TA)/S.
Метод применим при медленно изменяющемся солнечном излучении.
В методике, приведённой в [32], также рассматривается одноэлементная модель СК, учитывающая динамические эффекты и отдельно угол падения для прямой и диффузной радиации.
Результатом испытаний по данной методике явилось создание в апреле 2001 года европейского стандарта EN 12975:2000: "Тепловые солнечные системы - Солнечные коллекторы" для испытаний солнечных коллекторов в переходных условиях" [47, 48].
Методика испытаний СК, базирующаяся главным образом на анализе единственной экспериментальной кривой, включает в себя процесс нагрева и последующего охлаждения и описана в [33]. Процесс нагрева требуется проводить достаточно долго при квазистационарных условиях.
В условиях изменчивой погоды такие климатические условия наблюдаются не часто. Метод не рекомендуется для наружных испытаний и может быть применён лишь при наличии имитатора солнечного излучения.В [50] описана разработанная трёхэлементная нестационарная модель плоского СК, учитывающая локальный теплообмен между поглощающей пластиной коллектора и теплоносителем, а также радиационно-конвективный теплообмен между поглощающей пластиной и остеклением. Сформулирована краевая задача для системы уравнений теплового баланса поглощающей панели и теплоносителя.
Важной особенностью предложенной методики является то, что при проведении испытаний не требуется ни жесткого отбора ясных дней, ни термостатирования теплоносителя на входе в коллектор, что даёт основание для поведения испытаний в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации солнечных установок непосредственно на объектах. При этом должен существенно упрощаться процесс возможных периодических испытаний и мониторинга теплотехнических характеристик солнечных коллекторов в течение периода их эксплуатации, однако из-за большого количества параметров алгоритм обработки работает неустойчиво и практическая реализация данной методики затруднительна.
Предложенная в [43, 49] методика, позволяет устойчиво получить характеристики плоского солнечного коллектора по результатам
натурных нестационарных экспериментов. Методика является частью британского стандарта [29].
Эксперимент проводится в нестационарных условиях для не менее четырех значений постоянных температур теплоносителя на входе в СК. Температура окружающей среды усредняется за весь период эксперимента.
Для обработки экспериментальных данных используется уравнение
оо
qu(t) = \FR(ra)ek(r)S (t-r)dr - FRUL(Tf,-Та) (1.11)
о
Предполагается, что существует некоторое значение времени tD, за пределами которого k(t) пренебрежимо мала, и что выполняется условие нормировки:
ю
jk(t)dt = jk(t)dt = l, (1.12)
о о
которое в данном случае обеспечивает совместимость (1.14) с уравнением Хоттеля-Уиллера-Блисса.
Если записать эффективную плотность потока солнечного излучения в следующем виде:
00
Heff(t) = jk(t)S(t-r)dtf (1.13)
о
= = FR(ra)e-FRUL^f^. (1.14)
MeffV) Heff
то получим уравнение эффективности СК похожее на (1.3):
Veff
Методика позволяет достаточно точно определить как параметры теплотехнического совершенства коллектора, так и его динамические характеристики и оценить погрешность измерений.
К достоинствам методики можно отнести линейность уравнений регрессии, что резко упрощает процедуру обработки опытных данных.К недостаткам данной методики можно отнести необходимость поддержания постоянства входной температуры теплоносителя во
время эксперимента и невозможность предсказания динамической реакции коллектора на ее изменение.
Методика хорошо отработана и апробирована в крайне неустойчивых метеорологических условиях Великобритании, что позволяет надеяться на её работоспособность при проведении натурных испытаний в условиях средней полосы России.