2.2. Исследование спектральных характеристик прозрачных

покрытий солнечных коллекторов

Как уже упоминалось выше, в качестве прозрачной изоляции солнечных коллекторов обычно применяется стекло. Применение других материалов было ограничено отсутствием недорогих материалов, удовлетворяющих довольно жестким требованиям [15, 65] и, прежде всего, обладающих высокой прозрачностью для солнечного излучения и стойкостью к внешним атмосферным воздействиям, включая ультрафиолетовое излучение.

Основными функциями прозрачного ограждения солнечных установок являются:

эффективное пропускание внутрь солнечного коллектора солнечного излучения, которое затем поглощается теплообменной панелью, преобразуя его в тепло, идущее на нагрев прокачиваемого через неё теплоносителя;

снижение радиационных и конвективных тепловых потерь в окружающую среду от нагретой тепловоспринимающей панели. Радиационные потери снижаются за счет того, что прозрачное ограждение не пропускает инфракрасное излучение нагретой панели в окружающую среду (поглощает или отражает его). Тем самым, создается так называемый "парниковый эффект". Снижение конвективных потерь обеспечивается за счет создания тонкой воздушной прослойки с относительно большим термическим сопротивлением.

Стекло в качестве прозрачного ограждения солнечного коллектора выполняет перечисленные функции в полном объеме. Сорта стекла с малым содержанием окисов железа характеризуются высоким коэффициентом пропускания излучения в области солнечного спектра (до 0,9). В то же время, оно практически непрозрачно для инфракрасного излучения и обеспечивает парниковый эффект.

С учетом этих свойств стекла практически все солнечные установки, количество которых в мире оценивается более 100 млн. м2, сегодня оснащаются солнечными коллекторами с прозрачным ограждением из стекла.

Предметом исследования возможности замены в солнечных коллекторах стекла на современные пластики в настоящей работе является экспериментальное изучение спектральных характеристик

сотового поликарбоната различной толщины, являющегося одним из наиболее перспективных потенциальных конкурентов стеклу в солнечной энергетике [66, 67].

Промышленно выпускаемый экструзионный листовой сотовый поликарбонат - сложный полиэфир угольной кислоты и 2,2-бис(4- оксифенил) пропана, обладает рядом привлекательных характеристик: высокой прозрачностью для видимого излучения (по данным производителей 80 - 85%), малым удельным весом (1200 кг/м3), стойкостью к атмосферным воздействиям, высокой ударной вязкостью (250-500 кДж/м2), высокой прочностью (при статическом изгибе 77-120 МН/м2, что в 200 раз выше, чем для стекла), морозостойкостью (до - 40°С), теплостойкостью (до 120°С), устойчивостью к действию кислот, растворов солей, окислителей. Сотовый поликарбонат представляет собой полые панели, в которых два или более слоев поликарбоната соединены продольными ребрами жесткости.

В результате решения проблемы защиты поликарбоната от разрушающего воздействия солнечного ультрафиолета путем покрытия его тонким (60-100 мкм) слоем защитного материала (соэкструзией или лакированием) поликарбонат стал широко применяться в строительстве. Панели из поликарбоната практически не бьются и не растрескиваются, что в отличие от стекла исключает серьезные проблемы при их транспортировке и сборке. Это свойство гарантирует высокую стойкость к воздействию града и падающих предметов. Высокая пластичность и прочность самого материала делает возможным получение экструзионным способом листов с очень тонкими стенками (0,3-0,7 мм) без потери ударопрочных характеристик и в то же время с очень малым весом.

В мире производится множество марок сотового поликарбоната.

оборудования и добавок, определяющих прозрачность и цветность листов.

Попытки производителей получить такие же листы из других светопропускающих материалов успехом не увенчались. При использовании для этих целей гранул полиметилметакрилата (оргстекла) лист с такими тонкими стенками не может сформироваться после выхода из головки экструдера из-за повышенной хрупкости и тут же ломается. Поэтому сотовые листы из оргстекла имеют очень толстые стенки (более 1 мм) - этим обеспечивается прочность листа, но в то же время резко повышается его вес. При использовании полипропилена сотовые листы получаются, но добиться их высокой прозрачности из-за особенностей химического строения материала невозможно.

Если механические и физические свойства поликарбоната достаточно хорошо исследованы, то детальному изучению его оптических характеристик, важных для гелиотехнических приложений, внимания не уделялось. В этой связи основной целью данной работы было экспериментальное изучение спектральных оптических свойств сотового поликарбоната в широком 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°С, характерной для солнечных нагревательных установок. Результаты известных исследований спектральных свойств стекла и проведенных измерений спектральных характеристик поликарбоната суммированы на рис. 2.1, на котором представлены:

типичная зависимость спектральной интенсивности прямого солнечного излучения от длины волны (кривая (а));

спектральная пропускательная способность стекла с содержанием Fe203 0,02% (кривая (б));

спектральная пропускательная способность листового поликарбоната толщиной 2 мм (кривая (в));

спектральная пропускательная способность сотового поликарбоната Polygal®: толщиной 4 мм (кривая (г)) и толщиной 10 мм (кривая (д)).

Измерения спектрального коэффициента пропускания в различных спектральных диапазонах проводились с использованием спектрофотометров: Shimadzu MPS - 2000 (0,19 - 0,9 мкм) и Hitachi U- 3400 (0,19 - 2,5 мкм и 3,0 - 25 мкм).

Длина волны, мкм

Рис. 2.1. Спектральная интенсивность солнечного излучения (а), спектральная

пропускательная способность: стекла толщиной 3,2 мм (б); листового поликарбоната толщиной 2 мм (в); сотового поликарбоната толщиной 4 мм (г); сотового поликарбоната толщиной 10 мм (д)

Основная мощность солнечного излучения сосредоточена в диапазоне длин волн 0,2 - 2,5 мкм. Стекло имеет высокую равномерную пропускательную способность (около 0,9) практически во всем солнечном спектре (от 0,3 мкм). При больших длинах волн стекло практически непрозрачно для излучения (коэффициент пропускания близок к нулю). В отличие от стекла поликарбонат характеризуется сильно изменяющейся ("полосатой") спектральной характеристикой, что объясняется сложным химическим составом. Вместе с тем, в диапазоне длин волн основной части солнечного излучения, исследованные образцы имеют достаточно высокие значения спектрального коэффициента пропускания, превышающие 80% для сотового поликарбоната толщиной 10 мм, 85% для сотового поликарбоната толщиной 4 мм и 90% для листового поликарбоната толщиной 2 мм. При длинах волн больше 2 мкм спектральная пропускательная способность поликарбоната резко снижается, а при Л>5 мкм поликарбонат, также как и стекло, становится практически непрозрачным.

Специальный интерес представляет рассмотрение спектрального диапазона, соответствующего коротковолновому излучению с длиной волны менее 0,4 мкм, оказывающему максимальное разрушающее воздействие на органические материалы.

На рис. 2.2 для стекла и поликарбоната изображена эта область. Видно, что пропускание излучения стеклом резко возрастает, начиная с 0,25 мкм, а поликарбоната- с 0,38 мкм. Более высокое пороговое значение длины волны для поликарбоната объясняется применением упомянутого ранее специального наружного покрытия, обеспечивающего его защиту от ультрафиолета. Важно отметить, что в отличие от стекла, поликарбонат практически не пропускает ультрафиолетовое излучение внутрь солнечного коллектора.

0,25

I

/

I ' I ' I 1 I 1 I I

0,4

0,2

I 1 I 1 I 1 I 1 I

0,35

0,3

Длина волны, мкм Рис. 2.2. Спектральная пропускательная способность сотового поликарбоната и стекла в ультафиолетовом спектре излучения

На рис. 2.3 выделена спектральная область 2,5 - 25 мкм, в которой лежит излучение нагреваемых в солнечных коллекторах теплоприемных поверхностей (кривые спектральной плотности излучения для "черных" тел в диапазоне температур 50 - 150°С приведены на этом же рисунке).

-1 600 25

о

о. 2

^ е

Ш О

го

О н о с

I

ф

11

m to

о s с

о

X

л н

8 I ?

CN

Ё 3-

к ь го со

- 500

400

- 300

200

100

"I ' т

5 10

Длина волны, мкм

20

Рис. 2.3. Спектральная пропускательная способность сотового поликарбоната (а) в интервале длин волн излучения чёрного тела в диапазоне температур 50-150°С (б)

Видно, что поликарбонат, также как и стекло, является практически полностью непрозрачным в этой области, что в случае его применения в качестве прозрачного ограждения в солнечных коллекторах обеспечивает "парниковый эффект".

Полученные данные подтверждают возможность применения сотового поликарбоната при создании СК полностью из полимерных материалов.