Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


»сходные физические параметры




дл€ расчета оптических систем гелионагревателей (в скобки вз€ты ненадежные цифры)

 

ѕолна€ светимость —олнца - 3,826(8).1026 ¬т

ѕоток излучени€ с единицы поверхности —олнца - 6,284.107 ¬т/м2

—ила света —олнца - 2,84.1027 кд

ќсвещенность вне атмосферы «емли (средн€€) - 127 клк

—олнечна€ посто€нна€ - 1,373(20) ¬т/м2

ѕоглощение радиации в атмосфере (общее) - 6,07.10-7 ¬т/м2

ќтражение и рассе€ние радиации в мировое пространство (общее) -1,23.10-6 ¬т/м2

»зменение интенсивности излучени€ от центра к краю солнечного диска: I = I0 (1 Ц u + u cos q), где u = 0,56, 0 £ q £ p/2

¬идимый диаметр —олнца Ц 32¢ 35² (начало €нвар€) и 31¢ 31² (начало июл€)

 олебани€ солнечной посто€нной Ц пор€дка 1 %

»нтенсивность солнечной радиации в данной точке земной поверхности в данный фиксированный момент времени

Q = S (dср/d)2 f cos z

S Ц солнечна€ посто€нна€, dср Ц среднее рассто€ние от «емли до —олнца, d - рассто€ние от «емли до —олнца в заданный момент, z Ц зенитный угол —олнца (угол между вертикалью и направлением на —олнце).

cos z = siny sind + cos h cosy

y - географическа€ широта точки наблюдени€

d - склонение —олнца (угловое положение —олнца в полдень относительно плоскости экватора)

h- часовой угол

 

Ќаиболее распространенными величинами, характеризующими прозрачность атмосферы, €вл€ютс€: интегральный коэффициент прозрачности Ѕугера – и фактор мутности Ћинке “. »нтенсивность пр€мой солнечной радиации приводитс€ к высоте солнца 300 (или к оптической массе атмосферы m = 2), а также к среднему рассто€нию между «емлей и —олнцем и обозначаетс€ Sср. ‘ормулы Ѕугера и Ћинке записываютс€ в виде

2 = (Sср /S0)1/2, “2 = 11,5 lg (S0/ Sср)

где S0 Ц 1,367 ± 0, 007 к¬т/м2 Ц солнечна€ посто€нна€.

 

—реднее многолетнее значение коэффициента прозрачности атмосферы –2.102 при S0 = 1,32 к¬т/м2

 

Ўирота, град. ћес€ц
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
                         
                         
                         

 

«ависимость плотности потока энергии (—олнце + атмосфера) от высоты —олнца

 

¬ысота —олнца, градусы        
ѕлотность потока, к¬т/м2 0,130 0,490 0,95 1,13
¬клад атмосферы, %        

 

3.  ќЌ÷≈Ќ“–ј“ќ–џ ѕ–яћќ… —ќЋЌ≈„Ќќ… –јƒ»ј÷»»

3.1. ќсновные соотношени€ между параметрами концентри≠рующих систем

3.1.1 ѕри использовании естественного освещени€ (пр€мого сол≠нечного или рассе€нного) с учетом теплопотерь необходимо светопро≠воды делать, возможно, меньшего поперечного сечени€. ѕри этом не обойтись без концентрации излучени€. “еори€ концентраторов разра≠ботана достаточно подробно в применении к нагреванию тел, помещен≠ных в фокус или на фокальную линию концентратора. ѕри этом не принципиально, под каким углом падает излучение на тело, т.е. все≠гда можно изменить форму нагреваемого тела так, чтобы лучи падали нормально, или же обеспечить достаточно малый коэффициент отраже≠ни€, не завис€щий от углов падени€. ѕрименительно к освещению име≠ютс€ свои особенности. —ветовые лучи после концентратора должны заполн€ть входное поперечное сечение световода таким образом, что≠бы угол падени€ на поверхность световода не был слишком крутым, т.к. при этом они испытают большое число отражений при распростра≠нении и потери энергии будут слишком велики, или же во втором ва≠рианте эффективность захвата таких лучей призматической световодной структурой будет слишком низка.

3.1.2 ѕо нашему мнению следует различать два типа концентрато≠ров: концентраторы пр€мого солнечного излучени€, имеющего средний

за год угол расхождени€ ао=0,0093 рад, и концентраторы рассе€нного излучени€, отличающегос€ большими вариаци€ми интенсивности и ее углового распределени€ в зависимости от угловой высоты солнца и состо€ни€ атмосферы.

3.1.3 ћетодику определени€ степени концентрации пр€мого солнеч≠ного излучени€ рассмотрим на примере тонкой линзы, т.к. вводимые при этом пон€ти€ и определени€ имеют наиболее нагл€дный смысл (рис. 16). Ѕудем называть концентрацией Z солнечных лучей отноше≠ние энергетической освещенности в данной точке приемника к нор≠мальной энергетической освещенности от солнца. ѕусть необходимо концентрировать солнечные лучи на круглой площадке диаметра d с помощью некоторой оптической системы (в данном случае, с помощью тонкой линзы).  аждую точку такой системы можно рассматривать как источник света, излучающий пучок лучей, расход€щийс€ под углом (’о (рис. 17)). „тобы солнечные лучи, прошедшие через систему, не вышли; за пределы приемной площадки, все элементы системы должны укладыватьс€ внутри воображаемого шара диаметром D. ѕри этом должно вы≠полн€тьс€ соотношение:

a0 = d/D, (d ЂD). (1)

ѕоверхность такого шара соответствует геометрическому месту вершины конусов с углом раствора αо, основанием которых €вл€етс€ площадка приемника. «ахватываемый пучок солнечных лучей имеет наи≠большее сечение в том случае, если оптическа€ система опираетс€ на Хкра€ перпендикул€рного солнечным лучам диаметрального сечени€ та≠кого шара. ќтношение энергетической освещенности ≈, средней по фо≠кальному п€тну к нормальной энергетической освещенности, создавае≠мой солнцем ≈ср, пропорционально отношению площадей максимального

 

ѕроста€ линза как концентратор излучени€ с углом расходи≠мости

–ис. 16.

  расчету предельной концентрации излучени€ создаваемой линзой

–ис. 17.

сечени€ такого шара и фокального п€тна (или квадратов их диамет≠ров). –адиус фокального п€тна равен

г = fao, (2)

где f - фокусное рассто€ние линзы; тогда

(3)

 ак видно из рисунка, угол захвата (охвата) такой системы 2γ равен 90∞.

Ёнергетическа€ освещенность в центре фокального п€тна такой системы

(4)

где ¬м - €ркость центра солнечного диска, i - угол падени€ лучей на поверхность приемника, ω- телесный угол, в котором лучи падают в центр приемника оптической системы. ¬ нашем случае, при 2γ = 90∞

ω=2p(1-(1/2)1/2 ) 1.84стр. (5)

”читыва€, что дл€ центра солнечного диска €ркость на 20% превы≠шает значение, среднее по всему диску, т.е.

¬м =1,2¬ср, (6)

выразим нормальную освещенность от солнца через среднюю €ркость его диска

(7)

“огда в центре фокального п€тна рассматриваемой системы энерге≠тическа€ освещенность

(8)

≈сли бы нам удалось создать оптическую систему с углом охвата

2γ = 180∞, то на поверхности приемника, ни в какой точке энергетиче≠ска€ освещенность не может превышать ≈м

 

м=p ¬м. (9)

“аким образом, теоретический предел повышени€ концентрации сол≠нечных лучей составл€ет

(10)

ѕримен€€ это соотношение к услови€м Ѕеларуси, получим дл€ мак≠симальной энергетической освещенности

м =50 ћ¬т/м2. (11)

—ледует отметить, что дл€ системы с таким углом охвата средн€€

величина концентрации Zср (усредненна€ по поверхности плоского при≠емника) будет много меньше предельного ее значени€, задаваемого формулой (10).

3.1.4 –еальные линзовые и зеркальные системы дают концентрацию меньше этих предельных значений, т.к.:

а) часть энергии поглощаетс€ и рассеиваетс€ системой;

б) система неизбежно обладает аберраци€ми, действие которых эквивалентно увеличению углов расхождени€ лучей, выход€щих из эле≠ментов оптической системы;

в) на практике трудно выдержать оптимальную форму поверхности приемника, его расположение относительно солнца, форму контуров поверхности оптической системы и ее апертуру.

3.1.5 ѕростые линзы-концентраторы себ€ не оправдывают из-за большого веса, стоимости. ѕерспективны линзы ‘ренел€ (ступенчатые линзы, киноформные элементы).  аждую точку реальной линзы можно рассматривать как источник света, посылающий пучок лучей, расход€≠щихс€ под некоторым углом a Ётот угол больше, чем угловой диаметр солнца a0 на величину a1 аберраций линзы. ”гол a1 €вл€етс€ функцией угла охвата линзы 2γ, но в общем случае можно записать

(12)

где t - коэффициент пропускани€ линзы,

a = a0 + a1 (13)

 

3.2. ќптимальный параболический концентратор

3.2.1. ѕо методике, описанной выше, могут быть рассчитаны кон≠центраторы произвольной формы. ƒл€ пучков лучей, параллельных оси —имметрии, идеальным концентратором €вл€етс€ параболоид вращени€, в фокусе которого концентраци€ равна бесконечности. ≈сть основание полагать, что дл€ почти параллельных пучков, которые излучает солнце, параболоид также будет наиболее эффективным концентратором. ќднако дл€ целей освещени€ ширококорпусных зданий необходимо не просто получить высокую концентрацию энергии в заданной точке, а получить высокую среднюю по входной апертуре концентрацию. Ѕудем считать апертуру круглой с диаметром d, световые пучки расход€щи≠мис€ с углом при вершине конуса a ¬ этих предположени€х оптималь≠ный концентратор ¾ параболоид имеет параметры, указанные на рис. 18. –асчетна€ концентраци€ имеет величину 8778 в предположении, что коэффициенты отражени€ не завис€т от углов падени€ лучей на параболоид и дл€ всех них равны единице. ”глы, которые составл€ют краевые лучи, проход€щие через выделенную апертуру, со стенками светопроводной шахты, имеют величину 77∞ и 38∞. “акие углы скольже≠ни€ вполне приемлемы дл€ захвата светового потока призматической пленкой.

3.2.2. ≈сли заменить этот оптимальный параболоидальный концен≠тратор фокусирующим конусом с одинаковыми с ним входной и выходной апертурами, то угол при вершине конуса составит 56, 8∞, что приемле≠мо в соответствии с оценкой, сделанной выше.

3.3. “елескоп  ассегрена

3.3.1. ¬ качестве узкопольной оптической концентрирующей систе≠мы может использоватьс€ известна€ система телескопа  ассегрена (рис. 19), состо€ща€ из главного параболического зеркала 1 с от≠верстием по оси симметрии и контрзеркала 2, имеющего форму гипер≠болоида вращени€. ѕреимуществом системы €вл€етс€ то, что она до≠пускает замену параболы и гиперболы эквивалентными сферами, что существенно упрощает изготовление.  роме того, угол схождени€ лу≠чей в фокусе системы F может измен€тьс€ в довольно широких преде≠лах, что облегчает стыковку такого концентратора со световодной системой. ¬ системе  ассегрена также можно существенно уменьшить рассто€ние между зеркалами без потери степени концентрации лучи≠стой энергии.

3.3.2. Ќами изготовлен и испытан макет системы  ассегрена со Хследующими параметрами:

- - диаметр входной апертуры - 350 мм;

- фокусное рассто€ние главного параболического зеркала -60 мм;

- диаметр контрзеркала - 60 мм;

- фокусное рассто€ние контрзеркала - 2000 мм.  онцентратор пристыкован к светопроводу в виде отрезка трубы дли≠ной 1550 мм и диаметром 38 мм. ¬нутри светопровода заложена приз≠матическа€ световодна€ пленка SOLF. –езультаты испытаний обрабатываютс€.

ќптимальный концентратор на основе параболы

“елескоп  асегрена как концентратор

–ис.19.

4.  ќЌ÷≈Ќ“–ј“ќ–џ –ј——≈яЌЌќ… —ќЋЌ≈„Ќќ… –јƒ»ј÷»»

4.1. ќсновные соотношени€

4.1.1. ѕодавл€юща€ часть энергии солнечного излучени€ (ї 97%) приходитс€ на интервал длин волн 0,3 -3,0 мкм, причем 53,5% - на интервал 0,4-0,7 мкм, т.е. на видимую область. ѕолна€ энергетиче≠ска€ освещенность солнечным излучением на верхней границе атмосфе≠ры мен€етс€ мало, она испытывает короткопериодные изменени€ в пре≠делах до ± 0,5%, обусловленные солнечной активностью и годовые ко≠лебани€ в пределах ±3,5%, св€занные с эксцентриситетом орбиты «ем≠ли. —олнечна€ посто€нна€ на верхней границе атмосферы составл€ет 1368 ± 0,6 ¬т/кв.м. –аспростран€€сь в атмосфере, солнечное излучение взаимодействует с атмосферными газами, облаками, твердыми и жидко-капельными аэрозольными частицами, взвешенными в воздухе в призем≠ном слое. ≈сли половина общей массы воздуха сосредоточена в при≠земном слое толщиной 5 км, то вод€ного пара - 2 км, твердых частиц - 1 км. ¬се акты взаимодействи€ излучени€ и вещества свод€тс€ к рассе€нию, поглощению, преломлению (рефракции) и отражению волн.  онкретные про€влени€ рассе€ни€ весьма многообразны, хот€ их физи≠ческа€ сущность едина и обусловлена волновой природой света.

4.1.2. ѕрин€то различать пр€мую и рассе€нную солнечную радиа≠цию. ѕр€мой солнечной радиацией S называетс€ часть лучистой энер≠гии солнца, приход€щей к поверхности «емли в виде (почти) парал≠лельных лучей. —олнечна€ радиаци€ на горизонтальной поверхности S' рассчитываетс€ по формуле

S' = S sin h, (14)

где h - высота —олнца над горизонтом в момент наблюдени€. ѕр€ма€ радиаци€, пришедша€ на земную поверхность через безоблачную атмо≠сферу, определ€етс€ в основном астрономическим фактором; вторым решающим фактором €вл€етс€ прозрачность атмосферы.

ѕри реальных услови€х облачности приход пр€мой солнечной радиации, во-первых, снижаетс€, а во-вторых, измен€етс€ вид кривой ^суточного хода. ќбычно во второй половине дн€ облачность снижает≠с€, в результате чего асимметри€ до- и послеполуденной сумм радиа≠ции может достичь зимой 25-35%.

ѕредставление о соотношении между пр€мой и рассе€нной радиа≠цией дает следующа€ таблица:

“аблица 3

«ависимость общей интенсивности S (солнце + атмосфера)

(к¬т/кв. м) от высоты солнца (угл. град.) и доли атмосферного излучени€ (%)

h   10∞   30∞   60∞   90∞  
S   0,13   0,49   0,95   1,13  
%        

ѕриход рассе€нной радиации зависит от высоты —олнца, состо€ни€ атмосферы (прозрачности и облачности) и характера подстилающей поверхности (альбедо поверхности). Ёти факторы могут мен€тьс€ с различной периодичностью, что и обусловливает изменчивость общего радиационного режима в данной точке земной поверхности. ƒл€ Ѕела≠руси количество суммарной солнечной радиации (пр€мой и рассе€нной) (ћƒж/кв. м) за мес€ц при €сном небе максимально в июне (921-900) и минимально в декабре (17-43).

–ассмотренные выше системы концентрации лучистой энергии вы≠сокоэффективны в параллельных пучках, т.е. дл€ пр€мой солнечной радиации.

4.1.3. ƒл€ концентрации рассе€нной солнечной радиации, особенно в услови€х облачности, когда €ркости отдельных участков неба силь≠но разн€тс€, необходимо иметь широкоугольные концентрирующие сис≠темы, поскольку узкоугольные параболоиды и конусы станов€тс€ неэф≠фективными даже при применении след€щих систем. ƒл€ разработки та≠ких систем необходимо примен€ть методы неизображающей оптики. ќд≠нако неизображающие концентраторы имеют достаточно сложную форму, например, в виде пересекающихс€ параболоидов вращени€ и, как след≠ствие, высокую стоимость. ќтступлени€ от правильной формы, как бы≠ло показано выше, резко снижают концентрацию. “ем не менее, дл€ рассе€нной радиации важность больших апертур преобладает над дру≠гими характеристиками концентрирующих систем.

 

 

 онтрольные вопросы:

1. „то понимают под термином тепловое излучение? —формулируйте основные законы теплового излучени€.

2. Ќайдите интегральную лучеиспускательную способность абсолютно черного тела, наход€щегос€ при температуре 200—.

3.  акую температуру должно иметь абсолютно черное тело, чтобы максимум e 0 (l, “) соответствовал Ђкраснойї области спектра видимого излучени€?

4. ѕрименим ли закон смещени€ ¬ина (“l = b) ко всем излучающим телам?

5. Ќачертите график, показывающий распределение энергии абсолютно черного тела.  ак изменитс€ этот график с увеличением температуры?

6.  акие гипотезы использовал ѕланк при выводе формулы дл€ лучеиспускательной способности абсолютно черного тела?

 

 





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2016-11-23; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 416 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

Ќеосмысленна€ жизнь не стоит того, чтобы жить. © —ократ
==> читать все изречени€...

516 - | 451 -


© 2015-2023 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.046 с.