Солнечная тепловая энергия. Удивительные свойства стекла
Раньше было:
Сила, энергия и мощность.
Возобновляемая энергия. Введение
Эффективность и побочные эффекты использования ископаемых топлив
Солнечная тепловая энергия
1. Введение
2. Солнечный водонагреватель на крыше
3. Природа и пригодность солнечного излучения
4. Солнечная радиация и времена года
5. Удивительные свойства стекла
Самое низкотемпературное солнцепоглощение зависит от свойств очень любопытной субстанции - стекла. Трудно представить мир без застекленных окон. Стекло используются начиная со времени римлян, которые также изобрели процесс создания зеркального стекла:
«Удивительное изобретение случились уже на нашей собственной памяти - появились оконные стекла, которые прозрачны и пропускают солнечный свет».
(Сенека, 65 год н.э., цитата из «Butti and Perlin», 1980)
Что он не упоминал был тем стаканом был также непроницаем к ветру, который дунул бы через все естественные открытия освещения в зданиях периода.
Прозрачность
Самое главное свойство стекла - прозрачность для солнечного света, для видимого света и коротковолнового инфракрасного излучения, но непропускание длинноволнового инфракрасного излучения, на чем основана работа солнцесборников:
Спектральный коэффициент светопропускания стекла
Надписи на рисунке:
Transmittance of clear float glass.
Коэффициент светопропускания обычного оконного стекла.
Inside building.
Внутри зданий.
Relative power density.
Относительная энергетическая плотность.
Wavelength in nanometres.
Длина волны в нанометрах.
Ultraviolet.
Ультрафиолет.
Visible.
Видимый свет.
Short-wave infrared.
Коротковолновый инфракрасный свет.
Long-wave infrared.
Длинноволновый инфракрасный свет.
Outside building.
За пределами зданий.
Long wave infrared radiation cannot penetrate glass.
Длинноволновый инфракрасный свет не может проникнуть через стекло.
Transmittance of clear float glass.
Внутри строительства.
За несколько прошлых десятилетий огромные усилия были приложены для улучшения работ по установке стекол с более высокой прозрачностью к видимому свету и сохранящих тепло. Эта работа хорошо описана в кратком отчете Hutхins, 1997.
Производители стараются делать стекла настолько прозрачными, насколько это возможно, т.е. они пробуют максимизировать его коэффициент пропускания, долю случайного света, который проходит через них. Они обычно добиваются этого уменьшением содержания железа в стекле. Некоторые пластмассы имеют оптические свойства, подобные стеклу. Они могут использоваться, хотя им требуется дополнительная защита от разрушения ультрафиолетом.
Таблица 1. Оптические свойств традиционно используемых остекляющих материалов.
Материал (мм)
Толщина
Коэффициент
пропускания
солнечного света
Длинноволновой
инфракрасный
коэффициент пропускания
Нормальное оконное стекло
3,9
0,83
0,02
Маложелезистое стекло
3,2
0,90
0,02
«Перспекс»
3,1
0,82
0,02
Поливинилхлорид (тедлар)
0,1
0,92
0,22
Полиэстер (майлар)
0,1
0,87
0,18
Таблица показывает оптические свойства традиционно используемых остекляющих материалов. Вы видите, что коэффициент светопропускания высокий (около 1,0), но для сравнения приведен более низкий коэффициент светопропускания для длинноволнового инфракрасного света.
Механизмы потери тепла
Разрабатываются методы сокращения теплопотерь через окна и методы остекления солнцесборников. Тепловая энергия теряется через любую субстанцию, где есть разница температур на двух ее сторонах. Величина теплопотерь зависит от:
- разницы температур двух сторон,
- общей площади теплообмена,
- качества изолирующего материала.
Очевидно, что через бóльшее окно можно потерять больше тепла, чем через меньшее, а в холодный день теплопотеря больше, чем в теплый. Для того, чтобы понять, как происходит потеря тепла, и как ее можно минимизировать, нужно рассмотреть три механизма передачу тепла: проводимость, конвекция и излучение.
Проводимость
В любом материале тепловая энергия перетекает от теплых участков к холодным. Величины этого перетекания зависят от первых двух перечисленных выше факторов и от теплопроводности материала. В общей массе металлы имеют очень высокую теплопроводность и могут передавать большие количества тепла при небольших температурных разницах. В случаях, когда рамки для стекол сделаны из металла, они должны быть хорошо изолированы, чтобы минимизировать потерю тепла. Изоляторы требуют большой разницы температур для проведения тепла. Воздух - тоже очень хороший изолятор. Самые удачные формы изоляции имеют маленькие воздушные карманы, оставленные между двумя стеклами окна. Пузыри воздуха выполняют ту же роль в пластмассовых конструкциях и между фибрами минеральной ваты.
Конвекция
Нагретая жидкость, также как и воздух, расширяется и становится менее плотной. Также в ней возникает движение, известное как конвекция. Это один из главных методов передачи тепла через окна в окружающую среду:
Передача тепла через двойное стекло
Надписи на рисунке:
Heat flow.
Потоки тепла.
Outside.
Снаружи.
Air.
Воздух за окном.
Inside.
Внутри.
Convection takes place in the air gap.
Конвекция возникает в воздушном зазоре.
Conduction takes place through the glass and across still air.
Тепло проводится через стекло и дальше по воздуху.
Конвекция создается между воздухом и стеклом с внутренней его стороны, а при двойном остеклении в воздушном пространстве между стеклами. Эффекты конвекции можно уменьшить, если заполнить пространство между стеклами более тяжелым газом с менее мобильными газовыми молекулами, например, аргоном, криптоном или углекислотой. Конвекция может также быть уменьшена путем ограничения пространства, доступного для движения газа. Этот принцип используют в материалах изоляции, упомянутых выше.
Различные формы прозрачной изоляции активно развиваются. Для этого используют прозрачную пластмассу со средним содержанием пузырей изолирующего газа. Эти материалы могли бы в конечном счете революционно изменить понимание окон и стен. Из них могли бы делать и то и другое. Но в настоящее время эти материалы пока не удовлетворяют требованиям в защите от непогоды и ультрафиолетового света.
Альтернативу современным методам остекления могут составить вакуумные стеклопакеты. Конвекционные потоки не могут создаваться в вакууме. Однако для этого нужен полный вакуум. Нужно также увеличить продолжительность жизни окна минимум до 50 лет. Такому окну будут нужны внутренние распорки, препятствующие притяжению стекол за счет давления воздуха снаружи. Но эти распорки дополнительно проводят тепло через изолирующий промежуток, что несколько уменьшает эффективность системы.
Достаточно иметь воздушный зазор всего в 6-10 мм. Если сделать его меньше, конвекция будет затруднена, а теплопроводность напротив облегчена, так как теплу нужно преодлеть совсем небольшое расстояние. Более широкий зазор облегчает циркуляцию конвекционных потоков. Кроме того теплопроводность зазора можно уменьшить, если использовать специальные теплоотражающие покрытия. Наиболее простой путь уменьшить эффекты конвекции - вставить добавочные стекла в стеклопакет или прозрачный пластмассовый модуль между двумя стеклами в тройном стеклопакете. Также возможен стеклопакет с 4-мя стеклами.
Излучение
Энергия тепла от предметов может передаваться в виде такого же излучения, как она передается от Солнца к Земле. Количество излучения зависит от температуры излучающего тела. Крыша здания, например, излучает тепло далеко в атмосферу. Это также зависит от такой характеристики поверхности, как излучаемость. Большинство материалов, используемых в зданиях, имеют высокую излучаемость - приблизительно 0,9. Это означает, что они излучают 90% из теоретического максимума имеющейся температуры.
Другие производимые поверхности имеют более низкую излучаемость. Это означает, что хотя они и горячи, но излучат мало тепла наружу. Такие покрытия «Low-E» сейчас часто используются внутри двойного стеклопакета, чтобы позволяет снизить вырезать потери тепла излучением от внутреннего стекла к внешнему через воздушный промежуток.
Пример. Какие потери тепла можно считать нормой, если речь идет об окне с одним стеклом площадью 2 м2 измерителей, дне, когда температура снаружи - 50°C, а внутри +200°C?
В таблице 2 показано, что теплопотеря (U) для этого окна составляет 6 Вт * м-2 * °C-1, так что потерянная норма составляет 2 * 6 * (20 - 5) = 180 Вт.
Заметьте, что если температурная разница сохраняется на этом уровне 24 часа, полная потеря составила бы более чем 4 кВт*час. Для остекления лучших типов, показанных в таблице 2, это значение было бы уменьшено на четверть киловатт-часа.
Таблица 2. Характеристики теплопотери (U) для различных типов стекла.
Тип окна
U-значения
Вт (м-2 °C-1)
Окно с однослойным стеклом
6
Окно с двухслойным стеклом
3
С покрытием «Low-E»
1,8
Плюс заполнение тяжелым газом
1,5
С трехслойным покрытием пластиком (покрытие «low-E») плюс заполнение тяжелым газом
0,35
Убрано покрытие пластиком (покрытие «low-E»)
1,0
Для сравнения: 10 см непрозрачной стекловолоконной изоляции
0,4
Источники: Granqvist, 1989; Hutchins, 1997; и литературные источники авторов.
U-показатель
Проводимость, конвекция и излучение участвуют в сложном процессе потери тепла через стену, окно, крышу, и т.п. На практике для любого элемента строительных конструкций известен показатель теплопотери (U), который рассчитывается так:
Тепловой поток через 1 м2 = U * разницу температур
Единицы, в которых измеряется U - Вт / (м2 * °С). Более низкое значение U означает лучшую работу изоляции. Таблица представляет типичные показатели U для различных видов остекления (точные значения будут зависеть от элементов строительных конструкций, специфических деталейоконных рам).
Продолжение следует