МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ ЗЕРКАЛ И КОЭФФИЦИЕНТОВ ПРОПУСКАНИЯ СТЕКОЛ

АННОТАЦИЯ

В работе приведены методы измерения коэффициентов зеркального отражения и коэффициентов пропускания прозрачных тел. Основные методы и приборы используются в эксплуатационных условиях Большой Солнечной Печи Узбекистана с тепловой мощностью 1000 кВт. Для измерения интегральных коэффициентов отражения и пропускания используются актинометры, пиргелиометры, пиранометры. Для измерения спектральных коэффициентов зеркального отражения или пропускания стекол используются спектрофотометры. Применяемые методы и приборы отличаются простотой, без инерционностью, оперативностью.

ABSTRACT

The paper presents methods for measuring the specular reflection coefficients and transmittances of transparent bodies. The main methods and devices are used in the operating conditions of the Large Solar Furnace of Uzbekistan with a thermal power of 1000 kW. Actinometers, pyrheliometers, pyranometers are used to measure the integral reflection and transmission coefficients. Spectrophotometers are used to measure the spectral coefficients of specular reflection or transmission of glasses. The applied methods and devices are distinguished by their simplicity, without inertia, and efficiency.

Ключевые слова: Актинометр, пиргелиометр, пиранометр, фотометр, спектрофотометр, концентратор, гелиостат, фацета.

Keywords: Actinometer, pyrheliometer, pyranometer, photometer, spectrophotometer, concentrator, heliostat, facet.

Одним из путей повышения эффективности преобразования солнечной энергии, расширения областей её применения являются зеркально-концентрирующие системы (ЗКС) лучистого потока Солнца. Распределения плотности лучистого потока в фокальной зоне зависит от коэффициентов отражения зеркал, от поверхностной неточности. Зеркала с наружным напылением даёт большой коэффициент отражения, но они служат не долго из-за потери отражающего слоя. С целью долговременной эксплуатации ЗКС, часто применяются зеркала тыльного напиления с применением стекола с хорошими оптическимы характеристиками [1,2]. Для измерения интегральных коэффициентов отражения зеркал часто применяются актинометры и пиргелиометры предназначенные для измерения прямого лучистого потока солнца на поверхности Земли [3,4]. Для измерения спектральных коэффициентов отражения зеркал применяются различные измерительные приборы – спектрометры: типа IRIS 908RS, Bruker Optics, VERTEX 70, TENSOR 27/37 и т.д. [5,6]. Для измерения спектральных коэффициентов пропускания применяются спектрофотометры ФО -1, Linshang Ls116, ФМ-58, ФПИ и т.д. [7].

Методика измерения коэффициентов отражения зеркал в эксплуатационных условиях.

Фотометрический метод измерения коэффициента отражения зеркал применяемый в оптике основан на использовании искусственных источников излучения и предназначен для измерения в производственных условиях оптического приборостроения [8]. В тоже время в гелиотехнике источник излучения – Солнце, причем Земное т.е. излучение подающие на Землю сквозь атмосферный слой. В силу этого более предпочтительным и корректном методом измерения коэффициента отражения гелиотехнических зеркал является актинометрический метод, который непосредственно дает реальный, интегральный коэффициент отражения зеркал.

Начиная с 1987 года нами эксплуатируется Большая Солнечная Печь (БСП) мегаваттной мощности на склоне горы Тянь-Шань в Узбекистане [9]. БСП состоит из 62 гелиостатов с отдельными зеркальными элементами – фацетами в количестве 12090 штук и параболоидного составного концентратора с общим количеством фацет 10700 штук. При эксплуатации этой уникальной установки, нами применяется метод измерения коэффициентов отражения фацет гелиостата и концентратора на основе актинометров АТ-50 Савинова-Янишевского и АП-1 (ТУ 25-11 (ПУ3.390.200)-81), которые применяются для измерения интенсивности прямого лучистого потока Солнца [10, 11].

Плотность прямой солнечной радиации Е_пр измеряется путем использования неселективных приемников изучения (полостные или с плоской приемной площадью), которыми могут быть пиргелиометры и головки пиранометров (AП-1, СНР1 и типа М-115, СMР21) и актинометры (типа М-3, АТ-50), в диапазоне плотности прямого падающего солнечного лучистого потока 300÷1100 Вт/м² в спектральной области 0,3÷4,5 мкм. Относительная погрешность применяемых средств измерений плотности не превышает 2,5%.

Структурная схема измерения коэффициента отражения зеркал показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема измерений коэффициентов отражения зеркал

1-Испытуемая фацета, 2-актинометрическая трубка, 3- Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 4- Компьютер

Измерение проводятся в следующем порядке:

Зеркало устанавливается на поворотном устройстве, на против актинометрической трубки ( см. рис. 1). Трубка актинометра направляется перпендикулярно к падающим лучистом потоком Солнца. На термопарах актинометра образуется электро-движущая сила (ЭДС) за счет энергии лучистого потока солнца. Далее, аналоговый сигнал с трубки актинометра через интерфейс поступает в компьютер, где с учетом калибровочного коэффициента данного актинометра вычисляется значения интенсивности прямого лучистого потока Солнца и записывается в память ЭВМ. Таким образом, определяется интенсивности прямого потока солнечного излучения Е_пр. Далее с помощью поворотного устройства испытуемую фацету направляем таким образом, чтобы отраженный от него лучистый поток падал на актинометр. При этом трубка актинометра направляется на поверхность фацеты так, чтобы отраженные от фацеты лучи освещали всю приемную поверхность актинометра. Измеряется отраженный (Е_отр) от зеркала поток солнечной радиации и по отношению к прямому (Е_пр) потоку определяется коэффициент зеркального отражения (К_отр) фацеты.

К_отр =Е_отр /Е_пр                                                                (1)

В таблице 1 приведены измеренные коэффициенты отражения зеркал эксплуатируемые в условиях БСП с алюминиевым покрытием с тыльной поверхности фацеты, в качестве защиты зеркальной поверхности использована акриловая краска.

Таблица 1.

Измеренные коэффициенты отражения зеркал

Актинометр работает в режиме автоматического слежения за дневным перемещением Солнца на небосводе при помощи автоматической двух осевой системой управления с погрешностью слежения не более 1%. Сигнал от актинометра регистрируется на компьютере через АЦП.

В отличие от фотометрического метода измерения коэффициентов отражения зеркал, актинометрический метод позволяет получит интегральный коэффициент отражения зеркал, соответствующих в гелиотехнической практике, более того размеры зеркал в этом случае неограниченны, измерительная установка постоянно готова к измерением, т.е. высокая оперативность.

На концентраторе БСП используются формообразованные – вогнутые фацеты, чтобы избежать влияния концентрации за счет формы фацеты необходимо проводит измерения до процесса формообразования.

Измерения коэффициентов пропускания прозрачных тел.

Для измерения коэффициентов пропускания стекол и прозрачных пленок в различных спектральных диапазонах нами были применены следующие приборы измерения: измеритель калориметрический твердотельный ИКТ – 1Н; актинометр АП-1; актинометр АТ-50, стенд для калибровки солнечных датчиков с галогенным источником света, фотоэлектрический метод измерения.

1. Измерять коэффициент пропускания пленки будем с помощью измерителя калориметрического твердотельного (ИКТ – 1Н) (см. рис. 2), предназначенного для измерения энергии импульсов лазерного излучения в спектральном диапазоне 0.4 – 4 мкм. Измерительный прибор состоит из блока регистрации - ИКТ – 1Н, измерительной головки, механизма юстировки и аттенюатор.

Принцип работы прибора ИКТ – 1Н заключается в поглощении приемным элементом головки измерительной энергии лазерного излучения и преобразовании её в термо - э.д.с., значение которой фиксируется показывающим прибором блока регистрации. Показывающий прибор отградуирован в единицах измерения энергии Дж. При измерении уровней энергии, превышающих 150 Дж, предусмотрено использование аттенюатора, который навинчивается на измерительную головку вместо крышки со входным окном. Материал оптического клина - стекло К8. Угол между рабочими поверхностями 7.5°. Фронтальная поверхность отражает 4% падающего излучения под углом 15° на светоделительный кубик. Тыльная поверхность клина просветлена таким образом, что пропускает падающее на неё излучение на 99.9%.

Основные технические характеристики ИКТ -IH приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Основные технические характеристики калориметрического твердотельного измерителя

При измерении в качестве источника излучения нами использован пальчиковый лазер продукт класса 21CFR спектр излучения который 640±10 нм.

Общая схема измерения коэффициента пропускания пленки показана на рис.2.

Рисунок 2. Общая схема измерения коэффициентов пропускания прозрачных тел

1- блок регистрации, 2- головка измерительная, 3- образец - пленка в рамке, 4-источник излучения – лазерный продукт класса 21CFR

Результаты: При освещении лазером класса 21CFR коэффициент пропускания композиционной пленки составлял - 69%; при освещении светодиодом белого цвета - 70%.

2. Измерение с помощью актинометра АП-1.

Актинометры позволяют измерять коэффициенты пропускания пленок лучистый поток солнечного излучения интегрально [12]. На рис. 3 показана общая схема измерения коэффициента пропускания пленок.

Рисунок 3. Общая схема измерения актинометрическим методом

1-актинометр -АП-1; 2-вольтметр; 3-образец

Результат: Коэффициент пропускания лучистых потоков солнца измеренный актинометром АП-1 составляет 64%.

Измерения на стенде для калибровки солнечных датчиков. Измерительный стенд состоит из галогенной лампы мощностью 300 Вт, конвертера для параллелизации лучистого потока лампы, рамки для образца, приёмника- актинометр типа АТ-50, стабилизатора напряжения для источника света, аналого-цифрового преобразователя и компьютера (смотрите рисунок 5) [13].

Рисунок 4. Стенд для калибровки солнечных датчиков

1- коробка с галогенной лампой; 2-диафрагма; 3-линза для параллелизации лучистого потока; 4-рамка с образцом; 5- стабилизатор напряжения источника излучения; 6- АЦП; 7- компьютер

Основные характеристики источника света - КГМ-30-300-2 приведены в таблице 2. Лампа накаливания кварцевая галогенная малогабаритная КГМ-30-300-2 предназначена для использования в качестве высокоинтенсивных источников света в оптических приборах.
В таблице 3 приведены основные характеристики кварцевой малогабаритной галогенной лампы накаливания КГМ-30-300-2.

Таблица 3.

Основные характеристики галогенной лампы КГМ-30-300-2.

Результат: Коэффициент пропускания композиционной пленки при измерении на стенде для калибровки солнечных датчиков на основе галогенной лампы и актинометра АТ-50 равняется 64%. Результаты экспериментальных работ проведенных на стенде для калибровки солнечных датчиков и на стенде, который позволяет определить технические и эксплуатационные характеристики фотовольтаических технологий где, источником света является симулятор солнца класса SOL3A Class AAA, совпали в пределах погрешности метода измерения (см. Табл. 4 и 5) [14].

Таблица 4.

Коэффициенты пропускания различных зеркал и пленки

Как видно из таблицы 4 видно, коэффициент пропускания стекол зависит от свойства материала стекла и от толщины.

В таблице 5 приведены характеристики пленок различных производителей и их коэффициенты пропускания лучистого потока.

Таблица 5.

Характеристики пленок различных производителей и их коэффициенты пропускания лучистого потока Солнца

Разработка фотоэлектрического метода измерения коэффициента отражения зеркал концентратора и гелиостатов БСП.

Как известно, концентратор БСП состоит более чем 10700 отдельных, формообразованных фацет (смотрите рис. 5). Для расчета распределения энергии в фокусе необходимо знать коэффициенты отражения рабочих зеркал. Существующие методы измерения коэффициента отражения требуют снятия фацет с каркаса концентратора и гелиостатов, что является трудоемким и требует повторной их юстировки и при установке на свое место. В связи с этим нами была рассмотрена задача разработки экспресс метода определения коэффициента зеркального отражения (КЗО) как плоских, так и сферических фацет БСП. Суть предложенного метода заключается в том, что если размеры отраженного от фацеты потока меньше размеров приемника и имеет место достаточно малая концентрация (деформация поверхности фацеты) отраженного потока, то в этом случае можно определять коэффициенты отражения как плоских, так и длиннофокусных сферических фацет.

Рисунок  5. Вид концентратора а) и гелиостатного поля б) Большой Солнечной Печи Узбекистана

Схема установки приведена на рис. 6.

Рисунок 6. Схема метода измерения коэффициента отражения зеркал

1 - параболоидный отражатель, 2 - источник света, 3-фацета гелиостатов или концентратора, 4 -панель фотоэлементов, 5-измерительная система (интерфейс, компьютер)

В качестве приемника были использована панель из кремниевых фотоэлементов, различных размеров. Диаметр светового потока создаваемый коллимированным источником света варьировался от 20 мм до 80мм. Это было связано с тем, что при малых или слишком больших диаметрах светового потока растут погрешности измерения. В первом случае из-за малости сигнала, а во втором из-за зазоров между фотоэлементами. Исследования показали, что диаметр светового потока должен находиться на уровне 30 мм. Испытания устройства показали, что наряду с оперативностью она имеет и приемлемые погрешности до 1,5 - 2%, что сравнимо с точностью лабораторных методик.

Результаты измерений КЗО фацет приведены на рис. 8.

Рисунок 7. Измеренные значения КЗО фацет концентратора до и после мойки концентратора. 1 и 3 - до мойки поверхности отражения фацет концентратора (разные годы), 2- после мойки с обычной водопроводной водой, 4- после мойки специальным моющим порошком

Данный метод позволяет в условиях эксплуатации БСП исследовать влияние пыли и дождя на коэффициенты отражения фацет гелиостатов и концентратора. Результаты измерения КЗО показали, что после мойки водопроводной водой, КЗО фацет нижних и верхних этажей концентратора (1-3 и 9-10 этажи) восстанавливается не полностью. Только капитальная очистка поверхностей зеркал концентратора с помощью специального моющего порошка позволяет достичь максимального значения КЗО (см. рис. 7, кривая 4).

Выводы:

- В процессе эксплуатации многозеркальных, крупногабаритных солнечных установках лучше использовать безинерционные, оперативные методы измерения КЗО и коэффициентов пропускания;

- Предпочтение отдаётся датчиком использующий естественный источник света -Солнца;

- Необходимо автоматизация процесса измерения с вводом информации в память компьютера для дальнейшей обработки, анализа и сохранения.

Список литературы:

1. Бронштейн Ю.Л. Крупногабаритные зеркальные системы: контроль геометрии, юстировка. 2-е изд., испр. и доп. - Москва: ДПК Пресс, 2015. - 598 с.
2. Козерук А.С., Луговик А.Ю. Технология оптического приборостроения: [Электронный учебно-методический комплекс]. Белорусский национальный технический университет. 2013. - 197 с.
3. Матчанов Н.А., Собирав Ю.Б., Ахмаджанов У.З., Расаходжаев Б.С. Стенд по определению коэффициентов пропускания прозрачных ограждений и отражения зеркал //Международный научный журнал «Наука. Образование. Техника». -М2. 2018. -С. 23-30. ISSN 1694-5220.
4. Точные измерения отражения и пропускания высокорефрактивных материалов / [Интернет ресурс]. http://www.htlab.ch/industry/cat-1/id-22/
5. Файзиев Ш.А., Собиров Ю.Б., Махмудов Х., Газиев Г., Абдунабиев А. Средства измерений для актинометрических наблюдений. // STANDART. Научно-технический журнал Агентство Узстандарт, 2017. №3. -С. 45-47.
6. Червяков М.Ю., Нейштадт Я.А. Актинометрические методы измерений. Учебно-методическое пособие для студентов географического факультета. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2018. – 42 с.
7. Abdurakhmanov A.A., Sobirov Yu.B., Paizullakhanov M.S., and Orlov S.A. Results of actinometric measuriements at location of LSF with thermal capacity of 1000 kW. // Applied Solar Energy. -USA. 2012. Vol. 48. -No. 3. -P. 228-231.
8. Akbarov R. Yu. and Paizullakhanov M. S. Characteristic Features of the Energy Modes of a Large Solar Furnace with a Capacity of 1000 kW. // Applied Solar Energy. 2018. Vol. 54. No. 2. -P. 99–109.
9. Fayziev Sh.A., Sobirov Yu.B. Measurements of Solar Resources in Uzbekistan. // Applied Solar Energy. 2017. Vol. 1. -P. 57-60.
10. Fayziev Sh., Sobirov Yu. and Makhmudov S. Measurement of the Direct Flux of Solar Radiation During Operation of a Big Solar Furnace // International Journal of Sustainable and Green Energy. Vol. 7. No. 4. 2018. -P. 21-28. doi 10.11648/j.ijrse.20180704.11.
11. Fei Chen, Ming Li and Peng Zhang. Distribution of Energy Density and Optimization on the Surface of the Receiver for Parabolic Trough Solar Concentrator. // Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy Volume 2015, Article ID 120917, 10 pages http://dx.doi.org/10.1155/2015/120917.
12. Mirzoyan, R., et al., A method to measure the mirror reflectivity of a prime focus telescope, APh, 27 (2007) 509
13. Yuldash Sobirov and Shavkat Fayziev. Laboratory Equipment for Verification of Solar Sensor - Actinometers and Piranometers. // Open Access Journal of Photoenergy. Volume 1. Issue 3 – 2017. DOI:10.15406/oajp.2017. 01.00014.
14. https://yandex.ru/images/www.chem21.info%2Fpic1%2F1581830192401331 93153062016055111032109157110091.png.