Optiskt överhettningsskydd
Med alla solfångarsystem finns det en potentiell risk att solfångaren kan nå en jämvikts- eller stagnationstemperatur som är högre än den maximala säkra driftstemperaturen . Olika åtgärder vidtas för optiskt överhettningsskydd .
Stagnationstemperaturer påträffas under förhållanden med hög strålning medan ingen värmeöverföringsvätska strömmar genom kollektorn, till exempel vid strömavbrott, komponentfel, service, begränsningar av energilagringskapaciteten eller perioder då lite varmvatten tas ut ur systemet. Mer generellt kan stagnationsförhållanden anses vara varje situation under vilken solfångaren inte på ett adekvat sätt kan överföra den absorberade solvärmen till värmeöverföringsvätskan.
Förutom eventuella skadliga effekter på systemet, sätter höga stagnationstemperaturer även begränsningar på kollektormaterial. Dessa material måste behålla sina viktiga egenskaper under och efter exponering för de höga stagnationstemperaturerna. Detta innebär att solfångare i allmänhet är byggda av högtemperaturbeständiga material. Dessa material är vanligtvis dyra, tunga och har en överlag hög miljöpåverkan.
Polymera material erbjuder en betydande kostnadsreduktion och miljöförbättringspotential för solfångare och kan därmed gynna ett bredare utnyttjande av solenergi för olika uppvärmningsändamål. Däremot är den långvariga servicetemperaturen för plast begränsad. För potentiella tillämpningar av plast i solabsorbenter är därför en lämplig design inklusive överhettningsskydd väsentlig. Tänkbara sätt skulle vara en minskning av optisk förstärkning (till exempel genom att använda termotropiska skikt eller elektrokroma anordningar) eller en ökning av systemförluster, genom dumpning av varmvattenöverskottet.
I den här artikeln presenteras en alternativ metod för att minska den optiska förstärkningen. Metoden bygger på prismors geometri och fenomenet Total Intern Reflection .
Arbetsprincip
Enligt Snells lag kan ljus inte fly från ett medium när det träffar mediumgränsen med en infallsvinkel (θ) som är större än den kritiska vinkeln (θ c ), ett optiskt fenomen som kallas Total Internal Reflection . Den kritiska vinkeln kan beräknas med hjälp av;
För ett polykarbonatmedium , med ett brytningsindex på n=1,59, placerat i en luftatmosfär med ett brytningsindex nära 1, uppstår Total Intern Reflection när θ > θ ( c,air) =39°.
Betrakta en prismatisk struktur av polykarbonat med en spetsvinkel α 1,2 =45° placerad i en atmosfär av luft. En ljusstråle som träffar mediumgränsen vid normalt infall reflekteras totalt internt, eftersom θ i =45°> θ (c,luft) =39°. I närvaro av vatten, θ (c,vatten) =56,8° och θ i =45°< θ (c,vatten) , bryts det inkommande ljuset endast och passerar polykarbonatmediet. Som sådant fungerar vatten som en omkopplingsvätska. I teorin kan vatten ersättas med vilken annan vätska som helst, med ett brytningsindex nära det för den prismatiska strukturen, för att fungera som omkopplingsvätska.
Den optiska omkopplaren består av en självreglerande mekanism. I sitt passiva tillstånd är strömbrytaren fylld med vätska och ljus tillåts passera genom strömbrytaren och värma upp systemet bakom den. När systemet värms upp avdunstar växlingsvätskan ut ur den optiska omkopplaren och den prismatiska strukturen börjar bete sig som en reflekterande yta. Inget mer ljus passerar genom omkopplaren, vilket begränsar systemets maximala temperatur till vätskans förångningstemperatur.
Vinkelberoende
Som ett resultat av sin geometri är den optiska omkopplaren känslig för den infallande strålens vinkel. Beroende på prismornas form visar strömbrytarens transmittans i dess reflekterande tillstånd under en typisk dag ett karakteristiskt vinkelberoende. Detta beroende kan användas för att hitta specifika transmissionskurvor för olika applikationer, där prismornas geometri fungerar som ingångsvariabel.
Ansökningar
Huvudapplikationen för vilken den optiska omkopplaren utvecklades är överhettningsskydd för solfångare. Den prismatiska geometrin kan integreras i solfångarnas täckplåt för att förhindra att de överhettas, antingen genom självreglering genom förångning eller genom att vattnet dräneras ur strömbrytaren vid en specificerad maxtemperatur. Temperaturbegränsningar skulle möjliggöra användningen av polymera material inom solfångare, vilket dramatiskt minskar kostnadspriset och ökar marknadspenetrationen.
En annan tillämpning av switchen är i fönster för både bostäder och kontorsbyggnader. Mängden solljus som kommer in i byggnaden kan styras av växelvätskan. Att förhindra mängden solljus som kommer in i en byggnad kommer att minska temperaturen inne i byggnaden under soliga dagar.
Slutligen kan strömbrytaren användas inom tak på växthus . Växterna i växthuset kan skyddas från skador på soliga dagar genom att sätta strömbrytaren i reflekterande tillstånd. För närvarande är växthus täckta med ett kritskikt för att skydda växterna under sommaren från överdrivet solljus. Att applicera kritskiktet är tidskrävande och dåligt för miljön. När kritan väl har applicerats blockerar den också solljus under mindre soliga dagar. Den optiska omkopplaren skulle potentiellt kunna lösa detta problem med hjälp av omkopplingsmekanismen som beskrivs ovan.
Temperaturen inuti växthuset kan regleras genom att växla ett visst antal taksektioner i reflekterande tillstånd. Även växelvätskan inuti taket kan cirkuleras för att utvinna värme från växthuset. Dessa kylmetoder gör att (tak)fönstren förblir stängda och att klimatet ( relativ luftfuktighet och förhöjda CO 2 -nivåer förblir optimalt och konstant.
Växelvätskan i växthustaket kan användas som filter för en viss del av solspektrumet . Vatten låter så kallat "PAR"-ljus ( fotosyntetiskt aktiv strålning , ljuset som växter använder för att växa) passera, medan "NIR" (Near Infra Red )-ljus absorberas. Mängden NIR-ljus som ska absorberas kan justeras genom att lösa mikropartiklar av kopparsulfat eller lera i omkopplingsvätskan. På så sätt kan optimala tillväxtförhållanden väljas.
Vissa växthusprodukter, som blommor, odlas med hjälp av konstgjort ljus under natten. Detta konstgjorda ljus orsakar så kallad ljusförorening i växthusets miljö. När ett växthustak består av en väldesignad optisk strömbrytare blir växthustaket reflekterande under natten, vilket håller det artificiella ljuset inne i växthuset. Som en bieffekt behövs färre lampor eftersom taket fungerar som en effektiv spegel.