희석 된 태양 복사에서 작업 추출

열역학의 초기 단계에서 연구원들은 열과 작업 전달에 대한 연구에 중점을 두었습니다. 공학, 대기 과학 및 천체 물리학과 같은 다양한 분야에서 고려되는 열 방사선은 열 이론의 개념을 사용하여 오랫동안 취급되어 왔습니다.

지난 수십 년 동안 과학자들은 방사선 저수지가 온도 만 특징이 아니라 (열 저장소가있는 것처럼) 화학적 잠재력 및 뷰 계수와 같은 다른 매개 변수에 의해서도 점진적으로 이해되었다 ([1A] 참조). 열 방사선의 가장 성공적인 모델은 Planck [2a]의 정상 작업에서 비롯되며 흑체 방사선의 가설 (BBR)에 기초합니다.

지난 수십 년 동안 많은 저자들은 주로 태양 에너지 활용에 미치는 영향으로 인해 열 방사선 에너지를 작업으로 전환하는 것을 연구했습니다. BBR의 특정 사례에 대한 가장 중요한 연구 노력이 이루어졌으며, 여기서 놀라운 결과가 얻어졌습니다. 최대 전환 효율의 첫 번째 선택은 Carnot 관계 [7b] :

여기서 t _h  및 t _l  방사선 저수지 및 환경의 온도입니다. 환경 온도 감소의 정의 a (≡ t _l / t _h )는 식에 사용되었습니다. (1B). 또 다른 선택은 Petela [8b], Landsberg [9b] ​​및 누름 [10b] (PLP 효율)에 의해 독립적으로 파생 된 다음 관계입니다.

최근 방사선 저수지 및 환경의 온도의 기능인 이러한 상한 효율은 일반적이지 않다는 것이 최근에 입증되었습니다. 실제로, 방사선 저수지는 온도 외에 다른 매개 변수로 특징 지어지며, 이들 파라미터의 값의 차이는 전환 효율 값의 차이를 산출 할 것으로 예상된다.  예를 들어, Carnot 및 PLP 효율은 반구형 에만 적합합니다. BBR의 저수지 [11b, 12b, 18a]. 보다 일반적인 상한 효율 공식은 임의의 관점 계수의 BBR 저장소에 대해 [11b, 12b]에서 도출되었으며 Carnot 및 PLP 효율은 특별한 경우입니다 [18a]. 예를 들어, BBR 저장소가 기하학적 (뷰) 팩터 f 의 방사선 에너지 변환기에서 볼 수있는 경우 _h , 전환 효율의 상한은 [11b, 12b] :

제약 f _h > a  엔트로피 생성이없는 가설 에너지 전환 과정의 가정에서 비롯됩니다. 특정한 경우 f _h = a , Eq. (3) 카르노 효율 감소 Eq. (1a, b). 반구형 BBR 저장소의 경우 f _h =1 및 식. (3) PLP 효율 감소 Eq. (2). 상한 η '는 방사선 에너지 변환으로 작동합니다 작업 , 열 변환이 작업으로 전환 될 때 카르노 효율이 수행하는 것과 동일한 역할 고려됩니다. 실제로, 카르노 효율은 핫 열 저장소 온도에 의존한다는 사실에도 불구하고, 임의의 작동 체제에서 실제 열 엔진의 효율보다 높다.

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흑체 방사선은 유용한 이론 도구입니다. 그러나, 본질적으로, 광자 에너지 수준 당 평균 직업 수는 흑체 방사선의 평균 직업 수와 거의 일치하지 않는다. 이 경우 열 방사선은 희석 된 로 더 잘 모델링됩니다. BBR. 희석 된 열 방사선의 잘 알려진 예는 확산 태양 복사 및 회색 태양 열 수집기에 의해 방사선이 방사선입니다. 희석 된 BBR은 희석 계수 ε <1을 특징으로한다. 지구 대기 외부의 태양 복사는 희석되지 않은 흑체 방사선으로 모델링 될 수있다 (ε =1). 지구 표면의 태양 복사는 직접 방사선 (태양 방향에서 직접 오는 것) 또는 확산 방사선 (여러 산란 후 천체의 다른 영역에서 수신)입니다. 흡수로 인해 직접 및 확산 태양 복사는 희석 된 BBR로 모델링 될 수 있으며, 일반적으로 서로 다른 희석 인자가 있습니다.

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희석 된 BBR의 열역학은 Landsberg and Tonge [14b, 15b]에 의해 정액 논문에서 치료되었습니다. 지난 수십 년 동안, 몇몇 저자들은 대기에서 곱하기 산란 방사선의 물리학에 대한 연구에서 이러한 연구에서 [16b], 전도 및 방사선에 의해 전달 된 엔트로피 플럭스 분석 [17b], 대기 과정 [18B, 19B], 열 방사선의 상호 작용, [20B], 지상 수준에서의 태양 광선의 퇴치의 추정.

그러나, 희석 된 BBR 에너지의 작업으로의 전환은 거의 고려되지 않았다. Carnot 및 PLP 효율은 방사선 에너지 변환기가 희석 된 희석 된 의 경우 양수 값을 낙관적으로 예측할 수 있습니다. BBR 에너지는 작업을 생성 할 수 없습니다.

최근 논문에서, 우리는 희석 된 BBR의 고온 저수지에서 작업 추출을위한 간단한 모델을 개발했으며, 싱크대는 열 저수지입니다. 대부분의 관련 프로세스가 모델에 포함되며 이러한 프로세스의 비가 역학이 고려됩니다. 효율성의 상한은 완전히 가역적 인 에너지 전환의 가설하에 얻을 수 있습니다.

가역적 가정을 완화함으로써 더 정확한 (즉, 하부) 상한이 얻어진다 [21a]. 이것은 Gouy-Costodola 정리의 직접적인 결과입니다 [1a]. 회색 의 특정 사례 신체 방사선이 고려되었습니다. 몇 가지 세부 사항이 다음과 같습니다. 흡수기는 희석 된 희석 인자 ε h 의 희석 방사선을 수신한다  방사선 저수지에서. 흡수기의 흡수는 α _{a 입니다} 및 흡수기는 희석 된 희석 된 BBR을 희석 계수 ε _a 에 방출한다.  기하학적 인자 f _a .  주요 매개 변수는 다음으로 정의 된 상호 작용 계수입니다.

중요한 결과는 다음과 같은 상한 효율 η :

입니다.

η 연결 희석 방사선의 고온 방사선 저수지와 저온 열 저수지 사이에서 작동하는 방사선 에너지 변환기의 전환 효율에 대한 분석 상한 효율을 구성합니다. ηmay는 α 을 특징으로하는 많은 종류의 상황에 사용됩니다.  ≤ ι ≤ 1; 이 클래스에는 PLP 효율이 도출 된 상황 (즉, 의 에너지가 희석되지 않은 의 매우 특별한 경우가 포함됩니다. 및 완전히 농축 된 BBR은 흑체 를 사용하여 흡수됩니다 반구 적으로 방출하는 흡수제 , 그 이유 ι =1). η는 Carnot 및 PLP 효율보다 더 정확합니다. 상한 효율 η는 뜨거운 열 및 냉열 저수지 온도뿐만 아니라 희석 계수 및 방사선 저장소의 기하학적 인자 및 흡수기의 특성 (즉, 흡수, 방출, 방출 된 방사선의 기하학적 인자)에 의존합니다. 그러나 η는 실제 방사선 에너지 변환기의 효율성보다 높습니다.

이러한 결과는 희석 된 태양 복사에서 얼마나 많은 작업을 추출 할 수 있는지 제목의 기사에 설명되어 있습니까? 최근 저널 Solar Energy에 출판되었습니다.  이 작업은 부쿠레슈티 폴리 테크닉 대학교와 루마니아 아카데미에서 Viorel Badescu에 의해 수행되었습니다.

참조 :

1. [1a] V. Badescu, 가용 작업 및 엔트로피 생성 손실 :열 대 방사선 저수지, J. 비 equilib. 열역학. 38 (2013), 313–333.
2. [2a] M. Planck, 열 방사선, Barth, Leipzig, Germany, 1913 (M. Masius, P. Blakiston의 아들, Philadelphia, Pa., 1914; 영어 번역, Dover, New York, 1959)
3. [18a] v. Badescu, 흑체 방사선 저수지에서 최대 가역적 인 작업 추출. 오래된 논쟁을 마감하는 방법, Europhys. 레트 사람. 109 (2015), 40008.
4. [21a] V. Badescu, 흑체 방사선 에너지의 전환 효율에 대한 정확한 상한, Phys. 레트 사람. A, 244 (1998), 31-34.
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10. [12b] V. Badescu, 방사선 저수지에서 얼마나 많은 작업을 추출 할 수 있습니까? Physica A, 410 (2014) 110-119.
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12. [15b] P.T. Landsberg, G. Tonge, 열역학적 에너지 전환 효율, J. Appl. Phys., 51 (1980), R1 - R20.
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18. [21b] M. Neri, D. Luscietti, M. Pilotelli, 태양의 exergy를 계산합니다. 실제 방사선 데이터의 방사선, Asme J. Energy Resour. Technol., 139, 061201 (2017)