9) 2-я долговечность зеркал (до уменьшения КПД ниже требуемого уровня)
Существует следующая причина, которая может потребовать замены зеркал раньше их износа по «1-й долговечности» из Главы 8. Работа заставляет зеркала терять КПД; например, через 1 год зеркало может потерять 1 % КПД, еще через год потеря вырастет до 2,5 % (по сравнению с новым зеркалом) и так далее. Существует какой-то уровень КПД (называем его «коэффициент К»): если потеря КПД зеркал поднимается до уровня коэффициента К, то возникает экономический смысл замены зеркал. Уровень К ищется через расчеты экономической рентабельности системы «зеркала-концентратор-коллектор». Формула для уровня К является очень сложной. Я решал эту задачу для нескольких разных тепловых станций и получил результаты от К = 35 % (зимняя станция с 6-летними зеркалами, которые удаляются в апреле и устанавливаются в октябре) до К = 60 % (круглогодичная станция с 3-летними зеркалами). Уровень К уменьшается, если:
— качество зеркал (их долговечности) увеличивается
— стоимость концентраторов и коллекторов увеличивается и / или их эксплуатационные расходы увеличиваются
— стоимость зеркал уменьшается
Таким образом, зеркала имеют не только «1-ю долговечность» (Глава 8), но и «2-ю долговечность» (Глава 9). Срок службы зеркала – это минимальная из двух «долговечностей»
Время работы на улице уменьшает КПД зеркал через следующие 9 шт. причин. Мои зеркала показали их мне после 6-месячной зимней (октябрь 2011-март) и/или 6-месячной летней (апрель 2012- сентябрь) работы:
1) Развитие окисления алюминиевого слоя. Это окисление создает тонкую пленку на поверхности алюминия. Время увеличивает ее толщину, и это увеличивает коэффициент поглощения радиации зеркалом. Хотя я думаю, что добавление потерь КПД из-за этого не превышает нескольких процентов, поскольку эта пленка уже была на новом зеркале, и ее влияние уже было учтено в п.1 главы 7
2) Уменьшение толщины алюминиевого слоя. Первый источник уменьшения – дожди (а также снег, роса, иней): они смывают тонкую пленку окисления с поверхности алюминия, и процесс окисления идет дальше и съедает тонкий алюминиевый слой
Второй источник – ветер, который треплет пленку (в том числе на полосах 6). Часть краев пленки (это были края 7, которые выходят за пределы зеркала) моих зимних зеркал не были закреплены. Когда ветер дул, то он трепал эти края (и мои концентраторы жужжали как очень большой рой диких пчел; хотя летний концентратор работал тихо, поскольку не имел таких краев). Зимние месяцы удалили алюминий с этих краев полностью (прозрачный полипропилен остался). Поэтому я думаю, что влияние ветра на алюминий полос 6 может быть
Третий источник – песчинки, которые несутся ветром. Это явление отсутствует зимой (из-за снега и мокрой земли), и оно отсутствует летом на поле с плотными растениями. Мои летние концентраторы стояли на поле с открытой землей, но я не заметил большого влияния этой причины. Однако пустыня (с ее песчаными бурями) может оказаться очень плохим местом для алюминиевого слоя
Четвертый источник – это пыль и грязь на зеркалах. Оказалось (см. п.4 главы 8), что это очень важный источник уменьшения толщины алюминиевого слоя (не только внизу зеркал, но и возможно на всей поверхности)
Пятый источник – удары насекомых по зеркалу. Я хорошо их слышу. Один летний час – это 3-5 ударов насекомых с размерами мухи (и крупнее) по зеркалу площадью 1 кв. метр. Это один удар на 2 кв. сантиметра за 5 летних месяцев. Плюс удары мелких насекомых
Шестой источник – помет птиц. Это большая загадка: я не видел ни одной птицы на моих концентраторах. Однако их помет появляется с частотой около одного раза в месяц на 1 кв. метр зеркал. Таким образом, около 0,2 % поверхности зеркал в год накрываются пометом на несколько недель (до сильного дождя)
Седьмой источник – действие атмосферы (влага воздуха, перепады температуры и влажности, солнце). Я думаю, что они делают коррозию алюминию: пленка его окисления медленно двигается в сторону полипропиленового слоя
Уменьшение толщины алюминиевого слоя увеличивает коэффициент пропускания пленки 1 (весь этот коэффициент – это потери КПД), особенно для инфракрасных фотонов. Однако мои измерения коэффициента пропускания (на 6-месячных и 10-месячных зеркалах) и другой опыт подсказывают следующий вывод: все семь источников п.2 – это меньше 1-3 % потери КПД зеркал
3) Прозрачные «точки» и «чешуйки» в пленке 1. Это основная причина потери КПД зеркал: она может дать 10-30 % и больше… Иногда я отрезаю кусок пленки 1 из своих старых зеркал (например, с возрастом 6 или 10 месяцев). Затем 20-кратная лупа смотрит через этот «кусок» на свет. Просвет старой пленки напоминает очень звездное небо: он усеян большим количеством прозрачных (без алюминия) точек диаметром 0,01-0,5 мм. Однако, основной источник потери КПД – это не «точки», а «чешуйки». Это исчезновение алюминиевого слоя на участке размерами в несколько миллиметров. Они появляются не сразу. Мои пленки № 1 и № 3 получали первые «чешуйки» через 2-5 месяцев работы. Затем время увеличивает количество чешуек и увеличивает их размеры, а чешуйки могут объединяться, могут формировать «сети» или полностью удалить алюминий на большом участке (обычно на краях зеркала)
4) Большие зоны без алюминиевого слоя и их покраска. Я видел следующие типы таких «зон» на своих зеркалах:
— Потеря алюминиевого слоя в трех зонах, которые были описаны в п.4 Главы 8
— Вдруг я вижу прозрачные пятна (без алюминия) неправильной формы размерами в несколько сантиметров. Это очень редкое явление – одно пятно на 1-5 кв. метров зеркал в год. Возможно, это дефекты металлизации пленки, которые проявляются дождем или временем. Возможно, это последствие из-за помета какого-то вида птиц
— «Центральная вертикальная линия» (она была описана в п.3 Главы 7): она теряет алюминий и может стать полностью прозрачной через 1-2 года
Кроме этого, мы должны покрасить эти зоны алюминиевой краской (это операция «Осмотр зеркал и лечение участков со слабым алюминиевым слоем» из Главы 5). Моя краска «Chrome» направляет в коллектор не больше 40-60 % солнечной радиации (вместо 60-90 % КПД от обычных участков зеркала), хотя возможно существуют более эффективные отражающие краски или покрытия
5) Слабый град. Зеркала останутся работать в концентраторах, но они могут получить следующие изменения, которые уменьшат их КПД:
— Вмятины: я видел их, когда бросал гайки М6 и М8 на зеркало с небольшой высоты (около 1 м). Гайки не пробили пленку 1 ни одного раза, но они оставляли вмятины пленки 1 размерами 2-5 мм. Эта вмятина рассеивает излучение во все стороны: только 10-30 % фотонов попадут в коллектор. Тем не менее, я не видел вмятин после кусков льда
— Трещины пленки 1: они могут быть сделаны большой градиной и имеют длину 1-3 см. Трещина может быть прямой или может иметь форму буквы «U». Ветер может трепать этот кусок пленки: это уничтожает алюминиевый слой за 2-6 месяцев. Трещина может увеличиться. Ветер может оторвать кусок пленки
6) Ухудшение точности поверхности зеркала: это увеличивает высоту солнечного зайчика. Следствие – увеличение доли фотонов, которые идут выше или ниже коллектора. Причины ухудшения точности были описаны в пп.5, 6 Главы 7. Наиболее важная причина – точность зазора между листами 2 и 3: время может его увеличивать (может быть уменьшать). Это изменяет фокусное расстояние зеркала и может дать потери КПД. Тем не менее, я не заметил значительности этого эффекта. Может быть, но не больше 1 % потери КПД через много лет после установки зеркала на лист 3
7) Влияние времени на искривление пленки 1 на дорожках 5. Я не заметил этого, но это может быть (усиление причин пп.7 и 8 Главы 7). Кроме этого, дорожки 1-го варианта зеркал могут приобретать пузыри с воздухом (их диаметр от 1-2 мм до нескольких сантиметров)
8) Отрыв пленки от дорожек 5: эта причина – есть аналогичная п.9 Главы 7. Она тоже делает потерю КПД из-за увеличения высоты зайчика и из-за искривлений пленки на стыках целого и оторванного участков дорожки. Но теперь это не дефект изготовления зеркала, а действие времени. Источники отрыва пленки: влияние времени на качество клея дорожек, ветер, крупные капли ливня или градины
9) Растяжение пленки 1. Старение пленки 1 – это потеря упругости и потеря натяжения. Результат – увеличение участков с «вертикальными волнами». Кроме этого, «вертикальные волны» становятся «наклонными», а «наклонные» становятся «горизонтальными». Кроме этого, пленка растягивается не только временем, но и температурой: сейчас я боюсь, что мои летние зеркала будут иметь большие «волны» не только зимой, но и в октябре-ноябре. Хотя я видел обратный эффект: несколько зеркал получили большие «волны» из-за температуры 50-60 град, однако следующие несколько недель заметно уменьшили их (но не полностью)
10) Случайная смерть зеркал:
Мертвые зеркала уменьшают «2-ю долговечность зеркал». Если мы имеем 5 % умерших зеркал, то это 5 % уменьшения КПД зеркал и около 6 % уменьшения производительности коллекторов
Однако Глава 5 описывает операцию «Замена мертвых зеркал»: мы имеем возможность адресной замены умершего зеркала новым. Это убирает влияние на КПД зеркал и на производительность коллекторов. Тем не менее, экономическая целесообразность разрешает менять зеркала только в начале срока работы зеркал ряда (первые 20-50 % срока)
Я заметил следующие 9 шт. причин их случайного умирания:
1) Был случай (см. п.2 главы 6): зеркало умерло из-за того, что ветер вытянул левый край пленки (из пространства между листами 1 и 2) и использовал его как парус, чтобы порвать пленку 1. Таким образом, производственный дефект фиксации правого или левого края пленки 1 – это высокая вероятность быстрого уничтожения зеркала
2) Отрыв пленки от крайней (верхней или нижней) дорожки. Этот случай дает свободу одной крайней полосе 6. Она – как флаг под ветром. Он может использовать этот «флаг», чтобы рвать зеркало дальше: отрывать пленку от дорожек, делать разрывы пленки и отрывать ее от зеркала
3) Рабочий может делать операцию «Осмотр зеркал и лечение участков со слабым алюминиевым слоем» (Глава 5), и он может не заметить эти участки зеркала вовремя. Это может дать старт 4-му сценарию уничтожения зеркала (Глава 8): алюминиевый слой теряется, затем ультрафиолетовые фотоны ослабляют пленку этих участков, затем ветер делает дырки в пленке и начинает рвать остальное зеркало через эти дырки
4) Средний град: он слабее, чем сильный град п.3 Главы 8, но сильнее, чем слабый град п.5 Главы 9. Такой град может сделать несколько десятков трещин пленки 1. Эти трещины могут расти, могут объединяться и т.д.
5) Был следующий случай. Я установил зеркало в концентратор (в марте 2012) и увидел, что часть одной дорожки 5 оторвалась от пленки (клей еще не застыл). Я решил ее приклеить обратно: поэтому нажал пальцем на нее. Это запустило «эффект домино»: пленка 1 оторвалась от всех дорожек за несколько секунд (это действие сил натяжения пленки 1). Вывод: осторожно с зеркалом, пока клей не застыл (зимой это может быть очень долго). Если клей застывает, то вероятность п.5 – нулевая
6) Пленка 1 может оторваться от дорожек 5. Если этот процесс начался, то обычно он не останавливается, и зеркало умирает через несколько недель или месяцев. Причины: дефекты изготовления зеркала, очень узкие дорожки 5, ошибка выбора клея
7) Случайное уничтожение зеркала птицами или животными. Я не видел это ни разу. Птицы ни разу не сели на мой коллектор и ни разу не ударились в зеркала. Мой щенок осенью 2012 пытался грызть углы нижних зеркал, однако я не помню, чтобы это сделало проблемы
8) Сильный южный ветер может бросить какой-то предмет в зеркала. Я не видел это ни разу тоже. Однако большое поле концентраторов может иметь обломки листов 3 (с планками 4). Ветер может разогнать их до высокой скорости
9) Ветер отрывает зеркало от листа 3. Не видел
11) 4-й вариант зеркал (вариант «лак»):
Этот вариант – это зеркало по первым трем вариантам («пена», «герметик» или «нить»), но его поверхность покрывается прозрачным лаком. Этот лак должен защищать алюминиевый слой пленки 1. Это защита от пленки окисления алюминия и защита от уменьшения толщины алюминиевого слоя из-за дождя, ветра, атмосферных перепадов влажности и других воздействий улицы
Первое покрытие лака может быть сделано на заводе: после сборки зеркала или во время изготовления рулона металлизированной пленки. Второе и следующее покрытия делаются в поле: человек идет по ряду концентраторов и распыляет лак на зеркала
Таким образом, «4-й вариант» – это периодическое покрытие зеркал лаком: они получают новый лак через каждые 1-3 года. Лак должен уходить с зеркала сам: он должен сделать это за 8-30 месяцев. Остатки старого лака разрешаются на 10-30 % поверхности (новый слой лака ляжет на старый слой этих участков)
Я делал эксперименты с следующими двумя марками прозрачного лака:
№1) Алкидный лак марки «ПФ-110 глянцевый» (Изготовитель ПП «Зіп», г. Днепродзержинск, Украина)
№2) Алкидный лак марки ПФ-170
Теория думает, что зеркало без лака и зеркало с лаком должны имеет примерно одинаковый КПД: слой лака поглощает излучение, но зеркало освобождается от пленки окисленного алюминия, которая делает то же самое. Тем не менее, лаки №1 и №2 давали зеркала, которые отражали излучение хуже, чем зеркала без лака. Мои примитивные (с низкой точностью) замеры коэффициента отражения через люксометр показывали, что лак забирает несколько процентов КПД
Зеркало с обоими лаками №1 и №2 стояло на улице пять месяцев (май-сентябрь) и:
— Лаковый слой потемнел через несколько недель работы, и я вижу, что он уменьшил свой коэффициент отражения. Я думаю, что это пыль приклеивается к поверхности лака, и дождь плохо смывает ее. Хотя я не уверен в этом
— Лак начал уходить с зеркала примерно через 2-3 месяца, причем лак №2 – на несколько недель раньше. Сейчас (после 5 месяцев работы) лак №1 ушел с 10-20 % поверхности, а лак №2 – с 20-30 %. Я думаю, что лак уходит «участками» из-за того, что я положил его очень неравномерно (я делал это куском поролона). Если бы я клал лак распылителем, то равномерный слой лака ушел бы почти одновременно со всей поверхности пленки1
Я считаю выбор этих двух лаков очень неудачным, поскольку:
— Они уменьшают коэффициент отражения зеркала: и коэффициент сразу после изготовления, и коэффициент через несколько не (и начальный коэффициент и его уменьшение с течением времени)
— Они уходят очень быстро с пленки 1 (мы нуждаемся в скорости ухода в 5-20 раз медленнее)
Тем не менее, 4-й вариант зеркала является перспективным, поскольку:
— Существуют много других типов и марок прозрачных лаков. Может быть не с алкидной базой
— Мы можем заменить лак на другое полимерное, минеральное или органическое вещество, если оно прозрачное, дешевое и выносливое
Стоимость каждого покрытия зеркала состоит из двух частей:
— Стоимость лака: она равна толщине слоя и стоимости лака. Это от 0,05 EUR на кв. метр (стоимость лака – 1 EUR / кг и его расход 50 г / кв. метр) до 0,3 EUR (150 г / кв. м при стоимости 2 EUR / кв. метр). Лак на полимерной базе не может быть дешевле 1-1,5 EUR за кг; но стоимость его покрытия может быть уменьшена через уменьшение толщины слоя лака. Минеральные и биоорганические базы могут дать более дешевый лак, поскольку его стоимость не ограничена ценой нефти
– Зарплата человека, который распыляет лак на зеркала. Это 0,05-0,1 EUR / кв. метр за 10-25 секунд работы. Это время может быть уменьшено, если мы будем использовать автомашину, которая двигается вдоль ряда концентраторов и точно распыляет лак на зеркала
Таким образом, стоимость покрытия может оказаться в диапазоне от 0,05 до 0,30 EUR за кв. метр зеркала. Первое (заводское) покрытие должно быть дешевле
Итак, лаковые покрытия (и 4-й вариант) могут не оказаться экономически целесообразными: мы увеличиваем срок жизни зеркал, но мы получаем дополнительные затраты на покрытия и можем получить потерю КПД зеркал
Пример экономической нецелесообразности: зеркало без лака имеет стоимость (изготовление + установка) 1 EUR и долговечность 4 года. 3 шт. лаковых покрытий (по 0,20 EUR) увеличивают долговечность до 6 год. Таким образом, мы увеличиваем годовые расходы с 0,25 EUR (= 1 EUR / 4 года) до 0,27 EUR (= 1 EUR / 6 год + (3 х 0,20 EUR) / 6 год). Плюс потери КПД
Пример экономической целесообразности: зеркало без лака имеет стоимость 1,5 EUR и долговечность 2 года. 3 шт. лаковых покрытий (по 0,15 EUR) увеличивают долговечность до 6 год. Таким образом, мы уменьшаем годовые расходы с 0,75 EUR (= 1,5 EUR / 2 года) до 0,33 EUR (= 1,5 EUR / 6 год + (3 х 0,15 EUR) / 6 год). Выигрыш 0,07 EUR на кв. метр зеркала в год (= (0,75 – 0,33) / 6 год) может компенсировать потери КПД зеркал из-за лака