Солнечный коллектор — Википедия
Солнечный коллектор — устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.
Обычно применяются для нужд горячего водоснабжения и отопления помещений.[1]
Плоские[править | править код]
Плоский солнечный коллекторПлоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение (абсорбер), прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Абсорбер связан с теплопроводящей системой. Он покрывается чёрной краской либо специальным селективным покрытием (обычно чёрный никель или напыление оксида титана) для повышения эффективности. Прозрачный элемент обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов, либо особого рифлёного поликарбоната. Задняя часть панели покрыта теплоизоляционным материалом (например, полиизоцианурат). Трубки, по которым распространяется теплоноситель, изготавливаются из сшитого полиэтилена либо меди. Сама панель является воздухонепроницаемой, для чего отверстия в ней закрываются силиконовым герметиком.
При отсутствии забора тепла (застое) плоские коллекторы способны нагреть воду до 190—210 °C[источник не указан 943 дня].
Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Повысить её можно, применяя специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре.
Вакуумные[править | править код]
Возможно повышение температур теплоносителя вплоть до 250—300 °C в режиме ограничения отбора тепла. Добиться этого можно за счёт уменьшения тепловых потерь в результате использования многослойного стеклянного покрытия, герметизации или создания в коллекторах вакуума.
Фактически солнечная тепловая труба имеет устройство, схожее с бытовыми термосами. Только внешняя часть трубы прозрачна, а на внутренней трубке нанесено высокоселективное покрытие, улавливающее солнечную энергию. Между внешней и внутренней стеклянной трубкой находится вакуум. Именно вакуумная прослойка даёт возможность сохранить около 95 % улавливаемой тепловой энергии.
Кроме того, в вакуумных солнечных коллекторах нашли применение тепловые трубки, выполняющие роль проводника тепла. При облучении установки солнечным светом жидкость, находящаяся в нижней части трубки, нагреваясь, превращается в пар. Пары поднимаются в верхнюю часть трубки (конденсатор), где конденсируясь передают тепло коллектору. Использование данной схемы позволяет достичь большего КПД (по сравнению с плоскими коллекторами) при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.
Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.
Устройство бытового коллектора[править | править код]
Теплоноситель (вода, воздух, масло или антифриз) нагревается, циркулируя через коллектор, а затем передает тепловую энергию в бак-аккумулятор, накапливающий горячую воду для потребителя.
В простом варианте циркуляция воды происходит естественно из-за разности температур в коллекторе. Такое решение позволяет повысить эффективность солнечной установки, поскольку КПД солнечного коллектора снижается с ростом температуры теплоносителя.
Бывают и солнечные водонагревательные установки аккумуляционного типа, в которых отсутствует отдельный бак-аккумулятор, а нагретая вода сохраняется непосредственно в солнечном коллекторе. В этом случае установка представляет собой близкий к прямоугольной форме бак.
Преимущества и недостатки плоских и вакуумных коллекторов[править | править код]
| Вакуумные трубчатые | Плоские высокоселективные |
|---|---|
| Преимущества | Преимущества |
| Низкие теплопотери | Способность очищаться от снега и инея |
| Работоспособность в холодное время года до −30С | Высокая производительность летом |
| Способность генерировать высокие температуры | Отличное соотношение цена/производительность для южных широт и тёплого климата |
| Длительный период работы в течение суток | Возможность установки под любым углом |
| Удобство монтажа | Меньшая начальная стоимость |
| Низкая парусность | |
| Отличное соотношение цена/производительность для умеренных широт и холодного климата | |
| Недостатки | Недостатки |
| Неспособность к самоочистке от снега | Высокие теплопотери |
| Относительно высокая начальная стоимость проекта | Низкая работоспособность в холодное время года |
| Рабочий угол наклона не менее 20° | Сложность монтажа, связанная с необходимостью доставки на крышу собранного коллектора |
| Высокая парусность |
Солнечные коллекторы-концентраторы[править | править код]
Повышение эксплуатационных температур до 120—250 °C возможно путём введения в солнечные коллекторы концентраторов с помощью параболоцилиндрических отражателей, проложенных под поглощающими элементами. Для получения более высоких эксплуатационных температур требуются устройства слежения за солнцем.
Солнечные воздушные коллекторы[править | править код]
Солнечные воздушные коллекторы — это приборы, работающие на энергии Солнца и нагревающие воздух. Солнечные воздушные коллекторы чаще всего используются для отопления помещений, сушки сельскохозяйственной продукции. Воздух проходит через поглотитель благодаря естественной конвекции или под воздействием вентилятора.
В некоторых солнечных воздухонагревателях к поглощающей пластине присоединены вентиляторы, которые улучшают теплопередачу. Недостаток этой конструкции в том, что она расходует энергию на работу вентиляторов, таким образом увеличивая затраты на эксплуатацию системы. В холодном климате воздух направляется в промежуток между пластиной-поглотителем и утеплённой задней стенкой коллектора: таким образом избегают потерь тепла сквозь остекление. Однако, если воздух нагревается не более, чем на 17 °С выше температуры наружного воздуха, теплоноситель может циркулировать по обе стороны от пластины-поглотителя без больших потерь эффективности.
Основными достоинствами воздушных коллекторов являются их простота и надёжность. При надлежащем уходе качественный коллектор может прослужить 10-30 лет, а управление им весьма несложно. Теплообменник не требуется, так как воздух не замерзает.
Солнечные коллекторы применяются для отапливания промышленных и бытовых помещений, для горячего водоснабжения производственных процессов и бытовых нужд. Наибольшее количество производственных процессов, в которых используется тёплая и горячая вода (30—90 °C), проходят в пищевой и текстильной промышленности, которые таким образом имеют самый высокий потенциал для использования солнечных коллекторов.
В Европе в 2000 году общая площадь солнечных коллекторов составляла 14,89 млн м², а во всём мире — 71,341 млн м².
Солнечные коллекторы — концентраторы могут производить электроэнергию с помощью фотоэлектрических элементов или двигателя Стирлинга.
Солнечные коллекторы могут использоваться в установках для опреснения морской воды. По оценкам Германского аэрокосмического центра (DLR) к 2030 году себестоимость опреснённой воды снизится до 40 евроцентов за кубический метр воды[2]
В России[править | править код]
По исследованиям ОИВТ РАН в тёплый период (с марта—апреля по сентябрь) на большей части территории России средняя дневная сумма солнечного излучения составляет 4,0-5,0 кВтч/м² (на юге Испании — 5,5-6,0 кВтч/м², на юге Германии — до 5 кВтч/м²). Это позволяет нагревать для бытовых целей около 100 л воды с помощью солнечного коллектора площадью 2 м² с вероятностью до 80 %, то есть практически ежедневно. По среднегодовому поступлению солнечной радиации лидерами являются Забайкалье, Приморье и Юг Сибири. За ними идут юг европейской части (приблизительно до 50º с.ш.) и значительная часть Сибири.
Использование солнечных коллекторов в России составляет 0,2 м²/1000 чел.. В Германии эксплуатируется 140 м²/1000 чел., в Австрии 450 м²/1000 чел., на Кипре около 800 м²/1000 чел..
В летнем периоде, большинство районов России вплоть до 65º с.ш. характеризуются высокими значениями среднедневной радиации. В зимнее время количество поступающей солнечной энергии снижается в зависимости от широтного расположения установки в несколько раз.
Для всесезонного применения установки должны иметь большую поверхность, два контура с антифризом, дополнительные теплообменники. В таком случае применяется вакуумированные коллекторы или плоские коллекторы с высокоселективным покрытием, поскольку разность температур между нагреваемым теплоносителем и наружным воздухом больше. Однако такая конструкция выше по стоимости.
Сооружение коллекторов в настоящее время осуществляется, в основном, в Краснодарском крае, Бурятии, в Приморском и Хабаровском краях.[3]
Солнечная башня, Севилья, Испания. Построена в 2007 г.Экономические оценки показали целесообразность использования на таких станциях крупных турбогенераторов мощностью 100 МВт. Для них типичными параметрами являются температура 500 °C и давление 15 МПа. С учётом потерь для обеспечения таких параметров требовалась концентрация порядка 1000. Такая концентрация достигалась с помощью управления гелиостатами по двум координатам. Станции должны были иметь тепловые аккумуляторы для обеспечения работы тепловой машины при отсутствии солнечного излучения.
В США с 1982 г. было построено несколько станций башенного типа мощностью от 10 до 100 МВт. Подробный экономический анализ систем этого типа показал, что с учётом всех затрат на сооружение 1 кВт установленной мощности стоит примерно $1150. Один кВт·ч электроэнергии стоил около $0,15.
Параболоцилиндрические концентраторы[править | править код]
Параболоцилиндрические концентраторы.Параболоцилиндрические концентраторы имеют форму параболы, протянутую вдоль прямой.
В 1913 году Франк Шуман построил в Египте водоперекачивающую станцию из параболоцилиндрических концентраторов. Станция состояла из пяти концентраторов каждый 62 метра в длину. Отражающие поверхности были изготовлены из обычных зеркал. Станция вырабатывала водяной пар, с помощью которого перекачивала около 22 500 литров воды в минуту[4].
Параболоцилиндрический зеркальный концентратор фокусирует солнечное излучение в линию и может обеспечить его стократную концентрацию. В фокусе параболы размещается трубка с теплоносителем (масло), или фотоэлектрический элемент. Масло нагревается в трубке до температуры 300—390 °C. В августе 2010 года специалисты NREL испытали установку компании SkyFuel. Во время испытаний была продемонстрирована термальная эффективность параболоцилиндрических концентраторов 73 % при температуре нагрева теплоносителя 350 °C[5].
Параболоцилиндрические зеркала изготовляют длиной до 50 метров. Зеркала ориентируют по оси север—юг, и располагают рядами через несколько метров. Теплоноситель поступает в тепловой аккумулятор для дальнейшей выработки электроэнергии паротурбинным генератором.
С 1984 года по 1991 год в Калифорнии было построено девять электростанций из параболоцилиндрических концентраторов общей мощностью 354 МВт. Стоимость электроэнергии составляла около $0,12 за кВт·ч.
Германская компания Solar Millennium AG строит во Внутренней Монголии (Китай) солнечную электростанцию. Общая мощность электростанции увеличится до 1000 МВт к 2020 году. Мощность первой очереди составит 50 МВт.
В июне 2006 года в Испании была построена первая термальная солнечная электростанция мощностью 50 МВт. В Испании к 2010 году может быть построено 500 МВт электростанций с параболоцилиндрическими концентраторами.
Всемирный банк финансирует строительство подобных электростанций в Мексике, Марокко, Алжире, Египте и Иране.
Концентрация солнечного излучения позволяет сократить размеры фотоэлектрического элемента. Но при этом снижается его КПД, и требуется некая система охлаждения.
Экспериментальный коллектор НПО «Астрофизика»Параболические концентраторы имеют форму параболоида вращения. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В фокусе отражателя на кронштейне закреплён двигатель Стирлинга, или фотоэлектрические элементы. Двигатель Стирлинга располагается таким образом, чтобы область нагрева находилась в фокусе отражателя. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.
В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга[6].
В настоящее время строятся установки с параболическими концентраторами мощностью 9—25 кВт. Разрабатываются бытовые установки мощностью 3 кВт. КПД подобных систем около 22—24 %, что выше, чем у фотоэлектрических элементов. Коллекторы производятся из обычных материалов: сталь, медь, алюминий, и т. д. без использования кремния «солнечной чистоты». В металлургии используется так называемый «металлургический кремний» чистотой 98 %. Для производства фотоэлектрических элементов используется кремний «солнечной чистоты», или «солнечной градации» с чистотой 99,9999 %[7].
В 2001 году стоимость электроэнергии, полученной в солнечных коллекторах составляла $0,09—0,12 за кВт·ч. Департамент энергетики США прогнозирует, что стоимость электроэнергии, производимой солнечными концентраторами снизится до $0,04—0,05 к 2015 — 2020 году.
Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы крупных размеров — до 150 кВт с двигателями Стирлинга. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию. До 2010 года будет 20 тысяч параболических коллекторов диаметром 11 метров. Суммарная мощность электростанции может быть увеличена до 850 МВт.
Линзы Френеля используются для концентрации солнечного излучения на поверхности фотоэлектрического элемента или на трубке с теплоносителем. Применяются как кольцевые, так и поясные линзы. В английском языке употребляется термин LFR — linear Fresnel reflector.
В 2010 году во всём мире работало 1170 МВт солнечных термальных электростанций. Из них в Испании 582 МВт и в США 507 МВт. Планируется строительство 17,54 ГВт солнечных термальных электростанций. Из них в США 8670 МВт, в Испании 4460 МВт, в Китае 2500 МВт[8]. В 2011 году насчитывалось 23 производителя и поставщика плоских коллекторов из 12 стран; 88 производителей и поставщиков вакуумных коллекторов из 21 страны.[9]
- А. И. Капралов Рекомендации по применению жидкостных солнечных коллекторов. ВИНИТИ, 1988
- Гелиотехника. Академия Наук Узбекской АССР, 1966
- Солнечный душ // Наука и жизнь, издательство Правда. 1986 № 1, стр 131
- Г. В. Казаков Принципы совершенствования гелиоархитектуры. Свит, 1990
ru.wikipedia.org
Сравнение конструкций различных солнечных коллекторов
Площадь солнечного коллектора.
Солнечный коллектор ЯSolar имеет площадь в 2 м². Сторона, обращенная к солнцу, покрыта специальным светопоглощающим слоем и имеет практически 95%-е поглощение тепла. Обратная (теневая сторона) имеет специальное двухслойное утепление 70мм. Подсчитаем потери тепла, происходящие на теневой стороне. Коэффициент теплопередачи утеплителя равен 0,03 Вт/м*°С. С учетом толщины и перепада температуры например в 45°C, получим потери равные 50 Вт. Торцы солнечного коллектора, трубы и пр. будут излучать меньше тепла. Из-за специального селективного покрытия и правильно подобранного расстояния между стеклом и абсорбером излучение тепла и конвекция воздуха будут минимальны. В итоге получаем теплопотери двухметрового плоского солнечного коллектора 250-450 Вт. Данные потери подтверждаются испытаниями и сертификатами солнечного коллектора.
Для расчета будет брать поток солнечной энергии равный 1000 Вт/м², вычитаем теплопотери и получаем величину 700 Вт/м². Для плоского коллектора площадью 2м² реальная тепловая мощность при разнице температуры 45°C составляет 1300-1400Вт.
При наличии автоматики, плоские солнечные коллекторы начинают работать при температурах, превышающих всего на несколько градусов температуру нагреваемой жидкости. Это особо актуально для нагрева бассейнов и холодных теплоносителей (например, для тепловых насосов), благодаря этому уменьшаются теплопотери и увеличивается эффективность.
Следует иметь ввиду, что площадь абсорбера типового китайского вакуумного коллектора с 18 трубками диаметром 47 мм и длинной 1,8м составляет всего 0,047м*1,8м*18= 1,522 м². При лучшем их КПД 75%, основанном на реальных данных центров сертификации, при идеальных погодных условиях 1000 Вт/м² один солнечный коллектор с вакуумными трубками вырабатывает только 1100 Вт. Значений выше этих получить физически не возможно, энергия не берется из ни от куда.
Рабочая площадь плоского и вакуумного солнечного водонагревателя
Отношение апертуры (рабочей поверхности) к общей площади солнечного коллектора у вакуумного водонагревателя в два раза меньше, чем у плоского солнечного коллектора. Следует иметь ввиду, что площадь абсорбера типового китайского вакуумного коллектора с 18 трубками диаметром 47 мм и длинной 1,8м составляет всего 0,047м*1,8м*18= 1,522 м².
Конструкция качественного плоского солнечного коллектора.
Плоский коллектор состоит из элемента, поглощающего солнечное излучение, прозрачного покрытия и термоизолирующего слоя. Поглощающий элемент называется абсорбером; он связан с теплопроводящей системой. Прозрачный элемент (стекло) обычно выполняется из закалённого стекла с пониженным содержанием металлов. Чем больше падающей энергии передаётся теплоносителю, протекающему в коллекторе, тем выше его эффективность. Для её повышения применяется специальные оптические покрытия, не излучающие тепло в инфракрасном спектре. Стандартным решением повышения эффективности коллектора также стало применение абсорбера из листовой меди из-за её высокой теплопроводности.
Конструкция солнечного коллектора с вакуумной трубкой
Стеклянные вакуумные трубки по конструкции являются термосами – одна трубка расположена в другой, между ними технический вакуум. В стеклянную трубку, вставляются медные термотрубки, соединенные со стеклянные трубками тонкими листами алюминия.
Термотрубка — это закрытая медная труба с небольшим содержанием «легкокипящей жидкости». В качестве «легкокипящей жидкости» используется обычная вода под низким давлением. Под воздействием тепла жидкость испаряется при температуре около 30°С и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть головки, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура с незамерзающей жидкостью. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова. Но дальнейшем повышении температуры плотность пара будет расти, а плотность воды будет падать. В критической точке плотность станет одинаковой, и процесс конденсации и испарения прекратится, поступающая энергия передается только за счет стенки латунного стержня, при её небольшой толщине (0,5 мм), эффективность передачи будет мала.
Приемник солнечного коллектора латунный с изоляцией, в лучшем случае, из минеральной ваты толщиной обычно всего 4 см, закрыт листом жести.
Реальный КПД вакуумного солнечного коллектора 70%.
Эффективность вакуумного солнечного коллектора складывается из потерь на отражение и поглощение двойного стекла и теплопотерь, связанных с излучением тепла поглощающим слоем. Также неэффективность получается из-за того, что солнцем нагревается поверхность внутренней стеклянной колбы, от которой тепло передается через стекло (плохой теплопроводник) тонким алюминиевым пластинам на медную трубку.
Значительны теплопотери возникают через изоляцию приемника коллектора, выполненную из минеральной ваты.
Работа зимой вакуумного и плоского солнечного коллектора
Начальный КПД (оптический) вакуумных коллекторов ниже чем у плоских на 10-15%. Это подтверждается всеми исследованиями и сертификатами, да и продавцы вакуумных коллекторов не скрывают это. Поэтому при разнице нагреваемого теплоносителя и окружающего воздуха до 50°C эффективнее качественные плоские солнечные коллекторы. При большей разнице эффективность вакуумных по отношение к плоскими является незначительной, при этом световой день в зимний период уменьшается в разы. Поэтому общая годовая производительность тепловой энергии качественных плоских солнечных коллекторов будет выше.Любые солнечные коллекторы установленные под углом до 50-70° часто засыпаются снегом, после чего они не работают. Только у плоских солнечных коллекторов возможно реализовать режим принудительной оттайки, путем пропускания горячего теплоносителя несколько минут через солнечный коллектор. Выпавший снег растапливается из-за минимальных теплопотерь через стекло и соскальзывает.
Также только плоские солнечные коллекторы могут монтироваться вертикально для получения максимум тепловой энергии в зимний период. Термосифонные системы (без электричества) с естественной циркуляцией антифриза круглогодичного использования возможны только с плоскими солнечными коллекторами.
Улавливание и отражение солнечного света
Падение и отражение света от вакуумных трубок
Благодаря цилиндрической форме трубок солнечные лучи падают на постоянную поверхность перпендикулярно к оси трубки, но при этом все остальные лучи, не перпендикулярные оси трубки, будут отражаться. Это означает что в течении дня получение энергии будет усредненное, в том числе во время прихода максимальной солнечной энергии. Плоские же солнечных коллекторы в период максимальной солнечной интенсивности 11.00-16.00 улавливают максимально возможное количество тепловой энергии. Отражение по вертикале (вдоль трубок) будет такое же как и у плоских солнечных коллекторов.
Реальный КПД солнечных коллекторов различных конструкций
в зависимости от разницы температуры коллектора и окружающей среды.
При выборе солнечного коллектора любой конструкции необходимо учитывать их отличия, стоимость, реальный КПД, цели и климат использования. Идеальных конструкций нет! Доверять проектирование следует профессионалам, имеющим большой опыт монтажа и эксплуатации систем с надёжными солнечными коллекторами. Наши специалисты будут рады оказать Вам качественную помощь в решении задач солнечной энергетики и предоставить объективную консультацию.
www.newpolus.ru
Эффективность солнечного коллектора | Блог SolarSoul
В предыдущей статье мы уже упоминали о производительности солнечного коллектора, однако есть еще некоторые факторы, которые влияют на работоспособность солнечных коллекторов в гелиосистеме.
Максимальный КПД солнечного коллектора
Как уже упоминалось, основными параметрами для оценки эффективности солнечных коллекторов являются паспортные данные, как правило, указанные в сертификатах, а именно: оптический коэффициент полезного действия (η₀) и коэффициенты тепловых потерь (а₁ и а₂).
η — КПД солнечного коллектора;
∆Т – разность температуры окружающего воздуха и абсорбера солнечного коллектора;
Е – интенсивность солнечного излучения;
По данной формуле обычно производятся приблизительные расчеты производительности гелиосистемы. Расчеты не всегда отображают полную картину, однако с их помощью можно довольно точно судить о средней выработке тепла солнечными коллекторами за выбранный период времени.
Влияние скорости потока теплоносителя на производительность солнечного коллектора
На практике же дело может обстоять немного иначе. Одним из факторов влияющим на производительность является объемный расход теплоносителя в солнечных коллекторах. Значение оптического КПД и коэффициента тепловых потерь солнечного коллектора приведенное в сертификатах соответствует определенному расходу теплоносителя в коллекторе.
Например, по данным сертификационной лаборатории SPF солнечный коллектор торговой марки Viessmann Vitosol 200-F (номер сертификата C513) имеет расход теплоносителя при испытании равный 200 л/ч. При пересчета на 1 м² апертурной площади расход равен 40,6 л/ч м². При этом есть существенная разница между этим значением и рекомендуемым значением производителя 25 л/ч м². В некоторых случаях, разница между этими показателями может отличатся в 3-4 раза.
Безусловно, такие различия в скорости потока, играют важную роль в эффективности солнечного коллектора при работе в реальных условиях. Снижение скорости потока теплоносителя влияет на его температуру на выходе из коллекторов. Чем ниже скорость теплоносителя, тем выше температура теплоносителя.
Более высокая температура на выходе из коллектора часто ошибочно воспринимается, как абсолютный показатель эффективности гелиосистемы. В данный момент среди производителей прослеживается тенденция к уменьшению скорости протока теплоносителя в материалах по проектированию. Сейчас оптимальное значение в большинстве рекомендаций производителей составляет 25-30 л/ч м² в отличие от рекомендаций 5-ти летней давности 40-60 л/ч м². Это дает возможность снизить гидравлическое потери и позволяет использовать менее мощные насосы и меньшие диаметры труб в гелиосистеме.
Однако, при снижении значения объемного расхода теплоносителя увеличивается и температура абсорбера солнечного коллектора, что в свою очередь увеличивает тепловые потери солнечного коллектора в окружающую среду. Таким образом, часть полезного тепла просто теряется, не доходя до бака аккумулятора. Поэтому, более высокая температура на выходе из коллекторов не является показателем высокой эффективности солнечного коллектора.
Для примера рассмотрим эффективность солнечных коллекторов в зависимости от скорости потока теплоносителя. Для исследования были выбраны солнечные коллекторы: А — HEWALEX KS 2000 TP и В – VIESSMANN Vitosol 200-F. Расчеты приведены исходя их значения солнечной интенсивности 800 Вт/м².
Эффективность солнечных коллекторов в зависимости от скорости потока теплоносителя и конструкции абсорбера
При расходе большем расходе теплоносителя (60 л/ч м²) производительность солнечного коллектора выше на 5%.
В случае с вакуумными коллекторами картина примерно такая же. Причем в некоторых случаях выработка тепловой энергии при низком объемном расходе теплоносителя, даже меньше чем для плоских коллекторов.
Разница в производительности вакуумных трубчатых коллекторов
Возможно, причиной занижения скорости потока жидкости является желание показать как бы более эффективную работу коллекторов, вводя тем самым в заблуждения пользователей, ошибочно считающих более высокую температуру как показатель работоспособности.
Способ соединения солнечных коллекторов и тип абсорбера
Второй фактор, которому зачастую, не придают значение, это способ соединения коллекторных групп. Рассмотрим на примере подключения группы из трех солнечных коллекторов с различной конструкцией абсорбера и при различной скорости потока теплоносителя.
Зависимость выработки тепловой энергии от подключения солнечных коллекторов в группу
В первом варианте абсорберы подключены как бы последовательно и поэтому температура теплоносителя в каждом следующем коллекторе выше. Во втором случае температура распределена равномерно. При подключении еще большего числа коллекторов разница становится еще очевидней.
Солнечные коллекторы с абсорбером типа меандр
Коллектора с конструкцией типа «меандр» не рекомендуется устанавливать в один ряд более 5 штук.
Таким образом, эффективность солнечного коллектора на практике может значительно отличатся от расчетных величин. Следует учитывать такие параметры как расход теплоносителя и подключение коллекторных групп, а так же некоторые другие рекомендации.
Поделиться «Эффективность солнечного коллектора на практике»
Рекомендуемые статьи
solarsoul.net
Ориентация солнечных коллекторов в пространстве, сравнение эффективности конструкций
Содержание страницы
1. Ориентация и угол наклона плоских солнечных коллекторов
Источником энергии работы солнечных тепловых коллекторов является Солнце. Если рассматривать плоские стационарные СК любого типа, то они жестко закреплены либо на склонах крыш, либо на плоской крыше, либо на поверхности земли. Солнце светит на поверхность земли под углом, зависящим от времени суток и времени года. Диапазоны изменения этих углов очень значительные и зависят от широты и долготы места размещения объекта. Для Москвы, минимальная продолжительность светового дня 7 часов, а максимальная – 17 часов 30 минут. С учетом того, что за час Солнце перемещается по горизонту на 15 градусов, суммарное угловое перемещение летом может достигать 265 градусов, в то время, как зимой, 105 градусов. По склонению над горизонтом, Солнце также изменяет свое положение в большом диапазоне от 11 до 57 градусов. В других точках расположения объектов, углы изменения направления солнечного света, другие.
Во второй главе мы рассматривали значения максимального КПД солнечного коллектора, при этом, предполагалось, что лучи Солнца падают на поверхность коллектора перпендикулярно. В реальности, соблюсти это требование невозможно. Даже, если вы выставили направление коллектора строго на юг для точки размещение объекта в момент летнего солнцестояния, то, через несколько дней, максимальные значения будут недостижимы, поскольку угол падения лучей по горизонту изменится за этот период на несколько градусов.
Под оптимальной ориентацией стационарно размещенного солнечного коллектора понимают положение, максимально близкое к положению Солнца в момент астрономического времени 12 часов. Напоминаем, что в каждом месте существует разница директивного и астрономического времени и для Москвы, к примеру, эта разница составляет около 34 минут.
Если вы используете солнечные коллекторы только в летнее время, то рекомендуется устанавливать угол наклона коллекторов градусов на 5 меньше значения угла широты места расположения объекта. Москва расположена на 56 градусе северной широты. Следовательно, оптимальное расположение угла наклона коллектора будет около 50 градусов. Но если вы используете коллекторы круглый год, то угол наклона коллектора к горизонту рекомендуется выбрать на 15 градусов меньше широты. В нашем случае, это примерно 40 градусов. На ориентированном склоне крыш выполнить такие требования очень сложно, поэтому, можно сказать, что уровень максимально возможного мгновенного КПД для стационарного солнечного коллектора практически никогда не достижим.
Если реальная ориентация солнечного коллектора на объекте отличается менее 15 градусов по горизонту от нулевой ориентации на астрономический юг, то потери не столь велики, но если технически невозможно реализовать данные требования, то, эффективность гелиосистем падает и инвестиции в них никогда не окупятся.
Угловая эффективная зона работы плоских и вакуумных трубчатых коллекторов составляет около 45 градусов в каждую сторону от перпендикуляра к поверхности, то есть в сумме около 90 градусов.
Характер изменения эффективности работы коллектора от угла падения солнечных лучей зависит от конкретной конструкции солнечного коллектора и определяется экспериментально. В идеальном варианте, в диапазоне изменения падения лучей –45 –0 + 45 градусов, при абсолютном перпендикуляре падения солнечных лучей в максимальной точке, мощность солнечного коллектора изменяется на 25 %, но в реальности это изменение значительно больше и составляет около 50 %, причем у плоских коллекторов этот показатель еще ниже, поскольку абсорбер, в крайних положениях солнца затеняется боковыми стенками коллектора.
Некоторые производители указывают в характеристиках оборудования угловые коэффициенты.
IAM (Incident Angle Modifier) – угловой коэффициент. Поправочный коэффициент, который помогает учесть конструктивные особенности конкретного коллектора, чтобы откорректировать количество солнечного излучения поступающего при различных углах падения относительно основной плоскости солнечного коллектора (учитывается все отражение, преломление и затенение солнечных лучей).
У открытых солнечных коллекторов данный коэффициент равен 1. Максимальный мгновенный КПД 0,5–0,9.
У закрытых плоских – IAM = 0,85–0,95 в зависимости от толщины воздушного слоя и высоты боковой стенки коллектора над плоскостью абсорбера. Максимальный мгновенный КПД 0,74–0,88. У вакуумных одностенных перьевых трубчатых коллекторов
IAM = 0,9–1,1, максимальный мгновенный КПД 0,65–0,80.
У вакуумных коаксиальных – IAM = 1,1–1,6, максимальный КПД прямого солнечного излучения 0,45–0,75. но вакуумные коаксиальные трубки с цилиндрическим абсорбером могут воспринимать не только прямое, но и рассеянное солнечное излучение. действие которого можно учесть поправочным коэффициентом интенсивности, равным для солнечной погоды 1,15.
В виде графиков корректировка значения мощности солнечного излучения представлена на рис. 25.
Рис. 25. Графики зависимости мощности солнечного излучения от угла падения лучей для разных типов солнечных коллекторов
Из графика видно, что площадь фигуры под графиком мощности трубчатого вакуумного коллектора больше аналогичной фигуры плоского коллектора примерно на 15 %, Поскольку движение Солнца равномерное, можно сказать, что энергия, выработанная коллектором на вакуумных трубках больше плоского коллектора на 15 % при равных габаритах и ориентации на Солнце.
Солнце движется по небосводу по двум координатам. Вводятся два угловых коэффициента Поперечный (IAMT – transversal) и Продольный (IAML – longitudinal). Обычно у плоских гелиоколлекторов оба эти коэффициента одинаковые, поэтому указывается только одно значение. У трубчатых вакуумных гелиоколлекторов может существенно отличается Поперечный коэффициент, а Продольный, примерно такой же, как и плоских коллекторов.
Данные угловых коэффициентов некоторых типов тепловых солнечных коллекторов получены в Институте солнечных технологий Solartechnik SPF (Рапперсвиль, Швейцария) и представлены на рис. 26.
Рис. 26. Графики изменения угловых коэффициентов некоторых типов солнечных тепловых коллекторов (Институт солнечных технологий Solartechnik SPF (Рапперсвиль, Швейцария) www.spf. ch (начало)
Рис. 26. Графики изменения угловых коэффициентов некоторых типов солнечных тепловых коллекторов (Институт солнечных технологий Solartechnik SPF (Рапперсвиль, Швейцария) www.spf. ch (окончание)
Среднегодовая выработка тепловой энергии
Солнце в течении дня движется по сложной траектории, которая зависит от времени года, места расположения объекта. Конструкции солнечных коллекторов очень разнообразные, возможно разнообразное расположение коллектора на объекте. Все это очень сильно затрудняет расчет среднегодовой выработки тепловой энергии. Экспериментальные данные по производительности СК очень сильно зависят от погодных условий. Для оценки годовой выработки тепла солнечным коллектором применяются методы математического моделирования. Статистические экспериментальные данные по среднегодовой выработки требуют очень длительного периода времени.
Одной из доступных и наглядных программ является немецкая разработка GeoT*SOL basic 2.0. однако не понятны исходные формулы для математического моделирования, примененные в этой программе и на сколько они соответствуют реальным конструкциям солнечных коллекторов.
В любом случае это сложнейшая задача математического моделирования. В данном учебном пособии можно говорить только о качественном анализе среднегодовой выработки тепловой энергии солнечными коллекторами разных типов.
2. Сравнительный анализ применения солнечных коллекторов различных типов
Поскольку конструкции, место расположение, ориентация, особенности монтажа коллекторов очень разнообразные, то для анализа эффективности рассмотрим качественные характеристики мгновенного КПД различных типов тепловых солнечных коллекторов. На рис. 27 представлены усредненные значения КПД, оптических КПД, коэффициентов теплопотерь для основных типов СК.
Упрощенный расчет КПД коллекторов можно произвести по формуле:
КПД = КПДопт – Ктп·У. (3)
Средние значения оптического КПДопт для позиций на рис. 27, составляют 1 – 0,95; 2 – 0,85; 3 – 0,75; 4 – 0,8; 5 – 0,75.
Средние значения коэффициента теплопотерь Ктп, соответственно, 1 –15; 2 – 7; 3 – 5; 4 – 3,5; 5 – 2 измеряется – Вт/(м2·°С).
У – соотношение разности температур теплоносителя на входе и выходе из коллектора Т, деленное на интенсивность солнечно излучения, измеряется в м2·°С/Вт.
Рис. 27. Мгновенный КПД солнечных коллекторов в зависимости от интенсивности солнечной радиации и разности температур на входе и выходе коллектора [1]: 1 – абсорбер; 2 –коллектор с однослойным остеклением; 3 –коллектор с двухслойным остеклением; 4 – плоский коллектор с высокоселективным покрытием абсорбера; 5 – трубчатый вакуумный коллектор
Оптический КПД характеризует конструктивную способность СК воспринимать солнечную энергию и зависит только от способности прозрачного защитного слоя пропускать энергию, наличию прослойки воздуха между защитным прозрачным слоем и абсорбером и КПД абсорбера.
Интенсивность солнечного излучения сильно зависит от атмосферных факторов. Напоминаем: 1000 Вт/м2 – ясная солнечная погода летом. 800–600 Вт/м2 – небольшая облачность, летом, 300 Вт/м2 – пасмурно летом, зимой эти показатели ниже примерно в 2 раза.
Также напоминаем, что на рис. 27 указаны значения МГНОВЕННОГО МАКСИМАЛЬНОГО КПД. Реальные средние значения примерно в два раза ниже.
Из рис. 27 видно:
Открытые солнечные коллекторы – эффективное использование возможно только в солнечную погоду при подогреве воды на 5–10 °С, при температуре окружающего воздуха выше 20 °С.
Плоские закрытые солнечные с остеклением в 1 слой – применение целесообразно для подготовки горячей воды для нужд приусадебных и дачных участков в летний период при температуре окружающего воздуха не ниже 12–15 °С, способны прогреть воду на 15–25 °С.
Плоские закрытые солнечные с остеклением в 2 слоя – применяются, как и в предыдущем случае, но способны прогреть воду до 35 градусов.
Современные плоские солнечные коллекторы с высокоселективням покрытием абсорбера и хорошей термоизоляцией корпуса – могут эффективно использоваться при температуре окружающего воздуха от 5–10 °С и способны создавать перепад температур в коллекторе до 40 °С.
Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы
Могут эффективно использоваться при температурах окружающего воздуха ниже нуля градусов Цельсия (всесезонные) при обеспечени перепада температур в коллекторе выше 80 °С.
Относительно возможности использования солнечных коллекторов в системах бытового нагрева воды на дачных участках, систем ГВС, систем отопления и технологических системах, можно представить следующие диапазоны изменения параметра У.
Зона А при У < 0,03 м2·°С/Вт – обогрев воды на дачных участках, летом,
Зона Б при У = 0,03–0,08 м2·°С/Вт – для систем ГВС в летний период.
Зона В при У > 0,08 м2·°С/Вт – системы отопления и ГВС капитальных сооружений.
При значениях У > 0,12, возможно использование систем солнечных коллекторов в многоквартирных домах и технологических промышленных процессах.
Литература:
1. Харченко Н.В. Индивидуальные солнечные установки. М., Энергоатомиздат, 1991, 208 с.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Суммарное количество всей потребляемой энергии человечеством составляет всего около 0,0125 % доли процента от энергии возобновляемых источников, имеющихся на планете Земля, главная из которых энергия Солнца.
Теплоэнергетика, наряду с другими отраслями, вносит большой вклад в накопление парниковых газов, поскольку именно при сжигании ископаемого топлива в котлах коммунального хозяйства и индивидуальных домов, происходит выброс диоксида углерода. Применение, при решении вопросов теплоснабжения, энергосберегающих высокоэффективных технологий и экологически чистых возобновляемых источников энергии, позволит сохранить планету.
По данным института АЕЕ INTEC, на конец 2012 г. в мире установлено 383 млн квадратных метров солнечных тепловых установок общей тепловой мощностью 268,1 ЕВт с годовой выработкой тепловой энергии 225 ТВт·ч. С каждым годом эти показатели только возрастают. К сожалению, в России общая площадь солнечных тепловых установок оценивается в 30 тыс. м2.
Более 60 % территории России, в том числе и многие северные районы, характеризуются среднегодовым поступлением солнечной радиации от 3,5 до 4,5 кВт·ч/м2 в день, а регионы Приморья и юга Сибири от 4,5 до 5,0 кВт·ч/м2 в день, что не сильно отличается от аналогичных показателей центральной Европы (5,0– 5,5 кВт·ч/м2 в день).
Солнечные тепловые коллекторы успешно применяются для подготовки горячей воды на дачном участке, в системах отопления и горячего водоснабжения индивидуальных и коллективных домов, промышленных системах теплоснабжения.
В настоящее время наибольшее распространение получили:
- солнечные тепловые коллекторы открытого типа;
- плоские закрытые солнечные трубчатые тепловые коллекторы;
- закрытые трубчатые и объемные солнечные коллекторы;
- вакуумные трубчатые солнечные коллекторы.
Доля последних составляет более 62 % от всего объема выпускаемых в мире солнечных коллекторов.
С точки зрения эффективности использования различных типов солнечных коллекторов и их применения в хозяйстве, можно рекомендовать.
Открытые солнечные коллекторы – эффективное использование возможно только в солнечную погоду при подогреве воды на 5–10 °С, при температуре окружающего воздуха выше 20 °С.
Плоские закрытые солнечные с остеклением в 1 слой – применение целесообразно для подготовки горячей воды для нужд приусадебных и дачных участков в летний период при температуре окружающего воздуха не ниже 12–15°С, способны прогреть воду на 15–25°С. Плоские закрытые солнечные с остеклением в 2 слоя – применяются, как и в предыдущем случае, но способны прогреть воду до 35 градусов. Современные плоские солнечные коллекторы с высокоселективням покрытием абсорбера и хорошей термоизоляцией корпусамогут эффективно использоваться при температуре окружающего воздуха от 5–10°С и способны создавать перепад температур в коллекторе до 40°С.
Трубчатые вакуумные солнечные коллекторы
Могут эффективно использоваться при температурах окружающего воздуха ниже нуля градусов Цельсия (всесезонные) при обеспечении перепада температур в коллекторе выше 80 °С.
Вопросы работы гелиосистем с использованием солнечных тепловых коллекторов будут рассмотрены в следующих частях учебного пособия «Комбинированные тепловые гелиосистемы».
Просмотров: 140
extxe.com
Расчет солнечного коллектора для отопления дома и ГВС
Использование гелиоколлекторов для системы теплоснабжения – способ существенно сэкономить на отоплении дома. Солнечное излучение бесплатно и доступно всем, а стоимость гелиосистем постоянно снижается. Правильный расчет солнечного коллектора для отопления дома позволит избежать лишних затрат на оборудование и организовать эффективную систему обогрева здания.
Большинство производителей, поставщиков и установщиков делают лишь приблизительный расчет солнечных коллекторов, но мы опишем все детально. В статье мы пошагово расскажем, как выполнить расчет гелиосистем для отопления, чтобы полностью обеспечить дом теплом зимой. Пусть вас не пугает количество формул – для подсчета потребуется обычный калькулятор. Ваши вопросы и мнение вы можете оставить в комментариях.
Расчет реальной мощности солнечного коллектора
Производители указывают максимальную мощность гелиоколлектора при полном освещении при направлении на юг и ориентации перпендикулярно солнцу в полдень. Но не всегда можно так направить панели, особенно если их устанавливать крыше дома.
Ниже приводим формулы, которые универсальны и могут использоваться как для подсчета количества коллекторов, так для подсчета общей площади в квадратных метрах.
Подсчет эффективности гелиоколлектора по направлению
Рассчитать базовую тепловую производительность солнечного плоского или вакуумного коллектора можно по следующей формуле:
Pv = sin A x Pmax x S
Значения:
- Pv – мощность солнечного коллектора;
- A – угол отклонения плоскости гелиоколлектора от направления на юг;
- Pmax – средний уровень инсоляции в вашем регионе в холодное время года.
Даже если солнце не скрыто облаками, в течении дня уровень инсоляции меняется, от чего зависит производительность коллектора. Усредненные данные видно на этом графике:
Данные на иллюстрации по дневному уровню инсоляции усредненные, но позволяют понять разницу между количеством тепловой энергии, которую можно получить в разное время года.Максимальный уровень инсоляции зимой в среднем в 3-4 раза меньше, чем летом. Количество солнечной энергии, которую может получить гелиоколлектор за сутки зимой в 5-7 раз ниже (в зависимости от широты) чем летом.
Расчет производительности гелиоколлектора по углу установки
Оптимальный угол установки солнечного коллектора для отопления дома зимой – так, чтобы он был перпендикулярен солнечным лучам в 10 часов утра. Так он может собрать максимум тепловой энергии на протяжении светового дня.
Иногда не получается этого сделать (при установке на крыше, монтаже на стандартных опорах). Из-за отклонения от оптимального угла энергоэффективность коллектора может измениться. Рассчитать ее можно по такой формуле:
Pm = sin(180 — A — B) x Pv
Значения:
- Pm – производительность гелиоколлектора;
- A – угол между коллектором и плоскостью земли;
- B – высота солнца над горизонтом в 10 часов утра;
- Pv – найденная ранее мощность.
Если у вас есть возможность ориентировать солнечный коллектор так, чтобы он был перпендикулярен солнцу, тогда:
Последние публикации:
Pm = Pv 
На фотографии обозначен угол наклона солнечного коллектора, который нужно использовать при вычислениях.
Особенности плоских панелей
Плоский гелиоколлектор имеет небольшие теплопотери через заднюю стенку, которые составляют в среднем 5 Вт на квадратный метр. Поэтому от полученного ранее значения реальной мощности P надо отнять 5 Вт на каждый квадратный метр площади.
Уровень поглощения солнечного излучения плоского гелиоколлектора ниже 100%. Это нужно учесть при подсчете его тепловой мощности. Если панель поглощает только 95%, то ее реальная мощность:
P = Pm x 0.95 х S
Значения:
- Pm – мощность коллектора из формулы выше;
- P – реальная производительность коллектора;
- S – площадь коллектора.
Производительность вакуумного коллектора
Производители вакуумных коллекторов могут указывать мощность коллектора без учета расстояния между трубками. Чтобы определить, какова реальна площадь поверхности трубок и производительность вакуумного коллектора, воспользуемся формулой:
P = Pm x D / L
Обозначения:
- P – реальная производительность солнечного коллектора;
- Pm – мощность коллектора, рассчитанная ранее;
- D – диаметр вакуумных трубок;
- L – расстояние между трубками.
Термодинамические солнечные панели
С таким типом коллекторов все гораздо сложнее. Сейчас они не слишком распространены, производители экспериментируют с материалами и селективным покрытием. Разные модели отличаются уровнем поглощения и теплопотерями.
В целом, термодинамические солнечные панели имеют право на жизнь. Но мы бы не рекомендовали обустраивать отопление с их помощью. На рынке мало эффективных моделей, а те, которые есть, продают по завышенным ценам.
Сколько нужно солнечных коллекторов для отопления дома?
Независимо от того, какая система отопления установлена в доме, теплопотери у него будут одинаковыми. Для точного просчета лучше обратиться к специалистам, но для получения примерных данных можно использовать онлайн-сервисы http://teplo-info.com/otoplenie/raschet_teplopoter_online.
Разделив полученные данные на значение P, вычисленное по последней формуле, вы узнаете, сколько гелиоколлекторов или квадратных метров коллекторов вам необходимо чтобы обеспечить отопление дома зимой.
Последние публикации:
Отдельно стоит напомнить, что в холодное время года есть нюансы с эксплуатацией гелиоколлекторов. Узнать об этом больше можно в статье «Как работает солнечный коллектор зимой – эффективность, проблемы и их решение».
Основная проблема змой — чистить коллекторы от холода.Подключим горячее водоснабжение?
В дополнение к отоплению, к коллекторной солнечной системе можно подключить горячее водоснабжение. Для этого подсчитаем, сколько тепловой энергии вам необходимо тратить каждый день. Формула проста:
Pw = 1,163 x V x (T – t) / 24
Обозначения:
- Pw – количество тепла, необходимое для подогрева воды;
- V – средний объем горячей воды, расходуемый за сутки;
- T – температура, до которой нужно подогреть воду;
- t – температура, с которой вода поступает в систему.
Чтобы рассчитать необходимое количество дополнительных коллекторов для ГВС – разделите это значение на производительность солнечного коллектора P, полученное по последней формуле.
Советы по отоплению дома гелиоколлекторами
- Плоские солнечные коллекторы эффективнее в теплое время года, а вакуумные трубки – зимой. В зависимости от модели и производителя разница может достигать 50%. Подробнее об этом вы можете прочитать в статье «Солнечный коллектор – плоский или вакуумный?».
- На случай непредвиденной ситуации стоит иметь альтернативные источники тепловой энергии – конвекторы, газовый или твердотопливный котел, тепловой насос.
- Обычно коллекторы поставляются вместе с отдельными баками-накопителями. Выгоднее будет приобрести отдельно плоские или вакуумные панели и один или два больших резервуара с хорошей теплоизоляцией. Чем меньше объем бака, тем быстрее он остывает.
- Для организации эффективного отопления стоит иметь большой бак накопитель, в котором в светлое время суток коллекторы будут нагревать воду, а ночью она будет расходоваться на обогрев здания.
- Наличие качественного контроллера в системе отопления позволит поддерживать заданную температуру, регулировать циркуляцию, устанавливать температурные режимы, задавать таймер включения.
- Для автономного отопления дома солнечными коллекторами необходимо купить большое количество оборудования, оплатить его монтаж и подключение. Если вам это не по карману – можно использовать гелиоколлекторы как вспомогательную систему отопления.
- Хорошей экономии можно достичь если использовать солнечные коллекторы в паре с тепловым насосом. Они будут нагревать воду, а тепловой насос – подогревать ее до необходимой температуры.
- Если здание плохо утеплено, то использовать солнечные коллекторы эффективнее с водяным теплым полом. Он отдает максимум тепла в помещение, а не стенам, как радиаторы отопления.
Как видим, расчет солнечных коллекторов для отопления дома довольно прост. Конечно, специалист должен будет посчитать множество других нюансов, но они не смогут существенно повлиять на конечный результат. В некоторых случаях обогрев здания коллекторами нецелесообразен, но в качестве дополнительного источника бесплатного тепла, гелиоколлекторы незаменимы.
Не забудьте поделиться публикацией в соцсетях!
vteple.xyz
Увеличение КПД солнечного коллектора на 30%
Очень важно! Очень интересно! Сообщаем Вам, что специалистами на-шей компании разработана и впервые в мире применена технология создания «солнечного зеркала» для повышения эффективности работы вакуумных солнечных коллекторов и фотоэлектрических панелей, установленных на горизонтальной поверхности. Примененная технология позволила увеличить эффективность работы коллекторов до 30%.
Какой любитель горнолыжного спорта не знает о том, как хорошо загорать в яркий солнечный день, катаясь на лыжах. Какой рыбак не знает, как хорошо можно загореть занимаясь рыбной ловлей с лодки на зеркале какого-либо водоема. Это истина, знакомая многим.
Наши специалисты-монтажники на одном из объектов применили специальное полимерное покрытие, включающее до 60% керамического наполнителя. За счет своего состава покрытие обладает уникальными свойствами по отражению инфракрасного и ультрафиолетового излучения солнца. Нанесение покрытия на площадку, на которой устанавливались вакуумные солнечные коллектора, позволило задействовать для работы обратную сторону коллектора. Особенно это заметно в летние месяцы эксплуатации, когда азимуты восхода и захода солнца находятся сзади коллекторов, направленных принимающей плоскостью на юг.
Так 15 июня 2015 года солнце взошло в 4 часа 30 минут утра и освещало заднюю сторону коллекторов до 8 часов утра, пройдя по небосводу угол примерно в 45 градусов. Все это время стандартно установленный кол-лектор работает с пониженной эффективностью только за счет рассеянного излучения. И только после 8 часов утра лучи солнца коснулись поверхности коллектора, и пошел настоящий нагрев теплоносителя. Аналогичная картина повторилась и вечером. После 17 часов 30 минут солнце перестало освещать поглощающую поверхность коллектора, лучи коснулись задней поверхности и это продолжалось до 21 часа вечера и аналогично утренней ситуации солнце прошло по небосводу еще 45 градусов. Таким образом из
продолжительности светового дня в 16,5 часов поверхность коллектора освещалась прямыми лучами солнца только 9,5 часов.
Использование же технологии «солнечного зеркала» позволяет устранить этот недостаток. Удается задействовать отраженные от полимерной поверхности инфракрасные и ультрафиолетовые лучи в утренние и вечерние часы и, тем самым, увеличить продолжи-тельность времени освещения солнцем коллектора (прямые лучи + отраженный от полимерного покрытия свет) до 70%. Это дает возможность более раннего «запуска» коллектора в работу и более позднее окончание нагрева что в целом и приводит к повышению эффективности работы коллекторов до 30%. Фотографии примененной технологии приведены в данном сообщении.
Особенно актуальна данная технология для использования на уже установленных Солнечных электростанциях (СЭС). Применение технологии «солнечных зеркал» может позволить увеличить мощность СЭС без установки дополнительных фотоэлектрических модулей, на той же площади и при минимальных денежных вложениях. Это автоматически снизит стоимость вырабатываемого СЭС кВт*часа электроэнергии и даст дополнительную эффективность и прибыль предприятию.
du-alex.ru
Экономим электричество: расчеты производительности солнечного коллектора
В статье будет рассмотрен наиболее простой метод расчета количества энергии, которую можно получить путем применения солнечного коллектора. Статистика гласит, что в среднем в домашнем хозяйстве для использования горячей воды требуется от 2 до 4 кВт. Тепловой энергии в день на 1 человека.
Расчет мощности солнечного коллектора
В качестве примера будут приведены расчеты коллектора для Московской области.
Данные для расчетов:
- Место применения – Московская область Площадь поглощения – 2,35м2 (на основе таблицы о среднем количестве поступления солнечной энергии для регионов РФ)
- Величина инсоляция в Московской области – 1173,7кВт*час/м2
- КПД – от 67% до 80% (будут использованы минимальные показатели, актуальные для устаревших коллекторов, поэтому результаты будут слегка занижены).
- Угол наклона коллектора – в расчетах будут использованы оптимальные данные угла наклона.
карта инсоляции россии
Рассчитываем площадь поглощения для одной трубки:
15 трубок = 2,35 м. кв.; 1 трубка = 2,35 / 15 = 0,15 м. кв.
Теперь, когда известна площадь, которую поглощает одна трубка, определим количество трубок, составляющий 1 м. кв. поверхности коллектора: 1 / 0,15 = 6, 66. Иными словами, на один метр поверхности поглощения требуется 7 трубок коллектора.
Далее производим расчет тепловой мощности одной трубки коллектора. Это даст возможность рассчитать число трубок, необходимых для получения достаточной тепловой энергии на периоды в один день и один год:
Получаемая мощность в расчете на один день рассчитывается следующим образом: 0,15 (S поглощения 1 трубки) x 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) x 0,67 (КПД солнечного коллектора) = 117,95 кВт*час/м. кв.
Для расчета годовой эффективности одной трубки в выбранном регионе в формуле для расчета дневной мощности следует использовать годовые инсоляционные данные. Иначе говоря, на место 1173, 7 необходимо поставить региональное значения инсоляции.
Мощность, вырабатываемая при помощи одной трубки в Москве, составляет от 117,95 (при использовании КПД в размере 67%) до 140кВт*час/м.кв. (при использовании КПД в размере 80%).
В среднем за сутки одна вакуумная трубка теплового коллектора вырабатывает 0,325кВт*час.
В наиболее солнечные месяцы (июнь, июль) одна трубка будет производить 0,545кВт*час.
Работа солнечного коллектора без света невозможна, по этой причине указанные показатели нужно использовать при расчете светового дня.
Сколько можно сэкономить электроэнергии в Москве при использовании одного м. кв. коллектора (как мы выяснили, это 7 вакуумных трубок)?
Годовая экономия энергии составит:
117,95 кВт*час/м2 * 7 = 825,6 кВт*час/м.кв.
Наибольшую мощность солнечный коллектор, соответственно, будет вырабатывать в летние месяцы. К примеру, в июне при использовании 1 м.кв. коллектора выработка электроэнергии составит около 115–117 кВт*час/м.кв.
Иначе говоря, энергетическая польза при использовании солнечного коллектора с 15-ю вакуумными трубками, где S=2,35 м.кв. за период с марта по август при суммарном значении инсоляции за весь указанный период в 874,2 кВт*час/м.кв. составит: 874,2 * 2,35 * 0,67 = 1376 кВт, то есть, практически 1,4 МегаВт. энергии, что в день составляет примерно 8 кВт.
Вспомним статистическую информацию, приведенную в первой части статьи – в домохозяйстве используется от 2 до 4 кВт энергии при потреблении горячей воды одним человеком ежедневно. Данные показатели подразумевают использование коллектора для нагрева горячей воды и, в частности, таких нужд как принятие душа, мытье посуды и т.п.
Расчеты солнечного коллектора, состоящего из 15 вакуумных трубок, позволяют сделать вывод о том, что в огородный сезон данного устройства будет достаточно для того чтобы обеспечить горячей водой семью, состоящую из трех человек. В результате, при учете всех неблагоприятных обстоятельств, таких как пасмурная или дождливая погода, на электроэнергии, используемой для подогрева воды, можно очень неплохо сэкономить.
Если же говорить об оптимальных условиях (солнечная погода и отсутствие дождей), то в данном случае выработка тепловой энергии солнечным коллектором позволит вообще избежать необходимости платить за электроэнергию.
Примечания
Если в таблице с расчетами солнечной энергии в различных регионах РФ нет точной информации о регионе, в котором Вы проживаете, то можно воспользоваться информацией, которая указана на инсоляционной карте России. Это позволит узнать приблизительное значение получаемой тепловой энергии в расчете на один квадратный метр.
Эмпирическим путем определено: чтобы рассчитать инсоляцию для наиболее оптимального угла наклона солнечного коллектора, следует данные, указанные для выбранной площади, умножить на коэффициент 1,2.
Определение угла наклона солнечных коллекторов
К примеру, в таблице указано, что для Москвы значение энергии, которое доступно на протяжении светового дня, составляет 2,63 кВт*ч/м.кв. Иначе говоря, доступная годовая энергия составляет 2,63 * 365 = 960 кВт*ч/м.кв.
Таким образом, при оптимальном наклоне площадки в Москве коллектор будет вырабатывать приблизительно 1174 кВт*ч/м.кв.
Конечно, данный метод расчета не является высоконаучным, однако, с другой стороны, полученные данные вполне можно использовать для определения необходимого количества вакуумных трубок на бытовом уровне.
Итоги
Солнечные коллекторы из года в год обретают все большую популярность среди владельцев дачных участков. Очевидно, что это говорит о том, что данное устройство позволяет существенно сэкономить электроэнергию при нагреве воды, что подробно описано и доказано в вышеизложенных расчетных примерах.
Данный агрегат является актуальным практически для любого региона России. Но прежде чем купить солнечный коллектор, лучше посчитать рентабельности и сроки окупаемости этого оборудования, что позволит убедиться в актуальности представленного инновационного оборудования для применения в Вашем регионе.
Дата публикации: 30 мая 2014
Оставить комментарий
Вы должны быть Войти, чтобы оставлять комментарии.
energorus.com
