Производительность вакуумных солнечных коллекторов 2017-04-06T17:51:33+00:00

Производительность вакуумных солнечных коллекторов

Когда люди задумываются о покупке какого-либо отопительного оборудования — будь то водонагреватель, газовый или твердотопливный котел, дизель генератор и т.д. — он задает себе вопрос: а какой мощности оборудование мне необходимо? Сколько я получу энергии? И это логично.

Покупатель, как правило, выбирает вещь, которая позволит решить поставленную задачу в конкретных условиях. И вот здесь мы сталкиваемся с ситуацией, которую многие сразу и не понимают. Возьмем электрический водонагреватель. От того, в каком регионе нашей необъятной страны — Москве или Сочи, вы его включите в розетку — его мощность будет одинакова. И она будет одинакова и в январе и в августе месяце. С техникой, работающей на энергии солнца, все гораздо сложнее.

Если вы обратились в какую-либо организацию, торгующую солнечными водонагревателями или солнечными коллекторами и на ваш вопрос о мощности коллектора или водонагревателя вам дают конкретную цифру без «привязок» к внешним условиям, то это будет означать только одно — организация не понимает что продает. СОЛНЦЕ — вот главный регулятор мощности подобных систем. Все это оборудование очень прочно «привязано» к активности солнца, к солнечной инсоляции. И, к сожалению, солнечное излучение в различных географических точках земли, в различное время года и разные месяцы разное. Все это очень сильно влияет на расчет мощности оборудования, его подбор для тех или иных целей, создает определенные сложности потребителю, проектировщику и продавцу оборудования.

Получить оценочные цифры мощности того или иного солнечного оборудования в той или иной точке земного шара, в тот или иной месяц года может любой человек. Для этого необходимо взять и перемножить всего две цифры: эффективную площадь поглощения коллектора (водонагревателя) на значение солнечной инсоляции в интересующем вас регионе в конкретный месяц года (это значение измеряется в кВт*ч/м2 в год или день).

Установка вакуумного солнечного коллектора — выгодная инвестиция в будущее своей семьи. Круглогодичный доступ к горячей воде, бесплатная энергия для отопления дома, независимость от работы коммунальных служб и отсутствие перебоев в горячем водоснабжении — преимущества, которые особенно ощутимы в холодное время года.

Что влияет на работу вакуумного солнечного коллектора?

Для того чтобы вакуумные коллектора эффективно функционировали и приносили пользу по назначению, необходимо точно рассчитать и подобрать всю комплектацию оборудования для решения той или иной задачи. Недостаточная производительность коллекторов приведет к нехватке тепловой энергии для отопления дома, бани, теплицы и других сооружений, подогрева воды для ежедневного использования или для наполнения бассейна. Установка коллекторов избыточной мощности не только не рациональна с точки зрения лишних финансовых затрат, но и может вызвать дополнительную нагрузку на систему в летний период, когда потребности в энергии снижаются, а активность солнца возрастает. Необходим некий оптимальный вариант и, поэтому, расчет и подбор комплекта оборудования на основе солнечных коллекторов следует доверить специалистам, так как на дальнейшую эффективность работы такой системы влияет немало факторов.

При подборе солнечного коллектора важно учитывать следующие данные:

  • Уровень инсоляции (солнечного излучения) в той географической точке и те месяцы, в которые рассчитывается эксплуатация оборудования;
  • КПД коллектора (зависит от типа установки; для вакуумных солнечных коллекторов коэффициент, в среднем, колеблется в пределах 67-80%. Для большей достоверности рекомендуется ориентироваться на минимальный результат);
  • Угол наклона коллектора (от данного показателя зависит количество солнечной энергии, которую поверхность коллектора будет поглощать в течение светового дня. Необходимый угол наклона, под которым будет установлен коллектор, индивидуален и зависит от региона, географических и климатических особенностей местности), а так же от того в какое время года планируется увеличить эффективность коллектора. Если угол наклона сделать больше оптимального для данной местности, то в зимнее время мы увеличим эффективность, а в летнее соответственно уменьшим.
  • Эффективная площадь поглощения коллектора.

Кроме того, важно учитывать и площадь отапливаемого помещения, хорошо ли оно утеплено или нет, потребляемый объем горячей воды, тип отопительной системы (радиаторы или теплые полы), тип самого коллектора, характер теплоносителя в системе и дополнительные условия, которые влияют на эффективную работу вакуумного солнечного коллектора.

Характеристики вакуумных трубок

При расчете эффективности применения солнечных коллекторов для целей отопления и ГВС необходимо учитывать характеристики вакуумных трубок. Стандартная вакуумная трубка имеет 1800 мм в длину, внешний диаметр — 58 мм, внутренний — 47 мм. Конструкция двух стеночная. Цилиндры имеют различную толщину: внешний более прочный — 1,8±0,15мм, внутренний — 1,6±0,15мм. Пространство между стенками заполнено техническим вакуумом (менее 5х10-3 Па) и создает преграду для потерь тепла (принцип работы колбы термоса).

В качестве материала для изготовления применяют боросиликатное стекло. Селективное покрытие на наружной поверхности внутреннего цилиндра — напыление композита из нержавеющей стали, алюминия и меди — способствует улучшенному поглощению солнечного излучения.

 

Цилиндрическая форма стеклянной трубки при соблюдении основных требований установки обеспечивает более 91% поглощения всей поступившей на поверхность энергии. Теплопотери при этом не превышают 8% (при температуре носителя около 80°C). Коэффициент таких потерь для вакуумной солнечной установки не более 0,6 Вт/м2.

Определяем площадь эффективного поглощения

Расчет площади эффективного поглощения солнечного коллектора сделаем на примере популярной модели солнечного коллектора модели «SunPower SH58-1.8-15», имеющей в своем составе 15 вакуумных трубок стандартного типоразмера. Определив эффективную площадь поглощения одной трубки и умножив ее на 15 получим общую эффективную площадь поглощения коллектора. Площадь поглощения одной трубки — фактически площадь «тени», создаваемой трубкой при ее освещении солнцем. Это проекция трубки на плоскость, проходящую через ее диаметр. Поскольку диаметр трубки 58 мм или 0,058 м, а длина трубки участвующая в приеме солнца порядка 1600 мм или 1,6 м (общая длина трубки 1800 мм, но верхняя и нижняя ее часть закрыты элементами конструкции и в работе участия не принимают), тогда площадь «тени» составит 0,058 м * 1,6 м = 0,092 м2. А общая эффективная площадь поглощения коллектора 0,092 м2 * 15 шт. = 1,38 м2.

Аналогичным образом можно получить, что у коллектора модели «SunPower SH58-1.8-24» ( 24 вакуумных трубок) эффективная площадь поглощения составит 2,21 м2.

Хотелось бы еще раз подчеркнуть основную ошибку, которую допускают многие при расчете эффективной площади поглощения поверхности, составленной из вакуумных трубок. Несмотря на то, что трубки круглые в сечении, и, следовательно, поглощающая поверхность имеет форму цилиндра, нельзя считать площадью поглощения площадь, равную половине поверхности цилиндра, а именно той поверхности, которая обращена к солнцу. Для расчета необходимо брать величину проекции этой цилиндрической поверхности на плоскость, перпендикулярную падению солнечных лучей.

Расчет вырабатываемой энергии солнечным коллектором

Годовая вырабатываемая солнечным коллектором энергия определяется географической точкой установки коллектора и статистическими данными по годовой солнечной инсоляции в этом регионе. Так, для Москвы и Московской области показатель солнечной инсоляции за год составляет 1173,7кВт*час/м2. Используя полученное значение эффективной площади поглощения коллектора мы можем рассчитать вырабатываемую им за год энергию. Так коллектор модели «SunPower SH58-1.8-15» выработает 1,38 м2 * 1173,7 кВт*ч/м2 = 1619,706 кВт*ч, но с учетом КПД=80% только примерно 1296 кВт*ч.

По такому же методу легко произвести расчет производимой вакуумным солнечным коллектором энергии с любым другим количеством трубок. Например, вакуумный коллектор модели «SunPower SH58-1.8-24» (24 вакуумные трубоки) выработает за год 1173,7 кВт*ч/м2 * 2,21 м2 * 0,8 = 2075 кВт*ч.

Беря статистические данные по солнечной инсоляции за месяц можно подсчитать количество вырабатываемой энергии за месяц.

Месячная и годовая солнечная инсоляция, кВт*ч/кв.метр. 

Выработка тепловой энергии коллектором модели «SunPower SH58-1.8-15» по месяцам и за год в Москве.

Тем ни менее хочется сказать, что все расчеты носят условный характер. Погодные условия на планете меняются, солнечная активность тоже. Данные по солнечной инсоляции носят очень усредненный показатель и год от года могут меняться.

В данных расчетах не принимается во внимание эффективность преобразования солнечного излучения в тепловую энергию. Делается это умышленно, т.к., во-первых, КПД вакуумных трубок всех производителей (речь идет о трубках с трехслойным селективным покрытием) примерно одинакова. Берем КПД равным 0,8 (или 80%). Надо обязательно сказать о том, что на эффективность работы солнечных вакуумных коллекторов очень сильно влияет правильный (для решения тех или иных задач) угол наклона к горизонту при их установке и, что не менее важно, правильность схемы соединения вакуумных коллекторов в случае установки нескольких штук. Безграмотность в определении схемы соединения и монтажа коллекторов может привести к резкому падению эффективности работы каждого единичного коллектора. Это означает то, что формула — общая мощность всех установленных коллекторов равна сумме мощности каждого коллектора, не будет выполняться. Деньги, потраченные на закупку оборудования, будут использованы не эффективно и необходимая задача не будет выполнена.