Как подобрать солнечный коллектор? Как определить, сколько тепловой энергии можно получить от одной трубки солнечного коллектора? От одного квадратного метра солнечного коллектора? Какова эффективность солнечного коллектора в конкретном регионе?
Метод расчета тепловой мощности солнечного коллектора для определенного региона.
Мы предлагаем простой способ, позволяющий на основе данных о солнечной активности в заданном регионе и площади поглощения солнечного коллектора, произвести ориентировочный расчет количества тепловой энергии, которое можно получить в конкретном регионе: от одной трубки солнечного коллектора, одного квадратного метра солнечного коллектора, за день, дачный сезон, за год. Чтобы оценить, насколько полно солнечный коллектор может обеспечить нас тепловой энергией используем следующие статистические данне. По статистике, "обычное" домохозяйство использует 2- 4кВт тепловой энергии для потребления горячей воды, на человека в день.
Исходные данные для расчета тепловой мощности солнечного коллектора.
Количество тепловой энергии, которое вырабатывает солнечный коллектор, зависит от:
1) Региона эксплуатации солнечного коллектора
2) Площади поглощения солнечного коллектора
3) КПД
4) Угла наклона солнечного коллектора по отношению к солнечному излучению
Принимаем:
1) Нам известно количество солнечной энергии на поверхности земли - инсоляция квадратного метра за год, для определенного региона России.
Напомним, что инсоляция одного квадратного метра, в разрезе регионов России, указана в таблицах, которые приведены в статье "Количество солнечной энергии в регионах России".
"Показательные" расчеты будем проводить для Москвы и Московской области, а потом потренируемся на расчетах для Краснодара.
2) Площадь поглощения известна из документации.
3) КПД вакуумного солнечного коллектора принимаем ~ 67% - 80%*.
4) Принимаем угол наклона "плоскости" солнечного коллектора к солнцу - оптимальный для данного региона.
* КПД = 67% - это значение для "среднестатистического" коллектора, которое приводят в технической литературе для "старых" моделей. КПД современных коллекторов достигает 85%. Мы применили в расчетах среднестатистический КПД = 67% для получения более "честных" значений. В результате все показатели получились немного заниженными, по сравнению со значениями, полученными нами при испытаниях реальной вакуумной трубки солнечного коллектора - одной из тех, что мы предлагаем в магазине.
При упоминании вакуумных трубок, имеем в виду "стандартные" вакуумные трубки, которые используют большинство производителей, с характеристиками:
Длина - 1800±5мм
Внешний диаметр трубки - 58±0.7мм
Толщина внешней стеклянной трубки - 1.8±0.15мм
Внутренний диаметр трубки - 47±0.7мм
Толщина внутренней стеклянной трубки - 1.6±0.15мм
Материал стекла - боросиликатное стекло 3.3мм
Уровень вакуума -между стенками трубки P 5 х 10-3Па
Степень поглощения > 91%
Потери солнечного излучения < 8% (80С±1,5С)
Макс. температура 270С - 300С
Номинальное давление - 0.6МПа
Средний коэффициент тепловых потерь - 0.6W/(m2)
Трехслойное покрытие вакуумной трубки - улучшенное селективное поглощающее покрытие:
Композит - медь, нержавеющая сталь, алюминий (CU/SS-ALN(H)SS/ALN(L)/ALN)
Метод нанесения - DS реактивное напыление.
На заметку.
Если для Вашего региона нет точных данных в таблицах, то можно использовать информацию, указанную на карте инсоляции регионов России в статье Количество солнечной энергии в регионах России (Нажмите на названии, чтобы прочитать) , на которой цветом указано ориентировочное значение доступной энергии на одном квадратном метре горизонтальной площадки.
Для определения инсоляции для оптимального угла наклона "плоскости" вакуумного коллектора, эмпирическим путем мы установили, для того чтобы перевести количество энергии указанное для горизонтальной площадки, в энергию, получаемую с площадки с оптимальным углом наклона, необходимо значение, указанное для горизонтальной площадки умножить на 1,2.
Например, для Москвы в таблице "Дневная сумма солнечной радиации, кВт*ч/м2 горизонтальная площадка" указано среднесуточное (доступное в течение суток) значение энергии солнечного излучения = 2,63кВт*ч/м2. То есть, в год доступно для горизонтальной площадки 2,63 * 365(дн) = 959,9кВт*ч/м2. Для оптимальной площадки - из таблицы "Месячные и годовые суммы солнечной радиации, кВт*ч/м2. Оптимальный наклон площадки" видим, что в год для Москвы, в случае оптимального угла наклона, доступно 1173,7кВт*ч/м2. Вычисляем коэффициент для оптимальной площадки 1173,3 / 959,9 = 1,22.
Метод не претендует на высоконаучный, но, как говориться, лучше иметь не очень точный инструмент, чем не иметь никакого.
Расчеты.
Для начала проверим, насколько соответствует действительности значение площади поглощения трубчатого вакуумного солнечного коллектора, указываемое производителями и поставщиками.
В документации на "Водонагреватель, на солнечном коллекторе без давления из 15-ти вакуумных трубок", то есть на модель "Дача-1", указана площадь поглощения 2,35м2.
Известно, что длина вакуумной трубки 1800мм, то есть 1,8м.
Диаметр трубки 58мм. то есть 0,058м.
Трубка вакуумного коллектора - это цилиндр, площадь боковой поверхности цилиндра вычисляется по формуле:
S = 2*3,14*H*R или через диаметр S = 3,14*H*D
где 3,14 - число Пи, R - радиус цилиндра, H - высота цилиндра(длина стороны), D - диаметр цилиндра. Диаметр трубки нам известен, поэтому воспользуемся формулой, в которой участвует диаметр.
Площадь трубки = 3,14 * 1,8 * 0,058 = 0,3278м2
Принимаем с округлением, что площадь одной трубки вакуумного солнечного коллектора равна 0,33м2. Тогда, площадь всех трубок солнечного коллектора = 0,33*15 = 4,95м2.
Трубки солнечного коллектора преобразуют излучение в тепло всей площадью, однако наиболее эффективно преобразование на освещенной стороне трубок, то есть, чтобы определить площадь поглощения, надо разделить общую площадь трубок коллектора на 2. Получаем площадь поглощения всех трубок солнечного коллектора из 15-ти трубок 4,95м2 / 2 = 2,47м2. В документации на солнечный коллектор указана площадь поглощения 2,35м2.
То есть, в документации на солнечный коллектор указана информация о площади поглощения с учетом того, что часть каждой трубки вставлена в бак коллектора, а часть закрыта фиксатором - креплением на раму.
Практические выводы.
1. В документации на солнечные коллекторы действительно указана именно поглощающая площадь солнечного коллектора.
2. Если брать за основу технические данные из документации реального коллектора, то площадь поглощения одной трубки можно определить, используя эти данные. Тогда, если 15-ть трубок составляют 2,35м2 поглощающей площади, то одна трубка 2,35м2 / 15 = 0,156(6)м2 или округленно 0,15м2.
I. Площадь поглощения одной трубки = 0,15 м2
3. Зная площадь поглощения одной трубки, можно определить, сколько трубок составляют один квадратный метр поглощающей поверхности солнечного коллектора. Это интересно, так как во всех таблицах солнечной энергетики приводятся данные в расчете на 1м2. Итак, 1м2 / 0,15м2 = 6,66(6), то есть округленно - один квадратный метр поглощающей поверхности коллектора - это семь вакуумных трубок солнечного коллектора.
II. 1м2 поглощающей поверхности солнечного коллектора = 7 вакуумных трубок
4. Тепловая мощность одной вакуумной трубки. Эта информация позволит рассчитывать, какое количество трубок должно быть в солнечном коллекторе для получения необходимой тепловой мощности:
4.1. Дневная мощность = 0,15 х Величину дневной инсоляции 1м2 для рассчитываемого региона х КПД
4.2. Годовая мощность = 0,15 х Величину годовой инсоляции 1м2 для рассчитываемого региона х КПД
Для Москвы годовая мощность - энергия, получаемая за счет каждой вакуумной трубки, составляет:
Площадь поглощения одной трубки х Годовую инсоляцию в Москве х КПД коллектора
0,15м2 х 1173,7кВт*час/м2 х 0,67 = 117,95 кВт*час/м2
