У даній статті ми спробуємо викласти основні формули для розрахунку ККД сонячного колектора (СК), максимально простою мовою. Сонячний колектор (водонагрівач) призначений для перетворення сонячного випромінювання в тепло для нагріву рідкого теплоносія або просто води.
В першу чергу нас цікавить ККД, або Ефективність, тобто яку частину від потужності падаючого сонячного випромінювання, колектор здатний перетворити в нагрів теплоносія.
Потужність падаючого сонячного випромінювання позначимо літерою - G
Корисну Потужність Сонячного Колектори - Q
Q (Полезная_мощность_коллектора (dT)) = G (Падаюча потужність) - P (Теплові втрати Сонячного водонагрівача)
Стандартний графік для Корисною потужності наведено на рис.1.
- Вакуумний сонячний колектор
- Плоский сонячний колектор
- Відкрита светопоглощающую поверхню
Ось Х: -Дельта Т (dT) різниця між температурами навколишнього середовища і теплоносія в сонячних колекторів.
Ось Y: Q (Полезная_мощность_коллектора від (dT)) або ККД.
Це стандартний вид графіка ефективності для будь-яких Сонячних Водонагрівачів.
Будь Сонячний колектор характеризується складною функцією теплових втрат P від dT. Але на практиці, найзручніше працювати не з функцією теплових втрат P від dT, а з її наближенням у вигляді ряду Тейлора другого порядку.
Institute fur Solarenergieforscung GmbH, сертифікуючий Сонячні колектори в Німеччині, в звітах вказує всі необхідні коефіцієнти квадратичного наближення, що дозволяє з хорошою точністю обчислювати корисну потужність сонячного колектора, в залежності від умов експлуатації.
Формула Полезной_мощності_коллектора Q від (dT) набуває зрозумілий вид.
Q = G "( ) * K ( ) * R- a1 * dT - a2 * (dT) ^ 2
G - Потужність падаючого випромінювання перпендикулярно площині Сонячного колектора G "= G * cos () - Потужність при куті падіння .
- кут падіння променів
K ( ) - IAM (Incidence Angle Modifier) -Коефіцієнт враховує втрати в потужності сонячного колектора в залежності від кута падіння сонячних променів. Зазвичай наводиться значення для кута = 50º.
Для хорошого Плоского Сонячного Колектори
К (70º) близько 0.55
Для Вакуумного Сонячного Колектори
К (50º) близько 1.42
R - оптичний ККД, що враховує ефективну площу абсорбера, коефіцієнт теплопередачі від абсорбера до рідкого теплоносія і втрати на прозорості світлопропускаючого покриття. Чисельно дорівнює потужності при нульовій дельті температур.
РЕМ: У вакуумного колектора K ( ) Росте з відхиленням від нормалі, за рахунок циліндричної форми абсорбера, компенсуючи зменшення потужності G * cos ().
dT - різниця між температурами навколишнього середовища і теплоносія в сонячних колекторів.
a1 і a2 тоді мають зрозумілий фізичний зміст:
a2 - тепловтрати випромінюванням.
Для хорошого Плоского Сонячного Колектори
a1, близько 4 Ватт / (m ^ 2 * T)
Для Вакуумного Сонячного Колектори
Тепер повернемося до нашого графіку.
Перша точка це перетин з віссю Y - максимальна потужність Сонячного Колектори при dT = 0
Друга точка це перетин з віссю Х це температура стагнації або максимальна дельта при Q = 0 (нульовий продуктивності).
Через наявність - a2 * (dT) ^ 2, графік не пряма лінія з'єднує макс потужність і температуру стагнації, а парабола загинається вниз.
Тепер. маючи формулу корисної потужності, ми можемо її наочно проаналізувати і зрозуміти. що з чим пов'язане і від чого як залежить.
Температура стагнації в основному визначається характеристиками Селективного Покриття. Пов'язано це з тим, що істотний внесок в теплові втрати сонячного колектора при максимальних температурах, вносить член a2 * (dT) ^ 2, відповідальний за переизлучение. В експериментах можна не пропускаючи воду, просто вимірявши температуру стагнації, оцінити якість Селективного покриття.
- Прозорість світлопропускаючого покриття
Прозорість світлопропускаючого покриття сонячного випромінювання Піднімає весь графік вище, збільшуючи оптичний ККД. за рахунок більшого пропускання енергії всередину сонячного колектора.
Зменшує Максимальну потужність при dT = 0, але і зменшує нахил графіка, що може бути більш вигідно при великих dT. Може підвищувати температуру стагнації.
- Якість і кількість утеплення корпусу
- майже не впливає на Максимальну потужність, але зменшує нахил графіка і збільшує температуру стагнації.
Абсорбер - це ключовий елемент сонячного колектора. Потрібно не тільки нагріти поглинаючу поверхню, але і ефективно передати це тепло рідкого теплоносія. За законами фізики коефіцієнт теплопередачі залежить від товщини матеріалу, з цього тонка мідна теплосприймаючої панель може бути менш ефективною, ніж більш товста алюмінієва або сталева.
Теплообмін між теплос'емнимі трубками і рідиною залежить від площі їх контакту. З цього тонка мідна трубка маленького діаметру, при передачі тепла рідкого теплоносія, може працювати гірше, ніж така ж сталева, але більшого діаметру, що має велику площу поверхні теплообміну з рідиною.
З цих причин дуже часто абсорбер, зроблений з тонкої міді з тонкими мідними теплос'емнимі трубками, працює гірше, ніж з товстого алюмінію або сталі з трубками більшого діаметра. Відбувається зменшення коефіцієнта теплопередачі тепла від теплосприймаючої панелі до теплоносія, що призводить до збільшення температури абсорбера при тій же температурі теплоносія, за рахунок меншої швидкості теплообміну. Велика температура абсорбера збільшує теплові втрати і теплопровідністю, і випромінюванням, зменшуючи ККД колектора. Температура стагнації може не змінюватися, проте максимальна потужність і корисна потужність сповзають вниз по осі Y, як би зміщуючись по осі Х, (dT) уздовж графіка при інших рівних параметрах, як показано на Рис.2.
Яка конструкція сонячного колектора підійде саме вашому будинку можна дізнатися тут.