Солнечные установки

Вопрос, сколько тепла вырабатывает солнечная установка, интересует многих. Попробуем разобраться.

Количество теплоты, получаемое солнечной установкой в солнечный день, определяется следующими двумя факторами:

1.         имеющейся инсоляцией, которую определяет местоположение объекта (географическая широта и долгота), установка коллектора и время года

2.         от КПД солнечного коллектора.Существуют расчеты инсоляции на наклонную поверхность. А вот как рассчитать КПД коллектора при определенной рабочей температуре, приведено ниже.

Термические и оптические потери при работе солнечного коллектора.

Оптические потери составляют обычно от 14% до 21%, а термические зависят от температуры и могут заметно превысить оптические.

Потеря тепла солнечного коллектора.

В идеале, солнечный коллектор должен получать (абсорбировать) все излучаемое количество теплоты и передавать ее жидкости, которая течет по солнечному коллектору. По причине обязательного использования стеклянных частей и высокой температуры коллектора в сравнении с окружающей средой, потери тепла неизбежны. Вот их примерный список:

1. отражение солнечного излучения верхней частью стеклянного покрытия коллектора (1,5-4%).

2. поглощение стеклянным покрытием (1%).

3. отражение солнечного излучения нижней частью стеклянного покрытия (1,5-4%).

4. отражение абсорбером (5%).

5. эмиссия теплового излучения из абсорбера (5-12%). Эти потери определяются как оптические и зависят от угла падения солнечных лучей. Приведенные проценты рассчитаны для вертикального положения коллектора. При наклонном расположении следует ожидать еще более высокие потери. В зависимости от коллектора оптические потери составляют 14-21%.

Наряду с ними существуют и термические потери:

1. диффузное излучение тепла и

2. конвекция (нагрев внешнего воздуха), которая проявляется тогда, когда коллектор теплее окружающей среды. А так как во время эксплуатации коллектор обычно заметно теплее окружающей среды,  поэтому термические потери, как правило, превышают оптические.

Описанные оптические потери тепла действуют для КПД η0, который указан в технических характеристиках солнечного коллектора.

Термические потери можно рассчитать при помощи коэффициента потери тепла к1 и к2, если разница температур dT между солнечным коллектором и окружающей средой известна. Единица измерения к1: W/(qm*K) ватт разделить на квадратный метр, умноженный на Кельвин, к2: W/(qm*K^2) ватт разделить на квадратный метр, умноженный на Кельвин в квадрате. Это кажется очень запутанным, поэтому в Интернете очень часто встречаются ошибки в расчетах. А идея на самом деле проста: надо умножить к1 на разницу температур в Кельвинах, тогда получается излучаемое коллектором количество теплоты в Ваттах. К сожалению, соотношение потери тепла к разнице температур не линеарно. И расчеты при большой разнице температур не дают верный результат.

Чтобы избежать ошибки используют к2, который меньше к1, но умножается на квадрат разницы температур k2*dT*dT.Оба коэффициента показывают тепловые потери в ваттах на метр квадратный. qm = k1 * dT + k2 * dT * dT.

Чтобы рассчитать необходимое количество тепла, сначала надо умножить мощность солнечного излучения (В Ваттах на метр квадратный) с оптическим КПД η0, и вычесть из результата термические потери

Необходимое тепло (W/qm) = излучение (W/qm) * η0 - k1*dT - k2*dT*dT

ПРИМЕР

Излучение солнечного коллектора составляет 800W/qm, температура солнечного коллектора 90°C и КПД η0=80%, коэффициенты составляют k1=4W/m/K и k2=0.01W/m/K2, температура окружающей среды  25°C, тогда разница температур составляет dT=90-25=65.

Необходимое тепло = 800 * 0.8 - 4*65 - 0.01*65*65 = 338 W/qm Чтобы рассчитать количество энергии, которое можно получить в солнечный день при помощи солнечного коллектора, необходимо знать точные показатели температуры коллектора и различие мощности излучения в течение дня.