Расчет вакуумного солнечного коллектора

Когда потребитель задумывается о покупке какого-либо энергетического оборудования - будь то водонагреватель, газовый или твердотопливный котел, дизель генератор и т.д. (вплоть до банального утюга или чайника) - он задает себе вопрос: а какой мощности оборудование мне необходимо? 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.

Факторы влияния на работу вакуумного 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:

  • 1) Уровень инсоляции (солнечного излучения) в той географической точке и те месяцы, в которые рассчитывается эксплуатация оборудования;
  • 2) 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);
  • 3) 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);
  • 4) 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 - исходная точка расчета ее мощности

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 SCH-30, имеющей в своем составе 30 вакуумных трубок стандартного типоразмера. Определив эффективную площадь поглощения одной трубки и умножив ее на 30 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 * 30 шт. = 2,77 м2. Аналогичным образом можно получить, что у коллектора модели SCH-18 (18 вакуумных трубок) эффективная площадь поглощения составит 1,66 м2, у модели SCH-20 (20 вакуумных трубок) - 1,86 м2, а у модели SCH-24 (24 вакуумных трубки) - 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 SCH-30 выработает 2,77 м2 * 1173,7 кВт*ч/м2 = 3251,15 кВт*ч, но с учетом КПД=80% только примерно 2600,0 кВт*ч.

По такому же методу легко произвести расчет производимой вакуумным солнечным коллектором энергии с любым другим количеством трубок. Например, вакуумный коллектор модели SCH-20 (20 вакуумных трубок) выработает за год 1173,7 кВт*ч/м2 * 1,86 м2 * 0,8 = 1746,0 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. Оптимальный угол наклона площадки.


Тем ни менее хочется сказать, что подбор оборудования - процесс сугубо индивидуальный для каждого клиента. Самостоятельный просчет мощности дает лишь весьма приблизительные значения, а риск не учесть один, казалось бы, незначительный фактор, может заметно снизить КПД системы. Доверяя расчет солнечного коллектора профессионалам, легко стать обладателем максимально эффективного оборудования. Но в любом случае 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 сильно 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. Наши специалисты берут для своих расчетов КПД равным 0,8 (или 80%). А во-вторых мы вам дает схему примерного, оценочного расчета мощности того или иного оборудования. 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. Одновременно обращаем внимание на то, что специалистами нашего предприятия отработаны некоторые методы повышения эффективности работы коллекторов за счет дополнительных технических решений.

В заключении, тем ни менее, хочется обратить ваше внимание, что приведенные в статье данные и методика носят примерный, оценочный характер.


ООО "Энерготрейд МСК" © 2017 г.