Про эффективность и КПД солнечного коллектора

В данной статье мы попытаемся изложить основные формулы для расчёта КПД солнечного коллектора (СК), максимально простым языком. Солнечный коллектор (водонагреватель) предназначен для преобразования солнечного излучения в тепло для нагрева жидкого теплоносителя или просто воды.

В первую очередь нас интересует КПД, или Эффективность, т.е. какую часть от мощности падающего солнечного излучения, коллектор способен преобразовать в нагрев теплоносителя.

Мощность падающего солнечного излучения обозначим буквой - G

Полезную Мощность Солнечного Коллектора - Q

Q (Полезная мощность коллектора (dT)) = G (Падающая мощность ) - P (Тепловые потери Солнечного коллектора)

Стандартный график для Полезной мощности приведен на рис.1.

Рис.1

Ось Х: - дельта Т (dT ) разница между температурами окружающей среды и теплоносителя в Солнечном Коллекторе.

Ось Y: Q (Полезная мощность коллектора от (dT) или КПД.

Это стандартный вид графика эффективности для любых Солнечных коллекторов (Водонагревателей).

Любой солнечный коллектор характеризуется сложной функцией тепловых потерь P от dT . Но на практике, удобнее всего работать не с функцией тепловых потерь P от dT, а с её приближением в виде ряда Тейлора второго порядка.

Institute fur Solar energie forscung GmbH, сертифицирующий Солнечные коллектора в Германии, в отчётах указывает все необходимые коэффициенты квадратичного приближения, что позволяет с хорошей точностью вычислять полезную мощность солнечного коллектора, в зависимости от условий эксплуатации.

Формула Полезной мощности коллектора Q от (dT) приобретает понятный вид.

Q= G"(&)*K(&)*R- a1* dT - a2*(dT)^2

G - Мощность падающего излучения перпендикулярно плоскости Солнечного коллектора G" = G*cos(&) - Мощность при угле падения &.

& - угол падения лучей

Рис.2

K(&) - IAM (Incidence Angle Modifier) - Коэффициент учитывающий потери в мощности солнечного коллектора в зависимости от угла падения солнечных лучей. Обычно приводится значение для угла &=50°.

Для хорошего Плоского Солнечного Коллектора
К(50°) около 0.92
К(70°) около 0.55

Для Вакуумного Солнечного Коллектора
К(50°) около 1.42
К(70°) около 1.50

R - оптический КПД, учитывающий эффективную площадь абсорбера, коэффициент теплопередачи от абсорбера к жидкому теплоносителю и потери на прозрачности светопропускающего покрытия. Численно равен мощности при нулевой дельте температур.

РЕМ: У вакуумного коллектора K(&) растёт с отклонением от нормали, за счёт цилиндрической формы абсорбера, компенсируя уменьшение мощности G*cos(&).

dT- разница между температурами окружающей среды и теплоносителя в Солнечном Коллекторе.
a1 и a2 тогда имеют понятный физический смысл:
a1 - теплопотери теплопроводностью
a2 - теплопотери излучением.

Для хорошего Плоского Солнечного Коллектора
a1, около 4 Ватт/(m^2*T)
a2, около 0.015 Ватт/(m^2*T^2)

Для Вакуумного Солнечного Коллектора
a1, около 1.8 Ватт/(m^2*T)
a2, около 0.005 Ватт/(m^2*T^2)

Теперь вернёмся к нашему графику.

Первая точка - это пересечение с осью Y - максимальная Мощность Солнечного Коллектора при dT = 0

Вторая точка - это пересечение с осью Х - это температура стагнации или максимальная дельта при Q = 0 (нулевой производительности).

Из за наличия - a2*(dT)^2, график не прямая линия соединяющая макс мощность и температуру стагнации, а парабола загибающаяся вниз.

Теперь, имея формулу полезной мощности, мы можем её наглядно проанализировать и понять, что с чем связано и от чего как зависит.

Температура стагнации

Температура стагнации в основном определяется характеристиками Селективного Покрытия (на внутренней колбе в вакуумной трубке и на абсорбере в плоском коллекторе). Связано это с тем, что существенный вклад в тепловые потери солнечного коллектора при максимальных температурах, вносит член a2*(dT)^2, ответственный за переизлучение. В экспериментах можно не пропуская воду, просто измерив температуру стагнации, оценить качество Селективного покрытия.

Прозрачность светопропускающего покрытия

Прозрачность светопропускающего покрытия солнечному излучению. Поднимает весь график выше, увеличивая оптический КПД, за счёт большего пропускания энергии вовнутрь солнечного коллектора. Чем выше прозрачность, тем выше КПД.

Количество стёкол

Уменьшает Максимальную мощность при dT=0, но и уменьшает наклон графика, что может быть более выгодно при больших dT. Может повышать температуру стагнации

Качество и количество утепления корпуса

Почти не влияет на Максимальную мощность, но уменьшает наклон графика и увеличивает температуру стагнации.

Абсорбер

Абсорбер - это ключевой элемент солнечного коллектора. Нужно не только нагреть поглощающую поверхность, но и эффективно передать это тепло жидкому теплоносителю. По законам физики коэффициент теплопередачи зависит от толщины материала, по этому тонкая медная тепловоспринимающая панель в плоском коллекторе может быть менее эффективна, чем более толстая алюминиевая или стальная.

Теплообмен между теплосъемными трубками и жидкостью зависит от площади их контакта. По этому, тонкая медная трубка маленького диаметра, при передаче тепла жидкому теплоносителю, может работать хуже, чем такая же стальная, но большего диаметра, имеющая большую площадь поверхности теплообмена с жидкостью.

Рис.3

По этим причинам очень часто абсорбер, сделанный из тонкой меди с тонкими медными теплосъемными трубками, работает хуже, чем из толстого алюминия или стали с трубками большего диаметра. Происходит уменьшение коэффициента теплопередачи тепла от тепловоспринимающей панели к теплоносителю, что приводит к увеличению температуры абсорбера при той же температуре теплоносителя, за счёт меньшей скорости теплообмена. Большая температура абсорбера увеличивает тепловые потери и теплопроводностью и переизлучением, уменьшая КПД коллектора. Температура стагнации может не изменяться, однако максимальная мощность и полезная мощность сползают вниз по оси Y, как бы смещаясь по оси Х, (dT) вдоль графика при прочих равных параметрах, как показано на Рис.3.

Популярные статьи: