Расчет плоского коллектора солнечной энергии

обеспечивают надежный отбор теплоты, поскольку теплоноситель протекает по одной трубке.

Изоляция предназначена для снижения тепловых потерь в окружающую среду. Прозрачная изоляция панели расположена на фронтальной поверхности панели и обычно состоит из одного или двух слоев стекла.

Площадь апертуры

Площадь апертуры коллектора - это максимальная проецируемая площадь, через которую может поступать солнечное излучение. В плоском коллекторе площадью апертуры является видимая зона защитного стекла, то есть область внутри рамы коллектора, через которую излучение попадает в коллектор.

Коэффициентом полезного действия солнечного коллектора называется доля солнечного излучения, попадающая на площадь апертуры коллектора, которая преобразуется в полезную тепловую энергию.

Коэффициент полезного действия зависит от рабочего состояния коллектора. Способ расчета КПД одинаков для всех типов коллекторов. Часть попадающего на коллектор солнечного излучения теряется вследствие отражения и поглощения на прозрачном покрытии и вследствие отражения от самой тепловоспринимающей панели. По соотношению интенсивности попадающего на коллектор излучения и мощности излучения, преобразующейся в теплоту, можно рассчитать оптический коэффициент полезного действия коллектора. Он обозначается, как η0(эта ноль).

Если коллектор нагревается солнечным излучением, то он теряет часть теплоты в окружающую среду вследствие теплопроводности материала коллектора, теплового излучения и конвекции (движения воздуха). Эти теплопотери можно рассчитать с помощью коэффициентов тепловых потерь k1 и k2 и разности температур ΔT (дельта Т) между поглощающей панелью и окружающей средой. Разность температур указывается в К (градусах Кельвина).

где η0 – оптический коэффициент полезного действия, доли от 1; k1 и k2 – коэффициенты тепловых потерь в окружающую среду;

Т – разность температур теплоносителя (воды) и наружного воздуха, К;

Еg – максимальная интенсивность (плотность) падающего на поверхность земли солнечного излучения, Вт/м2.

Еg = 1000 Вт/м2 при безоблачном небе.

η0, k1 и k2 – справочные величины для конкретного типа коллектора.

Как видно из формулы, коэффициент полезного действия падает при росте разности температур между коллектором и окружающей средой.

Если отбор теплоты из коллектора прекращается (т.е. насос не работает, а теплоноситель не циркулирует), коллектор нагревается до температуры стагнации – тепловые потери равны поглощенному излучению, а производительность равна нулю. Для плоских КСЭ это примерно 200 °С.

Методика расчета:

1) Среднемесячное дневное количество суммарной солнечной энергии, поступающей на наклонную поверхность плоского КСЭ определяется по формуле:

Eк RE , кВт·ч/м2·день

где Е - среднемесячное дневное количество суммарного солнечного излучения, поступающего на горизонтальную поверхность, кВт·ч /м2·день;

R - коэффициент пересчета суммарной среднемесячной дневной солнечной радиации, поступающих на наклонную и горизонтальную поверхности КСЭ;

где Е д - среднемесячное дневное количество диффузионной (рассеянной)

солнечной энергии, поступающей на горизонтальную поверхность, кВт·ч /м2·день;

R п - среднемесячная величина коэффициента перерасчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность;

- угол наклона КСЭ к горизонту, град, (Оптимальный угол наклона солнечного коллектора β к горизонту принимается для систем ГВС круглогодичного действия равным широте местности φ, для системы сезонного действия – равным широте φ минус 15°)

κ - коэффициент отражения (альбедо) для подстилающей поверхности Земли (от 0,2 до 0,8). Обычно летом 0,2, а зимой при наличии снежного покрова 0,7.

Среднемесячная величина коэффициента перерасчета прямого излучения с горизонтальной на наклонную поверхность определяется по формуле:

где φ - широта местности, град; δ - угол склонения солнца, град;

γз и γ/з - часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтального и наклонного положения КСЭ, град. За γ/з принимается меньшее из 2-х значений, а за γз – большее.

Часовой угол захода (восхода) Солнца для горизонтальной поверхности определяется по формуле:

зarccos tg tg , град.

Часовой угол захода (восхода) Солнца для наклонной поверхности определяется по формуле:

зarccos( tg( ) tg ) , град.

Угол склонения солнца определяется по формуле:

23,45 sin 360 284 n ,

365

где 23,45 – угол наклона условной земной оси относительно нормали к плоскости вращения Земли вокруг Солнца, град;

(Угол склонения Солнца (δ) зависит от вращения Земли вокруг Солнца, поскольку орбита вращения имеет эллиптическую форму и сама ось вращения тоже наклонена, то угол меняется в течение года от значения 23.45° (21 июня) до -23.45° (21 декабря). Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия.)

360 – значение полного оборота Земли вокруг Солнца за год, град; 284 – число суток от 21 марта до 31 декабря.

n – порядковый номер последнего дня рассматриваемого месяца.

2) Максимальное количество теплоты, получаемое в день с 1 кв. метра площади КСЭ определяется по формуле:

где пд - число дней в рассматриваемом месяце.

4) Определяется необходимая площадь апертуры КСЭ

FQтреб , м2

Qм

где Q треб- тепловая нагрузка системы, кВт·ч /мес.

Тепловая нагрузка системы горячего водоснабжения рассчитывается исходя из требуемой температуры нагрева воды и количества потребителей:

Qтреб Nч Vв q0 (Ттреб ТТН ),кВт ч / мес

где Nч – количество человек, потребляющих воду; Vв – расход воды на 1 человека в месяц, л/мес;

q0 – удельный расход энергии на нагрев 1 литра воды на 1 градус, Вт·ч/л;

Ттреб – требуемая температура воды, °С; ТТН – температура теплоносителя, °С.