Солнечный коллектор. Мощность.

Вакуумный солнечный коллектор, как определить тепловую мощность?

        Как подобрать солнечный коллектор? Как определить, сколько тепловой энергии можно получить от одной трубки солнечного коллектора? От одного квадратного метра солнечного коллектора? Какова эффективность солнечного коллектора в конкретном регионе? 

Метод расчета тепловой мощности солнечного коллектора для определенного региона.

        Мы предлагаем простой способ, позволяющий на основе данных о солнечной активности в заданном регионе и площади поглощения солнечного коллектора, произвести ориентировочный расчет количества тепловой энергии, которое можно получить в конкретном регионе: от одной трубки солнечного коллектора, одного квадратного метра солнечного коллектора, за день, дачный сезон, за год. Чтобы оценить, насколько полно солнечный коллектор может обеспечить нас тепловой энергией используем следующие статистические данне. По статистике, "обычное" домохозяйство использует 2- 4кВт тепловой энергии для потребления горячей воды, на человека в день.  

Исходные данные для расчета тепловой мощности солнечного коллектора.

        Количество тепловой энергии, которое вырабатывает солнечный коллектор, зависит от:

1) Региона эксплуатации солнечного коллектора

2) Площади поглощения солнечного коллектора

3) КПД

4) Угла наклона солнечного коллектора по отношению к солнечному излучению

Принимаем:

1) Нам известно количество солнечной энергии на поверхности земли - инсоляция квадратного метра за год, для определенного региона России.

Напомним, что инсоляция одного квадратного метра, в разрезе регионов России, указана в таблицах, которые приведены в статье "Количество солнечной энергии в регионах России". 

"Показательные" расчеты будем проводить для Москвы и Московской области, а потом потренируемся на расчетах для Краснодара.

2) Площадь поглощения известна из документации.

3) КПД вакуумного солнечного коллектора принимаем ~ 67% - 80%*.

4) Принимаем угол наклона "плоскости" солнечного коллектора к солнцу - оптимальный для данного региона.

* КПД = 67% - это значение для "среднестатистического" коллектора, которое приводят в технической литературе для "старых" моделей. КПД современных коллекторов достигает 85%. Мы применили в расчетах среднестатистический КПД = 67% для получения более "честных" значений. В результате все показатели получились немного заниженными, по сравнению со значениями, полученными нами при испытаниях реальной вакуумной трубки солнечного коллектора - одной из тех, что мы предлагаем в магазине.

        При упоминании вакуумных трубок, имеем в виду "стандартные" вакуумные трубки, которые используют большинство производителей, с характеристиками:

• Длина - 1800±5мм
• Внешний диаметр трубки - 58±0.7мм
• Толщина внешней стеклянной трубки - 1.8±0.15мм
• Внутренний диаметр трубки - 47±0.7мм
• Толщина внутренней стеклянной трубки - 1.6±0.15мм
• Материал стекла - боросиликатное стекло 3.3мм
• Уровень вакуума -между стенками трубки P ≤ 5 х 10-3Па
• Степень поглощения > 91%
• Потери солнечного излучения < 8% (80С±1,5С)
• Макс. температура  270С  -  300С℃
• Номинальное давление - 0.6МПа
• Средний коэффициент тепловых потерь - ≤0.6W/(m2)

Трехслойное покрытие вакуумной трубки -  улучшенное селективное поглощающее покрытие:

• Композит - медь, нержавеющая сталь, алюминий (CU/SS-ALN(H)SS/ALN(L)/ALN)

• Метод нанесения  - DS реактивное напыление.
  

На заметку.

        Если для Вашего региона нет точных данных в таблицах, то можно использовать информацию, указанную на карте инсоляции регионов России, на которой цветом указано ориентировочное значение доступной энергии на одном квадратном метре горизонтальной (не оптимальной) площадки, то есть не для оптимального угла наклона солнечного коллектора.

        Для определения инсоляции для оптимального угла наклона "плоскости" вакуумного коллектора, эмпирическим путем мы установили, для того чтобы перевести количество энергии указанное для горизонтальной площадки, в энергию, получаемую с площадки с оптимальным углом наклона, необходимо значение, указанное для горизонтальной площадки умножить на 1,2. 

        Например, для Москвы в таблице "Дневная сумма солнечной радиации, кВт*ч/м2 горизонтальная площадка" указано среднесуточное (доступное в течение суток) значение энергии солнечного излучения = 2,63кВт*ч/м2. То есть, в год доступно для горизонтальной площадки 2,63 * 365(дн) = 959,9кВт*ч/м2. Для оптимальной площадки - из таблицы "Месячные и годовые суммы солнечной радиации, кВт*ч/м2. Оптимальный наклон площадки" видим, что в год для Москвы, в случае оптимального угла наклона,  доступно 1173,7кВт*ч/м2. Вычисляем коэффициент для оптимальной площадки 1173,3 /  959,9 = 1,22.

        Метод не претендует на высоконаучный, но, как говориться, лучше иметь не очень точный инструмент, чем не иметь никакого. 

Расчеты.

        Для начала проверим, насколько соответствует действительности значение площади поглощения трубчатого вакуумного солнечного коллектора, указываемое производителями и поставщиками.

        В документации на "Водонагреватель, на солнечном коллекторе без давления из 15-ти вакуумных трубок", то есть на модель "Дача-1",  указана площадь поглощения 2,35м2.

Известно, что длина вакуумной трубки 1800мм, то есть 1,8м.

Диаметр трубки 58мм. то есть 0,058м. 

Трубка вакуумного коллектора - это цилиндр, площадь боковой поверхности цилиндра вычисляется по формуле:

 S = 2*3,14*H*R   или через диаметр  S = 3,14*H*D

 где 3,14 - число Пи, R - радиус цилиндра, H - высота цилиндра(длина стороны), D - диаметр цилиндра. Диаметр трубки нам известен, поэтому воспользуемся формулой, в которой участвует диаметр.

Площадь трубки = 3,14 * 1,8 * 0,058 = 0,3278м2

Принимаем с округлением, что площадь одной трубки вакуумного солнечного коллектора равна 0,33м2. Тогда, площадь всех трубок солнечного коллектора  =  0,33*15 = 4,95м2.

        Трубки солнечного коллектора преобразуют излучение в тепло всей площадью, однако наиболее эффективно преобразование на освещенной стороне трубок, то есть, чтобы определить площадь поглощения, надо разделить общую площадь трубок коллектора на 2. Получаем  площадь поглощения всех трубок солнечного коллектора  из 15-ти трубок 4,95м2 / 2 = 2,47м2. В документации на солнечный коллектор указана площадь поглощения  2,35м2.

        То есть, в документации на солнечный коллектор указана информация о площади поглощения с учетом того, что часть каждой трубки вставлена в бак коллектора, а часть закрыта фиксатором - креплением на раму.

Практические выводы.

        1. В документации на солнечные коллекторы действительно указана именно поглощающая площадь солнечного коллектора.

        2. Если брать за основу технические данные из документации реального коллектора, то площадь поглощения одной трубки можно определить, используя эти данные. Тогда, если 15-ть трубок составляют 2,35м2 поглощающей площади, то одна трубка 2,35м2  / 15 = 0,156(6)м2 или округленно 0,15м2.  

I. Площадь поглощения одной трубки = 0,15 м2

        3. Зная площадь поглощения одной трубки, можно определить, сколько трубок составляют один квадратный метр поглощающей поверхности солнечного коллектора. Это интересно, так как во всех таблицах солнечной энергетики приводятся данные в расчете на 1м2. Итак, 1м2 / 0,15м2 = 6,66(6), то есть округленно - один квадратный метр поглощающей поверхности коллектора - это семь вакуумных трубок солнечного коллектора.

II. 1м2 поглощающей поверхности солнечного коллектора = 7 вакуумных трубок

       4. Тепловая мощность одной вакуумной трубки. Эта информация позволит рассчитывать, какое количество трубок должно быть в солнечном коллекторе для получения необходимой тепловой мощности:

4.1. Дневная мощность = 0,15 х Величину дневной инсоляции 1м2 для рассчитываемого региона х КПД

4.2. Годовая мощность =  0,15 х Величину годовой инсоляции 1м2 для рассчитываемого региона х КПД

         Для Москвы годовая мощность - энергия, получаемая за счет каждой вакуумной трубки, составляет:

Площадь поглощения одной трубки х Годовую инсоляцию в Москве х КПД коллектора

0,15м2 х 1173,7кВт*час/м2 х 0,67 = 117,95 кВт*час/м2

Для примера, пересчитаем по этой формуле мощность трубок, предлагаемых в нашем каталоге солнечных коллекторов, КПД которых ~ 80%.

0,15м2 х 1173,7кВт*час/м2 х 0,8 = 140,8 кВт*час/м2

        Для того чтобы рассчитать годовую эффективность одной трубки в любом регионе, необходимо в формулу выше, подставить значение годовой инсоляции - солнечную энергию доступную в интересующем Вас регионе. То есть, вместо 1173,7 подставить значение для региона. Также можно рассчитать и дневную мощность в конкретном регионе. 

III. Годовая мощность, вырабатываемая одной трубкой коллектора в Москве =  от 117,95 до 140кВт*час/м2

IV. Средняя по году суточная производительность тепловой энергии, одной вакуумной трубки в Москве = 0,323кВт*час,

V. В июле суточная мощность одной трубки составит 0,543кВт*час  

 солнечный коллектор работает только при свете и указанную мощность мы "выберем" за световой день!    

        5. Доступная годовая экономия энергии за счет эксплуатации одного квадратного метра солнечного коллектора ( 7 - мь трубок) для Москвы и Московской области составляет:

117,95 кВт*час/м2 * 7 = 825,6 кВт*час/м2

    VI. Энергия вырабатываемая за год одним квадратным метром солнечного коллектора в Москве =  825,6 кВт*час/м2,

при этом, например летом, в июле мощность солнечного коллектора площадью 1м2 составит 117,9кВт*час/м2

        То есть, для Москвы и Подмосковья получаем, что используя солнечный коллектор из 15-ти вакуумных трубок, с площадью поглощения 2,35м2, за дачный сезон - с Апреля по Сентябрь (включительно), когда суммарное значение инсоляции за все месяцы сезона составляет 874,2 кВт*час/м2, мы получим 874,2 * 2,35 * 0,67(КПД) = 1376,427кВт - почти 1,4 МегаВатта бесплатной тепловой энергии, то есть, около 8кВт в день.

        Обратимся к статистическим данным, приведенным в начале статьи - домохозяйство использует 2- 4кВт тепловой энергии для потребления горячей воды, на человека в день. Это данные по общему расходу энергии для приготовления горячей воды, которая была израсходована на все нужды, то есть на душ, мытье посуды и прочие цели. Из расчетов для 15-ти трубочного солнечного коллектора, эксплуатируемого в Москве, видно, что в дачный сезон, его производительности хватит для обеспечения горячей водой семьи из двух, трех человек. Получается, что если максимально учесть неблагоприятные обстоятельства, как то - пасмурное лето, дожди, то все равно за электроэнергию для подогрева воды придется платить минимум, а в солнечное лето - не придется платить вовсе!

 Попробуем рассчитывать мощность солнечного коллектора из 18-ти трубок для Краснодара.

        Для тренировки рассчитаем, сколько энергии для дома мы получим за год, от солнечного коллектора из 18 -ти вакуумных трубок, в Краснодаре.

Из таблицы в статье "Количество солнечной энергии в регионах России", видно, что годовая солнечная энергия доступная для преобразования в тепло, для Краснодара составляет  1433 кВт*ч/м2. Площадь поглощения солнечного коллектора из 18 -ти трубок составляет 2,8м2. КПД вакуумных солнечных коллекторов 67%.

        Рассчитываем количество тепловой энергии от солнечного коллектора в Краснодаре = 1433 * 2,8 * 0,67 = 2688,3 кВт.

ИТОГО:

За год эксплуатации в Краснодаре, солнечного коллектора из 18-ти  вакуумных трубок, мы получим 2688,3кВт тепловой энергии, то есть почти 3 МегаВатта бесплатной тепловой энергии!

        Таким образом, зная расходы энергии на отопление и гвс, объемы потребности в горячей воде, можно рассчитать, какая конфигурация солнечного оборудования - какой солнечный коллектор из скольких вакуумных трубок с каким гидроаккумулятором - бойлерным баком (какого объема) даст наилучший эффект для экономии расхода традиционных энергоносителей на горячее водоснабжение и отопление.

        Еще раз хотим обратить Ваше внимание на тот факт, что все справочные данные для расчета мощности солнечного коллектора, мы взяли из справочников предоставляющих обобщенные и усредненные данные. В результате, например, в расчетах мы получили суточную мощность одной трубки коллектора, в июле для Москвы, равную  0,543кВт*час. На практике в майский день с переменной облачностью мы получили мощность одной реальной вакуумной трубки около 1кВт*час!

        Интересно также и то, что солнечный коллектор в системе "Дача-1", эффективнее коллектора в сплит системе (системе с передачей тепла теплоносителю), так как трубки системы "Дача-1" без тепловых стержней и передают тепло прямо воде, которая в них находится - без "посредников",  но в этом и недостаток системы "Дача-1" -  это сезонность её эксплуатации. Дело в том, что при отрицательных температурах воздуха, ночью,  когда трубки коллектора не нагреваются, вода в трубках замерзает, поэтому воду из коллектора без давления на зиму надо сливать.

---

 ПЕРЕЙТИ В КАТАЛОГ ОБОРУДОВАНИЯ