Кпд солнечного коллектора: Основные характеристики и критерии оценки солнечных коллекторов Viessmann

Разное

25.03.2023
Комментарии: 0

Основные характеристики и критерии оценки солнечных коллекторов Viessmann

Viessmann более 30 лет назад начала разработку и производство установок для использования солнечной энергии и получила в этой области большой опыт.
Благодаря высокой температуре, Солнце является особенно сильным источником излучения. Диапазон видимого солнечного излучения представляет лишь малую часть всего спектра излучения, но имеет при этом самую высокую интенсивность излучения. Во внутренней части Солнца протекают процессы ядерного синтеза, при которых из атомов водорода синтезируются атомы гелия. Вследствие этого происходит высвобождение энергии, разогревает внутреннюю часть Солнца до температуры 15000000 градусов Цельсия. Интенсивность излучения на поверхности Солнца составляет 63 МВт / м2. Суточное количество энергии, которая излучается с 1 м2 эквивалентно теплоте сгорания 151 200 л мазута и составляет 1512000 кВтч.
Коллекторы – это генераторы теплоты, которые во многом отличаются от традиционных источников. Самое большое отличие заключается в том, что источником энергии для получения теплоты, является не традиционное топливо, а солнечное излучение.
Успешная работа солнечной установки зависит не только от коллекторов, но и от рационального использования всех компонентов, имеющихся в системе. Поэтому для эффективного использования коллекторов Viessmann рассмотрим основные характеристики и критерии оценки.
Начнем с коэффициента полезного действия (КПД).

КПД солнечного коллектора называется доля солнечного излучения, попадающего на площадь апертуры коллектора, которая превращается в полезную тепловую энергию (рис.1).

Площадью апертуры называется поверхность коллектора, на которую эффективно действует солнечное излучение. Коэффициент полезного действия зависит также и от рабочего состояния коллектора. Часть солнечного излучения, попадающего на солнечный коллектор теряется вследствие отражения и поглощения на прозрачном покрытии и вследствие отражения на абсорбере. По отношению интенсивности солнечного излучения, попадающего на коллектор и мощности излучения, превращается в теплоту на абсорбере, можно рассчитать оптический коэффициент полезного действия (η0).
Теплопотери рассчитываются с помощью коэффициентов тепловых потерь к1 и к2 и разницы температур ΔТ между абсорбером и окружающей средой. Все эти характеристики указываются в техническом паспорте на коллектор.
Таким образом, коэффициент полезного действия коллектора:


η = η0 – (k1 · ΔT) / EG – (k2 · ΔT2) / EG.

В соответствии с этими характеристиками и значением интенсивности солнечного излучения Eg, можно отобразить коэффициент полезного действия в виде графика (рис. 2).

Максимальный КПД достигается в том случае, если разница температур коллектора и температуры окружающей среды равна нулю и коллектор не имеет тепловых потерь в окружающую среду.
Температура стагнации. Если отбор теплоты от коллектора прекращается (теплоноситель не циркулирует, насос не работает), то коллектор нагревается до так называемой температуры стагнации. В этом случае тепловые потери равны излучению, поглощалось, производительность коллектора равна нулю. Плоские коллекторы достигают температуры стагнации при температуре выше 200 0С, а вакуумные трубчатые – около 300 С.
Мощность солнечного коллектора. Максимальная мощность коллектора определяется как произведение оптического коэффициента полезного действия η0 и максимального значения падающего излучения 1000 Вт / м2.
Расчетная мощность определяется для проектирования солнечной системы. Она используется для подбора оборудования, и прежде всего, для подбора теплообменника. В качестве нижней границы рекомендуется удельная мощность коллектора – 600 Вт / м2 – при низких температурах, то есть в режиме эксплуатации с ожидаемо высоким КПД. Все компоненты системы и пакетные солнечные системы Viessmann рассчитаны с учетом этого значения мощности коллектора.
Еще встречается понятие установленной мощности. Она составляет 700 Вт / м2 площади абсорберу (усредненная мощность при максимально падающем излучении). Эта величина не влияет на проектирование солнечной системы Viessmann.
Производительность солнечного коллектора определяется как произведение средней ожидаемой мощности (кВт) на соответствующую единицу времени (год). Полученное значение в кВт в год относят к квадратному метру площади коллектора или площади апертуры и получают значение в кВт ч / м2. Это значение, отнесенное к количеству дней, важно для определения параметров баке-аккумулятору солнечной системы Viessmann. Удельная производительность коллектора в год указывается в кВт ч на м2 площади и является важной характеристикой для определения параметров и режима эксплуатации установки. Чем выше значение, тем больше теплоты производится для системы теплопотребления. Это значение особенно высокое, если поверхность коллектора оптимально ориентирована и не имеет затенение. В солнечных системах Viessmann для повышения производительности и эксплуатационных характеристик целесообразно увеличить угол наклона, поскольку оптимальная производительность имеет решающее значение для переходного и зимнего сезона. Летом, если солнечная система используется только для нагрева воды, увеличение угла наклона коллектора позволяет уменьшить избыток энергии (рис. 3). Таким образом, в течение года теплота производится более равномерно и производительность солнечной системы оказывается выше, чем в случае выбора ориентации коллектора на максимальное излучение.

Доля замещения тепловой нагрузки за счет солнечной энергии. Для проектирования солнечной системы замещения тепловой нагрузки – вместе с производительностью – является еще одним важным критерием оценки. Чем большая доля замещения, тем больше экономия энергии. Проектирование эффективной солнечной системы Viessmann – это поиск компромисса между производительностью и судьбой замещения тепловой нагрузки. Разумным компромиссом является, как правило, компромисс между инвестиционными затратами на солнечную систему и экономией энергии. Обычно, судьба тепловой нагрузки составляет 50-60% в ГВС (небольшие солнечные системы), а для многоэтажек – 30-40% ГВС (большие солнечные системы) (рис. 4). При замене части нагрузки на отопление указывается среднее (стандартное) значение, поскольку здесь судьба замещения в большей степени зависит от теплотехнических характеристик помещения.


Принципиально одно: чем больше доля замещения, тем меньше удельная производительность на квадратный метр площади коллектора – из-за невозможности избежать «перепроизводства тепла» летом и снижение коэффициента полезного
действия коллектора.
Напомним коэффициент полезного действия падает при росте разницы температур между коллектором и навколишным средой. Также обращаем Ваше внимание, что все коллекторы Vitosol Viessmann защищены от закипания благодаря технологии ThermProtect.
Данная технология защиты от закипания запатентованная компанией Viessmann. В плоских коллекторах это специальное поглощающее покрытие, которое меняет свои свойства в зависимости от температуры. Если температура коллектора поднимается выше заданного значения, происходит изменение кристаллической структуры, обеспечивающей большую теплоотдачу. Температура коллектора падает и солнечные коллекторы НЕ перегреваются. В вакуумных трубчатых коллекторах Vitosol 300 защита от закипания работает с помощью саморегулирующейся тепловой трубки (Heat-Pipe). Она предотвращает конденсацию теплоносителя в трубках, когда их температура повышается. Защита от перегрева Therm Protect работает без дополнительных компонентов. Это облегчает проектирование солнечных тепловых систем и обеспечивает безопасную работу со всеми солнечными коллекторами Viessmann.
Экономически обоснованная как для Германии, так и для Украины доля тепловой нагрузки, который покрывается за счет солнечной энергии, составляет для одно- и двухквартирных домов (небольшие солнечные системы) 50 – 60 процентов (на горячее водоснабжение), а для многоэтажных домов – 30 – 40 процентов (большие солнечные системы). При замещении части нагрузки на отопление указывается среднее (стандартное) значение, поскольку здесь доля замещения в большой степени зависит от теплотехнических характеристик Вашего здания.

Эффективность солнечного коллектора | SolarSoul.net ☀️

 Гелиосистемы | Солнечная энергия

В предыдущей статье мы уже упоминали о производительности солнечного коллектора, однако есть еще некоторые факторы, которые влияют на работоспособность солнечных коллекторов в гелиосистеме.

Максимальный КПД солнечного коллектора

Как уже упоминалось, основными параметрами для оценки эффективности солнечных коллекторов являются паспортные данные, как правило, указанные в сертификатах, а именно: оптический коэффициент полезного действия (η₀) и коэффициенты тепловых потерь (а₁ и а₂).

η — КПД солнечного коллектора;

∆Т – разность температуры окружающего воздуха и абсорбера солнечного коллектора;

Е – интенсивность солнечного излучения;

По данной формуле обычно производятся приблизительные расчеты производительности гелиосистемы. Расчеты не всегда отображают полную картину, однако с их помощью можно довольно точно судить о средней выработке тепла солнечными коллекторами за выбранный период времени.

Влияние скорости потока теплоносителя на производительность солнечного коллектора

На практике же дело может обстоять немного иначе. Одним из факторов влияющим на производительность является объемный расход теплоносителя в солнечных коллекторах. Значение оптического КПД и коэффициента тепловых потерь солнечного коллектора приведенное в сертификатах соответствует определенному расходу теплоносителя в коллекторе.

Например, по данным сертификационной лаборатории SPF солнечный коллектор торговой марки Viessmann Vitosol 200-F (номер сертификата C513) имеет  расход теплоносителя при испытании равный 200 л/ч.  При пересчета на 1 м² апертурной площади расход равен 40,6 л/ч м². При этом есть существенная разница между этим значением и рекомендуемым значением производителя 25 л/ч м². В некоторых случаях, разница между этими показателями может отличатся в 3-4 раза.

Безусловно, такие различия в скорости потока, играют важную роль  в эффективности солнечного коллектора при работе в реальных условиях. Снижение скорости потока теплоносителя влияет на его температуру на выходе из коллекторов. Чем ниже скорость теплоносителя, тем выше температура теплоносителя.

Более высокая температура на выходе из коллектора часто ошибочно воспринимается, как абсолютный показатель эффективности гелиосистемы.  В данный момент среди производителей прослеживается тенденция к уменьшению скорости протока теплоносителя в материалах по проектированию. Сейчас оптимальное значение в большинстве рекомендаций производителей составляет 25-30 л/ч м² в отличие от рекомендаций 5-ти летней давности 40-60 л/ч м². Это дает возможность снизить гидравлическое потери и позволяет использовать менее мощные насосы и меньшие диаметры труб в гелиосистеме.

Однако, при снижении значения объемного расхода теплоносителя увеличивается и температура абсорбера солнечного коллектора, что в свою очередь увеличивает тепловые потери солнечного коллектора в окружающую среду. Таким образом, часть полезного тепла просто теряется, не доходя до бака аккумулятора. Поэтому, более высокая температура на выходе из коллекторов не является показателем высокой эффективности солнечного коллектора.

Для примера рассмотрим эффективность солнечных коллекторов в зависимости от скорости потока теплоносителя. Для исследования были выбраны солнечные коллекторы: А — HEWALEX KS 2000 TP и В – VIESSMANN Vitosol 200-F. Расчеты приведены исходя их значения солнечной интенсивности 800 Вт/м².

Эффективность солнечных коллекторов в зависимости от скорости потока теплоносителя и конструкции абсорбера

 

При расходе большем расходе теплоносителя (60 л/ч м²) производительность солнечного коллектора выше на 5%.

В случае с вакуумными коллекторами картина примерно такая же. Причем в некоторых случаях выработка тепловой энергии при низком объемном расходе теплоносителя, даже меньше чем для плоских коллекторов.

 Разница в производительности вакуумных трубчатых коллекторов

 

Возможно, причиной занижения скорости потока жидкости является желание показать как бы более эффективную работу коллекторов, вводя тем самым в заблуждения пользователей, ошибочно считающих более высокую температуру как показатель работоспособности.

Способ соединения солнечных коллекторов и тип абсорбера

Второй фактор, которому зачастую, не придают значение, это способ соединения коллекторных  групп.  Рассмотрим на примере подключения группы из трех солнечных коллекторов с различной конструкцией абсорбера и при различной скорости потока теплоносителя.

Зависимость выработки тепловой энергии от подключения солнечных коллекторов в группу

 

В первом варианте абсорберы подключены как бы последовательно и поэтому температура теплоносителя в каждом следующем коллекторе выше. Во втором случае температура распределена равномерно. При подключении еще большего числа коллекторов разница становится еще очевидней.

Солнечные коллекторы с абсорбером типа меандр

Коллектора с конструкцией типа «меандр» не рекомендуется устанавливать в один ряд более 5 штук.

Таким образом, эффективность солнечного коллектора на практике может значительно отличатся от расчетных величин. Следует учитывать такие параметры как расход теплоносителя и подключение коллекторных групп, а так же некоторые другие рекомендации.

Объяснение эффективности солнечного коллектора

| Солнечные водонагреватели Статьи