+7(499) 136 06 90

+7(495) 704-31-86

[email protected]

Расчет солнечного коллектора


Солнечные коллекторы - Расчёт мощности

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 данные. По статистике, "обычное" домохозяйство использует 2- 4 кВт 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 нижней части страницы "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 98%. 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 площадки.

        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  - 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 составляют2,35м2 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 2. 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 1м2составит 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 * 2,350,67(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 Мега Ватта 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 гидро аккумулятором - 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  0,543 кВт*час.
На практике в майский день с переменной облачностью мы получили мощность одной реальной вакуумной трубки около 1кВт*час!

 

Расчет коллекоров. Солнечные панели для нагрева воды.

Дата добавления: 11.05.2016

На сегодняшний день в Украине солнечные коллекторы преимущественно используются для нагрева воды. Реже для подогрева бессейнов или еще меньше для поддержки отопления (далеко не во всех существующих системах это возможно). Сейчас же для нашего примерного рассчета зададимся исходными данными для случая, когда необходимо приготовить горячую воду для собственного потребления.

Исходные данные:

Количество проживающих в доме (n) 4 человека
Суточная потребность в воде (V1) 50 л/чел/сутки
Желаемая температура горячей воды (tг) 55 °С
Температура холодной воды с водопровода (tх) 10 °С
Место нахождения дома г. Киев
Ориентация крыши Юг, с азимутом 0°, угол наклона 35°

 

Рассмотрим  методику подбора и расчета гелиосистемы для ГВС:

1. Для начала, необходимо определится с необходимым количеством горячей воды:

V = V1 × n

V = 50л/сутки × 4 = 200 л/cутки  (0,2 м3/cутки).

 

2. Исходя из расхода 200 л/сутки подберем бойлер косвенного нагрева подходящего объема. Как мы знаем вода нагревается солнцем на протяжении всего дня, поэтому чтобы перестраховаться в случае длительного пасмурного периода или большого разбора воды объем бойлера выбирается с запасом от 20 до 80%:

- от 1,2V до 1,8V

В нашем случае объем бойлера:

- от 240 до 360 л.

Выбираем с полученного диапазона бойлер объемом 300 л (0,3 м3). Руководствуемся наличием моделей и доступными ресурсами. В данном случае бойлер объемом 300 л - один из самых часто-используемых вариантов.

Температуру в бойлере лучше выбрать выше температуры потребляемой воды. Во-первых, это даст возможность аккумулировать больше тепла и полностью использовать потенциал гелиосистемы, а во вторых температура выше 60°С предотвращает образованию вредных для здоровья бактерий – легионеллы.

Настраиваем бойлер на температуру tб = 60 °С.

 

3. Рассчитываем необходимое количество тепла, которое нужно затратить для нагрева воды в бойлере:

         Q = G ×Сp × (tб – tх)

Q – необходимое количество тепла для нагрева бойлера, кВт*ч

G – Расход горячей воды. Принимается равным объему бойлера Vб = 0,3 м3/cутки

Сp – удельная теплоемкость воды, Ср = 1,161 кВт/кг×°С

Q = 0,3 × 1,161 × (60 – 10) = 17,4 кВт×ч/сутки.

солнечные панели для нагрева воды

 

4. Теперь выбираем солнечный коллектор и просчитываем его площадь, для обеспечения необходимого количества тепла.

Просчитаем необходимое количество коллекторов Buderus SKN 4.0 (характеристики коллектора берем из паспорта):

  • Площадь абсорбера одного коллектора F1 = 2,18 м2
  • Оптический КПД коллектора η = 0,77

 

Средний месячный уровень солнечной радиации (солнечная постоянная) в городах Украины (кВч/m2/день)

Средний показатель за последние 22 года (По данным NASA)

Регионы / Месяцы

янв

фев

март

апр

май

июнь

июль

авг

сент

окт

ноя

дек

Средний

  Симферополь

1,27

2,06

3,05

4,30

5,44

5,84

6,20

5,34

4,07

2,67

1,55

1,07

3,58

  Винница

1,07

1,89

2,94

3,92

5,19

5,3

5,16

4,68

3,21

1,97

1,10

0,9

3,11

  Луцк

1,02

1,77

2,83

3,91

5,05

5,08

4,94

4,55

3,01

1,83

1,05

0,79

2,99

  Днепропетровск

1,21

1,99

2,98

4,05

5,55

5,57

5,70

5,08

3,66

2,27

1,20

0,96

3,36

  Донецк

1,21

1,99

2,94

4,04

5,48

5,55

5,66

5,09

3,67

2,24

1,23

0,96

3,34

  Житомир

1,01

1,82

2,87

3,88

5,16

5,19

5,04

4,66

3,06

1,87

1,04

0,83

3,04

  Ужгород

1,13

1,91

3,01

4,03

5,01

5,31

5,25

4,82

3,33

2,02

1,19

0,88

3,16

  Запорожье

1,21

2,00

2,91

4,20

5,62

5,72

5,88

5,18

3,87

2,44

1,25

0,95

3,44

  Ивано-Франковск

1,19

1,93

2,84

3,68

4,54

4,75

4,76

4,40

3,06

2,00

1,20

0,94

2,94

  Киев

1,07

1,87

2,95

3,96

5,25

5,22

5,25

4,67

3,12

1,94

1,02

0,86

3,10

  Кировоград

1,20

1,95

2,96

4,07

5,47

5,49

5,57

4,92

3,57

2,24

1,14

0,96

3,30

  Луганск

1,23

2,06

3,05

4,05

5,46

5,57

5,65

4,99

3,62

2,23

1,26

0,93

3,34

  Львов

1,08

1,83

2,82

3,78

4,67

4,83

4,83

4,45

3,00

1,85

1,06

0,83

2,92

  Николаев

1,25

2,10

3,07

4,38

5,65

5,85

6,03

5,34

3,93

2,52

1,36

1,04

3,55

  Одесса

1,25

2,11

3,08

4,38

5,65

5,85

6,04

5,33

3,93

2,52

1,36

1,04

3,55

  Полтава

1,18

1,96

3,05

4,00

5,40

5,44

5,51

4,87

3,42

2,11

1,15

0,91

3,25

  Ровно

1,01

1,81

2,83

3,87

5,08

5,17

4,98

4,58

3,02

1,87

1,04

0,81

3,01

  Сумы

1,13

1,93

3,05

3,98

5,27

5,32

5,38

4,67

3,19

1,98

1,10

0,86

3,16

  Тернополь

1,09

1,86

2,85

3,85

4,84

5,00

4,93

4,51

3,08

1,91

1,09

0,85

2,99

  Харьков

1,19

2,02

3,05

3,92

5,38

5,46

5,56

4,88

3,49

2,10

1,19

0,9

3,26

  Херсон

1,30

2,13

3,08

4,36

5,68

5,76

6,00

5,29

4,00

2,57

1,36

1,04

3,55

  Хмельницкий

1,09

1,86

2,87

3,85

5,08

5,21

5,04

4,58

3,14

1,98

1,10

0,87

3,06

  Черкассы

1,15

1,91

2,94

3,99

5,44

5,46

5,54

4,87

3,40

2,13

1,09

0,91

3,24

  Чернигов

0,99

1,80

2,92

3,96

5,17

5,19

5,12

4,54

3,00

1,86

0,98

0,75

3,03

  Черновцы

1,19

1,93

2,84

3,68

4,54

4,75

4,76

4,40

3,06

2,00

1,20

0,94

2,94

Количество тепла Q вырабатываемое системой определяется по формуле:

Q = q × Fсум × η  где

- средний месячный уровень радиации, кВт×ч/м2/день (с таблицы)

Fсум – суммарная площадь гелиополя, м2

η - оптический КПД коллектора

Для предотвращения перегрева, систему необходимо рассчитывать на летний пик, то есть брать максимальное значение месячного уровня радиации за год. В данном случае у нас это МАЙ и ИЮЛЬ со значением 5,25.

 

5. Найдем необходимую площадь гелиополя:

Fсум = Q / (q × η)

Fсум = 17,4 / (5,25 × 0,77) = 4,3 м2.

 

6. Необходимое количество солнечных коллекторов:

n = Fсум / F1

n= 4,3 / 2,18 = 1,97 » 2 шт.

Таким образом мы подсчитали, что для семьи из 4 человек проживающих в Киеве, основными компонентами гелиосистемы будут бак аккумулятор на 300л и 2 солнечных коллектора SKN 4.0. Таким способом можно просчитать необходимое количество коллекторов для любой системы – будь то подогрев басейна, поддержка отопления или же приготовление горячей воды. Нужно только знать необходимое количество тепла и характеристики коллектора. 

Нужны солнечные панели для нагрева воды? Обращайтесь.


Как рассчитать необходимое количество солнечных коллекторов? - Рейтинг темы: 5.00 из 5.00 проголосовавших: 122