Ефективност на слънчевите колекторни системи

От какво зависи ефективността

Човечеството използва топлината на слънцето от незапомнени времена. Пред последните години все по-широко се използват слънчеви колектори, улавящи и преобразуващи слънчевите лъчи в топла вода - целогодишно, и в топлина за отопление през студените дни от годината. Генерален въпрос, от който зависи доколко целесъобразна е инвестицията в слънчева колекторна система, е ефективността на работа на колекторите. Каква част от попадналата върху колекторите слънчева енергия се оползотворява ефективно зависи от комплекс фактори. Сред тях е видът на слънчевия колектор, ориентацията и монтажният му наклон, както и оптималният избор на цялата слънчева система. Преди да разгледаме всеки от изброените фактори, нека се запознаем накратко с характеристиката

сумарно слънчево излъчване

Причината е, че тя е базов показател за работата на един колектор. Слънчевото излъчване представлява поток от енергия, който е равномерно разпределен във всички направления. Или поне така се приема. В земната атмосфера достига също постоянна част от този енергиен поток с мощност от 1.36 kW/m2. Дори и без всички по-нататъшни обяснения, от този факт следва генералният извод, че колкото и да е висока ефективността на един колектор, мощността му не би могла да превиши вече цитираната стойност. Така че, ако правейки пазарно проучване на марки и модели слънчеви колектори, някой ви убеждава,че мощността на предлаганите от него модели е по-висока от 1.36 kW/m2, бихте могли да го попитате за коя планета става дума - Земята или някоя по-близка до Слънцето. Но нека се върнем на слънчевите лъчи, пътуващи през дългото - според човешките, а не галактическите представи, разстояние между Слънцето и Земята. Преминавайки през атмосферата, слънчевото излъчване отслабва за сметка на отражението, разсейването и поглъщането от страна на твърдите частици и газовите молекули, намиращи се там.

Какъв процент оползотворяват колекторите

Тази част от излъчването, която безпрепятствено преминава през атмосферата и достига земната повърхност, се нарича пряко слънчево излъчване. Останалата част от енергийния поток, която се отразява или поглъща от частиците, след което отново се излъчва и попада върху земната повърхност, е позната като разсеяно слънчево излъчване. Сумата от двете - постоянното и разсеяното слънчево излъчване, е сумарният енергиен поток. Той именно е базата, като процент от която се определя ефективността на работа на един слънчев колектор. Според специалисти, за нашите географски ширини сумарното слънчево излъчване трудно би могло да достигне 1.3 kW/m2. Все пак, не сме на екватора… А дори и най-съвременните конструкции колектори могат да оползотворяват около 80% процента от сумарното слънчево излъчване. Оставаме на вас сами да пресметнете колко е реалната мощност на един слънчев колектор. Имайте предвид, че най-евтините представители на съсловието на слънчевите колектори оползотворяват много по-малка част от слънчевото излъчване от посочените проценти. Но, колкото и да оползотворяват - все пак е подарък от природата…

Не е в човешките възможности да влияем върху сумарното слънчево излъчване, но

оптималната ориентация

е напълно в обхвата на правомощията ни. Критерии за ориентацията на колекторите са ъгълът на наклона и азимутът. Под ъгъл на наклона се разбира ъгълът между хоризонталата и колектора (фиг. 1). Възможността да се избере ъгъл на наклона обикновено е минимален, тъй като наклонът на покрива обикновено е и монтажен ъгъл и на колектора. Колекторът поглъща най-голямо количество от слънчевата енергия, когато равнината на колектора е перпендикулярна на направлението на слънчевите лъчи. Ако се разровите малко познанията си по география, вероятно без затруднение ще си спомните, че през различните годишни времена ъгълът, под който слънчевите лъчи достигат Земята в определена точка от нея, не е еднакъв. Съществуват монтажни системи за колектори, които следват слънчевия диск, както по дневния му път, така и в зависимост от годишния сезон. Те са по-скоро изключение от установената практика, обаче. Затова, по принцип равнината на колектора се ориентира постоянно в съответствие с дневното и годишното положението на Слънцето, при което до нея достига най-голямо количество слънчева енергия.

Втората характеристика на направлението -

азимутът

описва отклонението на равнината на колектора от южното направление. Ако равнината на колектора е напълно ориентирана на юг, азимутът е равен на нула. Съвсем логично, най-желаната ориентация на колектора е южната, тъй като слънчевото излъчване е най-интензивно в средата на деня.

Най-висока ефективност в оползотворяването на слънчевите лъчи се получава при разполагането на колекторите в южно направление под ъгъл от порядъка на 40-45 градуса. Като оптимална ориентация се приема и югоизток или югозапад. По-принцип по-полегатите монтажни ъгли са добър вариант за топлите месеци от годината. През зимата по-висока ефективност би могла да се постигне при по-стръмни монтажни ъгли на колектора. Като се има предвид, че около две трети от ефективната работа на колектора се върши през топлото полугодие, въпросът с най-ефективните монтажни ъгли през зимата остава на заден план. При всички случаи, ъгли по-малки от 20 градуса, следва да се избягват, тъй като степента на замърсяване на горната работна повърхност на колектора се увеличава и следователно, дори и монтажният ъгъл да е оптимален за конкретното време от годината, ефективността на системата би паднала рязко.

Когато за топлинните нужди на дома е необходима площ на колекторите, която не бихме могли да монтираме върху един от скатовете на покрива, е възможно разработването на сложна слънчева система, “полегнала” върху по-голяма част от покрива. В такива случаи, отделните части трябва да се свържат хидравлично, да разполагат с отделни датчици за температура и помпи, което в крайна сметка оскъпява и то доста цялата слънчева инсталация.

Сред факторите, влияещи върху ефективността на работа на един колектор, е и

сянката

Да, става въпрос именно за сянката, която съседни сгради, дървета и дори електропроводите биха хвърляли върху колектора. Сянката е сред най-големите врагове на ефективната работа на една слънчева колекторна система. Затова, в процеса на проектирането на инсталацията е желателно да се прецени съществуват ли условия сянката да попречи на усилията слънчевата система да оползотвори максимално възможната част от слънчевото излъчване. Отличниците дори биха могли да се поинтересуват какви са градоустройствените планове за парцелите, близки до къщата. Така, в един следващ момент ще се предпазите от възможността някой внезапно изникнал мол да остави в пълен мрак работната повърхност на колекторната слънчева система.

Нека си представим следната ситуация - избрали сме най-технологичния колектор, намерили сме начин да го монтираме в най-оптималните ъгъл и азимут. Следва ли от това да очакваме, че ще постигнем

най-ефективната слънчева система

За съжаление - всички изброени фактори са необходими, но не достатъчни колекторната система да оползотворява максимално възможното количество слънчева енергия. За това е нужно и всеки от елементите й да е оптимално избран. Защото колекторът е просто един от елементите на цялостната система.

И за край, малко математика:

КПД на един колектор

се пресмята по зависимостта:

КПД = КПД0 - k1.Тр/Eg - k2.Tр2/Eg,

където с КПД0 е оптическият коефициент на полезно действие, отчитащ загубите от отражение и поглъщане на колектора. С к1 и к2 са означени коефициентите на топлинни загуби, вследствие на топлопроводността, топлинното излъчване и конвекцията на колектора. Коефициентът Тр представлява разликата в температурите между колектора и околната среда. Eg е сумарното слънчево излъчване. Както се вижда от формулата, когато между колектора и околната среда няма температурна разлика, коефициентът на полезно действие на колектора достига своя максимум и е равен на оптическия КПД.