Упрощённый тепловой расчет солнечного коллектора

Начальная температура воды, поступающая в дом из водопровода, составляет 10°С, а использование этой воды для нужд (умывание, душ, отопление, уборка и пр.) требует ее подогрева. Конечно, для ее разогрева хотя бы до 40 градусов потребуется затратить энергию – газ, дрова, электроэнергия, одним словом, заплатить за ее нагрев. Зимой солнечный коллектор сможет подогреть воду от 40 до 70°С, а летом – до 100 °С.

Попробуем разобраться, насколько эффективным будет использование солнечного отопления.

В солнечный день на каждый квадратный метр поверхности, которая установлена перпендикулярно солнечным лучам, на протяжении одного часа попадает от 700 до 1350 Ватт солнечной тепловой энергии. В зависимости от атмосферного состояния. Для примера возьмем среднее значение, т.е. 1000 Вт/м 2 .

Чтобы нагреть 1 кг (л) воды на 1 градус потребуется приблизительно 1,16 Вт. Теперь представим солнечный коллектор, площадь которого составляет 1 м 2 . Поглощение тепла стороны, которая обращена к солнцу, составляет практически 100%. Из этого следует, что наш коллектор, площадью 1м 2 сможет нагреть воду на один градус:

1000 Вт / 1,16 Вт = 862,07 кг воды.

Чтобы было удобнее, считаем, что К=862 кг х ОС х м2 х час. Это соотношение показывает какое количество воды на сколько градусов можно нагреть за 1 час в солнечном коллекторе, площадь которого составляет 1 м 2 .

Для примера, солнечный коллектор в комплекте, который состоит из 15 вакуумных трубок, площадью 3м 2 . Самый оптимальный объем термоса для жидкости этого коллектора – 150 литров. Продолжительность нагрева такого количества воды до 45°С в холодное время года составляет:

(150 л х (45°С — 10°С)) / (3 м2 х 862 кг*оС*м2*час) = 5250 /2586=2,03 час.

Чтобы обеспечить нагрев 150 литров воды до температуры до 45°С солнечная установка сможет за 2 часа. Если учитывать теплопотери коллектора и тот факт, что атмосфера не всегда чистая и прозрачная, а солнечный коллектор не идеально чистым, то время нагрева зимой увеличивается до 4 часов.

Проведем расчёт для нагрева заданного объема воды элекроэнергией.

t = (m ∙ c ∙ Δϑ) / (P ∙ η)
где, t — время нагрева в часах=1ч. c = 1,163 (Ватт/час) / (кг ∙ К), m — количество воды 150 кг, P — мощность в Вт, η — КПД = 0,98, Δϑ — разность температур в К (ϑ2 — ϑ1)=35°C ϑ1 — температура холодной воды в10 °C ϑ2 — температура горячей воды в 45°C

P = (m ∙ c ∙ Δϑ) / (t ∙ η)=(150∙ 1,163 ∙ 35) / (1 ∙ 0,98)=6230Вт.=6,23 кВт/ч.

Следовательно, чтобы разогреть 150 литров воды с помощью электроэнергии, с учетом теплопотерь, то Вы заплатите от 7 до 8 кВт.ч. х 2,3 рубля=от 16 до 20 рублей, а за 300 литров – от 32 до 40 рублей. Подведем итог: зимой один солнечный коллектор, площадь которого составляет 3 м 2 , сэкономит ваш расходы от 20 до 40 рублей в день.

Произведем расчет расхода горячей воды для семьи, состоящей из трех человек. Если день начинается с 10-минутного душа для каждого из членов семьи, то использование теплой воды составляет 8 литров в минуту. Следовательно, на прием душа уходит: 3 чел. х 10 мин. х 8 л/мин = 240 литров теплой воды. Дальше завтрак, после которого на мытье посуды нужно примерно 15 минут с расходом теплой воды 3 л/минуту. Так, для того чтобы вымыть посуду понадобиться: 15 мин. х 3 л/мин = 45 литров теплой воды. Если предположить, что вечером расход воды будет приблизительно таким же, а также добавить уборку, стирку и прочие потребности, то добавим еще 100 литров. В результате расход теплой воды утром или вечером составит: 240+45+100=385 литров. При подсчетах видно, что в среднем на одного члена семьи приходится 100-150 литров горячей воды в день. Тогда, для того, чтобы обеспечить семью горячей водой в холодное время года, Вам потребуется два коллектора и бак на 300 литров. Если Вы планируете использовать солнечное тепло в максимальном объеме и использовать его для разогрева отопления, тогда Вам рекомендуется купить шесть коллекторов и накопительный бак на 500 литров воды. Солнечная установка очень эффективная, также Вы сможете сэкономить значительную сумму денег. Вышеприведенный расчет – это упрощенный расчет, который основан на зимнем периоде, а с приходом весны и лета солнечная активность значительно возрастет, следовательно, возрастет эффективность такого оборудования. В летний период человек более активный и используется большее количество горячей воды: принимает душ, бассейн, моем посуду, стираем и пр. Летом температура воды вырастает от 60 до 95°С, и тогда возникает новый вопрос – куда девать лишнюю воду, но следует помнить, что Вы не будете платить денег за ее нагрев. Итог: в теплый солнечный период эффективность использования солнечного оборудования вырастает в два раза, а шестиколлекторная солнечная установка, площадь которой 18 кв.м., сэкономит в холодное время года от 90 до 200 рублей в день, а летом – от 180 до 400 рублей в день. Если количество холодных и теплых дней в году приблизительно одинаковое, тогда можно провести такой расчет, при котором экономия будет составлять от (90 +200) : 2 = 145, до (840 +1920) : 2 = 290, теперь умножим на 365 дней и получим сумму от 52925 до 105000 рублей в год.

Полную окупаемость всех затрат на покупку солнечного оборудования можно ожидать от одного до двух лет. При покупке коллекторной солнечной установки Вы заплатите только один раз. Срок ее эксплуатации от 15 до 25 лет, притом, что работает она постоянно.

Экономим электричество: расчеты производительности солнечного коллектора

В статье будет рассмотрен наиболее простой метод расчета количества энергии, которую можно получить путем применения солнечного коллектора. Статистика гласит, что в среднем в домашнем хозяйстве для использования горячей воды требуется от 2 до 4 кВт. Тепловой энергии в день на 1 человека.

Расчет мощности солнечного коллектора

В качестве примера будут приведены расчеты коллектора для Московской области.

Данные для расчетов:

1. Место применения – Московская область Площадь поглощения – 2,35м2 (на основе таблицы о среднем количестве поступления солнечной энергии для регионов РФ)
2. Величина инсоляция в Московской области – 1173,7кВт*час/м2
3. КПД – от 67% до 80% (будут использованы минимальные показатели, актуальные для устаревших коллекторов, поэтому результаты будут слегка занижены).
4. Угол наклона коллектора – в расчетах будут использованы оптимальные данные угла наклона.

карта инсоляции россии

Рассчитываем площадь поглощения для одной трубки:

15 трубок = 2,35 м. кв.; 1 трубка = 2,35 / 15 = 0,15 м. кв.

Теперь, когда известна площадь, которую поглощает одна трубка, определим количество трубок, составляющий 1 м. кв. поверхности коллектора: 1 / 0,15 = 6, 66. Иными словами, на один метр поверхности поглощения требуется 7 трубок коллектора.

Далее производим расчет тепловой мощности одной трубки коллектора. Это даст возможность рассчитать число трубок, необходимых для получения достаточной тепловой энергии на периоды в один день и один год:

Получаемая мощность в расчете на один день рассчитывается следующим образом: 0,15 (S поглощения 1 трубки) x 1173,7 (величина инсоляции в Московской области) x 0,67 (КПД солнечного коллектора) = 117,95 кВт*час/м. кв.

Для расчета годовой эффективности одной трубки в выбранном регионе в формуле для расчета дневной мощности следует использовать годовые инсоляционные данные. Иначе говоря, на место 1173, 7 необходимо поставить региональное значения инсоляции.

Мощность, вырабатываемая при помощи одной трубки в Москве, составляет от 117,95 (при использовании КПД в размере 67%) до 140кВт*час/м.кв. (при использовании КПД в размере 80%).

В среднем за сутки одна вакуумная трубка теплового коллектора вырабатывает 0,325кВт*час.

В наиболее солнечные месяцы (июнь, июль) одна трубка будет производить 0,545кВт*час.

Работа солнечного коллектора без света невозможна, по этой причине указанные показатели нужно использовать при расчете светового дня.

Сколько можно сэкономить электроэнергии в Москве при использовании одного м. кв. коллектора (как мы выяснили, это 7 вакуумных трубок)?

Годовая экономия энергии составит:

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

Наибольшую мощность солнечный коллектор, соответственно, будет вырабатывать в летние месяцы. К примеру, в июне при использовании 1 м.кв. коллектора выработка электроэнергии составит около 115–117 кВт*час/м.кв.

Иначе говоря, энергетическая польза при использовании солнечного коллектора с 15-ю вакуумными трубками, где S=2,35 м.кв. за период с марта по август при суммарном значении инсоляции за весь указанный период в 874,2 кВт*час/м.кв. составит: 874,2 * 2,35 * 0,67 = 1376 кВт, то есть, практически 1,4 МегаВт. энергии, что в день составляет примерно 8 кВт.

Вспомним статистическую информацию, приведенную в первой части статьи – в домохозяйстве используется от 2 до 4 кВт энергии при потреблении горячей воды одним человеком ежедневно. Данные показатели подразумевают использование коллектора для нагрева горячей воды и, в частности, таких нужд как принятие душа, мытье посуды и т.п.

Расчеты солнечного коллектора, состоящего из 15 вакуумных трубок, позволяют сделать вывод о том, что в огородный сезон данного устройства будет достаточно для того чтобы обеспечить горячей водой семью, состоящую из трех человек. В результате, при учете всех неблагоприятных обстоятельств, таких как пасмурная или дождливая погода, на электроэнергии, используемой для подогрева воды, можно очень неплохо сэкономить.

Если же говорить об оптимальных условиях (солнечная погода и отсутствие дождей), то в данном случае выработка тепловой энергии солнечным коллектором позволит вообще избежать необходимости платить за электроэнергию.

Примечания

Если в таблице с расчетами солнечной энергии в различных регионах РФ нет точной информации о регионе, в котором Вы проживаете, то можно воспользоваться информацией, которая указана на инсоляционной карте России. Это позволит узнать приблизительное значение получаемой тепловой энергии в расчете на один квадратный метр.

Эмпирическим путем определено: чтобы рассчитать инсоляцию для наиболее оптимального угла наклона солнечного коллектора, следует данные, указанные для выбранной площади, умножить на коэффициент 1,2.

Определение угла наклона солнечных коллекторов

К примеру, в таблице указано, что для Москвы значение энергии, которое доступно на протяжении светового дня, составляет 2,63 кВт*ч/м.кв. Иначе говоря, доступная годовая энергия составляет 2,63 * 365 = 960 кВт*ч/м.кв.

Таким образом, при оптимальном наклоне площадки в Москве коллектор будет вырабатывать приблизительно 1174 кВт*ч/м.кв.

Конечно, данный метод расчета не является высоконаучным, однако, с другой стороны, полученные данные вполне можно использовать для определения необходимого количества вакуумных трубок на бытовом уровне.

Итоги

Солнечные коллекторы из года в год обретают все большую популярность среди владельцев дачных участков. Очевидно, что это говорит о том, что данное устройство позволяет существенно сэкономить электроэнергию при нагреве воды, что подробно описано и доказано в вышеизложенных расчетных примерах.

Данный агрегат является актуальным практически для любого региона России. Но прежде чем купить солнечный коллектор, лучше посчитать рентабельности и сроки окупаемости этого оборудования, что позволит убедиться в актуальности представленного инновационного оборудования для применения в Вашем регионе.

Расчет вакуумного коллектора для отопления

Горячее Отопление Тепловой насос Гибридная система Отопление Прайс Контакты Энергия Солнца — Инвестиции в будущее водоснабжение

Производительность вакуумных солнечных коллекторов

Когда люди задумываются о покупке какого-либо отопительного оборудования — будь то водонагреватель, газовый или твердотопливный котел, дизель генератор и т.д. — он задает себе вопрос: а какой мощности оборудование мне необходимо? Сколько я получу энергии? И это логично.

Покупатель, как правило, выбирает вещь, которая позволит решить поставленную задачу в конкретных условиях. И вот здесь мы сталкиваемся с ситуацией, которую многие сразу и не понимают. Возьмем электрический водонагреватель. От того, в каком регионе нашей необъятной страны — Москве или Сочи, вы его включите в розетку — его мощность будет одинакова. И она будет одинакова и в январе и в августе месяце. С техникой, работающей на энергии солнца, все гораздо сложнее.

Если вы обратились в какую-либо организацию, торгующую солнечными водонагревателями или солнечными коллекторами и на ваш вопрос о мощности коллектора или водонагревателя вам дают конкретную цифру без «привязок» к внешним условиям, то это будет означать только одно — организация не понимает что продает. СОЛНЦЕ — вот главный регулятор мощности подобных систем. Все это оборудование очень прочно «привязано» к активности солнца, к солнечной инсоляции. И, к сожалению, солнечное излучение в различных географических точках земли, в различное время года и разные месяцы разное. Все это очень сильно влияет на расчет мощности оборудования, его подбор для тех или иных целей, создает определенные сложности потребителю, проектировщику и продавцу оборудования.

Получить оценочные цифры мощности того или иного солнечного оборудования в той или иной точке земного шара, в тот или иной месяц года может любой человек. Для этого необходимо взять и перемножить всего две цифры: эффективную площадь поглощения коллектора (водонагревателя) на значение солнечной инсоляции в интересующем вас регионе в конкретный месяц года (это значение измеряется в кВт*ч/м2 в год или день).

Установка вакуумного солнечного коллектора — выгодная инвестиция в будущее своей семьи. Круглогодичный доступ к горячей воде, бесплатная энергия для отопления дома, независимость от работы коммунальных служб и отсутствие перебоев в горячем водоснабжении — преимущества, которые особенно ощутимы в холодное время года.

Что влияет на работу вакуумного солнечного коллектора?

Для того чтобы вакуумные коллектора эффективно функционировали и приносили пользу по назначению, необходимо точно рассчитать и подобрать всю комплектацию оборудования для решения той или иной задачи. Недостаточная производительность коллекторов приведет к нехватке тепловой энергии для отопления дома, бани, теплицы и других сооружений, подогрева воды для ежедневного использования или для наполнения бассейна. Установка коллекторов избыточной мощности не только не рациональна с точки зрения лишних финансовых затрат, но и может вызвать дополнительную нагрузку на систему в летний период, когда потребности в энергии снижаются, а активность солнца возрастает. Необходим некий оптимальный вариант и, поэтому, расчет и подбор комплекта оборудования на основе солнечных коллекторов следует доверить специалистам, так как на дальнейшую эффективность работы такой системы влияет немало факторов.

При подборе солнечного коллектора важно учитывать следующие данные:

• Уровень инсоляции (солнечного излучения) в той географической точке и те месяцы, в которые рассчитывается эксплуатация оборудования;
• КПД коллектора (зависит от типа установки; для вакуумных солнечных коллекторов коэффициент, в среднем, колеблется в пределах 67-80%. Для большей достоверности рекомендуется ориентироваться на минимальный результат);
• Угол наклона коллектора (от данного показателя зависит количество солнечной энергии, которую поверхность коллектора будет поглощать в течение светового дня. Необходимый угол наклона, под которым будет установлен коллектор, индивидуален и зависит от региона, географических и климатических особенностей местности), а так же от того в какое время года планируется увеличить эффективность коллектора. Если угол наклона сделать больше оптимального для данной местности, то в зимнее время мы увеличим эффективность, а в летнее соответственно уменьшим.
• Эффективная площадь поглощения коллектора.

Кроме того, важно учитывать и площадь отапливаемого помещения, хорошо ли оно утеплено или нет, потребляемый объем горячей воды, тип отопительной системы (радиаторы или теплые полы), тип самого коллектора, характер теплоносителя в системе и дополнительные условия, которые влияют на эффективную работу вакуумного солнечного коллектора.

Характеристики вакуумных трубок

При расчете эффективности применения солнечных коллекторов для целей отопления и ГВС необходимо учитывать характеристики вакуумных трубок. Стандартная вакуумная трубка имеет 1800 мм в длину, внешний диаметр — 58 мм, внутренний — 47 мм. Конструкция двух стеночная. Цилиндры имеют различную толщину: внешний более прочный — 1,8±0,15мм, внутренний — 1,6±0,15мм. Пространство между стенками заполнено техническим вакуумом (менее 5х10-3 Па) и создает преграду для потерь тепла (принцип работы колбы термоса).

В качестве материала для изготовления применяют боросиликатное стекло. Селективное покрытие на наружной поверхности внутреннего цилиндра — напыление композита из нержавеющей стали, алюминия и меди — способствует улучшенному поглощению солнечного излучения.

Цилиндрическая форма стеклянной трубки при соблюдении основных требований установки обеспечивает более 91% поглощения всей поступившей на поверхность энергии. Теплопотери при этом не превышают 8% (при температуре носителя около 80°C). Коэффициент таких потерь для вакуумной солнечной установки не более 0,6 Вт/м2.

Определяем площадь эффективного поглощения

Расчет площади эффективного поглощения солнечного коллектора сделаем на примере популярной модели солнечного коллектора модели «SunPower SH58-1.8-15», имеющей в своем составе 15 вакуумных трубок стандартного типоразмера. Определив эффективную площадь поглощения одной трубки и умножив ее на 15 получим общую эффективную площадь поглощения коллектора. Площадь поглощения одной трубки — фактически площадь «тени», создаваемой трубкой при ее освещении солнцем. Это проекция трубки на плоскость, проходящую через ее диаметр. Поскольку диаметр трубки 58 мм или 0,058 м, а длина трубки участвующая в приеме солнца порядка 1600 мм или 1,6 м (общая длина трубки 1800 мм, но верхняя и нижняя ее часть закрыты элементами конструкции и в работе участия не принимают), тогда площадь «тени» составит 0,058 м * 1,6 м = 0,092 м2. А общая эффективная площадь поглощения коллектора 0,092 м2 * 15 шт. = 1,38 м2.

Аналогичным образом можно получить, что у коллектора модели «SunPower SH58-1.8-24» ( 24 вакуумных трубок) эффективная площадь поглощения составит 2,21 м2.

Хотелось бы еще раз подчеркнуть основную ошибку, которую допускают многие при расчете эффективной площади поглощения поверхности, составленной из вакуумных трубок. Несмотря на то, что трубки круглые в сечении, и, следовательно, поглощающая поверхность имеет форму цилиндра, нельзя считать площадью поглощения площадь, равную половине поверхности цилиндра, а именно той поверхности, которая обращена к солнцу. Для расчета необходимо брать величину проекции этой цилиндрической поверхности на плоскость, перпендикулярную падению солнечных лучей.

Расчет вырабатываемой энергии солнечным коллектором

Годовая вырабатываемая солнечным коллектором энергия определяется географической точкой установки коллектора и статистическими данными по годовой солнечной инсоляции в этом регионе. Так, для Москвы и Московской области показатель солнечной инсоляции за год составляет 1173,7кВт*час/м2. Используя полученное значение эффективной площади поглощения коллектора мы можем рассчитать вырабатываемую им за год энергию. Так коллектор модели «SunPower SH58-1.8-15» выработает 1,38 м2 * 1173,7 кВт*ч/м2 = 1619,706 кВт*ч, но с учетом КПД=80% только примерно 1296 кВт*ч.

По такому же методу легко произвести расчет производимой вакуумным солнечным коллектором энергии с любым другим количеством трубок. Например, вакуумный коллектор модели «SunPower SH58-1.8-24» (24 вакуумные трубоки) выработает за год 1173,7 кВт*ч/м2 * 2,21 м2 * 0,8 = 2075 кВт*ч.

Беря статистические данные по солнечной инсоляции за месяц можно подсчитать количество вырабатываемой энергии за месяц.

Месячная и годовая солнечная инсоляция, кВт*ч/кв.метр.

Выработка тепловой энергии коллектором модели «SunPower SH58-1.8-15» по месяцам и за год в Москве.

Тем ни менее хочется сказать, что все расчеты носят условный характер. Погодные условия на планете меняются, солнечная активность тоже. Данные по солнечной инсоляции носят очень усредненный показатель и год от года могут меняться.

В данных расчетах не принимается во внимание эффективность преобразования солнечного излучения в тепловую энергию. Делается это умышленно, т.к., во-первых, КПД вакуумных трубок всех производителей (речь идет о трубках с трехслойным селективным покрытием) примерно одинакова. Берем КПД равным 0,8 (или 80%). Надо обязательно сказать о том, что на эффективность работы солнечных вакуумных коллекторов очень сильно влияет правильный (для решения тех или иных задач) угол наклона к горизонту при их установке и, что не менее важно, правильность схемы соединения вакуумных коллекторов в случае установки нескольких штук. Безграмотность в определении схемы соединения и монтажа коллекторов может привести к резкому падению эффективности работы каждого единичного коллектора. Это означает то, что формула — общая мощность всех установленных коллекторов равна сумме мощности каждого коллектора, не будет выполняться. Деньги, потраченные на закупку оборудования, будут использованы не эффективно и необходимая задача не будет выполнена.