Эффективности коллектора, или коэффициент его полезного действия

Способность коллектора улавливать и полезно использовать солнечное излучение выражается с помощью понятия эффективности, или коэффициента полезного действия коллектора. Изготовители коллекторов в своих каталогах помещают данные с графическими изображениями таких коэффициентов. Эффективностью, или коэффициентом полезного действия коллектора можно назвать величину, определяемую отношением количества реально получаемого тепла к общему потоку излучения, поступающего на коллектор.

Эффективность преобразования солнечного излучения в тепло плоским солнечным коллектором [указаны потери и полезная выработка тепла в ккал/(м²·ч)]

а — селективный поглотитель (коэффициент поглощения 0.95, коэффициент излучения 0,10) теплопроизводительностью 284 ккал/(м²-ч); коэффициент полезного действия 0,473; б — поверхность, окрашенная черной краской (коэффициент поглощения = коэффициенту излучения = 0,97; теплопроизводительность 155 ккал/(м²-ч); коэффициент полезного действия 0,258); 1 — плотность потока солнечного излучения; 2 — стекло; 3 — тепловоспринимающая плита; 4 — теплоизоляционный материал; 5 — корпус. Температура окружающей среды 30°С, скорость ветра 3 м/с.

Теплопроизводительность плоских коллекторов Q_c (см. рисунок выше) можно рассчитывать, если из всего потока излучения, прошедшего через прозрачную изоляцию (стекло) и поглощенного тепловоспринимающей плитой, вычесть ту его часть, которая рассеялась в окружающее пространство от нагретой пластины:

Qc = (τα)_eİA_c - U_LA_c(t_p-t_a) =

= F'A_c {(τα)_eİ- U_L (t_w - t_a)} ккал/ч

где A_c - площадь тепловоспринимающей пластины, обычно берется площадь прозрачного покрытия пластины (стекла); (τα)_e — произведение коэффициента поглощения солнечного излучения поверхностью плиты α и коэффициента пропускания солнечного излучения стеклом τ. Эта величина не является простым произведением двух коэффициентов; она включает фактические изменения оптических параметров системы за счет многослойного отражения от поверхностей стекла и пластины, а также зависимость оптических свойств поверхности от угла падения солнечных лучей. U_L называют общим коэффициентом тепловых потерь.

В первой формуле используется значение средней температуры нагреваемой тепловоспринимающей пластины t_p, а во второй формуле введено значение средней температуры теплоносителя. Во второй формуле введен также коэффициент F', выражающий сопротивление передаче тепла от тепловоспринимающей пластины к теплоносителю. Коэффициент F' определяется такими параметрами, как теплопроводность пластины, ее толщина, расстояние между трубами и др., и обычно его значение составляет 0,95.

Итак, эффективность, или коэффициент полезного действия коллектора, можно выразить следующей формулой:

В этой формуле (t_w-t_a) - является переменной величиной, a Ut определяет скорость изменения КПД в зависимости от переменной величины. Как показано на рисунке ниже, обычно коэффициент полезного действия коллектора изображается прямой, идущей вправо вниз.

Высококачественный солнечный коллектор имеет высокие значения F' и (τα)_е и низкие значения U_L. Для увеличения τα используют стеклянные покрытия с высоким коэффициентом пропускания τ и увеличивают коэффициент поглощения солнечного излучения α тепловоспринимающей панелью. Обычно применяют стеклянные полуармированные покрытия, у которых коэффициент пропускания по отношению к прямым солнечным лучам составляет 0,87, а толщина покрытия - 3,2 мм. Для высококачественных плоских коллекторов применяют прозрачное стекло с малым содержанием железа, коэффициент пропускания которого достигает 0,91. Иногда используют пленочные покрытия на основе фторсодержащих полимеров, у которых коэффициент пропускания тоже очень высокий. Комбинируя эти два вида материалов, создают надежное покрытие с коэффициентом пропускания 0,9.

Чтобы уменьшить U_L, обычно улучшают теплоизоляционные качества всего коллектора: используют покрытия из двух слоев стекла, оснащают поверхность селективно-поглощающей пленкой, увеличивают толщину изоляции днища металлического корпуса и т.д.

Из рисунка выше видно, что при использовании селективно-поглощающей пленки потери тепла излучением от тепловоспринимающей плиты гораздо меньше, чем в случае, когда ее поверхность окрашена черной краской, поэтому коэффициент полезного действия становится значительно выше. Однако здесь имеется опасность, что если коэффициент поглощения α селективно-поглощающей пленки будет ниже, чем у чёрной краски, то КПД селективного коллектора станет меньше, чем черного.

Изображенные на рисунке ниже, прямые показывают значения КПД коллекторов в определенное время суток, вычисленные на основе американских расчетных методик для периода, когда поток солнечного излучения является стабильным и угол его падения близок к прямому. Поскольку U_L является в некоторой степени величиной переменной, зависящей, например, от температуры тепловоспринимающей пластины¹, рассматриваемые зависимости не всегда представляют собой прямые линии, а точка пересечения линии КПД с осью абсцисс соответствует максимальной температуре тепловоспринимающей пластины.

Коэффициент эффективности солнечных коллекторов различных типов

η_с — коэффициент эффективности коллектора А, В, С — плоские солнечные коллекторы: А — пластина окрашена в черный цвет + полуармированное стекло; В — пластина с селективно-поглощающей пленкой + полуармированное стекло; С — пластина с селективно-поглощающей пленкой + фторэтиленпропиленовая пленка + прозрачное стекло; D и E — вакуумированные трубчатые коллекторы: D расчеты сделаны с учетом излучения, поступающего на площадь всего коллектора; Е — расчеты сделаны с учетом излучения, поступающего только на тепловоспринимающую поверхность; t_w — средняя температура теплоносителя, °С; t_o — температура внешней среды, °С; I — плотность потока излучения, ккал/(м²·ч)

Максимальная температура тепловоспринимающей пластины

Эта величина имеет важное значение при определении необходимых пределов термостойкости теплоизоляционных материалов коллекторов и при расчетах надежности их устройства.

На рисунке представлены также данные, характеризующие Два вакуумированных трубчатых коллектора. Кривой Е обозначен коэффициент полезного действия, вычисленный по отношению к потоку излучения, поступающего за день на тепловоспринимающую пластину коллектора. Кривой D отмечен коэффициент полезного действия, который был определен с учетом потока излучения, поступающего за день на суммарную (или полную) площадь коллектора, как в случае плоского коллектора.

В каталогах фирм-изготовителей коллекторов в основном указаны характеристики плоских коллекторов. Однако при сравнении качеств коллекторов следует учитывать особенности условий их использования: температуру нагревания, цену отдельных узлов конструкций, стоимость монтажа и занимаемое пространство.

Различают несколько видов КПД: КПД коллектора за полный день, выражающий отношение суммарной дневной выработки тепла к приходу солнечного излучения за день; КПД всей системы, включая теплопотери коллекторных труб, и др.

В формулах приняты обозначения:

Q_c - теплопроизводитель (или выработка тепла), ккал/ч; I -средняя за день плотность потока излучения, поступающего на тепловоспринимающую пластину коллектора, ккал/(м²·ч); F'-коэффициент эффективности теплоприемной пластины; η_с -мгноввенный коэффициент полезного действия; t_p - температура тепловоспринимающей пластины, °С; t_a - внешняя температура, °С; А_с- площадь тепловоспринимающей пластины, м²; U_L - суммарный(или общий) коэффициент теплопотерь коллектора, ккал/(м²·ч·°С); (τα)_е - произведение коэффициентов пропускания стекла и поглощения поверхности плиты; η_сd КПД за полный день; t_w - средняя температура собираемого тепла (теплоносителя), °С; t_wmax - максимальная температура теплоносителя, °С.

¹ В гораздо большей степени зависит от скорости ветра, чем от температуры пластины