Основні характеристики та критерії оцінки сонячних колекторів Viessmann
Viessmann більше 30 років тому почала розробку і виробнитво установок для використання сонячної енергії і здобула в цій області колосальний досвід.
Завдяки високій температурі, Сонце є особливо сильним джерелом випромінювання. Діапазон видимого сонячного випромінювання представляє лише малу частину всього спектру випромінювання , але має при цьому найвищу інтенсивність випромінювання. У внутрішній частині Сонця протікають процеси ядерного синтезу, при яких з атомів водню синтезуються атоми гелію. Внаслідок цього відбувається вивільнення енергії, яка розігріває внутрішню частину Сонця до температури 15 мільйонів градусів Цельсія. Інтенсивність випромінювання на поверхні Сонця складає 63 МВт/м2. Добова кількість енергії, яка випромінюється з 1 м2 еквівалентно теплоті згорання 151 200 л мазуту і становить 1 512 000 кВт год.
Колектори – це генератори теплоти, які багато в чому відрізняються від традиційних джерел. Найбільша відмінність полягає в тому, що джерелом енергії, для отримання теплоти, є не традиційне паливо, а сонячне випромінювання.
Успішна робота сонячної установки залежить не лише від колекторів, але і від раціонального використання всіх компонентів, що є в системі. Тому для ефективного використання колекторів Viessmann розглянемо основні характеристики та критерії оцінки.
Почнемо з коефіцієнту корисної дії (ККД). Коефіцієнтом корисної дії сонячного колектору називається доля сонячного випромінювання, що потрапляє на площу апертури колектору, котра перетворюється в корисну теплову енергію (рис.1 ).
Площею апертури називається поверхня колектору, на котру ефективно діє сонячне випромінювання. Коефіцієнт корисної дії залежить також і від робочого стану колектору. Частина сонячного випромінювання, що потрапляє на сонячний колектор втрачається внаслідок відображення та поглинання на прозорому покритті і внаслідок відображення на абсорбері. По відношенню інтенсивності сонячного випромінювання, що потрапляє на колектор і потужності випромінювання, що перетворюється в теплоту на абсорбері, можна розрахувати оптичний коефіцієнт корисної дії (η0).
Тепловтрати розраховуються за допомогою коефіцієнтів теплових втрат к1 та к2 і різниці температур ΔТ між абсорбером та навколишнім середовищем. Всі ці характеристики вказуються у технічному паспорті на колектор.
Отже, коефіцієнт корисної дії колектору:
η = η0 – (k1 · ΔT)/Еg – (k2 · ΔT2 )/Еg.
У відповідності з цими характеристиками і значенням інтенсивності сонячного випромінювання Eg , можна відобразити коефіцієнт корисної дії у вигляді графіку (рис. 2).
Максимальний ККД досягається у тому випадку, якщо різниця температур колектору і температури навколишнього середовища рівна нулю і колектор немає теплових втрат в оточуюче середовище.
Температура стагнації. Якщо відбір теплоти від колектору припиняється (теплоносій не циркулює, насос не працює), то колектор нагрівається до так званої температури стагнації. У цьому випадку теплові втрати рівні випромінюванню, що поглиналося, продуктивність колектору рівна нулю. Плоскі колектори досягають температури стагнації при температурі вище 200 0С, а вакуумні трубчаті – близько 300 0С.
Потужність сонячного колектору. Максимальна потужність колектору визначається як добуток оптичного коефіцієнту корисної дії η0 і максимального значення падаючого випромінювання 1 000 Вт/м2.
Розрахункова потужність визначається для проектування сонячної системи. Вона використовується для підбору обладнання, і перш за все, для підбору теплообмінника. В якості нижньої межі рекомендується питома потужність колектору - 600 Вт/м2 – при низьких температурах, тобто в режимі експлуатації з очікувано високим ККД. Всі компоненти системи і пакетні сонячні системи Viessmann розраховані з врахуванням цього значення потужності колектору.
Ще зустрічається поняття встановленої потужності. Вона складає 700 Вт/м2 площі абсорберу (усереднена потужність при максимально падаючому випромінюванні). Ця величина не впливає на проектування сонячної системи Viessmann.
Продуктивність сонячного колектору визначається як добуток середньої очікуваної потужності (кВт) на відповідну одиницю часу (год). Отримане значення в кВт на год відносять до квадратного метру площі колектору або площі апертури і отримують значення в кВт год/м2. Це значення, віднесене до кількості днів, важливе для визначення параметрів баку-акумулятору сонячної системи Viessmann. Питома продуктивність колектору в рік вказується в кВт год на м2 площі і являється важливою характеристикою для визначення параметрів і режиму експлуатації установки. Чим вище значення, тим більше теплоти виробляється для системи теплоспоживання. Це значення особливо високе, якщо поверхня колектору оптимально орієнтована і не має затінення. В сонячних системах Viessmann для підвищення продуктивності і експлуатаційних характеристик доцільно збільшити кут нахилу, оскільки оптимальна продуктивність має вирішальне значення для перехідного і зимового сезону. Влітку, якщо сонячна система використовується лише для нагріву води, збільшення кута нахилу колектору дозволяє зменшити надлишок енергії (рис. 3). Таким чином, протягом року теплота виробляється більш рівномірно і продуктивність сонячної системи виявляється вищою, ніж у випадку вибору орієнтації колектору на максимальне випромінювання.
Доля заміщення теплового навантаження за рахунок сонячної енергії. Для проектування сонячної системи заміщення теплового навантаження – разом з продуктивністю – є ще одним важливим критерієм оцінки. Чим більша доля заміщення, тим більша економія енергії. Проектування ефективної сонячної системи Viessmann – це пошук компромісу між продуктивністю та долею заміщення теплового навантаження. Розумним компромісом є, як правило, компроміс між інвестиційними затратами на сонячну систему та економією енергії. Зазвичай, доля теплового навантаження складає 50-60% на ГВП (невеликі сонячні системи), а для багатоповерхівок – 30-40% на ГВП (великі сонячні системи) (рис. 4). При заміні частини навантаження на опалення вказується середнє (стандартне) значення, оскільки тут доля заміщення в більшій мірі залежить від теплотехнічних характеристик приміщення.
Принципово одне: чим більше частка заміщення, тим менша питома продуктивність на квадратний метр площі колектору – через неможливість уникнути «перевиробництва тепла» влітку і зниження коефіцієнта корисної дії колектора.
Нагадаємо: коефіцієнт корисної дії падає при зростанні різниці температур між колектором і навколишным середовищем. Також звертаємо Вашу увагу, що всі колектори Vitosol Viessmann захищені від закипання завдяки технології ThermProtect.
Дана технологія захисту від закипання запатентована компанією Viessmann. У плоских колекторах це спеціальне поглинаюче покриття, яке змінює свої властивості залежно від температури. Якщо температура колектора піднімається вище заданого значення, відбувається зміна кристалічної структури, яка забезпечує більшу тепловіддачу. Температура колектора падає і сонячні колектори не перегріваються. У вакуумних трубчастих колекторах Vitosol 300 захист від закипання працює за допомогою саморегулюючої теплової трубки (Heat-Pipe). Вона запобігає конденсації теплоносія в трубках, коли їх температура підвищується. Захист від перегріву Therm Protect працює без додаткових компонентів. Це полегшує проектування сонячних теплових систем та забезпечує безпечну роботу з усіма сонячними колекторами Viessmann.
Економічно обґрунтована як для Німеччини, так і для України частка теплового навантаження, що покривається за рахунок сонячної енергії, становить для одно- і двоквартирних будинків (невеликі сонячні системи) 50 - 60 відсотків (на гаряче водопостачання), а для багатоповерхових будинків - 30 - 40 відсотків (великі сонячні системи). При заміщенні частини навантаження на опалення вказується середнє (стандартне) значення, оскільки тут частка заміщення в великій мірі залежить від теплотехнічних характеристик Вашої будівлі.