Сонячні промені, які досягають поверхні Землі, підрозділяють на два види: прямі і розсіяні. Прямі сонячні промені - це ті, які беруть початок у поверхні Сонця і досягають поверхні Землі. Потужність прямого сонячного випромінювання залежить від чистоти (ясності) атмосфери, висоти Сонця над лінією горизонту (залежить від географічної широти і часу дня), а також від положення поверхні по відношенню до Сонця. Розсіяні сонячні промені надходять з верхніх шарів атмосфери і залежать від того, яким чином прямі сонячні промені відбиваються від Землі і навколишнього середовища. Завдяки повторюваного процесу відображення між покритій снігом поверхнею Землі і нижньою стороною хмар потужність розсіяного сонячного випромінювання може досягати великих значеній. Та сонячна енергія, яка безпосередньо не поглинається на Землі, відбивається в космос. Земля знаходиться в постійному тепловому балансі з навколишнім її середовищем. Якби цього не відбувалося, то Земля нагрівалася б все сильніше і в результаті всяке життя на ній виявилася б неможливою.

У сучасній світовій практиці до поновлюваних джерел енергії (ВДЕ) - відносять: гідро, сонячну, вітрову, геотермальну, гідравлічну енергії, енергію морських течій, хвиль, припливів, температурного градієнта морської води, різниці температур між повітряною масою і океаном, тепла Землі, біомасу тваринного, рослинного і побутового походження.

Сонячна енергетика по багатьом прогнозам є однією з найперспективніших галузей відновлюваної енергетики. Розвиток сонячної енергетики також пов'язане з масштабними програмами підтримки відновлювальної енергетики, реалізованими в розвинених країнах Європи, США, Японії.

Кількість сонячної енергії, що поступає на Землю, перевищує енергію всіх світових запасів нафти, газу, вугілля та інших енергетичних ресурсів, в т. ч. поновлюваних. Використання всього лише 0,0125% сонячної енергії могло б забезпечити всі сьогоднішні потреби світової енергетики, а використання 0,5% - повністю покрити потреби в майбутньому. Потенціал сонячної енергії настільки великий, що, за існуючими оцінками, сонячної енергії, що надходить на Землю кожну хвилину, достатньо для того, щоб задовольнити поточні глобальні потреби людства в енергії протягом року.

Рис.1.1 Потенціал сонячної енергії в порівнянні з іншими видами єнергії

У порівнянні з іншими видами виробництва електроенергії за рахунок відновлюваних джерел, сонячна енергетика володіє найбільшим потенціалом довгострокового зростання.

Протягом останнього десятиліття на ринку фотовольтаїки спостерігалося активне зростання. Зокрема, минулого року, кумулятивна встановлена потужність сонячної генерації досягла близько 40 ГВт у всьому світі, при цьому тільки в 2010 році було встановлено близько 17 ГВт. Фотовольтаїка вже стала повністю конкурентоспроможною частиною системи електропостачання в Європейському союзі (ЄС) і з кожним роком все більш важливою частиною енергетичного балансу по всьому світу.

Рис.1.2 Розвиток сонячної енергетики у світі

Що стосовно України, то за кліматичними умовами Україна належить до регіонів з середньою інтенсивністю сонячної радіації.

Середньорічна кількість сумарної сонячної радіації, що поступає на 1 кв. м поверхні, на території України знаходиться в межах: від 1070 кВт. год / кв. м в північній частині України до 1400 кВт. год / кв. м і вище в АР Крим.

Потенціал сонячної енергії в Україні є достатньо високим для широкого впровадження як тепло енергетичного, так і фотоенергетичного обладнання практично в усіх областях. Термін ефективної експлуатації геліоенергетічного обладнання в південних областях України - 7 місяців (з квітня по жовтень), в північних областях 5 місяців (з травня по вересень). Фотоенергетичне обладнання може достатньо ефективно експлуатуватися протягом усього року.

У кліматометеорологічніх умовах України для сонячного теплопостачання ефективними є застосування плоских сонячних колекторів, які використовують як пряму, так і розсіяну сонячну радіацію. Концентрують сонячні колектори можуть бути достатньо ефективними тільки в південних регіонах України.

Досить високий рівень готового до серійного виробництва та широкий діапазон можливого застосування в Україні обладнання сонячної теплової енергетики показує, що для масштабного впровадження і отримання значної економії паливно-енергетичних ресурсів необхідно лише підвищення зацікавленості виробників до випуску великих партій такого обладнання.

Перетворення сонячної енергії в електричну енергію в умовах України слід орієнтувати в першу чергу на використання фотоелектричних пристроїв. Наявність значних запасів сировини промислової та науково-технічної бази для виготовлення фотоелектричних пристроїв може забезпечити сповна не тільки потреби вітчизняного споживача але і представляти для експортних поставок більше двох третин виробленої продукції.

Наведено енергетичні показники з надходження сонячної радіації є базовими при впровадженні сонячного енергетичного обладнання і рекомендуються до використання в першу чергу проектувальниками об'єктів сонячної енергетики для вибору типу обладнання (сонячні теплові, фотоелектричні установки) та для встановлення їх оптимальної потужності і терміну ефективної експлуатації обладнання в конкретній місцевості.

Таблиця 1.1

Сумарний річний потенціал сонячної енергії на території України

Сонячний колектор - пристрій для збору теплової енергії Сонця (геліоустановка), яку переносять видимим світлом і ближнім інфрачервоним випромінюванням. На відміну від сонячних батарей, які виробляють безпосередньо електрику, сонячний колектор виробляє нагрів матеріалу - теплоносія

.

Рис. 1.3 Схема потрапляння променів у трубці колектора

Принцип роботи сонячного колектора.

Сонячні колектори діляться на 2 основних типи - це плоскі і вакуумні, які в свою чергу відрізняються конструкцією, і властивостями.

Плоскі сонячні колектори (див. рис.) Є найбільш поширеним типом сонячних колекторів. Слід зазначити, що в результаті тривалого вдосконалення колектори даного типу, по всій видимості, практично досягли найбільш оптимальних показників по ефективності, терміну експлуатації та вартості. Конструкція і схема роботи плоского сонячного колектора представлені на малюнку 1.4, 1.5 відповідно.

Рис. 1.4 Конструкція плоского СК

Рис. 1.5 Схема циркуляції води в плоскому СК

Плоскі сонячні колектори працюють на основі парникового ефекту. Даний ефект заснований на тому, що сонячне випромінювання, падаюче на поверхню сонячного колектора, практично повністю пропускається склом.

Так як основна інтенсивність сонячного випромінювання в наземних умовах знаходиться в спектральному інтервалі 0.4 мкм-1.8мкм (рис.1.6 а), то в якості прозорого верхнього шару використовується звичайне або загартоване скло, що має коефіцієнт пропускання в цьому спектральному діапазоні до 95% (рис.1.6 б). Розташоване в нижній частині колектора теплопоглинальне покриття має коефіцієнт поглинання сонячного випромінювання до 90%. Нагріваючись, покриття випромінює теплову енергію, основна потужність якого знаходиться в інфрачервоному діапазоні (рис.1.6 с). Як видно з малюнка, даний спектр випромінювання вже практично не пропускається склом.

Рис. 1.6 Графіки сонячного випромінювання

Таким чином, досягається акумуляція сонячної енергії всередині колектора. Передача теплоти до теплоносія здійснюється за допомогою конструктивних елементів, виконаних, як правило, з алюмінію або міді. Відведення теплоти здійснюється теплоносієм - водою або розчином незамерзаючої рідини.

Крім звичайного скла, в плоских сонячних колекторах також може використовуватися полікарбонат, скло з низьким вмістом заліза, добре пропускає сонячні промені, і ударостійке скло. Більш наочно схема парникового ефекту і втрат, що мають місце в плоскому колекторі, представлена на рисунку 1.9.

Рис. 1.7 Схема парникового ефекту в плоскому СК

Важливою характеристикою сонячних колекторів є виробництво гарячої води з 1 м2 поверхності. Для України, в літній сонячний день продуктивність плоских колекторів може досягати 50 літрів води, нагрітої до 50 - 60оС з 1 м2 на день.

Переваги:

висока ефективність;

відносна простота конструкції;

надійність;

можливість ефективної експлуатації протягом усього року;

тривалий термін експлуатації.

Недоліки:

більш низький ККД в порівнянні з вакуумними колекторами в періоди з низьким рівнем сонячного випромінювання і в холодну частину року.

Плоский сонячний колектор є технічно досить простим пристроєм. Найбільш високотехнологічним елементом у його конструкції є поглинаюче покриття. Очевидно, що для підвищення ефективності роботи конвектора необхідно, щоб покриття поглинало можливо більшу частину енергії падаючих сонячних променів, а при нагріванні випромінювало як можна меншу частину поглиненої енергії в інфрачервоному спектрі.

Для оцінки ефективності поглинаючих покриттів застосовуються такі показники:

коефіцієнт поглинання (абсорбації), а - зазвичай знаходиться в межах 0,8-0,98. Даний коефіцієнт представляє собою відношення поглиненої енергії до падаючої;

коефіцієнт випромінювання (емісії), e - зазвичай в межах 0,95 - 0,02 для різних типів покриттів. Даний коефіцієнт представляє собою відношення випромінювань енергії до поглиненої;

коефіцієнт селективності, a / e, застосовується для порівняння характеристик різних видів поглинаючих поверхонь. Чим вище значення даного коефіцієнта, тим кращими характеристиками володіє поглинаюча поверхня.

Сучасні високоселективні покриття володіють дуже високими значеннями коефіцієнта селективності, значно підвищуючи тим самим ККД сонячних колекторів. До того ж, практично лише колектори оснащені покриттями такого типу можуть ефективно працювати в холодний період року внаслідок набагато меншої залежності ККД від різниці температур.

1. Ескіз сонячного колектора з розмірами виконується у форматі А4 і розташовується у додатку пояснювальної записки.

2. Розраховуємо зовнішні умови експлуатації сонячного колектора:

Середньодобова сонячна радіація

(2.1)

де

ц - географічна широта місцевості;

п - порядковий день року.

Тут аргумент функції косинуса обчислюється у радіанах.

Схилення Сонця

(2.2)

Тут аргумент функції синуса обчислюється у градусах.

Тривалість дня

(2.3)

Максимальна густина потоку сонячної радіації на горизонтальну поверхню

(2.4)

Час сходу Сонця

(2.5)

Тривалість періоду, що обчислюється з часу після сходу Сонця

(2.6)

Густина потоку сонячної радіації на горизонтальну поверхню за годину

(2.7)

Температура навколишнього середовища

(2.8)

Тут аргумент функції синуса обчислюється у радіанах.

3. Обчислюємо коефіцієнт відведення тепла від сонячного колектора:

Температура поглинальної пластини попередньо:

, (2.9)

де Т_Т1 - температура теплоносія на вході до колектора,°С.

Далі температура Т_пл уточнюється (підрозділ 3.5).

Коефіцієнт конвективної тепловіддачі від поверхні зовнішнього скла до навколишнього середовища

(2.10)

де v - швидкість вітру, можна прийняти v = 5 м/с.

Коефіцієнт теплопередачі для втрат тепла через верхню поверхню сонячного колектора, Вт/ (м²К)

(2.11)

де z - кількість прозорих покрить;

f - функція, яка визначається з наступного виразу

(2.12)

е_пл - ступінь чорноти пластини;

е_с - ступінь чорноти прозорого покриття;

у_{0 -} стала Стефана-Больцмана, у₀ = 5,6710^-8 Вт/ (м²К⁴).

Коефіцієнт теплопередачі для втрат тепла через верхню поверхню сонячного колектора з урахуванням його нахилу

. (2.13)

Коефіцієнт теплопередачі через нижню поверхню сонячного колектора

(2.14)

де , - відповідно теплопровідність та товщина шару теплової ізоляції нижньої поверхні.

Коефіцієнт теплопередачі через бокову поверхню сонячного колектора

(2.15)

де л^/_із, д^/_із - відповідно теплопровідність та товщина шару теплової ізоляції бокової поверхні сонячного колектора.

Повний коефіцієнт теплопередачі через стінки сонячного колектора

. (2.16)

4. Знаходимо коефіцієнт ефективності сонячного колектора:

Співвідношення коефіцієнта теплопередачі до теплопровідності ребра (поглинальної пластини)

(2.17)

де л_р - теплопровідність ребра (визначаємо за Додатком В);

д_р - товщина ребра.

Ефективність ребра

(2.18)

де s - крок розміщення труб, м;

d - зовнішній діаметр труби, м.

Ефективність колектора

(2.19)

де л_{шв -} теплопровідність зварювального шва, Вт/ (мК);

б_р1 - коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до рідини, Вт/ (м²К);

d_i - внутрішній діаметр труби, м.

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до рідини визначається з критеріальних рівнянь вигляду для ламінарною режиму течії рідини при Rе > 10.

(2.20)

де - число Нусельта;

l - довжина трубки, м;

- число Рейнольдса;

- швидкість руху рідини, м/с;

- кількість труб в колекторі (Додаток Б);

- кінематична в'язкість води за даних умов (Додаток Д);

- густина води за даних умов (Додаток Д);

- число Прандтля (Додаток Д).

для турбулентного режиму течії рідини при Rе > 1·10⁴

(2.21)

Індекси "р" і "с" вказують, що фізичні властивості вибирають за температурою рідини і стінки відповідно. Значення цих температур приймаються попередньо з наступним уточненням (підрозділ 3.5).

Питома витрата рідини на одиницю площі сонячного колектора

(2.22)

де G - масова витрата рідини, кг/с.

Коефіцієнт відведення тепла від колектора F_R, який є відношенням фактичної корисної енергії до корисної енергії при умові, що температура всієї поглинальної пластини дорівнює температурі рідини на вході у сонячний колектор

(2.23)

де с_р - теплоємність рідини (теплоносія), Дж/ (кгК) (наведена у Табл. В.1).

Наведена поглинальна здатність сонячного колектора

(2.24)

де ф - пропускна здатність системи прозорих покрить;

б - спрямована поглинальна здатність адсорбуючої поверхні колектора;

с_d - дифузна відбиваюча здатність, для скляного покриття вона приймає значення: 0,16, 0,24, 0,29, 0,32 відповідно для одного, двох, трьох та чотирьох шарів.

Відношення потоку прямої сонячної радіації, що надходить по нормалі на нахилену поверхню, до потоку радіації, яка надходить на горизонтальну поверхню

(2.25)

де щ - годинний кут.

Годинний кут дорівнює нулю у сонячний полудень, кожна година відповідає 15° довготи, при цьому значення годинного кута до полудня вважається негативним, а після полудня - позитивним. Розрахунок ведеться згідно з виразом

(2.26)

тут t - поточна година.

Величина R визначається для кожної години окремо, за її допомогою виконуються перерахунки густини потоку випромінювання, що надходить на горизонтальну поверхню, на густину потоку, що надходить на нахилену поверхню сонячного колектора - Н_гR, Вт/м².

5. Знаходимо показники сонячних колекторів:

Теплові втрати колектора у навколишнє середовище, які приведені до 1м² його площі

(2.27)

Корисне тепло, що передасться робочому тілу і яке віднесено до 1м² площі адсорбера

(2.28)

Коефіцієнт корисної дії (ККД) сонячного колектора за поточну годину

(2.29)

ККД сонячного колектора за добу визначають після завершення всіх обчислювань для кожної години

(2.30)

6. Виконуємо уточнення температури поглинальної пластини. Алгоритм процедури уточнення такий:

середня температура рідини

; (2.31)

середня температура поглинальної пластини

(2.32)

де b - ширина активної частини пластини, м.

Якщо знайдене значення Т_пл відрізняється від попередньо прийнятого більше ніж на 3 %, розрахунок за пунктами 3, 4, 5 повторюється. Визначення температури пластини виконується тільки для умов, що стосуються середини світового дня.

Температура стінки трубки може бути прийнята такою:

(2.33)

Висновок: В даному розділі була приведена методика розрахунку плоского сонячного колектора в вигляді формули. Розрахунок параметрів плоского СК за даною методикою має достатньо велику точність (максимальне відхилення 3%). Тому її можна використовувати універсально як для одиничної установки СК, так і для цілої геліосистеми. Дана методика дозволяє розрахувати наступні параметри СК: оптичний ККД, теплопродуктивність, ККД колектора в перерізі доби ефективність, коефіцієнт відведення тепла, а також середню температуру теплоносія всередині колектора.

Розділ 3. Розрахунок характеристик плаского сонячного колектора