Оптимално положение за лятото на тръбни вакуумни или плоски слънчеви колектори

Съдържание на статията:
Схема за денонощно осветление от слънчеви колектори за лятото,
или как да направим икономии за нагряването на вода от енергията на слънцето.
НАСА като източник на информация за оптималния ъгъл на наклон на слънчевите колектори.

По правило, през лятото слънчевата топлина се използва за снабдяване с гореща вода на сезонни обекти или за обезпечаване с топлина на технологични процеси - летни лагери, къмпинги, устройства за сушене на билки, селскостопанска продукция и др.

Ако е необходима топлинна енергия през лятото, най-неизгодният вариант са плоския или тръбния вакуумен колектор, монтиран под наклон. Но именно този вариант се рекламира най-често за сдобиване с гореща вода през лятото. По разбираеми причини търговците се стремят да продадат на неинформирания клиент по-скъпо струващата (за единица полезен продукт - топлина) стока. Заблудата на купувачите на слънчеви колектори е преди всичко в това, че не им се дава информация (още повече, че затова и не се пише), какво средностатистическо количество топлинна енергия на практика ще получи, купувайки определен модел слънчев колектор в определената комплектация.

Ще разгледаме различни варианти на ъгъла на наклон при поставянето на неподвижни слънчеви колектори. За да опростим задачата, ще приемем, че слънчевият колектор някакъв вид черна плоскост.
(На практика всичко е много по-сложно. Параметрите на плоските слънчеви колектори зависят много от вида на стъклото, гладко или призматично, формите на оптическата рисунка. А тръбните вакуумни колектори имат сложна геометрия от ред кръгли тръби.)

За лятото е най-икономично и ефективно използването на следните видове колектори (във възходящ ред спрямо растежа на икономичността според стойността на топлинната енергия):
хоризонтален плосък слънчев колектор;
"черна бъчва на покрива";
хоризонтален вакуумтръбен слънчев колектор;
самонасочващ се към слънцето колектор концентратор с приемник на светлина с голямо сечение.
Обосновката на този порядък на икономичност на топлинните слънчеви колектори (съотношението между количеството на получаваната енергия и стойността на слънчевия колектор) ще бъде направена в следващи статии.

В средните ширини слънчев колектор, който следва положението на слънцето е по-целесъобразен за получаване на топлина от слънчева енергия през цялата година, с изключение само на два месеца, когато светлата част на денонощието е най-къса, отколкото плоските и тръбните слънчеви колектори. Причината - по средата на зимата дневното ъглово преместване на слънцето, когато то е достатъчно високо над хоризонта, представлява всичко на всичко около 45-60 градуса. При такъв малък ъгъл на преместване не е изгодно да се усложнява конструкцията - да се прави въртящ се рефлектор концентратор или цял слънчев колектор. По-просто е да се използва или вакуумен слънчев колектор, или дори просто плосък колектор (вж. статията "Слънчеви колектори за нагряване на вода и отопление на жилището", част 1 - "Общи сведения за използването на енергията на слънчевата светлина в уредите за отопление" и "Типове слънчеви колектори нагреватели").

По-долу е показана схема за денонощната осветеност на наклонени слънчеви колектори. За опростяване на схемата е посочено местно астрономическо време, което е възможно да се отличава от официално обявяваното след преминаването на "лятно часово време" (обикновено 1 час), плюс-минус 30-60 минути, зависещи от местоположението на местноста в часовия пояс, плюс (возможни) постоянно извършвани от държавата "временнипромени".

Схема 1.
Осветеност на наклонен плосък слънчев колектор през лято.
(разрез на плосък слънчев колектор, поглед отгоре)

на схемата:
Сечението на слънчевия колектор - черната дебела линия в средата.
Денонощно преместване на слънцето - окръжността е разделена на 16 части, през 1/4 от правия ъгъл или 1,5 часа.
Ширината*, от която слънчевите лъчи падат на слънчевия колектор в даден час на деня - жълтите сектори.
* - като се знае ъгълът на слънцето над хоризонта в даден час и ъгълът на поставяне на слънчевия колектор може да се изчисли площта на частта, перпендикулярна на слънчевите лъчи, от която слънчевият колектор събира пряка слънчева светлина.
На схемата е дадено астрономическо време.

През летните месеци, по-точно от деня на пролетното равнодествие до деня на есенното равноденствие, ъгълът между точката на изгрева на слънцето и точката на залеза му е по-голям от 180 градуса. Това означава, че ако се постави наклонен плосък слънчев колектор в средните ширини, през лятото в продължение на няколко часа слънцето ще го осветява от обратната (топлоизолирана) страна с почти нулево производство на топлина.

Схема 2.
Време на ефективна работа на наклонен плосък слънчев колектор през лятото през деня.
(разрез на плосък слънчев колектор, поглед отгоре)

на схемата:
Сечението на слънчевия колектор - черната дебела линия в средата.
Денонощно преместване на слънцето - окръжността е разделена на 16 части, през 1/4 от правия ъгъл или 1,5 часа.
Ширината, на която слънчевите лъчи падат на слънчевия колектор в даден час от деня - жълтите сектори.
Ширината, на която слънчевите лъчи не падат на слънчевия колектор в даден час на деня - сиво-сините сектори.
На схемата е дадено астрономическо време.

От схемата става ясно, че наклонен плосък колектор или колектор от вакуумни тръби с панел-подложка през лятото при слънчево време работи приблизително 1/3 от продължителността на светлата част на деня. Следователно в този случай слънчевата топлинна енергия струва 3 пъти по-скъпо, отколкото би могло да бъде. Така за осигуряване на необходимото количество от гореща вода е необходима 3 пъти по-малка площ слънчеви колектори. Или слънчевата система за снабдяване с гореща вода струва 3 пъти по-скъпо. (По избор.)
По въпроса за икономичността на слънчевите колектори-нагреватели вж. също статията Икономическа ефективност на слънчевите топлинни панели през летните месеци
и Таблица 1 "Колко полезна топлинна енергия ще получим от слънчеви колектори." от подраздела "Слънчево отопление и снабдяване с гореща вода през зимата"

Наклонените колектори са особено неизгодини, когато се наблюдава време, при което пряката слънчева светлина (когато е най-силна) е само 2-3 часа след изгрева на слънцето (или обратното, преди залеза), а през останалото време има облаци или мъгла в посока юг. Например, през март - началото на април около Варненския залив мъгла покрива небето 2-4 часа след изгрева на слънцето, а през лятото, около обяд, след нагряването на земната повърхност започват да се образуват кълбести облаци.

Схема 3.
Яркост на небето, покрито от плътна или многослойна гъста облачност.
На схемата е дадено астрономическо време.

При облачно време най-ярката част на небето обикновено се намира около вертикалата (в зенита) - най-краткия път на разсеяната светлина през облаците. Поради това дори и при плътна облачност се наблюдава сянка под предметите през цялата светла част на деня - например под автомобилите - но не и отстрани.

Хоризонтално разположеният слънчев колектор се осветява от слънцето през целия ден, а когато времето е облачно, той приема слънчева светлина от мястото на зенита - обикновено най-ярката част от небосвода.

Хоризонтална повърхност (или леко наклонена на юг - 5-10 градуса), по данни от таблицата Monthly Averaged Radiation Incident On An Equator-Pointed Tilted Surface (kWh/m2/day) [Средномесечна радиационна обстановка на екваториално-насочена наклонена повърхност] NASA Langley Distributed Active Archive Center (DAAC) - препратка: Atmospheric Science Data Center (Център за научни данни за атмосферата) - в района с координати 43 градуса северна ширина и 27 градуса източна дължина (Latitude 43 / Longitude 27):
количеството енергия на 1 квадратен метър хоризонтална повърхност през деня от април до септември включително е от 4,12 киловатчаса през септември до 6,08 киловатчаса през юли.

Но поставените хоризонтално или под малък наклон (5-10 градуса) плоски слънчеви колектори се замърсяват по-бързо и съществува опасност от градушка. Освен това плоските колектори са по-слаби от вакуумните тръби, използващи непряка слънчева светлина и разсеяна радиация.

Може би оптималното решение за получаване на слънчева топлинна енергия (от серийно произвежданите слънчеви колектори) през лятото представлява тръбният хоризонтален слънчев колектор на отразяваща повърхност. С две уговорки: отразителят трябва да се намира на достатъчно разстояние от тръбите, за да може да се мие и почиства от различни растителни замърсявания. Размерите на отразителя трябва да бъдат по-големи от размерите на рамката, в която са поставени вакуумните тръби, приблизително 1,5 пъти.

И все пак, защо за получаване на гореща вода през лятото упорито се мъчат да продават наклонени слънчеви колектори със събирателен съд? Циркулационната помпа струва само 50 евро, а хоризонтално поставеният слънчев колектор ще ви спести най-малко 700 евро...

2008

първата публикация:
"Оптимално устройство за лятото от тръбни вакуумни или плоски слънчеви колектори нагреватели"
energy-saving.hit.bg/articles/solar_collector_optimal_position_for_summertime.html