Солнечный коллектор: эффективность

Солнечный коллектор – это сложный теплообменный аппарат, который преобразовывает солнечную энергию в тепловую. Солнечный коллектор не может быть эффективным на 100 % поскольку имеет потери при преобразовании тепловой энергии а так же оптические потери. 

Тепловые потери – это часть солнечной энергии, которая была преобразована в солнечном коллекторе в тепловую энергию, но не была использована на нагрев теплоносителя а рассеялась в окружающем воздухе. Данный вид потерь зависит от разницы температуры в коллекторе и окружающем воздухе и коэффициентов тепловых потерь k₁ (линейный коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К)) и k₂ (коэффициент тепловых потерь с учетом нелинейности Вт/(м²·К²)).

Потери состоят из трех режимов теплообмена:

• потери на теплопроводность;
• конвекционные потери;
• потери на излучение;

Оптические потери – это часть солнечной энергии, которая при попадании на солнечный коллектор не была преобразована в тепловую энергию.  Оптическая эффективность солнечного коллектора выражается оптическим коэффициентом полезного действия η₀ (безразмерная величина). Оптический КПД зависит от поглощательной способности абсорбера, прозрачности изоляции (стекла), и эффективности поглощающей панели (эффективность передачи тепловой энергии от абсорбера к теплоносителю), выражаются в коэффициентах a, t, Fr соответственно.

Таким образом  η₀ = (a·t·Fr). Эти коэффициенты являются справочными и определяются при помощи стандартизированных испытаний на специальных стендах, и относится к единице площади солнечного коллектора.  Значение η₀ еще называют КПД коллектора при нулевых тепловых потерях.

Реальный КПД солнечного коллектора

Общую эффективность солнечного коллектора определяют значением КПД коллектора:

η- коэффициент полезного действия коллектора;
η₀- оптический коэффициент полезного действия;
k₁ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К);
k₂ -коэффициент тепловых потерь Вт/(м²·К²);
∆Т- разница температур между коллектором и воздухом К;
Е – суммарная  интенсивность солнечного излучения.

Максимальное значение КПД достигается при условии, что разность температуры ∆Т равна нулю. В таком случае коллектор не имеет тепловых потерь. Однако такие идеальные условия в практике не встречаются. Значение η₀ является паспортным значением любого солнечного коллектора и обязательно должен быть указан в документации к солнечному коллектору.

Принципы развития конструирования солнечных коллекторов направлены на увеличение поглощающей способности и уменьшение тепловых потерь. Наибольший оптический КПД имеет открытый коллектор (без прозрачной изоляции) но имеет и наибольшие тепловые потери. В свою очередь наименьшие тепловые потери имеет вакуумный солнечный коллектор, но обладает небольшим оптическим КПД из-за применения двух слоев прозрачной изоляции, цилиндрической формы абсорбера и промежуточные теплопередачи.