Оптичні втрати сонячного колектора

Коли сонячне проміння падає на площину сонячного колектора перпендикулярно, оптичні втрати сонячного колектора будуть мінімальними. Оскільки в цей момент відбиття прозорої ізоляції (зазвичай використовується скло) має мінімальне значення.

Перпендикулярний напрямок сонячного випромінювання на поверхню плоского сонячного колектора

Однак на практиці протягом світлового дня таке падіння променів відбувається в нетривалий період. Світлові промені під різними кутами потрапляють на сонячний колектор залежно від часу доби і пори року. При цьому відбивається більше світла, ніж за перпендикулярному напрямі променів. Оскільки світло проходить через скло колектора під кутом з більшою траєкторією, то і частина світла поглиненого склом, теж збільшується.

Падіння сонячного випромінювання під нахилом на поверхню плоского сонячного колектора

Оптичні втрати сонячного колектора під час сонячного випромінювання з відхиленням

У розрахунках оптичної ефективності сонячного колектора необхідно враховувати всі вищезазначені параметри. Для цього було введено спеціальний кутовий коефіцієнт відомий під абревіатурою IAM (Incidence Angle Modifier). Визначення цього коефіцієнта є стандартною процедурою під час випробування для сертифікації сонячного колектора. Кутовий коефіцієнт дорівнює відношенню величини сонячного випромінювання, що потрапляє на колектор під кутом до величини сонячного випромінювання, що проходить на абсорбер перпендикулярно. Введення даного коефіцієнта обумовлено різною геометрією сонячних колекторів, оскільки всі розрахунки проводяться до одиниці площі плоскої поверхні.

Для плоского сонячного колектора кутовий коефіцієнт IAM дорівнює одиниці, якщо сонячні промені потрапляють на колектор під прямим кутом і знижується при збільшенні кута падіння сонячного світла, як показано на графіку. У розрахунках враховується як поздовжнє (IAML), і поперечне (IAMT) падіння сонячних променів.

Типовий графік кутового коефіцієнта IAM для плоского сонячного колектора

При попаданні сонячного випромінювання на трубчастий сонячний колектор відбивається значно більше світла, ніж плоского колектора, оскільки лише невелика частина променів потрапляє на трубку перпендикулярно, а більшість променів відбиваються. Це пояснює, чому трубчасті колектори мають більші оптичні втрати ніж плоский сонячний колектор.

Схема потрапляння та відбиття сонячних променів на вакуумний трубчастий сонячний колектор

Однак кутовий коефіцієнт трубчастих вакуумних колекторів для поперечного сонячного випромінювання може бути більше одиниці(!) Це відбувається через те, що при збільшенні кута падіння сонячних променів зменшується кількість світла, що потрапляє в зазори між трубками.

Перпендикулярний напрямок сонячного випромінювання на поверхню вакуумного трубчастого колектора

Падіння сонячного випромінювання під нахилом на поверхню трубчастого сонячного колектора

Як правило, дорожчі колектори мають велику відстань між трубками для запобігання затіненню трубок один одному при великих кутах падіння поперечних сонячних променів. Тим самим збільшується значення IAM коефіцієнта.

Приклад графіка кутового коефіцієнта IAM для трубчастого вакуумного сонячного колектора

Вплив кутового коефіцієнта на оптичний ККД сонячного колектора

Кутовий коефіцієнт IAM завжди враховується під час досліджень оптичних властивостей сонячних колекторів. за допомогою цього коефіцієнта коригують дані щодо кількості сонячної енергії, що проходить через прозору ізоляцію. Зазвичай його вказують при куті падіння 50 градусів від перпендикуляра, оскільки в цьому діапазоні надходить практично все сонячне випромінювання за світловий день на площину колектора. По суті, IAM коефіцієнт показує, наскільки добре той чи інший колектор здатний поглинати сонячне випромінювання під кутом.

Щоб поліпшити оптичні характеристики сонячних колекторів, застосовують різні методи модернізації. Для зменшення відображення використовують спеціальні покриття антивідблиску. А для зменшення поглинання тепла використовують скло з мінімальною кількістю оксидів заліза. Як правило, оптичні втрати подолання прозорої ізоляції сонячного колектора лежать у межах 5-8%. Більшість виробників вказують кількість корисної енергії, що потрапляє на абсорбер колектора в технічних характеристиках як «поглинаюча здатність» і це значення зазвичай дорівнює 92-95%. Не варто плутати це з оптичним ККД сонячного колектора. Цей параметр лише частково характеризує оптичні втрати колектора та вказує здатність скла пропускати сонячне проміння.

Оптичний ККД сонячного колектора в свою чергу характеризує всі етапи перетворення сонячної енергії надходить на поверхню сонячного колектора в теплову енергію, що передається теплоносія геліосистеми.