Прежде чем анализировать информацию, представленную ниже, нужно уяснить два момента:

1. При установке солнечного коллектора стационарно в Южном направлении под определенным углом наклона, основное количество энергии будет получено в зоне падения лучей от -50 о до +50 о относительно перпендикуляра к общей поверхности солнечного коллектора.

2. Каждый солнечный коллектор имеет свои нюансы конструкции, в результате которых солнечные лучи могут затеняться, многократно отражаться, преломляться, поглощаться и накладываться друг на друга прежде чем достигнут основного рабочего (поглощающего) слоя солнечного коллектора. При различных углах падения солнечных лучей, специфика их пути прохождения и затенения может существенно меняться.

На примере стеклянной трубки хорошо видно преломление и рассеивание проходящие лучей. Обратите внимание — в крайних зонах имеет место полное внутренне отражение (практически под 90 о ).

*т.к. путь солнечного луча в некоторых конструкциях гелиоколлекторов достаточно сложен, ниже мы приводит упрощенное представление данной картины!

Вся статистика по количеству солнечной энергии в каждом конкретном месте нашей планеты указывается на горизонтальную плоскость . Затем, чтобы использовать эти данные для расчета выработки солнечными коллекторами, сначала производится пересчет на наклонную плоскость.

Если проанализировать как меняется мощность солнечного излучения в этой плоскости то видно, что при углах, отличных от перпендикуляра, часть солнечных лучей проходит мимо анализируемой поверхности. Итоговую мощность в анализируемой плоскости легко вычислить, зная только угол.

Т.к. конструктивные особенности конкретного солнечного коллектора могут менять фактическое количество солнечного излучения в плоскости его абсорбера, пришлось ввести понятие Углового коэффициента, который помогает откорректировать данную погрешность при конкретном угле падения солнечных лучей.

В технической документации на солнечный коллектор как раз указывается данный коэффициент при угле падения солнечных лучей 50 о . Т.к. направление солнечных лучей меняется по двум угловым координатам, разделяют продольный и поперечный угловые коэффициенты (подробнее в конце статьи).

В ситуации с плоскими коллекторами , при угле 50 о обычно данный коэффициент меньше «1», т.к. дополнительно имеет место некоторое дополнительное отражение стеклом, а также затенение абсорбера корпусом.

— направление прямого солнечного излучения.

1000 Вт/м 2 — пример мощности солнечного излучения (ясный день).

1000 и 643 Вт — соответствующая мощность солнечного излучения на 1 м 2 эталонной плоской поверхности, в зависимости от угла падения солнечных лучей.

IAM (Incident Angle Modifier) — угловой коэффициент. Поправочный коэффициент, который помогает учесть конструктивные особенности конкретного гелиоколлектора, чтобы откорректировать количество солнечного излучения поступающего при различных углах падения относительно основной плоскости солнечного коллектора (учитывается все отражение, преломление и затенение солнечных лучей).

max КПД — ориентировочный диапазон максимальных КПД солнечных коллекторов определенной конструкции, в пересчете на их апертурную площадь. Учитываются все преобразования энергии (в т.ч. отражение и переотражение) для доставки тепловой энергии теплоносителю.

800 Вт — пример расчета тепловой мощности, передаваемой теплоносителю с учетом максимального КПД и углового коэффициента солнечного коллектора определенной конструкции (без учета тепловых потерь).

В трубчатом перьевом вакуумном коллекторе в некоторых моделях Угловой коэффициент при угле 50 о может быть даже выше «1», т.к. сам абсорбер может быть несколько изогнут, также имеет место преломление и отражение солнечных лучей на стеклянной трубке (в том числе и от соседней).

Сама трубка коаксиального вакуумного коллектора имеет одинаковые условия по освещенности при различных углах падения солнечных лучей в поперечной оси . Но если анализировать в целом гелиоколлектор, то при перпендикулярных лучах часть солнечного излучения проскакивает между трубками, а при определенных косых луча, соседние вакуумные трубки начинают ограничивать поступление солнечного излучения, затеняя друг друга. Чтобы при угле 50 о мощность сохранилась, угловой коэффициент должен быть равным 1.55, это может быть достигнуто увеличением расстояния между трубками, что еще больше увеличивает габарит и цену гелиоколлектора. При этом тыльная сторона данной вакуумной трубки практически не используется.

Полностью использовать возможности коаксиальной вакуумной трубки (всю поглощающую поверхность) можно добавив в конструкцию гелиоколлектора рефлектор , который переотразит солнечные лучи на тыльную ее часть. При этом часто уменьшают количество вакуумных трубок.

В виде графика корректировку значения мощности солнечного излучения можно представить следующим образом:

Т.к. солнце движется по небосводу по двум координатам, разделяют Поперечный (IAMT — transversal) и Продольный (IAML — longitudinal) угловой коэффициент. Обычно у плоских гелиоколлекторов оба эти коэффициента одинаковые, поэтому указывается только одно значение. У трубчатых вакуумных гелиоколлекторов может существенно отличается Поперечный коэффициент, а Продольный, зачастую, примерно такой же как и плоских коллекторов.

Как отличается угловой коэффициент различных конструкций солнечных коллекторов и как он влияет на их годовую производительность можно удобно проанализировать, воспользовавшись данными электронного каталога на сайте «Швейцарского института солнечных технологий SPF» — http://www.spf.ch/index.php?id=111&L=6

Также программные продукты по моделированию гелиосистем дают возможность понять как влияет угловой коэффициент на годовую производительность. Например, даже демо-режим немецкой программы T*SOL (доступна первая схема) позволяет получить необходимую информацию.

Для этого необходимо:

1. Выбрать стандартный вакуумный коллектор (клацнуть на его изображении в схеме и зайти в каталог = “Select”). *также можно задать и другие параметры по своему желанию.
2. Применить.
3. Нажать рассчитать (значок «калькулятор» = “Simulation”), чтобы получить первые данные.
4. Просмотреть отчет (результаты расчета) – “Report”. Записать.
5. Зайти в параметры солнечного коллектора и переназначить каждую точку поперечного углового коэффициента (“crosswise”) так же как и у продольного.
6. Применить.
7. Нажать рассчитать.
8. Просмотреть отчет.
9. Сравнить со стандартным расчетом.

На нашем примере ниже, при корректировке углового коэффициента на 40% (при угле 50 о — с 1.3 до 0.9) годовая выработка изменилась только на 10%.

ВЫВОД: С точки зрения энергетики — угловой коэффициент, безусловно, оказывает влияние на итоговую тепловую выработку солнечным коллектором, но нельзя сказать, что большие его значения — это гарантия высокой производительности. Если просмотреть каталог SPF, то станет ясно, что лидирующие позиции в производительности (в пересчете на апертурную площадь) занимают солнечные коллекторы с плоскими поглощающими элементами и прямым отбором тепла (как плоские, так и вакуумные). Т.к. в этом случае достигаются наибольшие значения оптического КПД (оказывает большее влияние на итоговую производительность), при этом их угловые коэффициенты имеют значения около «1», что значительно ниже, чем у коаксиальных вакуумных коллекторов.

Источник