ОПТИМИЗАЦИЯ УГЛА НАКЛОНА И ОРИЕНТАЦИИ ПРИЕМНОЙ ПЛОЩАДКИ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА ДЛЯ РОССИИ

Солнечный коллектор - устройство для сбора тепловой энергии Солнца (гелиоустановка), переносимой видимым светом и ближним инфракрасным излучением. В отличие от солнечных батарей, производящих непосредственно электричество, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя.

Главный недостаток солнечного излучения как источника энергии - это неравномерность его поступления на земную поверхность в течение года. Ошибки при проектировании могут привести к простою солнечных водонагревательных установок (СВУ) при пиках поступления солнечной радиации (СР) в летние месяцы и недостаточной теплопроизводительности зимой. В связи с этим, важным параметром СВУ является угол наклона солнечного коллектора (СК), изменение которого в течение года позволит оптимизировать теплопроизводительность СВУ для конкретного сезонного режима работы, что повысит эффективность использования солнечной энергии.

Количество солнечной энергии на поверхности Земли зависит от многих факторов, в первую очередь от расположения приемной площадки относительно Солнца.

Рисунок 1. Геометрия положения солнца

Рисунок 2. Положение приемной площадки

Для эффективного использования прямой составляющей солнечной радиации необходимо нормальное расположение к ней приемной площадки в любой момент времени, то есть необходимо постоянное слежение за Солнцем. Вместе с этим, для максимального использования диффузной составляющей солнечного излучения необходимо горизонтальное расположение приемной площадки.

Однако системы слежения являются весьма дорогими для применения на практике и соответственно пропадает сама суть солнечного коллектора – дешевое по себестоимости преобразование бесплатной солнечной энергии в тепловую, поэтому в основном приемные площадки имеют постоянное расположение.

Положение площадки определяется тремя углами – φ, γ и β, где

φ – географическая широта местности;

γ – азимут поверхности, измеряется как угол между нормалью к поверхности коллектора и направлением на юг; 

β – угол между поверхностью коллектора и горизонтальной поверхностью.

В научной литературе решение задачи, по определению оптимального угла часто сводится к выполнению условия:

β = φ

В других же источниках приводится похожее условие:

 β = (0,9-1,1) φ

Но данные условия справедливы, если почти всю долю прихода солнечной энергии составляем именно прямая составляющая Rпр солнечного излучения. Для России более характерна ситуация, когда существенную долю составляет рассеянная (диффузная) радиация.

По формуле С.А. Клейна (1) солнечная энергия на произвольно  наклоненную площадку, ориентированную строго по основным сторонам – серев, юг, запад, восток –  равна:

      (1)

 – значение солнечного излучения для горизонтально ориентированной площадки

 – значения солнечного излучения для вертикальной площадки, ориентированной на юг и запад/восток соответственно

Первоначально необходимо определиться с оптимальным углом γ. В научной и технической литературе приводится направление на юг (γ = 0º) как наилучший вариант (ссылка на источник). Проверим данный вариант.

Для этого из полученных данных сформируем сводную таблицу. Угол β рассмотрим от 30º до 90º. Данные по солнечной радиации используем для произвольных географических широт 40, 50 и 64 гр.с.ш.

Таблица 1.

 Сводная таблица для определения оптимального угла γ

Как видно из таблицы 1 при ориентации на юг показатели солнечной радиации выше. Поэтому для дальнейших расчетов принимаем γ = 0º.

Для определения оптимального угла β составим сводную таблицу 2 на основе полученных расчетных данных, в которой для каждой рассматриваемой географической широты будет сопоставлено значение солнечной энергии в соответствии с углом наклона поверхности солнечного коллектора β.

Таблица 2.

 Сводная таблица для определения оптимального угла β

Как видно из таблицы 2 наибольшее значение солнечной радиации (данные показатели выделены синим) соответствуют углу наклона солнечного коллектора β от 40º до 50º. Среднее значение составляет 45º.

Если вычислить отношение βопт/φ, то оно находится в диапазоне от 0,78 до 1,00. Среднее значение составляет 0,9.

На основе полученных данных можно сформировать условие, для определение оптимального угла наклона для различных географических широт:

βопт = (0,8-0,9) φ

Список литературы:

1. И. В. Митина. Повышение эффективности солнечных коллекторов с вакуумированными стеклопакетами : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.08 / Митина Ирина Валерьевна; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед. ин-т электирификации сельс. хоз-ва]. - Москва, 2009. - 148 с. : ил.
2. Технологии возобновляемой энергетики и энергосберегающее оборудование. Каталог технологий изделий, разработанных в системе ГНУ ВИЭСХ. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2007.
3. А. В. Бастрон,  М.Р. Муратов. Оптимизация угла наклона приемной площадки и теплопроизводительности солнечного коллектора при эксплуатации в условиях г. Красноярска //Ползуновский вестник. – 2014. - №4 Т.1 – С. 111-115