Расчет солнечного коллектора

1.3 Методики расчета основных параметров

Эффективность работы коллектора определяется отношением полезно использованной в коллекторе энергии к величине падающего на его поверхность солнечного излучения. Для определения полезной мощности целесообразно ввести понятие полного коэффициента потерь. Он складывается из потерь через нижнюю, верхнюю и боковые поверхности:

U_L = U_b +U_t +U_e.

Расчет коэффициента потерь U_t проводится методом итераций. В случае одностекольного покрытия уравнение имеет вид:

,

где h_{r, p-c} – коэффициент теплопередачи излучением от пластины к стеклу; h_w – коэффициент конвективной теплоотдачи в окружающую среду; h_{r, c-s} – коэффициент теплопередачи излучением от стекла к небосводу.

Методика расчета состоит в том, что произвольно задается значение Т_с и рассчитываются коэффициенты h_p-c, h_{r, p-c}, h_{r, c-s}и, наконец, U_t. Результаты этих расчетов используются затем для вычисления Т_с по уравнению:

Если полученное значение Т_с близко к начальному произвольно выбранному значению, то нет необходимости в дальнейших расчетах. В противном случае полученное значение Т_с принимается за исходное и процесс вычислений повторяется.

На коэффициент полезного действия коллектора оказывают влияние пыль и затенение. При проектировании без предварительных испытаний влияния пыли рекомендуется учитывать путем уменьшения излучения, поглощаемого пластиной, в (1-d) раз, где d равно 0,2.Влияние затенения может быть существенным. Чтобы его учесть рекомендуется уменьшить на 3% величину поглощаемой пластиной радиации. Задача сводится к определению эффективной поглощательной способности (ta)_е.

.

Величина U_L была рассчитана при допущении, что система прозрачных покрытий не поглощает солнечное излучение. Для того чтобы учесть уменьшение тепловых потерь вследствие поглощения стеклом солнечного излучения, вводится понятие эффективной приведенной поглощательной способности.

где - приведенная поглощательная способность системы покрытий относительно прямого и рассеянного излучения. Часть излучения, прошедшего через систему покрытий и достигшего пластины, отражается обратно к системе покрытий. Однако это излучение не теряется полностью, поскольку часть его отражается назад к пластине. Это схематически показано на рисунке 2, где t - пропускная способность системы покрытий для рассматриваемого угла падения, а a - направленная поглощательная способность поглощающей пластины. Доля ta излучения, падающего на поглощающую пластину, поглощается, а доля (1-a)×t отражается обратно к системе покрытий. Отражение от поглощающей пластины ближе к диффузному, и поэтому доля (1-a)×t, которая достигает покрытия, представляет собой диффузное излучение, при этом доля (1-a)×t×r_d отражается обратно к поглощающей пластине [1].

- пропускная способность одного стеклянного покрытия; К – коэффициент ослабления стекла; L – фактическая длина пути излучения через среду;

Величина солнечного излучения, падающего на поверхность коллектора с учетом влияния пыли и затенения составит:

.

H – плотность потока солнечного излучения, падающего на единицу площади поверхности с произвольной ориентацией; R – коэффициент перехода от плотности потока прямого или рассеянного излучения к плотности потока излучения в плоскости ориентации коллектора; T_f,i - температура жидкости на входе в коллектор.

Полезная энергия коллектора составит:

,

где - коэффициент отвода тепла из коллектора, представляет собой отношение фактической полезной энергии коллектора к полезной энергии, когда температура всей поглощающей пластины равна температуре жидкости на входе; G – расход жидкости на единицу площади поверхности, кг/(м²×с); - эффективность коллектора; W – расстояние между трубами; С_b – проводимость соединения листа с трубой; h_f,I – коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к жидкости; - эффективность ребра; , k – коэффициент теплопроводности ребра; d - толщина ребра.

Чтобы рассчитать характеристики коллектора, необходимо знать полный коэффициент потерь U_L. Однако U_L является функцией температуры пластины, и, следовательно, расчет проводится методом итераций. Средняя температура жидкости определяется уравнением:

.

Вследствие наличия термического сопротивления при переносе тепла от поглощающей поверхности к жидкости средняя температура пластины будет всегда выше средней температуры жидкости. Средняя температура пластины и средняя температура жидкости связаны соотношением:

,

где– сопротивление переносу тепла от пластины к жидкости; n и L число труб и их длина соответственно.

Температура жидкости на выходе из коллектора составит:

,

где L – длина коллектора.