Часто задають питання: «Який оптимальний кут нахилу для сонячних колекторів?»
Проте - це не єдине запитання на що слід звертати увагу при виборі та встановленні геліотермічної установки.Продуктивність сонячного колектору залежить від декількох факторів:
- кут нахилу колектору та географічне розташування об'єкту з урахуванням орієнтації стосовно сторін Світу
- оптичний коефіцієнт корисної дії
- коефіцієнти тепловтрат сонячного колектору
Для визначення оптимального кута нахилу колектору існує інтернет ресурс (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php) Європейської Комісії за назвою Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS), який дозволяє вирахувати потужності сонячної радіації, яка потрапляє на поверхню сонячного колектору. Для цього необхідно встановити маркер на мапі в бажаному місці, вибрати кут нахилу колектора від 0-90° стосовно горизонту, а також азимут [-180°] - Захід; [0°] - Південь; [180°] - Схід. Програма дає змогу змоделювати потужність сонячного випромінювання стосовно заданих параметрів, а також рекомендує оптимальний кут нахилу.
Проте, на продуктивність сонячного колектору впливають також ряд інших факторів. Перш за все - це показники оптичного коефіцієнту корисної дії та коефіцієнти тепловтрат, які визначаються лабораторним шляхом при проходженні сертифікації колектору. Оптичний ККД сонячного колектору - це найвища робота точка за умови однакової температури теплоносія в колекторі і температури зовнішнього середовища. При збільшенні різниці температури буде зменшуватися продуктивність сонячного колектора.
Коефіцієнт корисної дії колектора [η] визначається різницею між оптичним коефіцієнтом корисної дії [η0] і тепловтратами колектора (коефіцієнти тепловтрат). Оптичний ККД [η0] визначає, яку частку сонячної енергії перетворює абсорбер колектора в теплову енергію, оскільки частина сонячного випромінювання віддзеркалюється від поверхні колектора і взагалі не потрапляє на абсорбер. Оптичний ККД колектора - це константа величина і залежно від типу колектора становить 70 - 90%. Віднявши від цієї величини коефіцієнти тепловтрат отримаємо ККД колектора, також його називають термічним коефіцієнтом корисної дії колектора.
Отже,
- η = η0 - a1 * (∆Т) / G - a2 * G * ((∆Т) / G)²
Де
За цією формулою можна вирахувати продуктивність будь-якого колектора. Значення оптичного коефіцієнту корисної дії η0 та коефіцієнтів тепловтрат а1, а2 зібрані в загальній базі даних Solar Keymark для всіх колекторів, які продаються на європейському ринку.
Дану формулу можна інтерпретувати наступним чином: якщо температура колектора і зовнішнього середовища однакові, відповідно тепловтрати відсутні (∆Т=0), то оптичний ККД колектора дорівнює термічному ККД (η0= η).
Колектори тестуються в лабораторії за ідеальних умов і світлові промені потрапляють на площину колектора під прямим кутом, але оскільки місце сходу і заходу сонця, а отже, і його азимут день у день змінюються, відповідно і сонячні промені потрапляють на поверхню колектора під різними кутами.
Саме тому існує коректуючи коефіцієнт кута падіння сонячних променів Kθ або Incidence Angle Modifier (IAM). Він визначає на скільки зміниться продуктивність колектора, коли сонячні промені потрапляють на його поверхню не під прямим кутом.
Для визначення коректуючого коефіцієнту кута падіння сонячних променів для вакуумних колекторів застосовують поперечне та поздовжнє вимірювання стосовно осі вакуумної трубки. Геометрія поверхні плоского колектора однакова в усіх напрямках, відповідно коректуючий коефіцієнт буде також однаковим, незалежно від напрямку вимірювання. Ці дані визначаються при проходженні сертифікації. В сертифікаті знаходиться таблиця з назвою Incidence angle modifiers Kθ(θ).
Для плоского колектору є характерним співвідношення: чим більше відхилення, тим менший коректуючий коефіцієнт (ІАМ), який множиться на коефіцієнт ККД, що веде до зниження продуктивності. У випадку з вакуумним колектором продуктивність буде зменшуватися з коефіцієнтом для поздовжнього напрямку. Але при поперечному напрямку, для колекторів з дзеркальним концентратором - значення корегуючого коефіцієнту може бути більшим за 1,0. Причина полягає в геометрії дзеркального концентратора, а також в абсорбері, який нанесений на всю площину вакуумної трубки
Тобто, саме за несприятливих умов - енергія з розсіяних сонячних променів краще використовується, за рахунок концентратора, що веде до збільшення продуктивності. Такі умови експлуатації трапляються досить часто, наприклад в ранкові та вечірні години, або коли на дворі хмарно.
В порівнянні з іншими типами колекторів за результатами тесту Solar Keymark основна причина кращої продуктивності вакуумних колекторів полягає саме у використанні дзеркального концентратора.
Висновок: меншу продуктивність колектора, в наслідок зміни кута нахилу чи розташування стосовно сторін світу, можна компенсувати збільшенням площі геліополя. У випадку з плоскими колекторами спостерігається суттєве збільшення загальної площі, для компенсації продуктивності установки. Дослідження Штутгартсьго Інституту Термодинаміки Теплотехніки показують, щоб досягти однакової продуктивності установки при встановлені колекторів на Схід, як при встановлені на Південь - необхідно збільшити площу плоских колекторів на 90%, але для вакуумних колекторів площа збільшиться на 40%.
