Целью данной статьи является не пропаганда солнечных коллекторов и не их уничижение, а попытка найти какую то более-менее объективную оценку их эффективности.

Является фактом следующее: В Российском Нечерноземье (где автор и имеет усадьбу) на каждый квадратный метр горизонтальной поверхности в среднем падает около 2,5-3 квт энергии в сутки. Так же является фактом то, что на 1 квадратный метр поверхности, установленный перпендикулярно солнечным лучам падает около 0,8 Квт энергии в час (в ясную солнечную погоду).

Для обогрева нормально утепленного дома достаточна мощность 0,1 квт час на каждый метр площади дома.

Т.е. теоретически, солнечный коллектор сможет отапливать дом, если уметь получать и накапливать солнечную энергию, и иметь достаточную площадь солнечного коллектора.

Рассмотрим, какие процессы происходят в солнечном коллекторе. Солнечные лучи, проникая через стекло, нагревают теплоноситель. Теплоноситель под действием конвекционных сил или перекачивающего насоса выходит из коллектора, а на его место поступает новая порция теплоносителя.

Что бы коллектор работал максимально эффективно, необходимо, что бы он своей рабочей поверхность располагался строго перпендикулярно падающим солнечным лучам и имел 100% поглощение энергии ( Нулевое отражение). Однако на неподвижном коллекторе такое невозможно. Поэтому рассмотрим, что происходит с условным солнечным коллектором площадью в 1 кв. метр, установленным строго на юг и перпендикулярно лучам солнца в данное время года. На самом деле угол наклона Солнца для 56 гр. северной широты (средняя широта Нечерноземья) меняется от 80 градусов летом (конец июня) до 15 градусов зимой.

Земля оборачивается вокруг своей оси за 24 часа, соответственно, за 1 час поворачивается на 15 градусов. Совершенно очевидно, что неподвижный коллектор не может работать более 12 часов в сутки принципиально (180 градусов). Но и в эти 12 часов лучи падают на него не под углом 90 градусов, а под постоянно меняющимся углом от 0 градусов до 90 и затем снова до нуля по синусоидальному закону. Это значит что и эффективная поверхность нагревания (и количество получаемой энергии, соответственно) так же меняется по синусоиде.

Построим простейшую таблицу. За 0 отметку возьмем время, когда солнце светит строго вдоль поверхности коллектора. Нулевой и 12 час отбрасываем сразу, так как там нулевые показатели.

Время ч. 1___ 2___ 3___ 4___ 5___ 6___ 7___ 8___ 9___ 10___ 11

Угол ос. 15__ 30__ 45__ 60__ 75__ 90__ 75__ 60__ 45__ 30__ 15

Коэф.S 0,26 0,50 0,70 0,86 0,97 1.00 0,97 0,86 0,70 0,50 0,26

Эф. Эн. 200_ 400_ 560_ 690_ 780_ 800_ 780_ 690_ 560_ 400_ 200

Как видим, наиболее эффективно неподвижный солнечный коллектор в 1 кв. метр за все время работы получит 6000 Ватт энергии. Причем наиболее эффективно будет работать в секторе 90 градусов от перпендикуляра на солнце. Получит он при этом 4,8 КВт энергии ( более 80% энергии).

Для сравнения — солнечный коллектор отслеживающий движение солнца (т.е. постоянно повернутый так, что бы рабочая поверхность находилась перпендикулярно к лучам) получит за 12 часов 9,6 КВт энергии. Выигрыш очевиден, но такая гелиостатическая система весьма сложна и используется только на концентрирующих энергию коллекторах.

В подавляющем большинстве случаев передняя часть коллектора представляет собой стекло. Но стекло тоже не идеальная среда. Свет (солнечные лучи) и преломляются в нем, и рассеиваются и частично отражаются. Кроме того, при определенных обстоятельствах наступает полное внутреннее отражение света от внутренней границы стекла

Для стекла мы находим следующие параметры:

Угол падения 0 20 30 40 50 60 70 80 89 90

света (гр)

Коэффициент 4,7 4,7 4,9 5,3 6,6 9,8 18 39 91 100

Отражения %

Таким образом, стекло коллектора отнимет у нас около 5% энергии в наиболее эффективном секторе работы. А угол падения света на коллектор более 70 градусов (от перпендикуляра) практически «выводит его из строя».

Наиболее продвинутые коллекторы имеют т.н. «просветляющее» покрытие, значительно уменьшающее отражение. Но это идет борьба за проценты. Серьезного увеличения эффективности коллектора это не влечет.

Кроме отражения от передней поверхности стекла следует учитывать отражение и от его внутренней поверхности. При переходе лучей из стекла в теплоноситель (в воздух). С учетом коэффициента преломления стекла (~ 1,5), при падении света на стекло под углом ок. 70 градусов, свет падает на внутреннюю поверхность под углом ок 40 градусов и при этом наступает полное внутреннее отражение света.

К счастью, процент отраженного света в «рабочем секторе углов» коллектора не так велик и составляет ок. 5 %.

Как видим, с неподвижно установленного коллектора площадью в 1 квадратный метр не удастся снять более 4 КВт энергии в сутки даже в идеальных условиях (отсутствие теплопотерь, абсолютно ясное небо и т.д.). Для сравнеия — в гелиоориентированном коллекторе потери на стекле уменьшаются з счет того, что угол падения всегда близок к 90 градусам и он становится эффективнее неподвижного уже почти в 2 раза.

Стационарный коллектор не удастся установить так, что бы он был постоянно перпендикулярно лучам солнца. Как сломанные стрелочные часы, которые дважды в сутки показывают точное время, так и солнечный коллектор, будет в идеальных условиях всего лишь несколько часов в году. Во все остальное время он будет получать солнечную энергию в той или иной пропорции, в зависимости от угла падения солнечных лучей.

Но к счастью, «рабочий сектор» коллектора достаточно велик ( это фактически пространственный сектор 120 х 120 градусов.)

Поэтому для получения необходимого количества энергии нужно сделать коллектор необходимой площади и соответствующим образом сориентировать его в пространстве. Но это не всегда возможно сделать.

Солнечный коллектор достаточно большого размера (если не строить его специально) можно устроить либо на стене дома, или на его крыше (что удобнее).

При этом надо учитывать, что угол падения солнечных лучей меняется от 80 градусов (к поверхности земли) в июне, с длительностью светового дня 17 часов, до 15 градусов в декабре с продолжительностью дня 6 часов.

По отношению к вертикально расположенному коллектору (например на стене дома) это будет соответственно от 10 градусов до 75.

В дни равноденствия (22 марта и 22 сентября) угол наклона солнца составляет примерно 66 градусов, а продолжительность дня составляет 12 часов.

Учтем так же, что летом тепло не столь необходимо, как зимой. А зимой (особенно в период с середины ноября и до середины января — самая пасмурная погода в году и солнце скорее исключение, чем правило. Да и продолжительность дня в это время не более 7-8 часов.

Поэтому расположение коллектора на крыше с углом наклона примерно 35-40 градусов, ориентированной на юг можно считать оптимальным. В этом случае коллектор будет расположен практически перпендикулярно к лучам солнца еще в отопительный сезон (в марте, апреле, сентябре и октябре), и находиться практически в центре рабочего пространственного сектора. Лучи будут падать перпендикулярно на коллектор тогда, когда будет находиться над горизонтом с углом наклона в 55 градусов.

Поскольку его «раствор» 120 градусов, он будет достаточно эффективно работать при всех реально возможных углах наклона солнца.

В «критические» дни, когда солнце либо почти в зените, либо едва над горизонтом, он будет снижать свою эффективность всего на 20%. В первом случае эти потери с лихвой компенсируются теплой погодой и длинным днем. А во втором — на солнце и так рассчитывать не приходится ввиду короткого дня и пасмурной погоды. Но даже если в эти дни случится солнце, коллектор будет работать на 50-70% своей мощности, что весьма не плохо, особенно если заложить эти потери мощности в площадь коллектора и достаточно емкий теплоаакумулятор. С учетом того, что на горизонтальную поверхность площадью в 1 кв. метр падает в год по 2-3 квт энергии в сутки.

Константин Тимошенко.