В даний час у світовій практиці для перетворення відновлюваної сонячної променистої енергії широко використовують геліотехнічні пристрої. Зокрема, це сонячні колектори, які безпосередньо перетворюють променисту енергію сонця в теплову, придатну для практичного використання, найчастіше для гарячого водопостачання. Як правило, вони являють собою плоскі трубчасті колектори, які встановлюють стаціонарно і орієнтують приймаючу поверхню на південь з нахилом до горизонту, і кут його нахилу залежить від широти даної місцевості. У зв’язку з сезонною зміною траєкторії проходження сонця по небосхилу цей кут коригують: влітку зменшують на 5-10°, в зимовий період приблизно на цю ж величину збільшують.
Принциповий недолік усіх конструкцій плоских сонячних колекторів є необхідність мати в їх складі пристрої, що стежать за рухом сонця як по висоті, так і по куту азимута напротязі світлового дня, від сходу до заходу. Тому рухливі плоскі сонячні колектори, стежать за траєкторією сонця, внаслідок високої вартості і громіздкість не отримали широкого практичного застосування, і в даний час використовуються, в основному, тільки стаціонарні колектори.
Метою даної роботи є визначення кількості сонячної енергії, що сприймається сферичними сонячними колекторами, їх орієнтація відносно горизонту.
В Інституті проблем машинобудування ім. А. Н. Підгорного НАН України розроблена і запатентована серія принципово нових по геометричній формі об’ємних сонячних колекторів. З метою зниження тепловтрат і підвищення енергоефективності розроблена оптимальна конструкція сферичного сонячного колектора, представлена на малюнку.
Колектор містить теплоприймач 1, який виконаний з навитої за сферичної гвинтовій лінії єдиної металевої трубки. Теплоприймач 1 розміщений всередині вакуумованої скляної сфери 2, що складається з двох півсфер, герметично встановлених у профільній прокладці 3 з вакуумної гуми.
Всередині профільної прокладки 3 вбудовано увігнуте назовні сферичне дзеркало 5 радіусом R, рівним радіусу внутрішньої сфери теплоприємника у вигляді кульового пояса висотою, що дорівнює висоті профільної прокладки.
Підвідний і відвідний патрубки теплоприймач 1 герметично ущільнені у втулках 4 і також виконані з вакуумної гуми. З внутрішньої порожнини сфери 2 відкачано повітря зі ступенем вакууму, зазвичай досягається в промисловості. Сфера 2 з розміщеним усередині теплоприймач 1, профільної прокладкою 3 і втулками 4 встановлена в двуплічному кронштейні 6.
Сферичний сонячний колектор функціонує наступним чином. На вхід в підвідний патрубок теплоприймач 1 подається холодний теплоносій (наприклад, технічна вода), що рухається по гвинтовій лінії єдиної металевої трубки. Під час руху постійно нагрівається теплоносій сонячної променистої енергією, що впливає через прозору сферу 2 на трубчастий теплоприймач 1. При цьому сонячні промені від сходу до заходу сонця постійно впливають на половину зовнішньої сферичної поверхні теплоприймача 1, а також проникають через проміжки між витками теплоприемника і нагрівають половину протилежних внутрішніх тильних поверхонь трубних витків теплоприймача 1.
Крім того, сонячні промені протягом усього світлового дня, проникаючи між витками теплоприймача 1, постійно впливають на різні ділянки увігнутого назовні сферичного дзеркала 5. При цьому вони відображаються в напрямку внутрішніх затінених ділянок витків теплоприймача 1, на зовнішню поверхню яких в даний момент ці промені спрямовані.
Після проходження по гвинтовій лінії теплоприймача 1 гарячий теплоносій надходить на вихід в відвідний патрубок (напрямок руху теплоносія показано стрілками на малюнку) і потім направляється для подальшого споживання (бак-акумулятор, опалення, гаряче водопостачання тощо). Вакуум у прозорій сфері практично повністю виключає тепловтрати в теплоприймач 1.
Необхідно відзначити ряд переваг геометрії сферичних сонячних колекторів, порівняно з геометрії плоских. Порівняння проводилося за однакових загальній довжині і діаметрі металевої трубки колекторів.
Як правило, плоскі сонячні колектори виконуються у вигляді окремих вакуумованих скляних трубок, концентрично надягнутих і закріплених на металевих трубках. Трубки одним кінцем входять у приймальний патрубок, іншим – у вихідний патрубок. У сферичному колекторі вакуумируют скляна оболонка, що складається з двох півсфер, всередині яких розташований сферичний теплоприемник, виконаний з єдиної трубки.
Оскільки кривизна скляної сфери в десятки разів менше кривизни скляних трубок, це знижує відбивну і підвищує пропускательную здатність сфери при впливі сонячних променів.
Сферична форма не вимагає використання яких-небудь додаткових механізмів, щоб слідувати за рухом сонця. Завдяки такій формі колектор постійно “спостерігає” за ним, тобто фактично однаково сприймає променисту енергію сонця, коли воно проходить по небу на різній висоті і під різними кутами азимута.
У сферичному колекторі завдяки єдиному трубопроводу, виконаному у вигляді сферичної гвинтовій лінії, за рахунок зниження місцевих опорів і відсутності вхідного і вихідного патрубків гідравлічний опір в 1,4–1,6 рази менше, ніж у плоского, виконаного у вигляді окремих трубок.
Вага сферичного колектора в середньому в 2,5–3 разу менше плоского. Площа під установку сферичного колектора в середньому в 1,5–2,5 разу менше, ніж вимагається площа під монтаж плоского колектора.
Розрахунок кількості сонячної енергії, що сприймається сферичним сонячним колектором протягом одного дня, зводиться до обчислення наступного інтеграла:
Поверхня Р(t) являє собою освітлену частину зовнішньої поверхні трубки колектора в момент часу t, так як в кожен момент часу дана поверхня сама себе затінює від сонця. Інтенсивність сонця I залежить від його висоти hs і представляє повну енергію, що надходить в одиницю часу на одиницю поверхні, звернену безпосередньо до сонця.
На малюнку представлена лінійна апроксимація залежності інтенсивності сонця від його висоти hs.
Оскільки висота сонця залежить від часу доби і дня в році, то звідси отримуємо залежність I(t) для кожного дня. У формулі (1) показник I(t)cosi – інтенсивність сонячного випромінювання, що падає на горизонтальну поверхню під кутом i до нормалі в певній точці цієї поверхні. Значення кута i також залежить від часу.
Щоб оптимально орієнтувати сферичний сонячний колектор, необхідно провести порівняння загальної кількості отриманої енергії для різних його положень відносно горизонту. Кількість сонячної енергії, що сприймається колектором за весь рік, можна записати як:
Орієнтацію сонячного колектора відносно горизонту будемо визначати величиною кута нахилу α вертикальної осі колектора до горизонту. Початок відліку цього кута α проводиться від північного напрямку (α = 0°) і закінчується південним (α = 180°).
В результаті обчислення інтеграла (1) для різних значень d отримаємо усереднену по всіх днях року величину площі освітленої частини поверхні сферичного колектора. Її значення можна записати як S = B(α)⋅2πr0L, де B(α) – коефіцієнт, значення якого залежить від орієнтації сонячного колектора; r0 – зовнішній радіус трубки; L – її довжина.
Якщо функцію Icosi усереднити по простору і часу за один день величиною IC(d), то тоді інтеграл (1) наближено можна представити в наступному вигляді:
Нижче для двох відрізків зміни аргументу d функція IC(d) представлена у вигляді наближення поліномами четвертого ступеня для наступних значень: зовнішнього радіуса трубки r0 = 0,006 м, радіуса сфери 0,15 м, кількості витків 10, α = 90° і для географічної широти місцевості (м. Харків) ϕ = 50°
Таким чином, формула (3) з урахуванням наведеної поліноміальної апроксимації підінтегральної функції дає можливість обчислювати кількість енергії, прийнятої сонячним колектором протягом певного дня року. Обчисливши суму (2), маємо кількість тепла, одержуваного колектором за рік при вертикальній орієнтації осі колектора:
Сферичний сонячний колектор
На малюнку 3 представлена залежність кількості теплової енергії, накопиченої сонячним колектором за рік, від кута нахилу α. Розрахунок проведено згідно з формулою (2) з урахуванням аналогічної апроксимації (3) для різних значень α.
Для можливості практичного використання отриманих результатів наведемо наближені вирази для величини Qα:
Оптимальне значення кута нахилу сферичного сонячного колектора становить αopt ≈ 135°, а наближення (4) дає значення 133,97°.
У підсумку визначено оптимальний кут нахилу сферичного сонячного колектора в залежності від широти місцевості, на якій він встановлений. Саме при такому куті нахилу колектора буде отримано максимальну кількість накопиченої за рік сонячної енергії.