(рассеянной) солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, Вт/м^;

^j-, - коэффициенты положения солнечного коллектора для прямой и диффузной (рассеянной) радиации соответственно.

Коэффициенты положения солнечного коллектора определяют по формулам:

(6.2) (6.31

Pj-, = cos^ j»/2; Pj = cos i/sinh;

где Ji — угол наклона солнечного коллектора к горизонту;

1 — угол падения солнечного луча на пюерхность коллектора; h - угол высоты солнца над горизонтом.

Уравнения для нахождения Р^ как функции широты местности f, угла наклона коллектора /, его азимута А, склонения Солнца S и времени t достаточно громоздки, и их расчеты выполняют на ЭВМ. Оптимальные углы наклона коллекторов определяются периодом работы и для южной ориентации равны: для круглогодичных установок fi= f, для летних / = f - 150 и для работающих в отопительный период- fi = 15°.

При инженерных расчетах, не использующих ЭВМ, необходимо располагать ежечасными значениями Р^, что приводит к резкому увеличению объема требуемой для расчета информации. В связи с этим, учитывая, что коэффициент пропускания стекла практически постоянен при угле падения луча меньше SS^C, а затем резко падает, сводя к минимуму количество поглощенной коллектором радиации, представляется целесообразным определить среднее значение Р^ за этот период. Сравнение результатов такого расчета с точным показало, что расхождения не превышают 3... 5

Вычисленные на ЭВМ для всех месяцев и усредненные значения Р^ для оптимальных углов наклона коллектора и вертикали в диапазоне северных широт 40 ... 60° приведены в прил. 3. При произвольном расположении коллекторов, как показали расчеты, для углов наклона _д = ± 15° отклонение от южной ориентации до 10° изменяет суммарный годовой поток падающей солнечной радиации не более чем на 5 %, до 20° - на 10 %, до ЗОО _ „а 15 %.

Эти расчеты выполнены для идеальных условий - полного отсутствия облачности. В действительности, почти в каждой местности наблюдается суточная асимметрия хода и интенсивности солнечной радиации. Принимая во внимание это, а также суточную неравномерность графиков нагрузки горячего водоснабжения и тепловую инерцион-

ность зданий, можно допустить отклонения коллекторов к востоку до 20О и к западу до ЗОО с учетом влияния этих отклонений Шц^ .

Приведенную интенсивность (плотность) потока поглощенной солнечной радиации q определяют по формуле

(6.4)

где ^3 и 9^- приведенные оптические характеристики (поглощательная способность)

солнечного коллектора соответственно для прямой и рассеянной солнечной радиации; 0,96 - понижающий коэффициент, учитывающий влияние запыпения и затененности

коллектора.

При проектировании установок солнечного теплоснабжения очень часто коллекторы размещают отдельными секциями на плоскости, в ряде случаев ограниченной (например, на плоской крыше здания), где возможно затенение коллекторами друг друга. В этом случае на оптимизацию количества получаемой теплоты влияют два фактора: максимизация времени облучения каждого ряда за счет увеличения расстояния между ними и уменьшения их общего числа; увеличения числа рядов за счет их более плотного размещения с одновременным снижением количества теплоты, вырабатываемой каждым рядом коллекторов в отдельности.

Расстояние между рядами коллекторов можно выразить через угол ^ , под которым падает на плоскость луч, проходящий через верхнюю точку предыдущего ряда в нижнюю точку следующего. Величина tgi) определяет отношение высоты ряда к расстоянию между рядами.

Если длина коллектора / и он расположен под углом j8 к горизонту, то расстояние между рядами коллекторов

1-1-

tgD

(6.5)

По сравнению с вариантом, в котором коллекторы находятся в одной плоскости, их расположение под углом и рядами требует горизонтальной поверхности в т раз большей площади, где

m = l + tg>3 /tgi).(6.6)

Целесообразно ввести и определить значение так называемого "фактора заполнения" /3^^, позволяющего найти суммарную площадь коллекторов, которые можно подобным образом расположить на плоскости:

^зап р cosjft (l-1-tgjS ctgV ) ^^^^

где F - площадь размещения коллекторов; А - суммарная площадь коллекторов. 622-10145

При расположении коллекторов рядами общее количество теплоты, получаемой коллектором, складывается из теплоты, полученной во время частичной и полной экспозиций его поверхности.

Высоту солнца, при которой начинается полная экспозиция коллектора, находят из выражения

tgh.=tg>» соз(А-Л ).

(6.8)

Если высота и азимут Солнца таковы, что коллектор освещается частично, то длину освещенной части /^^^ можно легко найти по высоте Солнца и расстоянию между рядами:

(6.9)

Теперь, зная площади, можно найти плотность потока падающей солнечной радиации.

Интенсивность (плотность) потока прямой солнечной радиации определяют с учетом изменения экспонируемой площади поверхности коллектора, а плотность потока рассеянной радиации будет иным вследствие уменьшения телесного угла, в котором коллектор "видит" небесную сферу. Зто значит меняется по длине коллектора и в среднем составляет:

Ъзат = ^d(1 + cos 1> + 2cos^ )/4.

(6.10)

По приведенным выражениям можно вычислить суммарное количество теплоты, падающей и поглощаемой коллектором за различные периоды года, их удельные величины, отнесенные к площади поверхности размещения, и тем самым сравнить и оптимизировать различные варианты расстановки.

В связи с большим объемом и трудоемкостью вычислений по приведенным выражениям разработан алгоритм и составлена программа для расчета на ЭВМ. Расчеты проводили для коллекторов южной ориентации на широтах 47 ... 50° с углами наклона, изменяюищмися от горизонтального к вертикальному через 10°, с шагом рядов 7,5° задаваемым углом V = 0° ... 90 °С. Результаты расчетов показывают, что до

= 22,5° для всех углов наклона коллекторов во все месяцы есть часы их полного облучения. Затенение рядами друг друга начинает сказываться летом при = 35° (расстояние между рядами меньше 1,2 их высоты), а для круглогодичных систем - при Р = 25° (расстояние между рядами меньше 1,8 ... 2 их высоты).

При расчете плотности потока солнечной радиации, поглощенной

о 15 УО it5 60 75 ]!,град

•Рис 6.1. График эависимосп "факкфа ^заЛезат незатеняемоеш от расиашмкн коллекторов

Рнс 6J2.1>афих аавнсямоетя лфоизвепевия fata и/незат <я расоавовки коллекторов

Р - 15 J0 4S 60 75 ^ ,zi>ad

затеняемыми коллекторами, вводят некий обобщенный показатель плотности их размещения на плоскости, который может быть определен как фактор незатеняемости. Он показывает уменьшение радиации, которую получает затененный коллектор, расположенный данным образом, по сравнению с незатеняемым:

^незат ^Япад ^зат^/^пад,

(6.11)

Опад ~ плотность потока, падающего на поверхность незатеняемого коллектора; Озат ~ то же, приходящегося на затененную часть.

Значение /днезат находится между 1 (при отсутствии затенения) и О (при затенении). Из графика на рис. 6.1 следует, что до значения ^ = 25° (высота ряда равна половине расстояния между рядами) для любых углов наклона коллектора значение фактора незатеняемости не

опускается ниже 0,95. Для углов , лежащих в интервале Т ±15°, это значение сохраняется в указанных пределах вплоть до т>= 35°. Для систем, работающих в летнее время, фактор затеняемости характеризуется более пологим характером кривых с большим горизонтальным участком.

Для рассеянной радиации фактор незатеняемости вычисляют из выражения

(6.12)

Произведение факторов заполнения и незатеняемости (рис. 6Л позволяет определить эффективно работающую площадь коллекторов Аэф в зависимости от их расположения и площади поверхности размещения F:

aaff 331"

(6.i3i

6.2. РАСЧЕТ СОЛНВФШХ КОЛ]ШСТ(»ОВ

Эффективность солнечных коллекторов (солнечных водонагрева^ телей - СВН) зависит как от их конструктивных параметров и метеорологических условий, так и от режима работы - температуры и расхода теплоносителя.

Удельная мощность СВН (плотность поглощаемого теплового потока) может быть определена по формуле, полученной на основе данных работы [2]:

где q - удельный расход теплоносителя кг/м^с; Ср - изобарная теплоемкость теплоносителя, Дж/{кг-°С); /j — интенсивность (плотность) потока прямой солнечной радиации, Вт/м^; — интенсивность (плотность) теплового потока диффузной солнечной радиации, Вт/м^; Tgjj — температура теплоносителя на входе в СВН, °С; — температура окружающей среды, °С; V - приведенный коэффициент теплопередачи СВН, Bi/m2.°C; P^xi ~ коэффициенты положения солнечного коллектора соответственно для прямой и диффузной радиации; Q ^, дх^- приведенные оптические характеристики (поглощательная способность), СВН соответственно для прямой и диффузной (рассеянной) радиации ( в = 9 f i, где /f- козффициент эффективности СВН).

Величина в в формуле (6.14) определяется зависимостью в = ехр(- U/gCp).

0,01 0,02 0,011 ОМ 0,1 0,2 O.h 0,6 1 16 nf/jcp

Рис б J. График зашпзшосхи В "fl.kfJgc^

Для облегчения расчетов на рис. 6.3 приведен график зависимости

B=/(U/?Cp).

Температура теплоносителя на выходе

вых вх

(6.16)

Здесь т - равновесная температура СВН, т.е. та температура, которую СВН имеет при отсутствии расхода. Знание этой температуры имеет важное практическое значение как при конструировании СВН, так и при проектировании солнечных установок, так как, с одной стороны, определяет требуемые пределы термостойкости тепловой изоляции, с другой - возможные термические деформации СВН.

Равновесная температура СВН

(6.17)

в тех случаях, когда СВН используют для получения воды с заданной температурой, удельный часовой расход может быть определен с использованием графика на рис. 6.3. По заданной T^j^^ и известным т^^ и Тр находя, что

5 = (вых-^)/(^о-^-