Кривая КПД коллектора показывает, как снижается КПД солнечного коллектора по мере его нагрева выше температуры окружающей среды: η = η0 − a1·(Tm−Ta)/G − a2·(Tm−Ta)²/G. Здесь η0 — оптический КПД (0,75–0,82 для хороших плоских коллекторов), a1 и a2 — коэффициенты теплопотерь, а G — облученность, принимаемая за базовую 1 000 Вт/м². Все три значения получают по результатам испытаний по ISO 9806, и они приводятся в каждом техническом паспорте Solar Keymark.
Что на самом деле означают η0, a1 и a2?
Три параметра разделяют работу коллектора на приход и потери. η0, оптический КПД, — это доля солнечного света, преобразуемая в тепло, когда коллектор работает при температуре окружающей среды и ничего не теряет; a1 и a2 описывают, как быстро КПД снижается по мере того, как средняя температура жидкости Tm поднимается выше температуры окружающей среды Ta.
| Параметр | Значение | Плоский коллектор | Вакуумный трубчатый (по общей площади) |
|---|---|---|---|
| η0 | КПД при ΔT = 0 (оптический) | 0,75 – 0,82 | 0,45 – 0,65 |
| a1 (Вт/(м²·К)) | Линейный коэффициент теплопотерь | 3,0 – 4,0 | 1,0 – 2,0 |
| a2 (Вт/(м²·К²)) | Температурно-зависимый коэффициент потерь | 0,010 – 0,020 | 0,003 – 0,008 |
Высокий η0 выигрывает при низких рабочих температурах; низкие a1/a2 — при высоких. Ни один отдельный параметр не делает коллектор «лучшим» — от области применения зависит, на каком участке кривой вы работаете.
Как измеряют кривую КПД?
Аккредитованная лаборатория измеряет ее по EN ISO 9806 либо в стационарных условиях (стабильное солнце, фиксированные температуры на входе), либо квазидинамическим методом, который извлекает параметры из меняющихся наружных условий. Базовая облученность составляет 1 000 Вт/м². Начиная с редакции стандарта 2013 года параметры указываются на общую площадь коллектора — технические паспорта Solar Keymark завершили этот переход в 2016 году, — поэтому старые значения, отнесенные к апертуре, для того же коллектора выглядят систематически выше; разница объяснена в статье площадь апертуры. Сертифицированные значения для каждой модели публично доступны в базе данных Solar Keymark — именно это делает возможным честное сравнение.
Как читать кривую на практике?
Подставьте ваши рабочие условия, и кривая вернет ожидаемый КПД. Возьмем плоский коллектор с η0 = 0,78, a1 = 3,5, a2 = 0,015, нагревающий накопитель до 60 °C в день с температурой 20 °C (ΔT = 40 К) при 800 Вт/м²: η = 0,78 − 3,5 × 40/800 − 0,015 × 40²/800 = 0,575. Коллектор преобразует около 58% доступного солнечного света — примерно 460 Вт на квадратный метр. Выполните тот же расчет при ΔT = 70 К, и КПД упадет примерно до 40%: то же оборудование, совершенно разная эффективность в зависимости от того, при какой температуре вы его заставляете работать. Вот почему низкие температуры обратной линии и стратифицированный накопитель так важны при проектировании систем.
Почему кривые плоского и вакуумного трубчатого коллекторов пересекаются?
Потому что одна начинается выше, а другая падает медленнее. У плоского солнечного коллектора лучший η0, а вакуумный трубчатый коллектор теряет КПД гораздо плавнее благодаря вакуумной изоляции.
| ΔT (К) | Плоский коллектор (0,78 / 3,5 / 0,015) | Вакуумный трубчатый (0,65 / 1,5 / 0,005) |
|---|---|---|
| 0 | 0,78 | 0,65 |
| 20 | 0,70 | 0,62 |
| 40 | 0,62 | 0,58 |
| 60 | 0,52 | 0,54 |
| 80 | 0,40 | 0,50 |
Для коллекторов из этого примера при 1 000 Вт/м² кривые пересекаются между 40 и 60 К. Ниже точки пересечения — ГВС в мягкую погоду — плоский коллектор дает больше тепла на квадратный метр общей площади; выше нее — технологическое тепло, солнечное охлаждение, разгар зимы — выигрывает трубчатый коллектор.
Какой участок кривой важен для вашего применения?
Подбирайте параметр под температурный режим. Системы ГВС проводят большую часть времени при ΔT 20–40 К, где доминирует η0, — поэтому на этом рынке господствуют плоские коллекторы. Для комбинированных систем и коммерческих нагрузок при 50–70 К все более решающим становится a1. Технологическое тепло выше 80 К — территория a2, и там обычно применяются вакуумные трубчатые или специальные коллекторы. Итоговым арбитром является годовая выработка, а не мгновенный КПД: технические паспорта Solar Keymark указывают расчетную годовую выработку на модуль в эталонных местах и при эталонных температурах, переводя кривую в значение кВт·ч, которое реально нужно проектировщику, — эти значения доступны для каждого коллектора Solimpeks с сертификатом Solar Keymark, от серий Wunder ALS и ANSG до гибридной панели PV-T.
Часто задаваемые вопросы
Какое значение η0 считается хорошим для солнечного коллектора?
Для плоских коллекторов качественный диапазон — 0,75–0,82 по общей площади; вакуумные трубчатые сертифицируются ниже по общей площади (0,45–0,65) из-за промежутков между трубками. Прежде чем оценивать значение, всегда проверяйте, что оно отнесено к общей площади.
Почему фактическая годовая выработка ниже, чем предполагает кривая КПД?
Кривая — это мгновенная лабораторная характеристика при эталонных условиях. В году есть ночи, низкие углы падения солнца, потери в трубопроводах и накопителе, несоответствие потребления выработке, поэтому выработка системы оказывается значительно ниже пикового КПД коллектора. Для планирования используйте значения годовой выработки из технического паспорта.
Указываются ли η0, a1 и a2 на апертуру или на общую площадь?
Действующие испытания по ISO 9806 и технические паспорта Solar Keymark используют общую площадь, это стандарт с 2016 года. В документах, составленных до перехода, часто приводятся значения, отнесенные к апертуре, — они выше для того же коллектора, поэтому перед сравнением приведите их к общей базе.
Применима ли кривая КПД также к коллекторам PVT?
Да — тепловая часть коллектора PVT испытывается по тем же процедурам ISO 9806 и получает те же параметры. Неостекленные PVT дополнительно имеют коэффициенты, зависящие от ветра, потому что в их теплопотерях доминирует конвекция.