Монтаж солнечных коллекторов (гелиосистемы)

            ВАРИАНТЫ МОНТАЖА СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА

Солнечный коллектор – это основное устройство для получения тепловой энергии в гелиосистемах Поэтому очень важно правильно смонтировать коллектор, в сочетании с оптимальным режимом работы системы, коллектор может прослужить более 25 лет.

 
Основной фактор, который влияет на срок службы и надежность солнечных коллекторов это то, что коллектор постоянно подвергается воздействию окружающей среды. К креплениям коллекторов предъявляются высокие требования:  хорошая коррозионная устойчивость, прочность и надежность соединений.
Существует множество вариантов монтажа коллекторов. Коллекторы могут устанавливаться на  скатных и плоских крышах зданий, могут монтироваться на стене или устанавливаться в произвольном месте на земле.

Обычно при монтаже на скатной крыше, крепление коллектора устанавливаются параллельно кровельному покрытию. Монтаж может быть осуществлен как над кровельным покрытием, так и внедрением в него.  При планировании места монтажа необходимо помнить, что место установки солнечных коллекторов ориентированное в южном направлении не должно затеняться, чтобы не препятствовать попаданию на коллектор  солнечного излучения

Все отверстия в крыше должны быть надежно загерметизированы после проведения работ.

Плоская кровля.
 
При монтаже на плоских кровлях коллекторы могут быть оптимально установлены с учетом наилучшей ориентации и угла наклона солнечных коллекторов, это позволит повысить эффективность солнечного коллектора. При монтаже на плоской поверхности в два или более рядов необходимо рассчитать расстояние между рядами так, чтобы ряды не затеняли друг друга. Для расчета необходимо знать угол высоты стояния солнца над горизонтом в полдень 21 декабря, в самый короткий день года. В ранние утренние часы и позднее вечернее время затенения избежать невозможно, но этими потерями производительности можно пренебречь.

Формула расчета:
монтаж солнечного коллектора
 
z – расстояние между рядами коллектора;
h – высота коллектора;
α – угол наклона коллектора;
β – угол высоты стояния Солнца над горизонтом.
 
 При расстановке солнечных коллекторов расстояние между рядами или блоками солнечных коллекторов по горизонтали следует, как правило, принимать равным 1,7 высоты ряда или блока солнечных коллекторов при круглогодичном действии установки и равным 1,2 высоты ряда — при сезонной работе установки.

Ориентация и угол наклона солнечного коллектора.

Чтобы производительность солнечного коллектора была максимальной очень важна ориентация и угол наклона коллектора. Чтобы поглощать максимальное количество солнечной энергии плоскость солнечного коллектора должна быть всегда перпендикулярна солнечным лучам. Однако солнце светит на Земную поверхность в зависимости от времени суток и года всегда под различным углом. Поэтому для монтажа солнечных коллекторов необходимо знать оптимальную ориентацию в пространстве абсорбера солнечного коллектора. Для оценки оптимального ориентирования коллекторов учитывается вращение Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси, а так же изменение расстояния от Солнца. Для определения положения солнечного коллектора или солнечной батареи необходимо учитывать основные угловые параметры:

широта места установки φ;
часовой угол ω;
угол солнечного склонения δ;
угол наклона к горизонту β;
азимут α;
 
Широта места установки (φ)показывает, насколько место находится севернее или южнее от экватора, и составляет угол от 0° до 90°,отсчитываемый от плоскости экватора до одного из полюсов — северного или южного.
 
Часовой угол (ω) переводит местное солнечное время в число градусов, которое солнце проходит по небу. По определение часовой угол равен нулю в полдень. Земля поворачивается на 15° за один час. Утром угол солнца отрицательный, вечером — положительный.
 
Угол склонения Солнца (δ) зависит от вращения Земли вокруг Солнца, поскольку орбита вращения имеет эллиптическую форму и сама ось вращения тоже наклонена, то угол меняется в течение года от значения 23.45° до -23.45°. Угол склонения становится равным нулю два раза в год в дни весеннего и осеннего равноденствия.

Склонение солнца для конкретно выбранного дня определяется по формуле:

формула  

Где n – порядковый номер дня в году, отсчитанный от 1-го января.

Наклон к горизонту (β) образуется между горизонтальной плоскостью и солнечной панелью. К примеру, при монтаже на наклонной крыше угол наклона коллектора определяется крутизной ската крыши.

Азимут (α) характеризует отклонение поглощающей плоскости коллектора от южного направления, при ориентировании солнечного коллектора точно на юг азимут = 0°.

Азимутный угол

Угол падения солнечных лучей на произвольно ориентированную поверхность, имеющую определенное значение азимута α и угол наклона β, определяется по формуле:

Если в данной формуле заменить значение угла β на 0, тогда получится выражение для определения угла падения солнечных лучей на горизонтальную поверхность:

Интенсивность потока солнечного излучения для определенного положения поглощающей панели в пространстве вычисляется по формуле:

Где Js и Jd интенсивность потоков прямого и рассеянного солнечного излучения  падающие на горизонтальную поверхность, соответственно

 - коэффициенты положения солнечного коллектора для прямого и рассеянного солнечного излучения.

Для обеспечения попадания на абсорбер максимального (за расчетный период) количества солнечной энергии коллектор монтируют в наклонном положении с оптимальным углом наклона к горизонту β, который определяется расчетным методом и зависит от периода использования гелиосистемы. При южном ориентировании коллектора  для круглогодичных гелиосистем β = φ, для сезонных гелиосистем  β = φ–15°.

Тогда формула примет вид, для сезонных гелиосистем:

для круглогодичных :

Солнечные коллекторы, ориентированные в южном направлении и смонтированные под углом от 30° до 65° относительно горизонта, позволяют достичь максимального значения поглощения солнечного излучения. Но даже при определенных отклонениях от этих условий гелиосистема может вырабатывать достаточное количество энергии. Установка с небольшим углом наклона более эффективна в случае, если солнечные коллекторы или солнечные батареи нельзя ориентировать на юг.

Если солнечные панели ориентированы на юго-запад, с азимутом 45° и углом наклона 30°, то такая система сможет поглощать до 95% от максимального количества солнечного излучения. Или при ориентировании в восточном или западном направлении можно обеспечить до 85% попадания энергии на коллектор при установке панелей под углом 25-35°. Если угол наклона коллектора больше, то количество энергии, поступающее на поверхность коллектора, будет более равномерным, для поддержки отопления такой вариант установки более эффективен.  

 
Зачастую ориентирование солнечного коллектора зависит от варианта монтажа солнечных коллекторов, установка коллектора производится на крыше здания, поэтому очень важно на стадии проектирования учесть возможность оптимально установки коллекторов.