Научная битва солнечных коллекторов

Начну пожалуй большую битву-соревнование между разными видами солнечных коллекторов. Оценивать результаты состязаний будут беспристрастные научные математические модели, которые на итогах этих соревнованиях перейдут от простых моделей к очень подробным, при наличии реальных объектов с логами данных, дойдут до проверенных на практике и тогда по ним можно будет делать прогнозирующие расчеты.
В битве будут участвовать все виды коллекторов: плоские, вакуумные-трубчатые, гибридные солнечные панели, воздушные, разные варианты выше перечисленных с поворотом по горизонту, полностью следящие за солнцем и различные концентраторы. Если чего забыл, дополняйте.
С моей точки зрения научной подход к сравнению результатов - это не общие высоконаучные разговоры о том чем отличаются принципиально разные коллекторы. Таких обсуждений очень много и у нас на форуме и в других источниках по солнечной энергии. Лично мне интересны конкретные рассуждения, у которых есть: географическое место расположения, ориентация в пространстве, определенный день/месяц года, геометрические размеры, материалы из которых сделан коллектор. Поэтому если нет этих основных входных данных, то коллекторы не допускаются до соревнований (лично я не обращаю внимания на них, пока не появится вся конкретика).
Первое выбранное поле битвы - где то около Москвы на широте 55.5° (важный параметр), восточная долгота ~37° (для некоторых видов соревнований не очень важна, нужна для определения реальных погодных условий), день 1 мая 2019.
На данный момент частично готовы простые матмодели следующих коллекторов: ПН-плоский неподвижный, ППГ-плоский с поворотом по горизонту, ППС-полностью следящий за солнцем, ВН-вакуумный-трубчатый неподвижный (ВПГ-вакуумный с поворотом по горизонту). Первые геометрические размеры определю относительно вакуумного на 24 трубки. Для первого вида соревнований берется одинаковая чистая площадь приемника солнечной энергии без учета дополнительных габаритов, которые для разных типов коллекторов отличаются. Поясняющий рисунок конкретно определяющий эту площадь и остальные входные данные:

У всех коллекторов чистая площадь = 1.94 м2, у плоских перед абсорбером 2 стекла, у вакуумных 1 стекло, у ПН угол наклона 31°, у остальных 55°.
1 й тур соревнований: безоблачное небо, учет только прямой радиации, теплопотери не учитываются.
В каком порядке расположатся коллекторы по количеству собранной за день энергии дошедшей до абсорбера?
Если есть желание, можно высказать свой прогноз по ответу на вопрос, так же может не нравятся именно такие выбранные углы наклона или предложенные геометрические размеры и тд, высказывайте свои соображения по этому поводу.
В дальнейшем начнутся другие туры, в которых будут вводиться постепенно реальная облачность, учет теплопотерь, остальные виды радиаций (рассеянная, отраженная), введутся все материалы и реальные габаритные размеры коллектора, трасса до первого приемника тепла и тд до полного описания всей системы отопления или ГВС.

 

Модель без потерь имеет весьма мало смысла в данном случае. Вся разница будет заключаться только в площади коллектора перпендикулярно направлению солнца. В рамках такой модели улитка из ПНД шланга на берегу бассейна будет давать больше тепла, чем вакуумные трубки, т. к. у улитки большая удельная площадь теплоприёмника. Более того, как уже много раз писали, реальный КПД каждого из типов СК сильно зависит от разницы температур теплоносителя с окружающей средой, именно из-за потерь.

 

Поверьте пока на слово, будет иметь много смысла. Реальный КПД состоит из нескольких КПД по разным параметрам коллекторов. Каждый коллектор в чем то будет первым. Для разных регионов разные основные задающие параметры. Вы кстати откуда?
Одна из главных фишек уже созданных матмоделей, то что учитывается отражение от прозрачного покрытия коллектора. Расчеты динамические в течении дня, тут не будет расчетов по средним за день/месяц/сезон/год, таких расчетов достаточно уже существует, но лично мне они не дают нужного понимания полной картины тонкостей солнечной энергетики.
Скоро, совсем скоро выложу итоги расчетов для коллекторов в первом приближении.

 

, а что Вы хотите нам предложить?

Цифры удельной годовой выработки на 1 м2/квт*ч.
А вот схемы применения могут быть разными ГВС, отопление (дома, бани, теплицы и т. п.), ТН, бассейн.

 

@ilkarusei, за первый ответ в этой теме Вам достается бонус, следующее поле битвы будет на Ваших координатах расположения (или предлагайте географические координаты, которые Вас больше всего интересуют).

Это типа Вы заявили улитку на участие в соревнованиях, но пока она не допускается. Основание для этого решения: точно не указана ориентация в пространстве (улитка лежит горизонтально? стоит вертикально? угол наклона?). Не определены конструкционные особенности: стекло перед улиткой есть? (подумайте на пару шагов вперед, теплопотери в следующих турах все таки будут участвовать, а изменять конструктив по ходу будет не совсем правильно).

Уж не знаю что Вы имеете ввиду под удельной площадью, но в первом туре площади приемника солнечной энергии, определенные по правилам рисунка, у всех коллекторов одинаковы. Предполагаю что у нее абсорбера нет (если есть, то это разновидность обычного плоского коллектора), это означает, что если она будет участвовать, то пока предположительно войдет в расчет с площадью 1.94м2, то есть если диаметр шланга 25мм, то длина этого шланга будет 1.94/0.025= 77.6 м.

Не будет расчетов по средним это означает то, что средние за длительные промежутки времени значения солнечной интенсивности, температур и тд не являются входными данными, на которых базируется расчет. Эти средние появятся только в итогах расчетов, и по каким принципам я буду считать эти средние я пока не определил.
Удельную выработку на 1м2/кВт-ч мне не сложно будет ввести в расчетные величины, нужно только определиться какая это площадь 1 м2, конечно вроде как нужна площадь по габаритам, но и тут не все так однозначно. Например коллектор стоит на земле под углом, площадь коллектора одна, площадь, которую он занимает на земле другая, площадь которую он затеняет третья (еще и не постоянная по времени). Какая из них важнее пользователю коллектора?

 

Ну, пусть будет широта 54 градуса. Среднее Москва-Минск.
Не обессудьте, у меня пока есть некоторые сомнения по поводу корректности грядущих моделей, ну допустим попробую вписаться в вашу авантюру
Верю, что в некоторых номинациях будет весьма жизнеспособна простейшая дачная конструкция: улитка под стеклом, площадь шланга допустим 1.94 м2, тогда площадь короба при этом будет ~2.5 м2. (удельной площадью теплоприёмника - я назвал отношение полезной площади поглощающей поверхности к полной площади конструкции. Т. е. для данной улитки это ~77%, тогда как для вакуумных трубок типично около 50%, как мне кажется).
Ориентирована улитка на юг, под углом 50-54 градуса к горизонту (чтоб выдавать максимальную мощность в тёплое межсезонье). По улитке из ПНД шланга (77 м длина, 2 мм толщина стенок, 25 мм внешний диаметр. важно учесть теплоперенос от внешних стенок трубки к внутренним, ибо в ПНД он не такой быстрый как в меди) с расходом эдак 200 литров в час в солнечное время качается теплоноситель 40-50 градусов (прокачивание останавливается, если разница температур на выходе и входе СК отрицательная).

В этот момент очень важно определиться, что вы строите. Отопление? ГВС? Дачный душ? От этого сильно зависит разница температур теплоносителя с воздухом, и соответственно потери и КПД разных СК, т. к. у них очень разная температура стагнации и теплопроводность.
По поводу площади - наверное честнее всего сравнивать на 1 м2 собственной площади коллектора

 

Немного проясню про возможности программной оболочки, в которой будут сравниваться матмодели. На данный момент одновременно в ней можно рассчитать 5 разных коллекторов, в общую итоговую картинку выводятся результаты трех. Расчет ведется за одни сутки определенного дня с шагом в один час (естественно в будущем шаг расчета можно будет уменьшить и соответственно увеличить точность расчетов). Картинка итогов за сутки выглядит так:

В первом ряду (светло-желтые окошки) все что относится к солнцу. То есть на 1 мая 2019г на поле битвы около Москвы (широта 55.5°) мах высота солнца 49.31°, интенсивность 879.9 Вт/м2, длина дня 15 ч. В следующих строчках идут для каждого коллектора парами мах мощность за день с указанием времени этого максимума (темно-желтое окошко) и энергия за день (оранжевое окошко). Это при идеальных безоблачных условиях. Естественно для каждого из 3 коллекторов (Плоский Неподвижный, Плоский с Поворотом по Горизонту, Вакуумный Неподвижный) цифры уже не одинаковы. Далее идет почасовой ряд облачности (голубые окошки), безоблачное небо все цифры =1, в окошках с "~" средние значения (4 по промежуткам за 6ч и 1 среднее за день).
Далее ряд почасовых температур окружающей среды (синие окошки), в окошках с "~" так же средние значения, кроме этого добавлены 2 минимума и максимум суток.
Далее по стрелке опять пара мощность-энергия это то что падает на первое покрытие коллектора с вычетом потерь на облачности, рядом пара отраженных от покрытия мощности-энергии (синие цифры на соответствующем темно-желтом для мощности и оранжевом для энергии фоне)
Далее 3 ряда: один минимальных углов падения (зеленый фон), здесь же начинаются характеристики входного покрытия в голубых окошках (коэф преломления, материал стекло, число покрытий, коэф теплопотерь). Второй-третий ряд этого блока пара мощность-энергия, которая остается в покрытии.
Далее строка с названием коллектора и площадью его.
Дальше идут соответствующие каждому коллектору углы установки и нужная для первых итогов битвы пара мощность-энергия попадающая на абсорбер коллектора.
Для первого плоского-неподвижного коллектора сделана заготовка, показывающая как будет выглядеть дальнейшая трасса до первого ТА. На данном этапе это не объясняю, в первом туре эта часть не участвует и там все еще может поменяться.
Картинка пока еще это не итоги первого тура, не для всех коллекторов учтены правильно отражения-затенения. Подробнее с каждым коллектором буду пояснять в следующих сообщениях.
Что непонятно по итоговой картинке спрашивайте, предлагайте свои варианты вида этой картинки, критика приветствуется.

 

"Оттолкнувшись ногой от Урала ... на запад ... чтобы солнце взошло на востоке"
Ну, тогда не обессудьте, по Вашим приблизительным ориентировкам я самостоятельно определяю более точное поле битвы. Близко к середине по прямой между Москва-Минск находится Смоленск, но он не на 54 широте. Ниже по карте находится г. Рославль, у него широта как раз 54, он где то посередине и название звучащее и лично мне нравится. Погодные условия буду брать из ежечасных архивов погоды этого города, например на 1 мая этого года https://world-weather.ru/pogoda/russia/roslavl/1-may/#2019.
Важна картинка с названием "почасовой прогноз на 01.05.2019", на ней видно как изменялась облачность, температура, влажность ежечасно в этот день.
"Рекогносцировку" погоды проводить будете? Если да, то нужно сделать следующее: примерно запомнить (или сфоткать) облачность в течении дня в какой то из ближайших дней. Через 2 дня перейти по ссылке и выбрать дату (нажать на значок календарика в шкале дней) запомненного дня, и найти почасовую картинку (картинка появляется не в тот же день, а через 2 дня). Сравнить примерно запомненное с архивной картинкой. Если более менее совпадает, то можно будет примерно ориентироваться на эти архивы за несколько прошедших лет.

 

У нас первый хороший снег лежит на земле, конечно он еще скорее всего стает, но зима близко.
Свободного времени стало побольше, пора оживлять все темы. Для этой темы я пока немного оцифровал картинку из книги Харченко "Индивидуальные солнечные установки" рис 13 на стр 33.

Здесь отображена зависимость КПД разных коллекторов от дельты температур уличного воздуха и теплоносителя входящего в коллектор и от интенсивности света попадающего на коллектор.
Дальше я попробую ввести в эту картинку программные элементы, с помощью которых можно будет в автоматическом режиме получать сравнение КПД для разных типов коллекторов и при разных условиях расположения.

 

Сколько я их разных уже переделал. В итоге эволюции выжил только 1н! - коллектор на базе обычной оконной рамы + осб зачерненный лист + Ш образный съем тепла - пластиковой трубой на 32.
Греет летний душ с 2012 года, мощность около 2 КВт, самоциркуляция.
Все остальное так или иначе вышло из строя. Всего за 10 лет работы. (была война не до ремонтов было)
- первым умер концентратор из спутниковых тарелок + зеркальная поверхность 2014..2016 в начале отказывала система слежения (акутаторы китайские), потом зеркала стали так быстро сыпаться и тускнеть, что задолбался их клеять и менять.
- вторым умер 2010..2017 вытянутый параболический (типа как у Юрка из Мирославля по-моему)
значительно потускнела зеркальная поверхность - мощность упала до нецелесообразных величин. Разобрал на всяко нужно.

Вывод: с. коллектор должен быть плоским, обычное 1 стекло, дешевым и простым.

Зимой топить - не вариант, у нас только холода так сразу = затянутое небо.

 

"Не сражайтесь на севере или на юге. Но в любой битве, повсюду, всегда, в мыслях, каждый враг Вам каждый друг Вам. Все возможные события разворачиваются Одновременно. Живите так и ничто Вас не удивит. Все что происходит вокруг будет Вам уже знакомо." ИП 7сезон 3серия.
Введу в участники соревнования нулевой уровень солнечного коллектора, который есть в каждом доме. Это простое окно. Прозрачное покрытие чаще всего это стекло со всем разнообразием стеклопакетов. Абсорбером являются стены, пол, мебель и все предметы в комнате. Теплоноситель воздух с естественной циркуляцией. Возможные наружные ставни, внутренние шторы, жалюзи будут являться броней-защитой, которая может увеличивать эффективность этого простого СК. Расчетная программа сильно изменилась, об этом немного попозже.
Спасибо @Andrey170890, за слово Интригант https://www.forumhouse.ru/posts/25734069/
я преобразовал это слово в Интегратор и добавил Дивергента.
Дивергент умеет разделить любые солнечные (СК,СБ, теплицы, уже и дома, хоз-постройки, теплоаккумуляторы разных видов, ...) на мелкие неопределенные части, а Интегратор умеет сложить неопределенности в одно целое в разных вариантах для любой точки земного шара северного полушария.
Коллектор с солевым теплоаккумулятором https://www.forumhouse.ru/posts/25790415/ и оконный СК из черных жалюзей включен в число участников соревнований. Пока дособирываю подробности этих коллекторов. Думаю реальный автор сможет ответить на интересующие меня вопросы?

 

Проведу спецификацию СК-окна. Особенностью является то что освещаемый светом "абсорбер" не имеет постоянного местоположения и даже внутреннего состава. Например зимой это противоположная от окна стена, весной и летом пол.

Площадь переменного абсорбера постоянно сильно изменяется в течении дня. Поэтому в 1 туре с постоянным абсорбером окно сравнивать с другими типами коллекторов будет как то неправильно. По видимому придется все таки переходить к сравнению по габаритным размерам или как вариант по площади прозрачного покрытия.
На рисунке я привел свои конкретные размеры помещения, для других размеров конечно будет все немного по другому. Если кто то желает чтобы его окно поучаствовало в соревновании, то обязательны входные размеры (как на рисунке, можно текстовым описанием). Если есть какие то измерения температур, то это будет очень полезно. Только опять нужна конкретика: место, дата, ориентация, время, подробности материалов окна/стен/пола и мощность внутренней системы отопления для данного помещения. В приоритете хоз-помещения без дополнительного внутреннего отопления.
Для окна есть защитные ночные системы шторы/жалюзи и внешние ставни/жалюзи

Эти системы изменяют статику температурного распределения, что естественно повлияет на динамику движения воздушных потоков. Они влияют на теплопотери помещения в ночное время.

 

Собственно у меня есть личный опыт. Окна - южная сторона. 2 этаж. Алюминиевые жалюзи.
2° тепла днем при отрицательных температурах на улице. Окна занимают 25% стены. Летом
жалюзи на день закрываются. Ночью проветривание. Кондиционер включается когда ночная
температура выше 30° это. не каждое лето бывает. Зимой очень чувствуется когда подходишь
к окну с закрытыми жалюзями окно воспринимается как стена. Есть жалюзи открыть то очень чувствуется
как из тебя уходит тепло. Так что используйте на окнах жалюзи. Алюминиевые -от пластиковых толку нет.
Хотелось бы конечно привод электрический но чего нет того нет

 

Не совсем понятно где расположены жалюзи, по тексту вроде внутри, но и тут есть варианты: вплотную к стеклу или на месте штор. Какой у Вас цвет жалюзей тоже интересен: "не думал что так кто то может", но оказывается бывают и черные жалюзи совсем рядом со стеклом.
По поводу ухода тепла тоже не совсем ясно (предположу это для вечернего/ночного времени, а если днем закрыты жалюзи?). Например 3 апреля этого года в ~18:00 я у себя в Екатеринбурге подошел к западному окну на втором этаже, на улице ясное солнце. Уличная температура по архивам 7°С.
Комната 22.5м2 северо-западный угол, почти не отапливаемая, за одной стеной (оштукатуренный кирпич 42см) 9.2м2 есть отапливаемая юго-западная комната 15.5м2 мощность обогревателя 1кВт. Стоя рядом с окном субъективно чувствуется тепло от солнечных лучей, если встать к стене рядом с окном чувствуется холод от стены (материал кирпич-ЭППС-газоблок400).
Раз уж я подошел к окну, то поставил 2 разных термометра (не сравненных между собой). Один примерно в центре внутри комнаты на солнце (высота от пола ~0.8м как и уровень подоконника) показания 12°С, другой термометр на подоконнике 10°С. В тени за стеной не измерил (в будущем возможно проведу более корректные и конкретные измерения).
@Nikandobvan, я привел свой пример, чтобы показать какое изложение входных цифр интересно для научной битвы. Сравните с "2° тепла днем при отрицательных температурах на улице." Дата/время неизвестно, место измерения температуры тоже.
Если будут подробности хотя бы одного конкретного дня (лучше несколько измерений за день), то можно сделать матмодель по Вашему окну с размерами, при известных материалах стен (или коэф теплосопротивления) можно будет узнать о влиянии жалюзей/окна на теплопотери комнаты с размерами.
Далее например о внешнем СК на этой же стене, также о СБ и дальше по нарастающей: для всего дома/квартиры/теплицы/другой постройки и тд.
Матмодель может сделать расчеты для всех вариантов Одновременно в динамике для конкретного дня. Изменить день тоже не составляет больших проблем (вписать другие данные архива погоды). После проверки и корректировки матмодели, недалеко и до предсказания: что будет завтра и тд.

 

Теперь о СК-окно-черные жалюзи тоже предположительно в Краснодарском крае. Мастер этого коллектора вроде пока не принял приглашение "Красной женщины", чтобы рассказать подробности в этой теме:

Но диалог налажен, информация собирается. Измерения 29 марта для восточных окон в 8:30. Погоду в Краснодаре для этого дня можно посмотреть здесь https://world-weather.ru/pogoda/russia/krasnodar/29-march/
для предыдущего дня 28 марта
Внутри почти вплотную к стеклу стоят черные жалюзи. Температуры измерены тепловизором, автор рассказывает об этом в ролике

По архивам погоды в этот день утром было пасмурно, а в ролике солнечно. Краснодарский край большой, конкретное место автор пока не сообщает, ничего страшного, я определю неопределенность широты (пока только для себя, матмодели умеют и это). Если будет разрешение автора, то выложу здесь.
Измеряется температура около разных окон с жалюзями и без. Так же температура потолка и противоположных стен. Пока по измерениям автора ролика (21.9; 18.2; 23-24.7°С) я субъективно вижу что просто окно греет стену лучше. Автор почему то делает другой вывод. Свой рисунок с пояснениями я доделываю, но прежде хотелось бы услышать мнение других форумчан про эти измерения в ролике.