Конструкция и принцип работы вакуумного солнечного коллектора

Как работает вакуумный коллектор

Принцип работы солнечных коллекторов основан на трансформации лучистой энергии солнца в тепловую энергию. Происходит это путем нагревания циркулирующего в коллекторе теплоносителя (чаще всего воды, иногда – антифриза) и последующей передачи накопленного тепла. Иными словами, солнечный коллектор работает как своего рода водонагреватель, что и определило его сферу применения (ГВС частных домов, отопление).
Существуют различные виды гелиоколлекторов, однако в водонагревательных установках все они работают по одной схеме. Солнечные лучи нагревают теплоноситель, который по тонким трубкам поступает в заполненный водой бак. Трубки с теплоносителем проходят через весь внутренний объем бака и нагревают находящуюся в нем воду.

Такова общая схема работы всех солнечных водонагревательных установок. Что же касается работы плоских и вакуумных коллекторов, то, несмотря на единый принцип действия (нагрев теплоносителя от солнца и последующую отдачу тепла), в их работе много различий.
Плоский солнечный коллектор нагревает теплоноситель при помощи пластинчатого абсорбера. Устроен он довольно просто. По сути, это пластина теплоемкого металла, выкрашенная сверху в черный цвет специальной краской. К нижней поверхности пластины плотно прилегает (приваривается) змеевидная трубка, по которой и циркулирует жидкость.
Черная селективная краска обеспечивает максимальное поглощение солнечных лучей, причем их отражение практически равно нулю. Поглощенные лучи прогревают теплоноситель под абсорбером, он, в свою очередь, подается далее в систему. Для минимизации теплопотерь применяются теплоизоляция абсорбера от корпуса коллектора и закаленное стекло, почти не содержащее окислов железа.
Коэффициент полезного действия такого типа коллекторов, при обеспечении высокой степени вакуума, составит около 98%. Как правило, установка солнечных вакуумных коллекторов производится на крыше объекта, что позволяет максимально полезно использовать ее площадь. Угол монтажа коллектора выбирается производно в диапазоне от 5 до 90 градусов.
Минимальные значения угла наклона солнечного коллектора позволяют обеспечить циркуляцию теплоносителя. Срок использования вакуумных солнечных батарей достаточно высок и составляет более 20 лет. Вариантов у потребителя несколько: можно вакуумный солнечный коллектор купить либо изготовить своими руками. Цена вакуумных солнечных батарей вполне доступна, таким образом использование таких систем весьма целесообразно.
Предназначение плоского вакуумного солнечного коллектора заключается в обеспечении аккумулирования солнечной энергии при любых погодных условиях и температуре окружающей среды.

• Одним из важнейших элементов конструкции является автоматизированный резервуар-теплообменник . способный преобразовывать, поддерживать и сохранять тепло, полученное при накоплении солнечной энергии, а также и от дополнительных источников энергии, которые используются для подстраховки работоспособности системы отопления в целом.

• Вода, нагретая до определенной температуры, из теплообменника, расположенного во внутреннем блоке, подается в радиаторы . использующиеся для системы отопления, при этом вода, находящаяся в резервуаре, поступает в бак для поддержания ГВС.

• Для контроля значений рабочей температуры блоков и выбора требуемого режима работы системы установлен блок управления. Он отвечает за поток энергии теплового носителя через теплообменник и определяет куда именно стоит направить тепло: на водоснабжение либо отопление.

• В ночное время суток автоматика поддерживает минимальные параметры работы системы и поддерживает значения установленной температуры.

• Основное преимущество использования вакуумных солнечных коллекторов для отопления дома — это их малая инерционность. При этом их использование позволяет обеспечивать горячее водоснабжение в течение года и отопление в холодный период, позволяющее экономить традиционно использующиеся источники получения тепловой энергии.

вакуумный солнечный коллектор — схема и принцип работы
Основные блоки вакуумного коллектора: непосредственно вакуумный коллектор, резервуар-теплообменник и системный контроллер солнечных систем нагрева воды. Конструктивно вакуумный коллектор выполнен в виде трубчатых профилей, соединенных параллельными рядами. Как правило используются трубы конструкции ”стекло-стекло”, произведенные из боросиликатного стекла.
Для покрытия внутренней трубы используется селективный слой, предназначенный для абсорбции солнечной энергии и устранения тепловых потерь. Функциональность таких труб позволяет их использовать при пасмурной погоде. При отрицательных температурах происходит преобразование в тепло как прямых, так и рассеянных солнечных лучей.
Также для образования тепла используется природное ИК-излучение. Конструкция вакуумной трубы реализована по принципу термоса: она изготовлена из двух трубок различного диаметра, между которыми поддерживается вакуум. Вакуум обладает фактически нулевой теплопроводностью и обеспечивает высокий уровень термоизоляции.

• Вакуумные трубы во всесезонных системах имеют дополнительные термотрубки или тепловые трубки. Они представляются собой медные трубки, наполненные жидкостью с низкой температурой кипения. При непосредственном воздействием тепла происходит испарение жидкости. При этом забирается тепло самой трубки. Далее пар поднимается в расположенный выше наконечник, где происходит его конденсация и передача тепла тепловому носителю в основном контуре либо специальной жидкости, находящейся в отопительном контуре. Далее конденсат по стенкам стекает вниз и процесс возобновляется.

как работает солнечный коллектор

• Приемник коллектора как правило изготавливается из меди. При этом чаще всего применяется дополнительная полиуретановая изоляция. Приемник закрыт истом нержавеющего покрытия для дополнительной защиты. Передача тепла осуществляется посредством медной «гильзы» приемника. Отопительный контур отделяется от блока трубок, что позволяет поддерживать работу системы при поломке одной или нескольких трубок. Замена поврежденных трубок производится без слива используемой жидкости из рабочего контура.

• Резервуар-теплообменник выполняет функции бойлера и используется для аккумулирования и сохранения тепла. Резервуар, как правило, имеет внутри конструкции одну либо две спирали для теплообмена.

• Типичная конструкция системы как правило включает насос, манометр и клапан давления, кран для регулирования количества воды, различные соединительные механизмы и вентили, в том числе набор, обеспечивающий безопасное подсоединение резервуара к отопительной системе, вентиль безопасности давления в 6 атм. Бак дополнительно может быть оснащен электрическим нагревателем мощностью 1-3 кВт.

• Если требуется обеспечить единовременную подачу горячего водоснабжения и отопления, происходит распределение аккумулированной солнечной энергии. Когда заданное значение температуры достигается, подача тепла автоматически переводится на контур отопления. Настройки перераспределения тепла могут быть изменены в зависимости от времени года либо климатической зоны. К данной системе отопления могут быть подсоединены дополнительные отопительные приборы.

• Контроллер водонагревательных систем используется для задания значений температуры в резервуаре теплообменника и коллекторе, а также определения требуемого режима работы вакуумного солнечного коллектора согласно полученным данным.

• Основные функции контроллера заключаются в следующем: индикация температуры в основных блоках: коллекторе, резервуаре, индикация значения температуры в обратном потоке теплоносителя, задание температуры запуска, при которой используется принудительная циркуляция в теплоносителе, таймер пуска и остановки всей системы отопления, определение температуры и продолжительности работы функции дополнительного подогрева, задание минимального значения температуры, индикация датчиков, имеющих повреждения.

В поисках альтернативной энергетики для отопления частного дома были придуманы солнечные тепловые коллекторы. Это эффективные устройства, обладающие высокими качественными характеристиками, способные питать не только лампочку, но и осуществлять обогрев всех помещений за счет лучей. Гелиоустановки успешно применяются в странах с суровым климатом, согласно отзывам покупателей, встроенная автоматизация помогает эффективно эксплуатировать вакуумное оборудование в разных условиях, сохраняя нужную температуру воздуха и воды.
Принцип работы состоит в поглощении, накапливании и распределении энергии для потребностей владельцев частных домов. Гелиосистема оснащена собирательным устройством, контуром для теплообменника, аккумулятора, приемника и датчиков. Основной элемент изготовлен из медного сплава, изолирован полиуретаном и анодированным алюминиевым покрытием. Именно через поглотитель начинается подача тепла.
Действие происходит за счет движения жидкости через верхнюю часть оборудования. В процессе осуществляется забор энергии от наконечников из меди. Носитель нагревается в змеевике – такой замкнутый цикл идет до тех пор, пока его температура не будет превышать показатель воды в накопителе. Время работы вакуумного солнечного коллектора и качество отопления зависит от продолжительности светового дня и особенностей погоды.
Конструкция напоминает принцип термоса: у отдельных элементов прозрачная поверхность, что позволяет собирать излучение. На внутреннюю сторону деталей нанесено специальное покрытие, способствующее увеличению эффекта поглощения. Между слоями коллектора находится вакуумное пространство, за счет которого вода всегда сохраняется в жидком виде, не замерзает даже при -30°C и аккумулирует тепло в пасмурную погоду и в ночное время суток, что способствует бесперебойному отоплению.

Вакуумная трубка для солнечных коллекторов

Устройство классической вакуумированной трубки довольно просто. Она представляет собой двухстенную стеклянную колбу, между стенками которой создан вакуум. Внутри расположен медный сердечник (тепловой канал). Такая трубка называется «коаксиальной». Еще один вид – так называемые «перьевые трубки», одностенные колбы с вакуумом в самом тепловом канале.
Принцип работы вакуумной трубки зависит от особенностей строения ее теплового канала и от типа самой колбы. Каналы же, как и колбы, бывают двух видов, прямоточные и типа heat pipe.

Действие прямоточных каналов основано на непосредственном протекании теплоносителя через U-образную медную трубку. Охлажденная жидкость попадает в трубку из теплосборника, проходит через нее, нагревается и возвращается в теплосборник. Там она отдает накопленное тепло основному теплоносителю и возвращается в трубку.
Трубка heat pipe работает несколько иначе. Принцип ее работы основан на переносе тепла посредством легко испаряющейся жидкости, заключенной в тепловом канале. Сам канал (трубка) выполняется из теплоемкого металла (алюминий, медь). Солнечный свет нагревает жидкость, она испаряется из нижнего конца трубки и конденсируется в теплосборнике.

Опыт использования гелиоустановок на территории РФ достаточно продолжительный, что позволяет увидеть реальную картину теплоэффективности систем. При описании достоинств и недостатков учитывают возможности работы в режиме отопления и горячего водоснабжения, технические характеристики и реальные отзывы о вакуумных коллекторах.
Для определения рентабельности важно принимать в расчет сроки окупаемости гелиоустановок, с учетом существующих законов, действующих на территории Российской Федерации.
Важно помнить, что коллекторы не используются в качестве основного источника тепла в доме. Цель подключения компенсировать определенные энергозатраты. Причем изначально в отапливаемом здании должен быть установлен котел, способный полностью обогреть здание.
Эффективность гелиоустановки определяется тем, на сколько процентов система с солнечными вакуумными коллекторами способна компенсировать затраты на отопление дома. Максимальные показатели достигают 40-50%.

За время эксплуатации в регионах с холодным и средним климатом были выявлены следующие преимущества вакуумного коллектора, по сравнению с плоскими гелиоколлекторами:

• оптимальное соотношение стоимости и теплоотдачи;
• теплопотери минимальны, 75% абсорбируемой энергии передается в буферную емкость;
• трубчатая гелиосистема способна работать при отрицательных температурах и при низком ультрафиолетовом излучении, что делает возможным всесезонное солнечное отопление с использованием вакуумных коллекторов;
• простая установка и демонтаж.

Практика показывает, что в зимнее время года аккумулируемого тепла достаточно для полноценного отопления системой теплых полов. Даже при низкой солнечной активности теплоноситель будет прогреваться до температуры 30-40°C. Водяные полы соответственно будут нагреваться до комфортных 26-35°C.
Отопление частного дома солнечными вакуумными коллекторами имеет несколько недостатков:

• высокая стоимость — необходимость первоначальных вложений;
• жесткие требования к монтажу, при неправильном угле наклона, относительно земли теплоэффективность резко снижается;
• обслуживание — еще один недостаток вакуумных коллекторов: в зимнее время года трубки, нередко заметает снегом, их приходится чистить.

В зимнее время года работают исключительно коллекторы с выносным баком. Буферная емкость к которой подключаются вакуумные трубки, используется для обеспечения многовалентных систем отопления.
Солнечные коллекторы применяются в качестве основного водонагревателя летом и дополнительного в зимнее время года. Система ГВС на вакуумных коллекторах, с апреля по сентябрь, стабильно обеспечивает высокую температуру подогрева жидкости. Установка с прямой теплоотдачей на 30 трубок, способна подогреть около 300 л. воды в течение одного дня, чего более чем достаточно для принятия душа 4-5 человек.

Зимой для нагрева воды мощности может быть недостаточно. В внешних накопительных баках дополнительно устанавливают электроТЭН, предназначенный компенсировать недостаток нагрева. Существуют решения, в которых для подогрева воды гелиосистемы работают одновременно с бойлером.
Горячее водоснабжение от солнечных вакуумных коллекторов, также, как и аналогичная система отопления, требует значительных первоначальных вложений, что и остается главным недостатком. Рентабельность применения достигается при коммерческом использовании гелиоводонагревателей. В гостиницах, кемпингах, отелях окупаемость систем достигается через 3-4 года.
По своей сути, вакуумная трубка является теплообменным аппаратом, состоящим из двух трубок, помещенных одна в другую. Наружная трубка выполняется из прочного стекла, внутренняя – из меди. Для усиления поглощения солнечной энергии, во внутреннее пространство стеклянной колбы помещен теплопоглощающий слой, адсорбер, выполненных из многослойного покрытия.
Полученная тепловая энергия передается медной тепловой трубке, внутри которой помещен хладагент, который при нагревании поднимается вверх, где в конденсаторе, испаряется. Образовавшееся при испарении хладагента тепло, передается теплоносителю системы отопления или горячего водоснабжения.

1. Наденьте заглушку на медную трубку и продвиньте ее вверх до расширения;
2. Алюминиевый абсорбер вставьте в вакуумную колбу;
3. Трубку с заглушкой вставьте в колбу (если она неровная или касается стенок – это не критично);
4. Вгоните заглушку в колбу.

Если при установке заглушки остались зазоры между колбой или медной трубкой – из лучше залить высокотемпературным герметиком. Но предварительно выставьте медную трубку по высоте. Ее расширенная часть должна полностью входить в канал с теплоносителем.
Устройство классической вакуумированной трубки довольно просто. Она представляет собой двухстенную стеклянную колбу, между стенками которой создан вакуум. Внутри расположен медный сердечник (тепловой канал). Такая трубка называется «коаксиальной». Еще один вид — так называемые «перьевые трубки», одностенные колбы с вакуумом в самом тепловом канале.

Теплосборник

Помимо трубок, вакуумный солнечный коллектор оснащен теплосборником, которые необходим для передачи тепла от трубок к теплоносителю. Размещается теплосборник в верхней части агрегата. Принцип его работы следующий. Медный сердечник передает накопленную энергию основному теплоносителю, циркулирующему в замкнутом круге «теплообменник бака – коллектор».
Циркуляцию обеспечивает специальный небольшой насос. Причем если температура теплоносителя упадет ниже определенного минимума (например, ночью), то управляющая автоматика водонагревательной системы отключит насос. Таким образом предотвращается обратный прогрев, при котором теплоноситель будет забирать тепло горячей воды в накопительном баке.

Воздушные коллекторы

Солнечный коллектор воздушного типа гораздо менее распространен. Применяется он не для подогрева воды, а для нагрева и кондиционирования воздуха. Роль теплоносителя в нем играет собственно воздух, нагреваемый солнечными лучами. По сути, данный коллектор представляет собой ребристую металлическую панель, выкрашенную в черный цвет.
Если же вы решились провести сборку гелиосистемы своими руками, для начала позаботьтесь обо всех необходимых инструментах.