Вакуумный солнечный коллектор: принцип работы + как собрать самому

На горячее водоснабжение и отопление помещений тратятся немалые средства. Но существует альтернативный источник энергии – вакуумный солнечный коллектор. Слышали о таком? Он позволяет существенно снизить финансовые затраты на поддержание комфорта, обеспечивая максимальный греющий эффект при минимальных теплопотерях.

Этот прибор можно купить у производителей бытового оборудования или собрать самостоятельно в домашних условиях. Чтобы выбрать подходящую модель, предстоит изучить немало информации. Мы поможем вам определиться с основными критериями покупки.

В статье речь пойдет о принципе работы и устройстве вакуумного коллектора. Мы расскажем о конструкционных особенностях различных моделей, рассмотрим плюсы и минусы этих установок. Кроме того, подробно опишем, как сделать и установить вакуумный солнечный коллектор самостоятельно.

Материал сопровождается видеороликами, из которых вы узнаете о важных особенностях и принципах работы вакуумных коллекторов.

Принцип работы вакуумного агрегата

От обычных гелиосистем вакуумный солнечный коллектор отличается способом переработки солнечной энергии. Классическая батарея просто принимает свет и преобразовывает его в электричество. Коллектор же состоит из стеклянных трубок с воссозданным внутри вакуумом. В единую систему они объединяются посредством специальных стыковочных узлов.

Внутри каждой трубки располагается канал из одного или двух медных стержней с теплоносителем. Улавливая солнечные лучи, действующий элемент нагревает материал-теплоноситель, таким способом обеспечивая работу коллектора.

За счет такой конструкции уровень энергоотдачи значительно возрастает, а теплопотери существенно снижаются, так как вакуумная прослойка позволяет сохранить около 95 % улавливаемой солнечной энергии.

Вакуумный солнечный коллектор, размещенный на крыше частного дома, будет обеспечивать горячей водой жильцов на протяжении всего года, а в сезон холодов позволит комфортно отапливать помещение, не затрачивая на это больших финансовых средств

Кроме того, уменьшается зависимость производительности коллектора от сезонности, температуры окружающей среды и различных погодных условий, как то: порывы ветра, переменная облачность, выпадение осадков и пр.

Как устроен коллектор вакуумного типа?

Современные вакуумные приборы, обеспечивающие помещения теплом и горячей водой за счет солнечной энергии, технологически разнятся.

Коллекторы подразделяют на такие виды:

• трубчатый без стеклянного защитного покрытия;
• модуль с редуцированной конверсией;
• стандартный плоский вариант;
• устройство с прозрачной теплоизоляцией;
• воздушный агрегат;
• плоский вакуумный коллектор.

Вакуумный солнечный коллектор способен обеспечить горячее водоснабжение и отопление в любое время года, и при любой погоде (+)

Все они имеют общее конструктивное сходство, так состоят из:

• внешней прозрачной трубы, откуда полностью выкачан воздух;
• нагреваемого патрубка, расположенного в большой трубе, где перемещается жидкий или газообразный теплоноситель;
• одного или двух сборных распределителей, к которым присоединяются трубы большего калибра и входит циркуляционный контур тонких, размещенных внутри, трубок.

Целиком конструкция чем-то напоминает термос с прозрачными стенками, в котором выдержан беспрецедентно высокий уровень тепловой изоляции. Благодаря этой особенности корпус внутренней трубки приобретает способность качественно прогреваться и полноценно отдавать энергетический ресурс циркулирующему внутри теплоносителю.

Конструкционные нюансы и классификация

Коллекторы вакуумного типа классифицируют по виду стеклянных трубок, установленных в конструкции, либо по характеристикам тепловых каналов. Трубки обычно бывают коаксиальными и перьевыми, а тепловые каналы – U-образными прямоточными и heat pipe типа.               .

Характеристика коаксиальных трубок

Коаксиальные трубки представляют собой двойную стеклянную колбу-термос с искусственно созданным между стенками вакуумным пространством. Внутренняя поверхность трубки имеет слой специального теплопоглащающего покрытия, поэтому фактическая передача тепла происходит непосредственно от стенок стеклянной колбы.

Коаксильные трубки делают из высокопрочного стекла на основе боросиликатов, обладающего высокой светопропускной способностью. Элементы, в зависимости от производителя, имеют до трех слоев магнетронного напыления, демонстрируют отличную прочность и устойчивость к различным атмосферным проявлениям (дождь, град и пр.), выдерживают давление в 1 Mpa и надежно служат в течение 15 лет

В качестве поглощающего элемента в стеклянную трубку впаивают медную трубку, содержащую эфирный состав. В процессе нагревания он испаряется, эффективно отдает свое тепло, конденсируется и стекает на нижнюю часть трубки. Затем цикл повторяется, создавая таким образом непрерывный процесс теплообмена.

Особенности перьевых трубок

Вакуумные перьевые трубки имеют большую толщину стенок, нежели коаксиальные, и состоят не из двух, а из одной колбы. Внутренний абсорбционный элемент из меди снабжается по всей длине прочным усилителем — гофрированной пластиной с высокоуровневым энергопоглощающим напылением.

Благодаря такой конструкционной особенности вакуум располагается непосредственно в тепловом канале, часть которого вместе с абсорбентом интегрируется непосредственно в колбу.

Перьевая вакуумная трубка внутри содержит пластину, своей формой напоминающую перо. По уровню КПД превышает возможности своего коаксиального аналога, но имеет значительно более высокую стоимость и сложно заменяется в случае нарушения целостности колбы или выхода из строя греющего элемента

Коллекторы, изготовленные на основе перьевых вакуумных трубок, считаются наиболее эффективными в своем классе, отлично справляются с поставленными задачами и надежно служат в течение многих лет.

Принцип работы теплового канала heat pipe

Тепловые каналы heat pipe состоят из закрытых трубок, содержащих легко испаряющийся жидкий состав. Под воздействием солнечных лучей он прогревается, переходит в верхнюю область канала и сосредотачивается там в специальном теплосборнике (manifold).

Рабочая жидкость в этот момент отдает все накопленное тепло и снова опускается вниз для возобновления процесса.

Гильза теплообменника heat-pipe соединяется с теплообменником manifold’а посредством специального гнезда, впаянного в сам в 1-трубный теплообменник, либо огибается 2-трубным теплообменником.

Рабочий элемент теплового канала heat pipe изготовляется из меди, в более редких случаях – из алюминия. Проявляет высокую стойкость к эксплуатационным нагрузкам, надежно служит в течение 15 лет, имеет разумную стоимость и является одним из самых популярных элементов современных вакуумных гелиосистем трубчатого типа

Выделенную энергию из теплового резервуара отбирает теплоноситель и переносит ее дальше по системе, обеспечивая таким способом наличие горячей воды в кранах и батареях отопления. Система heat pipe легко монтируется и демонстрирует высокую эффективность при работе.

Коллекторы, оснащенные вакуумными трубками heat pipe, отличаются хорошим уровнем надежности и подходят для использования не только в быту, но и в высоконапорных гелиотермальных системах

В случае поломки или выхода из строя без всяких сложностей существует возможность заменить испорченный узел на новый, не прибегая к реконструкции всей системы.

Ремонтные работы можно легко осуществить прямо на месте расположения коллектора, не демонтируя агрегат и не прикладывая к работе излишних усилий.

Описание U-образного прямоточного теплообменника

Трубка прямоточного теплообменника имеет форму буквы U. Внутри циркулирует вода или рабочий теплоноситель греющей системы. Одна часть элемента предназначается для холодного теплоносителя, а вторая корректно отводит уже нагретый.

При накаливании действующий состав расширяется и поступает в бак накопления, создавая таким образом естественную циркуляцию жидкости в системе. Специальное селективное покрытие, нанесенное на внутренние стенки, увеличивает теплопоглощающую способность и повышает эффективность системы в целом.

По сравнению с трубками heat-pipe типа, U-образные изделия имеют большую гидравлическую сопротивляемость, предъявляют повышенные требования к теплоносителю и стоят значительно дороже. Коллекторы, функционирующие на прямоточных U-трубках, не могут работать под высоким давлением и обеспечивают качественную теплоотдачу только в период теплого сезона

Трубки U-типа демонстрируют высокую производительность и дают солидную теплоотдачу, но при этом имеют один существенный недостаток. Они составляют одну целостную конструкцию с manifold’ом и всегда монтируются вместе с ним.

Заменить отдельную одиночную трубку, вышедшую из строя, не получится. Для ремонта потребуется демонтировать весь комплекс полностью и на его место поставить новый.

Сравнение различных модификаций

При изготовлении гелиоагрегатов тепловые каналы и вакуумные стеклянные трубки для солнечных коллекторов комбинируют в самых разных сочетаниях.

Самой большой популярностью у потребителей пользуются коаксиальные модели с тепловым каналом heat pipe. Покупателей привлекает лояльная цена приборов и очень простое, доступное обслуживание в течение всего срока эксплуатации.

Вакуумный солнечный коллектор с рабочим каналом heat pipe прекрасно ремонтируется. Замена поврежденных трубок осуществляется на месте и не предусматривает демонтажа системы или переноса ее на другое место. Однако теплообмен в этих моделях осуществляется сложно, за счет чего и КПД на выходе составляет не более 65%

Вакуумные приборы с каналами heat pipe демонстрируют высокую надежность и не имеют никаких ограничений по использованию даже в высоконапорных гелиотермальных комплексах.

Приборы с коаксильной колбой, содержащей прямоточные U-образные каналы, тоже входят в перечень востребованных. Их характеризуют такие параметры, как низкая теплопотеря и КПД от 70% и выше.

Для корректного функционирования, вакуумный прибор с U-каналом нужно правильно установить. Желательно, чтобы минимальный угол наклона составлял не менее 20⁰. Только в таком варианте получится обеспечить максимальную отдачу

Ситуацию несколько портят: сложный процесс ремонта, специфическое обслуживание в процессе эксплуатации и невозможность заменить отдельный испорченный узел. Если с прибором что-то случается, его демонтируют и на место ставят абсолютно новый коллектор.

Перьевые трубки конструкционно представляют собой одинарный цилиндр из стекла с утолщенными прочными стенками (в зависимости от производителя от 2,5 мм и выше). Содержащаяся внутри вставка из перьевого абсорбента плотно облегает рабочий канал, изготовленный из теплопроводящего металла.

Почти безупречную изоляцию создает вакуумное пространство внутри стеклянной емкости. Абсорбент передает поглощенное тепло без потерь и обеспечивает системе КПД до 77%.

В случае неисправности коллекторы, оснащенные перьевыми трубками, подлежат ремонту. Менять всю систему не требуется, достаточно обнаружить поврежденный узел, демонтировать его и поставить на это место новый

Модели с перьевым элементом стоят несколько дороже, нежели коаксиальные, но за счет высокой эффективности обеспечивают полноценный комфорт в помещении и быстро окупаются.

Наиболее эффективными и производительными являются перьевые колбы с внутренними прямоточными каналами. Их фактический КПД порой достигает рекордных показателей в 80%.

При монтаже перьевых трубок в раму на стержень каждой детали одевают прочную обжимную гайку с кольцом и термостойкой прокладкой. Это обеспечивает герметичность всей конструкции и дает возможность коллектору полноценно функционировать в любых условиях

Цена изделий довольно высока, а при проведении ремонта обязательно требуется сливать из системы весь теплоноситель и только потом приступать к устранению неполадок.

Каким должен быть теплосборник?

Теплосборник – еще один очень важный рабочий элемент вакуумного коллектора. Посредством этого узла осуществляется передача накопленного тепла от трубок к теплоносителю.

Теплосборник располагают в верхней части прибора. Один из его компонентов, медный сердечник, принимает энергию и передает ее основному теплоносителю, циркулирующему в замкнутой системе «теплообменник бака-коллектор».

Корректную работу гарантирует подключенный к системе циркуляционный насос. Управляющая греющим комплексом автоматика, четко следит за уровнем температуры в каналах и, в случае ее падения ниже допустимого критического минимума (например, в ночное время суток), останавливает работу насоса.

Это позволяет избежать обратного прогрева, когда теплоноситель начинает забирать тепло горячей воды, собравшейся в накопительном баке.

Плюсы и минусы коллекторов вакуумного типа

Главным достоинством агрегатов называют практически полное отсутствие теплопотерь в процессе эксплуатации. Это обеспечивает вакуумная среда, являющаяся одним из самых качественных естественных изоляторов. Но на этом список преимуществ не заканчивается.

Устройства имеют и другие ярко выраженные плюсы:

• эффективность работы при низких температурных показателях (до -30°С);
• способность к аккумулированию температуры до 300°С;
• максимальное возможное поглощение тепловой энергии, включая невидимый спектр;
• эксплуатационная устойчивость;
• низкая восприимчивость к агрессивным атмосферным проявлениям;
• малая парусность, обусловленная конструкционными особенностями трубчатых систем, способных пропускать сквозь себя воздушные массы разной плотности;
• высокий уровень эффективности в регионах с умеренным и прохладным климатом с малым количеством ясных и солнечных дней;
• долговечность при соблюдении основных правил эксплуатации;
• доступность для ремонта и возможность менять не всю систему, а только один вышедший из строя фрагмент.

К недостаткам относят неспособность коллекторов к самоочищению от инея, льда, снега и высокую цену комплектующих деталей, необходимых для сбора агрегата в домашних условиях.

Солнечный коллектор — это эффективное устройство, позволяющее практически без потерь преобразовать солнечную энергию в тепловую

Сборка агрегата своими руками

Процесс сборки вакуумного коллектора начинают с изготовления рамы-подложки для рабочих элементов. Ее монтируют сразу в том месте, которое выделено под агрегат.

Размер и габариты рамы целиком и полностью зависят от модели, которую планируется сделать, и обычно прописываются в инструкции, находящейся среди сопроводительных документов к компонентам.

Готовую раму под коллектор закрепляют на крыше так, чтобы она занимала четкое положение и не качалась. Если крыша строения шиферная, используют обрешоточный брус и крупнокалиберные толстые шурупы. Для других материалов кровли применяют обычные анкера

Места прилегания рамы к поверхности крыши дополнительно фиксирую герметиком, чтобы в будущем через отверстия в дом не попадала вода. Затем к месту монтажа доставляют накопительный бак и шурупами крепят его на верхней части рамы.

На следующем этапе собирают ТЭН, температурный датчик и автоматизированный воздухоотвод. Все вспомогательные узлы и сопутствующие детали ставят на идущие в комплекте смягчающие прокладки.  Для крепления температурного датчика используют торцевой ключ.

Далее обустраивают подвод водопроводных коммуникаций. Для этой цели берут трубы из любого материала, стойкого к низким температурным показателям и способного выдерживать до 95°С. Хорошо себя зарекомендовали полипропиленовые трубы и фитинги.

Трубы из полипропилена идеально подходят для организации соединения солнечного коллектора с водопроводной системой жилого помещения. Арматура имеет хорошие физические показатели и эксплуатационную выносливость, надежно служит в течение многих лет и легко заменяется в случае возникновения трещин или надрывов

Подключив водопровод, накопительный бак наполняют водой и тестируют на герметичность. Если в течение 3-4 часов где-то обнаружились утечки, их устраняют.

В конце устанавливают греющие элементы. Для этого медную трубку оборачивают алюминиевым листом и помещают в вакуумную трубку из стекла. Снизу на колбу одевают фиксирующую чашку и пыльник из прочной, гибкой резины.

Верхний медный наконечник трубки до упора вдвигают в латунный конденсатор. Вязкую термоконтактную смазку с труб не удаляют. Защелкивают фиксирующий механизм на кронштейне и по этому же принципу монтируют все оставшиеся стеклянные трубки.

Трубчатые солнечные коллекторы нуждаются в регулярном обслуживании и обязательной чистке, особенно в период активного выпадения снега. Если соблюдать эти простые правила, они будет работать долго и сохранят высокий уровень эффективности в течение всего эксплуатационного срока

На конструкцию ставят монтажный блок, подводят к нему электропитание в 220 вольт и присоединяют к системе три вспомогательных блока – ТЭН, воздухоотвод и температурный датчик.

Последним подключают контроллер, предназначенный для корректного управления комплексом. В меню контроллера вносят желаемые параметры работы и запускают систему в стандартном режиме.

Пошаговый инструктаж по сооружению солнечного коллектора приведен в этой статье.

Как правильно разместить прибор?

Чтобы вакуумный коллектор мог полноценно работать и эффективно обеспечивал жилое помещение необходимой энергией, для него необходимо найти наиболее удачное место и правильно сориентировать прибор относительно частей света.

Солнечные коллекторы вакуумного типа намного практичней своих плоских аналогов. Когда какая-то из рабочих трубок получает повреждения и выходит из строя, ее очень легко заменить на новую. После этого система продолжит функционировать в прежнем режиме. Если сразу возможности поставить новый элемент на место испорченного нет, не беда. Агрегат сможет исполнять свои «обязанности», даже имея в наличии узел с поврежденным элементом

Для населенных пунктов северного полушария актуально разместить коллектор в южной части крыши дома или на солнечной стороне участка. Желательно обеспечить для плоскости прибора минимальное отклонение.

Если возможности направить поверхность на юг нет, стоит выбрать среди запада и востока максимально светлый ракурс на открытом пространстве.

Высокая рабочая эффективность коллектора вакуумного типа обусловлена еще и тем, что он действует по принципу зеркала и выравнивает свою тепловую мощность исходя из текущей высоты солнца

Энергетический солнечный комплекс не должны закрывать дымоходы, декоративные фрагменты кровельного покрытия, раскидистые ветви деревьев и высокие жилые или технические строения. Это понизит эффективность работы и уменьшит уровень прогрева действующих элементов.

Если агрегат расположен правильно, он обеспечит практически одинаковую теплоотдачу в течение всего года, независимо от сезона.

Если большого опыта осуществления сложных ремонтно-монтажных и слесарных работ нет, делать в домашних условиях вакуумирование трубок нерационально. Этот процесс очень трудоемкий и требует наличия специальных знаний и профильного оборудования.

Кроме того, элементы вакуумного типа, сделанные самостоятельно, имеют гораздо более низкий уровень КПД, нежели заводские детали. Поэтому разумнее всего приобрести продукцию у профильного производителя, а потом уже дома попробовать собрать несколько секций.

На сайте есть подборка статей по обустройству солнечной системы отопления, советуем ознакомиться:

1. Солнечные системы отопления: разбор технологий обустройства отопления на базе гелиосистем
2. Отопление частного дома солнечными батареями: схемы и устройство
3. Гибкие солнечные батареи: виды, характеристики + особенности подключения

Выводы и полезное видео по теме

Подробное, детальное описание вакуумной трубки, принципа ее работы и особенностей функционирования солнечного коллектора в целом. Автор рассказывает о некоторых интересных нюансах и показывает, что установка может стать реальной альтернативой газовому котлу.

Интересная информация о работе солнечного коллектора в зимний период времени.

Как правильно смонтировать вакуумный солнечный коллектор своими руками в домашних условиях. Все нюансы процесса, рекомендации и полезные советы.

Зная базовый принцип работы трубчатого вакуумного солнечного коллектора, можно собрать агрегат собственноручно. Установка будет полностью соответствовать личным индивидуальным требованиям и нуждам.

Это не слишком трудное занятие, однако оно требует повышенного внимания, скрупулезности и определенных навыков, иначе риск повредить целостность колбы и нарушить ее герметичность значительно возрастает.

Всем заинтересованным в вопросе выбора, установки или самостоятельной сборки солнечного коллектора предлагаем оставлять комментарии и задавать вопросы. Форма для связи расположена в нижнем блоке.