Вакуумен слънчев колектор: принцип на работа + как да го сглобите сами

За горещо водоснабдяване и отопление на помещения се харчат немалко средства. Но съществува алтернативен източник на енергия – вакуумният слънчев колектор. Чували ли сте за него? Той позволява значително да се намалят финансовите разходи за поддържане на комфорт, осигурявайки максимален отоплителен ефект при минимални топлинни загуби.

Този уред може да се купи от производители на битово оборудване или да се сглоби самостоятелно у дома. За да изберете подходящ модел, ще трябва да проучите доста информация. Ние ще ви помогнем да определите основните критерии за покупка.

В статията ще стане дума за принципа на работа и устройството на вакуумния колектор. Ще разкажем за конструкционните особености на различните модели, ще разгледаме плюсовете и минусите на тези инсталации. Освен това ще опишем подробно как да направите и инсталирате вакуумния слънчев колектор самостоятелно.

Материалът е придружен от видеоклипове, от които ще научите за важните особености и принципи на работа на вакуумните колектори.

Принцип на работа на вакуумния агрегат

От обикновените хелиосистеми вакуумният слънчев колектор се отличава по начина на преработка на слънчевата енергия. Класическата батерия просто приема светлината и я преобразува в електричество. Колекторът пък се състои от стъклени тръби с възстановен вътре вакуум. В единна система те се обединяват чрез специални свързващи възли.

Във всяка тръба се намира канал от един или два медни пръта с топлоносител. Улавяйки слънчевите лъчи, действащият елемент нагрява материала-топлоносител, като по този начин осигурява работата на колектора.

Благодарение на такава конструкция нивото на енергийната отдача значително нараства, а топлинните загуби съществено намаляват, тъй като вакуумният слой позволява да се запази около 95% от улавяната слънчева енергия.

Вакуумен слънчев колектор, разположен на покрива на частна къща, ще осигурява топла вода на обитателите през цялата година, а през студения сезон ще позволи комфортно отопление на помещението, без да се харчат големи финансови средства.

Освен това зависимостта на производителността на колектора от сезонността, температурата на околната среда и различните метеорологични условия, като например: пориви на вятъра, променлива облачност, валежи и др., намалява.

Как е устроен колекторът от вакуумен тип?

Съвременните вакуумни устройства, които осигуряват на помещенията топлина и топла вода чрез слънчева енергия, технологично се различават.

Колекторите се разделят на следните видове:

• тръбен без стъклено защитно покритие;
• модул с редуцирана конверсия;
• стандартен плосък вариант;
• устройство с прозрачна топлоизолация;
• въздушен агрегат;
• плосък вакуумен колектор.

Вакуумният слънчев колектор е способен да осигури топло водоснабдяване и отопление по всяко време на годината и при всяко време (+)

Всички те имат общо конструктивно сходство и се състоят от:

• външна прозрачна тръба, от която напълно е изсмукан въздухът;
• нагряван патрубок, разположен в голяма тръба, където се движи течен или газообразен топлоносител;
• един или два сборни разпределителя, към които се присъединяват тръби с по-голям калибър и влиза циркулационният контур на тънките тръби, разположени вътре.

Цялата конструкция донякъде напомня термос с прозрачни стени, в който е поддържано безпрецедентно високо ниво на топлоизолация. Благодарение на тази особеност корпусът на вътрешната тръба придобива способността да се загрява качествено и да отдава пълноценно енергийния ресурс на циркулиращия вътре топлоносител.

Конструкционни нюанси и класификация

Вакуумните колектори се класифицират по вида на стъклените тръби, монтирани в конструкцията, или по характеристиките на топлинните канали. Тръбите обикновено са коаксиални и перови, а топлинните канали – U-образни прямоточни и от тип heat pipe.

Характеристика на коаксиалните тръби

Коаксиалните тръби представляват двойна стъклена колба-термос с изкуствено създадено между стените вакуумно пространство. Вътрешната повърхност на тръбата има слой специално топлопоглъщащо покритие, поради което фактическото предаване на топлина става непосредствено от стените на стъклената колба.

Коаксиалните тръби се правят от високоякостно стъкло на основата на боросиликати, което притежава висока светлопропускателна способност. Елементите, в зависимост от производителя, имат до три слоя магнетронно напрашване, демонстрират отлична якост и устойчивост на различни атмосферни явления (дъжд, градушка и пр.), издържат на налягане от 1 Mpa и надеждно служат в продължение на 15 години.

Като поглъщащ елемент в стъклената тръба се впоява медна тръба, съдържаща етерен състав. При нагряване той се изпарява, ефективно отдава своята топлина, кондензира се и се стича в долната част на тръбата. След това цикълът се повтаря, създавайки по този начин непрекъснат процес на топлообмен.

Особености на перовите тръби

Вакуумните перови тръби имат по-голяма дебелина на стените, отколкото коаксиалните, и се състоят не от две, а от една колба. Вътрешният абсорбционен елемент от мед се снабдява по цялата дължина с издръжлив усилвател – гофрирана плоча с високо ниво на енергопоглъщащо напрашване.

Благодарение на такава конструкционна особеност вакуумът се разполага непосредствено в топлинния канал, част от който заедно с абсорбента се интегрира непосредствено в колбата.

Перовата вакуумна тръба вътре съдържа пластина, която по форма наподобява перо. По ниво на КПД превъзхожда възможностите на своя коаксиален аналог, но има значително по-висока цена и трудно се заменя в случай на нарушаване на целостта на колбата или излизане от строя на нагревателния елемент.

Колекторите, изработени на основата на перови вакуумни тръби, се считат за най-ефективни в своя клас, отлично се справят с поставените задачи и надеждно служат в продължение на много години.

Принцип на работа на топлинния канал heat pipe

Топлинните канали heat pipe се състоят от затворени тръбички, съдържащи лесно изпаряващ се течен състав. Под въздействието на слънчевите лъчи той се нагрява, преминава в горната област на канала и се съсредоточава там в специален топлосборник (manifold).

Работната течност в този момент отдава цялата натрупана топлина и отново се спуска надолу за възобновяване на процеса.

Гилзата на топлообменника heat-pipe се свързва с топлообменника на manifold чрез специално гнездо, впоено в самия 1-тръбен топлообменник, или се обхваща от 2-тръбен топлообменник.

Работният елемент на топлинния канал heat pipe се изработва от мед, в по-редки случаи – от алуминий. Проявява висока устойчивост на експлоатационни натоварвания, служи надеждно в продължение на 15 години, има разумна цена и е един от най-популярните елементи на съвременните вакуумни хелиосистеми от тръбен тип.

Отделената енергия от топлинния резервоар се отнема от топлоносителя и се пренася по-нататък по системата, осигурявайки по този начин наличието на гореща вода в крановете и отоплителните радиатори. Системата heat pipe лесно се монтира и демонстрира висока ефективност при работа.

Колекторите, оборудвани с вакуумни тръби heat pipe, се отличават с добро ниво на надеждност и са подходящи за използване не само в бита, но и във високонапорни хелиотермални системи.

В случай на повреда или излизане от строя без никакви затруднения съществува възможност да се замени повреденият възел с нов, без да се прибягва до реконструкция на цялата система.

Ремонтните работи могат лесно да се осъществят точно на мястото на разположение на колектора, без да се демонтира агрегатът и без да се полагат излишни усилия.

Описание на U-образния правопоточен топлообменник

Тръбата на правотоковия топлообменник има форма на буквата U. Вътре циркулира вода или работен топлоносител на отоплителната система. Едната част на елемента е предназначена за студен топлоносител, а втората правилно отвежда вече нагрятия.

При нагряване действащият състав се разширява и постъпва в резервоара за натрупване, създавайки по този начин естествена циркулация на течността в системата. Специално селективно покритие, нанесено върху вътрешните стени, увеличава топлопоглъщащата способност и повишава ефективността на системата като цяло.

В сравнение с тръбите от типа heat-pipe, U-образните изделия имат по-голямо хидравлично съпротивление, поставят повишени изисквания към топлоносителя и струват значително по-скъпо. Колекторите, функциониращи на правотокови U-тръби, не могат да работят под високо налягане и осигуряват качествен топлообмен само през периода на топлия сезон.

Тръбите от U-тип демонстрират висока производителност и осигуряват солидна топлоотдача, но имат един съществен недостатък. Те представляват една цялостна конструкция с колектора и винаги се монтират заедно с него.

Няма да е възможно да се замени отделна единична тръба, която е излязла от строя. За ремонт ще е необходимо да се демонтира целият комплекс изцяло и на негово място да се постави нов.

Сравнение на различните модификации

При изработката на слънчевите агрегати, топлинните канали и вакуумните стъклени тръби за слънчеви колектори се комбинират в най-различни комбинации.

Най-голяма популярност сред потребителите се радват коаксиалните модели с топлинен канал heat pipe. Купувачите привлича привлекателната цена на уредите и много простото, достъпно обслужване през целия срок на експлоатация.

Вакуумният слънчев колектор с работен канал heat pipe се ремонтира отлично. Подмяната на повредените тръби се извършва на място и не изисква демонтаж на системата или преместването ѝ на друго място. Въпреки това, топлообменът в тези модели се осъществява трудно, поради което КПД на изхода е не повече от 65%.

Вакуумните уреди с канали heat pipe демонстрират висока надеждност и нямат никакви ограничения за използване дори във високонапорни хелиотермални комплекси.

Уредите с коаксиална колба, съдържаща правоточни U-образни канали, също влизат в списъка на търсените. Те се характеризират с параметри като ниска топлинна загуба и КПД от 70% и нагоре.

За правилно функциониране, вакуумният уред с U-канал трябва да се монтира правилно. Желателно е минималният ъгъл на наклон да бъде не по-малък от 20⁰. Само по този начин ще се осигури максимална отдача.

Ситуацията донякъде развалят: сложният процес на ремонт, специфичното обслужване по време на експлоатация и невъзможността да се замени отделен повреден възел. Ако с уреда се случи нещо, той се демонтира и на негово място се поставя абсолютно нов колектор.

Перните тръби конструкционно представляват единичен цилиндър от стъкло с удебелени здрави стени (в зависимост от производителя от 2,5 мм и нагоре). Вложката от перен абсорбент, съдържаща се вътре, плътно обгръща работния канал, изработен от топлопроводим метал.

Почти безупречна изолация създава вакуумното пространство вътре в стъкления съд. Абсорбентът предава погълнатата топлина без загуби и осигурява на системата КПД до 77%.

В случай на неизправност колекторите, оборудвани с перови тръби, подлежат на ремонт. Не е необходимо да се сменя цялата система, достатъчно е да се открие повреденият възел, да се демонтира и да се постави нов на негово място.

Моделите с перов елемент струват малко по-скъпо отколкото коаксиалните, но благодарение на високата ефективност осигуряват пълноценен комфорт в помещението и бързо се изплащат.

Най-ефективни и производителни са перовите колби с вътрешни правотокови канали. Техният действителен КПД понякога достига рекордни показатели от 80%.

При монтажа на перови тръби в рамката на пръта на всяка част се поставя здрава обжимна гайка с пръстен и термоустойчиво уплътнение. Това осигурява херметичност на цялата конструкция и дава възможност на колектора да функционира пълноценно при всякакви условия.

Цената на изделията е доста висока, а при извършване на ремонт задължително трябва да се източи от системата целият топлоносител и едва тогава да се пристъпи към отстраняване на неизправностите.

Какъв трябва да бъде топлосборникът?

Топлосборникът е още един много важен работен елемент на вакуумния колектор. Посредством този възел се осъществява предаването на натрупаната топлина от тръбите към топлоносителя.

Топлосборникът се разполага в горната част на уреда. Един от неговите компоненти, медният сърцевина, приема енергията и я предава на основния топлоносител, циркулиращ в затворената система «топлообменник на резервоара-колектор».

Коректната работа се гарантира от свързаната към системата циркулационна помпа. Управляващата отоплителния комплекс автоматика следи стриктно за нивото на температурата в каналите и, в случай на нейното падане под допустимия критичен минимум (например през нощта), спира работата на помпата.

Това позволява да се избегне обратното загряване, когато топлоносителят започва да отнема топлината на горещата вода, събрала се в акумулаторния резервоар.

Плюсове и минуси на колекторите от вакуумен тип

Като основно предимство на агрегатите се посочва практически пълното отсъствие на топлинни загуби по време на експлоатация. Това осигурява вакуумната среда, която е един от най-качествените естествени изолатори. Но на това списъкът с предимства не свършва.

Устройствата имат и други ясно изразени плюсове:

• ефективност на работа при ниски температурни показатели (до -30°С);
• способност за акумулиране на температура до 300°С;
• максимално възможно поглъщане на топлинна енергия, включително невидимия спектър;
• експлоатационна устойчивост;
• ниска възприемчивост към агресивни атмосферни проявления;
• малка парусност, обусловена от конструкционни особености на тръбни системи, способни да пропускат през себе си въздушни маси с различна плътност;
• високо ниво на ефективност в региони с умерен и хладен климат с малко количество ясни и слънчеви дни;
• дълготрайност при спазване на основните правила на експлоатация;
• достъпност за ремонт и възможност да се сменя не цялата система, а само един повреден фрагмент.

Към недостатъците се отнасят неспособността на колекторите за самоочистване от скреж, лед, сняг и високата цена на комплектоващи части, необходими за сглобяване на агрегата в домашни условия.

Слънчевият колектор е ефективно устройство, позволяващо практически без загуби да преобразува слънчевата енергия в топлинна

Сглобяване на агрегата със собствени ръце

Процесът на сглобяване на вакуумния колектор започва с изработване на рамка-подложка за работните елементи. Тя се монтира веднага на мястото, което е определено за агрегата.

Размерът и габаритите на рамката изцяло и напълно зависят от модела, който се планира да се направи, и обикновено се описват в инструкцията, намираща се сред придружаващите документи към компонентите.

Готовата рамка за колектор се закрепва на покрива така, че да заема ясно положение и да не се клати. Ако покривът на сградата е от шисти, се използва обшивен дървен материал и едрокалибрени дебели винтове. За други покривни материали се прилагат обикновени анкери

Местата на прилегане на рамката към повърхността на покрива допълнително се фиксират с уплътнител, за да в бъдеще през отворите в къщата не прониква вода. След това на мястото на монтажа се доставя акумулиращият резервоар и с винтове се закрепва на горната част на рамката.

На следващия етап се сглобяват ТЕН, температурен датчик и автоматизиран въздухоотвод. Всички спомагателни възли и съпътстващи елементи се поставят върху идващите в комплекта омекотяващи подложки. За закрепване на температурния датчик се използва крайник.

След това се обустройва водоснабдяването. За целта се вземат тръби от всякакъв материал, устойчив на ниски температурни показатели и способен да издържа до 95°С. Добре са се доказали полипропиленови тръби и фитинги.

Тръбите от полипропилен са идеални за осъществяване на връзката на слънчевия колектор с водопроводната система на жилището. Арматурата има добри физически показатели и експлоатационна издръжливост, служи надеждно в продължение на много години и лесно се заменя в случай на пукнатини или скъсвания.

След като се свърже водопроводът, акумулаторният резервоар се пълни с вода и се тества за херметичност. Ако в рамките на 3-4 часа някъде се открият течове, те се отстраняват.

Накрая се монтират нагревателните елементи. За тази цел медната тръба се увива с алуминиев лист и се поставя във вакуумна тръба от стъкло. Отдолу на колбата се поставят фиксираща чашка и прахоуловител от здрав, гъвкав каучук.

Горният меден накрайник на тръбата се вкарва докрай в месинговия кондензатор. Лепкавата термоконтактна смазка от тръбите не се отстранява. Фиксиращият механизъм се щраква на скобата и по същия принцип се монтират всички останали стъклени тръби.

Тръбните слънчеви колектори се нуждаят от редовна поддръжка и задължително почистване, особено в периода на активен снеговалеж. Ако се спазват тези прости правила, те ще работят дълго и ще запазят високо ниво на ефективност през целия експлоатационен срок.

На конструкцията се поставя монтажен блок, към него се подвежда електрозахранване от 220 волта и към системата се присъединяват три спомагателни блока – нагревателен елемент, въздушен отвод и температурен датчик.

Последен се свързва контролерът, предназначен за правилно управление на комплекса. В менюто на контролера се въвеждат желаните работни параметри и системата се стартира в стандартен режим.

Поетапна инструкция за изграждане на слънчев колектор е дадена в тази статия.

Как правилно да разположите уреда?

За да може вакуумният колектор да работи пълноценно и ефективно да осигурява на жилището необходимата енергия, за него е необходимо да се намери най-подходящото място и да се ориентира правилно уредът спрямо посоките на света.

Слънчевите колектори от вакуумен тип са много по-практични от плоските си аналози. Когато някоя от работните тръби получи повреди и излезе от строя, много лесно може да бъде заменена с нова. След това системата ще продължи да функционира в предишния си режим. Ако веднага не е възможно да се постави нов елемент на мястото на повредения, няма проблем. Уредът ще може да изпълнява своите „задължения“, дори като разполага с възел с повреден елемент.

За населените места в северното полукълбо е актуално да се разположи колекторът в южната част на покрива на къщата или на слънчевата страна на парцела. Желателно е да се осигури минимално отклонение за равнината на уреда.

Ако няма възможност да се насочи повърхността на юг, струва си да се избере между запада и изтока най-светлият ракурс на открито пространство.

Високата работна ефективност на колектора от вакуумен тип се дължи и на факта, че той работи на принципа на огледалото и изравнява топлинната си мощност в зависимост от текущата височина на слънцето.

Слънчевият енергиен комплекс не трябва да бъде закрит от комини, декоративни фрагменти на покривното покритие, разперени клони на дървета и високи жилищни или технически сгради. Това ще намали ефективността на работа и ще намали нивото на нагряване на работните елементи.

Ако агрегатът е разположен правилно, той ще осигури практически еднаква топлоотдача през цялата година, независимо от сезона.

Ако няма голям опит в извършването на сложни ремонтно-монтажни и водопроводни работи, вакуумирането на тръбите в домашни условия е нерационално. Този процес е много трудоемък и изисква специални знания и специализирано оборудване.

Освен това, елементите от вакуумен тип, направени самостоятелно, имат много по-ниско ниво на ефективност (КПД) от заводските части. Затова е най-разумно да закупите продукция от специализиран производител, а след това у дома да опитате да сглобите няколко секции.

На сайта има подборка от статии за изграждане на слънчева отоплителна система, препоръчваме да се запознаете:

1. Слънчеви отопителни системи: анализ на технологиите за изграждане на отопление на базата на хелиосистеми
2. Отопление на частен дом със слънчеви батерии: схеми и устройство
3. Гъвкави слънчеви батерии: видове, характеристики + особености на свързване

Изводи и полезно видео по темата

Подробно, детайлно описание на вакуумната тръба, принципа на нейната работа и особеностите на функциониране на слънчевия колектор като цяло. Авторът разказва за някои интересни нюанси и показва, че инсталацията може да стане реална алтернатива на газовия котел.

Интересна информация за работата на слънчевия колектор през зимния период.

Как правилно да монтирате вакуумен слънчев колектор със собствените си ръце в домашни условия. Всички нюанси на процеса, препоръки и полезни съвети.

Познавайки основния принцип на работа на тръбен вакуумен слънчев колектор, можете да сглобите агрегата със собствените си ръце. Инсталацията ще отговаря напълно на личните индивидуални изисквания и нужди.

Това не е твърде трудна задача, но изисква повишено внимание, скрупульозност и определени умения, в противен случай рискът от повреда на целостта на колбата и нарушаване на нейната херметичност значително нараства.

На всички заинтересовани по въпроса за избор, инсталиране или самостоятелно сглобяване на слънчев колектор предлагаме да оставяте коментари и да задавате въпроси. Формата за контакт се намира в долния блок.