Вакуумные солнечные коллекторы нашли широкое применение как в быту, так и в промышленном производстве. Они используются в системах ГВС и контурах отопления, подогревают воду в бассейнах, отапливают теплицы, работают в системах вентиляции и кондиционирования. Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагреть воду до температуры кипения даже при минусовой температуре окружающей среды.
Системы, построенные на вакуумных солнечных коллекторах, способны обеспечивать от 70% до 100% ежедневной потребности в ГВС для бытовых целей и существенно снизить расходы от 30 до 100% (в зависимости от времени года и эксплуатационных условий) на отопление помещений.
Устройство вакуумных солнечных коллекторов
По принципу действия и конструкции вакуумные коллекторы во многом схожи с более простыми плоскими с пластинчатым абсорбером. Главное отличие Главное отличие заключается в том, что все преобразования энергии солнца происходят в специальных стеклянных трубках, из которых полностью удален воздух. Поэтому такие модели и получили название «вакуумных».
Солнечный коллектор включает:
1. раму (обычно алюминиевую);
2. вакуумные трубки с тепловыми трубками;
3. манифольд (теплосборник) на схеме обозначен как алюминиевывй корпус с медным коллектором;
4. соединительные элементы.
Манифольд – это устройство в виде металлического блока, который выступает в качестве теплосборника. К нему подсоединены вакуумные трубки, которые передают тепловую энергию через конденсатор, располагающийся в самом верху трубки. Манифольд и тепловые трубки закреплены на общей металлической раме.
Особенности конструкции и классификация
Классифицируют вакуумные коллекторы либо по типу стеклянных трубок, либо по типам тепловых каналов. Трубки бывают коаксиальными или перьевыми, а тепловые каналы – прямоточными или типа «Heat pipe».
Коаксиальные трубки
По сути, они представляют собой простой термос, состоящий из двойной стеклянной колбы. Между стенками колбы создан вакуум, а внутренняя трубка покрыта специальным теплопоглощающим составом. Таким образом, передача тепла осуществляется непосредственно от стеклянной колбы.
Стекло, как правило, изготовлено на основе боросиликатов, чтобы пропускать как можно больше солнечного излучения. Для поглощения тепла в трубку впаивается медная трубка, которая содержит эфирную жидкость. Нагреваясь, жидкость испаряется, отдает свое тепло, конденсируется и стекает вниз трубки. Затем цикл повторяется.
Перьевые трубки
Эти вакуумные трубки представляют собой одностенные колбы, причем толщина стенок у них несколько больше, чем у коаксиальных моделей. Абсорбционная трубка из меди в этом случае по всей длине усилена гофрированной пластиной с высокопоглощающим покрытием. Таким образом получается, что вакуум находится непосредственно в тепловом канале, при этом часть канала и абсорбера интегрирована в колбу.
Тепловые каналы «Heat pipe»
Также эти каналы часто называют «тепловыми трубами». Принцип их действия основан на том, что находящаяся в закрытых трубках легкоиспаряющаяся жидкость нагревается под воздействием солнечных лучей, поднимается в верхнюю часть канала и конденсируется там в специальном теплосборнике. При этом жидкость отдает все накопленное тепло. Далее она стекает вниз трубки и процесс возобновляется. Теплоноситель коллектора отбирает выделенную энергию из теплосборника и передает ее далее в систему. Металлические трубки чаще всего изготавливаются из меди, но иногда применяется и алюминий.
Схема работы тепловой трубки
Прямоточные каналы
В этом случае внутри стеклянной колбы расположены две соединенные между собой металлические трубки. По одной трубке теплоноситель поступает в колбу, прогревается и вытекает по другой.
Особенности модификаций
Стоит заметить, что и стеклянные трубки и тепловые каналы вполне могут комбинироваться в различных сочетаниях. Рассмотрим каждое из них.
1. Вакуумная коаксиальная трубка + тепловой канал типа «Heat pipe».
Данный солнечный вакуумный коллектор является наиболее распространенным ввиду своей дешевизны и простоты замены поврежденных трубок.
1-внешняя стеклянная колба,
2-высокоселективное поглощающее покрытие,
3-алюминиевое оребрение,
4-вакуумная прослойка,
5-тепловой канал с легкоиспаряющейся жидкостью,
6-внутренняя стеклянная колба.
Эти коллекторы имеют довольно сложный процесс передачи тепла. Тепло передается несколько раз, от стекла к алюминиевому оребрению затем от алюминия к самой тепловой трубке и только потом передается теплоносителю гелиосистемы. Поэтому в сочетании с круглой формой абсорбирующей поверхности эффективность солнечного коллектора этого типа невысока. Показатели максимального КПД (оптического КПД «η₀«) коллектора до 65%.
2. Вакуумная коаксиальная трубка + прямоточный тепловой канал (коллектор с «U»-образной трубкой)
1-внешняя стеклянная колба,
2-высокоселективное поглощающее покрытие,
3-алюминиевая вставка,
4-тепловой канал с теплоносителем,
5-вакуумная прослойка,
6-внутренняя стеклянная колба.
В данных типах коллекторов, за счет уменьшения количества теплопередач (теплота от алюминиевого слоя передается сразу трубкам, в которых циркулирует теплоноситель гелиосистемы), максимальный КПД может составлять для некоторых моделей до 76%. Недостатком может являться то, что при определенном характере повреждения замены может потребовать весь солнечный коллектор, а не только колба.
3. Вакуумная перьевая трубка + тепловой канал типа «Heat pipe».
1-стеклянная колба,
2-вакуумная прослойка,
3-медный абсорбер с высокоселективным покрытием,
4-тепловой канал с легкоиспаряющейся жидкостью.
Данные солнечные вакуумные трубчатые коллекторы имеют более высокие оптические характеристики, чем коллекторы с коаксиальной трубкой. У некоторых производителей значение максимального КПД достигают 77%. Этому способствуют некоторые конструктивные особенности: плоский абсорбер с непосредственной передачей теплоты к тепловой трубке, а так же один слой стекла, что значительно уменьшает отражение солнечного излучения. Так же удобным является процесс замены поврежденных трубок, не требующий замены всего коллектора и сливания теплоносителя всей гелиосистемы.
4. Вакуумная перьевая трубка + прямоточный тепловой канал (коллектор с «U»-образной трубкой)
1-стеклянная колба,
2-вакуумная прослойка,
3-медный абсорбер с высокоселективным покрытием,
4- внутренний тепловой канал с теплоносителем (подающий),
5-наружный тепловой канал с теплоносителем (нагреваемый).
Схема циркуляции теплоносителя в вакуумном коллекторе с перьевой трубкой и прямоточным тепловым каналом
Такой солнечный вакуумный коллектор имеет максимальный КПД до 80%. При замене поврежденных трубок требуется сливать теплоноситель всей гелиосистемы. Так же эти коллекторы обладают довольно высокой ценой.
Преимущества вакуумных солнечных коллекторов
- практически полное отсутствие теплопотерь, поскольку вакуум является одним из лучших изоляторов.
- способность эффективно работать при температуре до -35°С;
- способность генерировать температуры до 300°С;
- практически полное поглощение тепловой энергии (включая невидимый спектр);
- малая парусность;
- способность работать в пасмурную погоду;
- надежность, так как при выходе из строя одной трубки коллектор все равно продолжит работу;
- ремонтопригодность, поскольку вышедший из строя узел можно легко заменить.