Вакуумный солнечный коллектор: принцип работы + как собрать самому

Виды солнечных коллекторов

Сегодня на рынке продукции возобновляемой энергетики конкурирует множество производителей как известных во всем мире брендов, так и кустарных производств, преимущественно расположенных на территории Китая. Здесь нет ничего удивительного, ведь сделать солнечный коллектор для нагрева воды возможно собственноручно – главное, обладать знаниями о принципе работы такого устройства, произвести расчет необходимой мощности на выходе, правильно подобрать контроллеры к ним. Как сделать солнечный коллектор, можно разобраться, почерпнув информацию из огромного ее объема, имеющегося в глобальной сети. В зависимости от окружающих природных условий и нужд (зимой или летом, дом или дача). Осуществив расчет обогреваемой площади, можно применять вакуумный солнечный коллектор, который работает по принципу воздушной камеры. Если вы имеете в собственности большой загородный дом, у вас есть баня и бассейн, то в последнем вы можете разогреть воду, используя солнечный коллектор для бассейна.

Вакуумный солнечный коллектор можно использовать для разогрева воды в бассейне

Конструкция этого представителя возобновляемой энергетики довольно проста, можно сделать солнечный коллектор из пивных банок, солнечный коллектор из поликарбоната. Сделать работающий солнечный коллектор своими руками довольно реальная задача для каждого, кто поставил такую цель для себя и сделал расчет на экономию.

Как определиться в выборе между вакуумным и плоским солнечным коллектором

Конечно, сделать самодельный солнечный коллектор или солнечный коллектор из пивных банок, подобрать контроллеры и трубки к ним – довольно интересная задача. Но в этой публикации будут рассмотрены несколько другие варианты решения проблемы. Мы поможем провести расчет и определить, какой вид солнечного коллектора необходим именно в вашем случае, как правильно подобрать контроллеры и трубки. Принимая решение об установке и эксплуатации солнечного коллектора, стоит для себя выяснить основополагающие принципы действия этого устройства. Прибегнув к его помощи, обладатель сможет повысить температуру воды, обогреть здание или свой дачный дом.

Предварительно потратившись финансово, вы в итоге получите энергетическое устройство, которое будет вырабатывать через вакуумные трубки в пассивном режиме экологически чистое тепло. Вы перестанете тратиться на покупку электричества из центральной электрической сети для целей отопления. Внесете свой вклад в общее уменьшение использования ископаемого топлива. Сохраните земные ресурсы, такие как природный газ, нефть, уголь, леса. В результате установки оборудования возобновляемой энергетики, человек вносит свой вклад в поддержание экологического баланса на планете.

Плоские солнечныйе коллекторы на крыше здания

Сравним между собой вакуумные и плоские устройства для нагрева воды

Имея некоторый объем информации в этой области энергетики, вы лучше проведете расчет положительных и отрицательных показателей этих разновидностей коллекторов. Такими знаниями сегодня можно вооружиться, используя наличие большого объема литературы, обратившись за помощью поисковика в интернете. Мы предлагаем сравнить технические характеристики коллекторов.

Схема подключения солнечного коллектора в теплое время года.

Простейшая схема подключения коллектора включает в себя следующие компоненты:

–                   непосредственно коллектор;

–                   контур теплообмена;

–                   тепловой аккумулятор (бак, в котором находится нагретая вода).

Плоский солнечный коллектор имеет наиболее простую конструкцию и отлично подходит для использования в жарком климате с большим количеством солнечных дней и соответствующим уровнем инсоляции. Он состоит из слоя абсорбера, покрытого стеклом, который преобразовывает и передает уже тепловую энергию теплоносителю (последний циркулирует в трубках – тепловом контуре).

В регионах с холодным климатом более эффективно использование вакуумного коллектора, особенностью конструкции которого является использование для нагрева вакуумных трубок. Стеклянные трубки, благодаря своей цилиндрической форме, способны улавливать солнечные лучи более длительный промежуток времени (лучше использовать солнечный день), а используемое в их конструкции селективное покрытие улавливает даже рассеянное солнечное излучение. Благодаря этому они имеют большую эффективность в работе при установке в большинстве регионов нашей огромной страны.

В летнее время года, когда значения солнечной инсоляции достигают своего пика, работа солнечного коллектора дает ощутимый результат вне зависимости от того, какой солнечный коллектор используется – плоский или вакуумный.

В это время года в качестве теплоносителя можно смело использовать воду (это также относится к регионам с «мягкой» зимой), которая нагревается полученной от абсорбера энергией и подымается по трубам вверх, поступая в бак-аккумулятор. Бак подключен к кранам вывода воды, поэтому при открытии вентиля горячая вода из бака выходит и замещается холодной. Вода более низкой температуры скапливается в нижней части бака и выходит в контур системы через соответствующую трубу. Она вновь нагревается от полученной энергии и поступает в бак. В самом накопителе труба забора, через которую происходит подача горячей воды для пользования, должна быть расположена у верхней части бака (из-за меньшей плотности теплая вода подымается вверх).

Такой водный бак-аккумулятор можно располагать как на улице, так и в помещении. Наиболее распространенный и простой вариант в первом случае – водяной душ. Окрашенный в черную краску бак самостоятельно притягивает тепло и еще больше нагревает воду. Чтобы избежать теплопотерь в ночное время, бак необходимо теплоизолировать.

Такая простейшая схема подключения солнечного коллектора обеспечивает лишь естественную (и не всегда достаточную) циркуляцию теплоносителя. Увеличить продуктивность работы системы можно с помощью циркуляционного насоса.

Типы вакуумных солнечных коллекторов

Самые популярные и востребованные типы делятся по виду конструкции коллектора.

Они бывают:

  1. Вакуумная колба с тепловой трубкой. Они сложны в эксплуатации и изготовлении, т.к. в данном виде конструкции теплоизоляция вакуумного типа обеспечивается по всей колбе. Данные устройства обеспечивают наибольший КПД. Абсорбером тут является пластина, которая покрыта селективным всепоглощающим покрытием. Тепловая трубка надежно крепится к пластине и подает энергию в конденсатор (верхняя часть трубки). В свою очередь конденсатор подключается к теплообменнику коллектора. Тут и происходит нагрев теплоносителя.
  2. «Колоба в колбе» с трубкой тепловой. Эта конструкция немного проще предыдущей и отличается меньшей производительностью при пониженных температурах. Абсорбирующая поверхность расположена на внутренней трубке. На тепловую трубку, изготовленную из меди, тепло передается через металлические ребра. Тепловая трубка – это наиболее эффективное устройств, предназначенное для передачи тепла.
  3. «Колба в колбе». Этот вид устройства вакуумного коллектора дает возможность достигать наивысшей степени теплоизоляции покрытия (поглощающего), не мешая при этом проникновению солнечных лучей. Как и в предыдущем типе, покрытие для поглощения энергии расположено на внутренней колбе. Теплоноситель, который контактирует с поглощающей поверхностью, может нагреваться без промежуточных преобразований.

Различные типы тепловых каналов могут сочетаться с различными типами вакуумных колб.

Рассмотрим более подробно возможные конфигурации вакуумных солнечных коллекторов. Вакуумная коаксиальная трубка может сочетаться с тепловым каналом типа «Heat pipe». Данный солнечный коллектор является наиболее распространенным ввиду своей дешевизны и простоты замены поврежденных трубок.

Вакуумная коаксиальная трубка в сочетании с тепловым каналом “Heat pipe”

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 имеет 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%.

Коаксиальная вакуумная трубка так же может быть использована для коллектора с прямоточным тепловым каналом. Данный тип солнечного вакуумного коллектора получил название коллектор с «U»-образной трубкой.

Вакуумная коаксиальная трубка с прямоточным тепловым каналом 

1-внешняя стеклянная колба, 2-высокоселективное поглощающее покрытие, 3-алюминиевая вставка, 4-тепловой канал с теплоносителем, 5-вакуумная прослойка, 6-внутренняя стеклянная колба.

Данный вакуумный солнечный коллектор, за счет уменьшения количества теплопередач (теплота от алюминиевого слоя передается сразу трубкам, в которых циркулирует теплоноситель гелиосистемы), имеет максимальный КПД до 76%. Недостатком может являться то, что при определенном характере повреждения замены может потребовать весь солнечный коллектор, а не только колба.

Перьевая трубка так же может сочетаться с тепловым каналом «Heat pipe».

Перьевая трубка с тепловым каналом 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 достигает 77%. Этому способствуют некоторые конструктивные особенности: плоский абсорбер с непосредственной передачей теплоты к тепловой трубке, а также 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.

Наиболее эффективным сочетанием является перьевая трубка и прямоточный тепловой канал.

Перьевая трубка с прямоточным тепловым каналом

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 вакуумный солнечный коллектор имеет максимальный КПД до 80%. При замене поврежденных трубок требуется сливать теплоноситель всей гелиосистемы. Так же эти коллекторы обладают довольно высокой ценой.

Виды вакуумных трубок

Различают пять видов вакуумных трубок для солнечных коллекторов. Они отличаются внутренним строением и конструкцией. Кроме того, каждый из них может быть дополнен металлическим (чаще алюминиевым) абсорбером, который помещается внутрь стеклянной колбы в виде трубки.

Важно!
Большинство производителей заполняют нижний промежуток между стеклянными стенками барием – он поглощает примеси газов и улучшает термоизоляционные свойства. Его отсутствие может снизить эффективность работы коллектора до 15%.

Термосифонные (открытые) вакуумные трубки

Такой вид трубок солнечного коллектора используется в коллекторах с наружным баком-накопителем. они заполнены водой и образуют с резервуаром один объем. Нагретая вода из колбы поднимается в бак, а охлажденная опускается вниз.

Термосифонные вакуумные коллекторы используются в следующих случаях:

  1. Для подключения к системе горячего водоснабжения;
  2. В регионах с высоким уровнем инсоляции в холодное время года;
  3. Для сезонного использования (весна, лето, осень).

Коаксиальная трубка (Heat Pipe)

Это наиболее распространенный вариант вакуумных трубок. В ней внутри стеклянной колбы находится медная труба, наполненная жидкостью с низкой температурой кипения или водой под низким давлением.

При нагреве жидкость или вода начинают закипать, пар поднимается вверх, попутно нагреваясь от медных стенок. В верхней части он попадает в теплообменник – расширение на конце, в котором отдает тепло через стенки воде, которая циркулирует вокруг него.

После охлаждения пар конденсируется на стенках теплообменника и стекает вниз. Цикл повторяется заново.


Схематическое внутреннее строение коаксиальной трубки и теплообменника.

Спаренные коаксиальные трубки

Принцип работы такого теплоприемника как у предыдущего, за одним исключением – к одному теплообменнику присоединены две медных трубки с жидкостью. Спаренная система позволяет более эффективно отбирать тепло, а большая емкость и площадь стенок теплообменника – быстро нагревать воду.

Вакуумные коллектор с спаренной коаксиальной системой устанавливают там, где необходимо:

  1. Обеспечить небольшой подогрев больших объемов воды;
  2. Есть потребность в тепловой энергии на протяжении солнечного дня;
  3. Высокий средний уровень инсоляции;
  4. Происходит быстрая прокачка воды через систему.

Перьевые вакуумные трубки

В их конструкции есть дополнительный теплообменник, который позволяет более эффективно отбирать тепло из внутренней части стеклянной колбы. Обычно он выполнен в виде двух продольных пластин, находящихся по бокам медного теплоприемника.

В остальном принцип работы точно такой, как у коаксиальной трубки.

U-образные вакуумные трубки (U-type)

Эта система кардинально отличается от предыдущих. В ней используется две магистрали – для холодной и нагретой воды.

В стеклянной колбе установлен теплообменник в виде английской буквы U, по которому проходит вода. Из магистрали с холодной водой она поступает в него, нагревается и возвращается в трубу с нагретой водой.

Коллектор с вакуумными трубками U-образного типа наиболее эффективен, но его монтаж сопряжен с трудностями. Проточные магистрали при сборке крепятся с помощью сварки с медными трубками, находящимися внутри стеклянной колбы. Получается единая цельная система с большой энергоэффективность, но низкой ремонтопригодностью.

Установка колбы на U-образную медную трубку.

Дополнительные расходы, связанные с эксплуатацией

Использование этого не подразумевает какого либо ухода или обслуживания, кроме как периодической чистки от загрязнения и снега зимой (если сам не оттает). Однако будут и некоторые попутные расходы:

Ремонт, все что можно поменять по гарантии, производитель без проблем заменить, важно покупать официального дилера и иметь гарантийные документы.
Электричество, его расходуется совсем немного на насос и контроллер. Для первого можно поставить всего 1 солнечную панель на 300 Вт и ее вполне будет достаточно (подойдет даже без аккумуляторная система).
Промывка змеевиков, ее нужно будет делать один раз в 5-7 несколько лет

Все зависит от качества воды (если она используется как теплоноситель).

Рабочие температуры

Коллекторы делятся на виды по температуре рабочей среды:

  • низкотемпературные — в них теплоноситель прогревается до 50 градусов. Их используют при подогреве емкостей с водой для полива, устройстве летних ванн и душевых, создании комфорта прохладной весной или осенью и других задачах, не требующих высоких температур;
  • среднетемпературные, разогревающиеся до 80 градусов. С этой отметки гелиоколлектор можно использовать для отопления помещений (в том числе зимой), и подобные варианты распространены в проектах частных домов;
  • высокотемпературные, где носитель нагревается вплоть до 300 градусов. Такие системы применяют в коммерческих зданиях, цехах и других подобных местах. Высокотемпературные комплексы нуждаются в сложном механизме аккумулирования и передачи тепла и занимают много места, из-за чего мало пригодны для частно-бытовых задач. Кроме того, они трудоемки в изготовлении и монтаже, требуют особого инструмента и соответствующих навыков.

Создание солнечного коллектора вакуумного типа своими руками

Создание подобной конструкции в домашних условиях процесс довольно сложный и требует высокой степени подготовки. Главная трудность сооружения такого агрегата заключается в создании внешнего блока.

Вакуумирование колбы и теплоприемник сделать без сложного оборудования невозможно, поэтому их проще купить в заводском исполнении

Качественные вакуумирование колбы, содержащей внутри еще и теплоприемник, требует не только мастерства, но и наличия сложного оборудования. Выполнить такую операцию в кустарных условиях невозможно, поэтому в приведенной инструкции будет описан способ с использованием колб заводского выпуска. Но и здесь есть свои сложности. Работы по их монтажу требуют высшей степени аккуратности.

Саму технологию сборки можно разбить на несколько этапов:

  • Прежде всего, нужно соорудить раму, на которую будут крепиться внешние конструктивные элементы. Производить сборку лучше всего непосредственно по месту запланированной установки конструкции. Как правило, их размещают на крыше.
  • После сборки рамы необходимо ее надежно закрепить. Особенности используемого способа крепления будут зависеть от характеристик самой кровельной конструкции. Важным этапом, общим для всех видов крыш, является герметизация отверстий, проделанных для закрепления каркаса.
  • На следующем этапе необходимо установить накопительный бак, который будет выполнять задачу по аккумуляции тепла. Для этой цели нужен объемный резервуар и его установка потребует применения спецтехники, либо привлечения дополнительной рабочей силы. Также на этом этапе устанавливается насосная станция.
  • Далее необходимо провести монтаж вспомогательных узлов и агрегатов, таких как ТЭН, датчик контроля температуры и воздуховод.
  • Теперь необходимо провести закладку труб, по которым будет циркулировать теплоноситель. Трубы должны быть выполнены из материала устойчивого как к высоким, так и к низким температурам. Оптимальным вариантом будет использование полипропиленовых каналов.
  • После монтажа трубопровода необходимо провести его проверку на герметичность в комплексе с накопительным баком. В случае обнаружения течей, перед продолжением работ их стоит устранить и провести повторную проверку.
  • Далее производится установка трубок теплоприемника. Так как используются заводские изделия, необходимо внимательно ознакомиться с прилагаемой к ним инструкцией по монтажу. На данном этапе нужно попытаться просчитать все возможные нюансы, ведь допущение ошибки приведет к большим экономическим затратам. Эти изделия довольно-таки дороги.
  • На следующем этапе производится установка монтажного блока и подключение его к электросети. Затем к нему подключаются вспомогательные узлы и агрегаты, установленные ранее. Далее к монтажному блоку подключается блок-контроллер, необходимый для мониторинга за состоянием всей системы.
  • Завершающим этапом установки солнечного коллектора вакуумного типа станет проведение пусконаладочных работ. С их помощью выявляются и устраняются все допущенные при монтаже огрехи.

Завершение установки коллектора не означает, что о нем нужно раз и навсегда забыть. Для долгой и эффективной службы агрегата необходимо регулярно проводить его проверку и обслуживание.

Как работает солнечный коллектор?

Принцип действия коллектора основан на поглощении (абсорбции) тепловой энергии солнца специальным приемным устройством и передачей его с минимальными потерями теплоносителю. В качестве приемника используются медные или стеклянные трубки, окрашенные в черный цвет.

Ведь известно, что лучше всего абсорбируют тепло предметы, имеющие темную или черную окраску. Теплоносителем чаще всего выступает вода, иногда – воздух. По конструкции солнечные коллекторы для отопления дома и горячего водоснабжения бывают таких видов:

  • воздушные;
  • водяные плоские;
  • водяные вакуумные.

Среди прочих воздушный солнечный коллектор отличается простотой конструкции и, соответственно, самой низкой ценой. Он представляет собой панель – приемник солнечной радиации из металла, заключенный в герметичный корпус. Стальной лист для лучшей теплоотдачи снабжен с задней стороны ребрами и уложен на дно с тепловой изоляцией. Спереди установлено прозрачное стекло, а по бокам корпуса имеются проемы с фланцами для подключения воздуховодов или других панелей, как показано на схеме:

Надо сказать, что установка солнечных коллекторов с нагревом воздуха имеет свои особенности. Из-за их невысокой эффективности для обогрева помещений нужно применять несколько подобных панелей, объединенных в батарею. Кроме того, обязательно понадобится вентилятор, поскольку нагретый воздух из коллекторов, находящихся на кровле, самостоятельно вниз не пойдет. Принципиальная схема воздушной системы показана ниже на рисунке:

Устройство и принцип работы воздушного солнечного коллектора

Солнечный воздушный коллектор состоит из нескольких основных частей:

Схема работы воздушного солнечного коллектора

  • Вся конструкция коллектора помещена в прочный и герметичный корпус, который обязательно снабжен тепловым изолятором. Тепло, попавшее внутрь коллектора не должно «утекать» наружу.
  • Главная деталь любого коллектора – это солнцеприемная панель, которую еще называют поглотителем или абсорбером. Задача этой панели принять солнечную энергию, а затем передать ее воздуху, поэтому она должна быть изготовлена из материала с наибольшей теплопроводностью. Такими свойствами из доступных в быту являются медь и алюминий, реже сталь. Для лучшей теплоотдачи нижнюю часть абсорбера делают как можно большей площади, поэтому могут применяться ребра, волнистая поверхность, перфорация и другие способы. Для лучшего поглощения солнечной энергии приемная часть абсорбера окрашивается в темный матовый цвет.
  • Верхняя часть коллектора герметично закрывается прозрачной изоляцией в качестве которой может применяться закаленное стекло или оргстекло, или поликарбонатное стекло.

Солнечный коллектор ориентируют на юг и придают поверхности такой наклон, чтобы максимальное количество солнечной энергии попадало на поверхность. Как говорят специалисты – для максимальной инсоляции. Холодный наружный воздух естественно или принудительно попадает в приемную часть, проходит через ребра абсорбера и выходит с другой части, снабженную фланцем для стыковки с воздуховодом, ведущим внутрь отапливаемого помещения. Стоит отметить, что вариантов конструкций солнечных коллекторов существует масса и вышеописанная  показана только для примера.

Воздушное отопление при помощи солнечных коллекторов не может в нашей климатической зоне полностью заменить основное отопление, но оно будет очень хорошим подспорьем даже в морозные зимние солнечные дни.

Виды солнечных коллекторов

Планируя солнечный коллектор своими руками и установить в доме, необходимо определиться с типом конструкции:

  • Воздушный
  • Вакуумный

  • Плоский

Модели, у которых теплоносителем является воздух, используются крайне редко. Это связано со свойствами жидкости — тепло она проводит значительно лучше, чем газ. Воздушные коллекторы чаще делают плоской формы, чтобы воздух, контактируя с поглощающим устройством, естественным образом нагревался.

схема воздушного солнечного коллектора

Вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумные модели самые сложные. Вместо коробки, которая покрывается стеклом, у него используются большие по габаритам трубки из стекла. Внутри них имеются трубочки с меньшим диаметром, в которых находится абсорбер, собирающий тепловую энергию. Между трубками – вакуум, он выполняет роль теплоизолятора.

схема вакумного солнечного коллектора

Плоские солнечные коллекторы

Самым распространенным является плоский солнечный коллектор, внутри которого располагается специальный абсорбирующий слой, помещенный в стеклянную коробку. Он соединяется с трубками, по которым перемещается жидкий теплоноситель (чаще пропилен-гликоль).

схема плоского солнечного коллектора

Но решаясь смастерить солнечный коллектор своими руками, необходимо понимать, что сделать столь сложные устройства невозможно, аналогичные промышленным. К тому же, их КПД будет значительно ниже, меньше эксплуатационный срок, но и материальные вложения тоже.

Хотите узнать больше про альтернативное отопление дома ?

Читайте так же, о том как сделать отопление дома на солнечных батареях

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий