Вакуумный солнечный коллектор: принцип работы + как собрать самому

Значительные расходы идут на горячее водоснабжение и отопление жилых помещений. Однако есть альтернатива – вакуумный солнечный коллектор. Вы уже слышали об этом устройстве? Оно помогает значительно снизить расходы, обеспечивая идеальное тепло с минимальными потерями.

Такой коллектор можно купить у производителей или собрать самостоятельно в домашних условиях. Для выбора подходящей модели потребуется ознакомиться с множеством данных. Мы готовы помочь вам определиться с ключевыми характеристиками при покупке.

В данном материале мы обсудим работу и конструкцию вакуумного коллектора. Вас ждут детали о разных вариантах моделей, их плюсы и минусы. Также предоставим информацию о том, как самостоятельно изготовить и установить вакуумный солнечный коллектор.

Текст дополнен видеороликами, которые освещают важные аспекты и принципы работы вакуумных коллекторов.

Принцип работы вакуумного агрегата

Вакуумный солнечный коллектор отличается от традиционных гелиосистем своим методом преобразования солнечной энергии. Обычная солнечная батарея просто принимает солнечный свет и превращает его в электричество. В своем устройстве коллектор включает стеклянные трубки, внутри которых создан вакуум. Все трубки соединены через специальные стыковочные элементы в одном контуре.

Внутри каждой трубки находится канал с одним или двумя медными стержнями, по которым циркулирует теплоноситель. Получая солнечные лучи, активный элемент нагревает теплоноситель, что обеспечивает работу коллектора.

Вакуумные коллекторы заметно эффективнее традиционных гелиосистем, так как в них вода просто нагревается под действием ультрафиолетового излучения.

Эти устройства способны эффективно нагревать как воду, так и воздух, обеспечивая горячую воду для санитарных нужд.

Нагретый солнцем воздух или вода по трубопроводам попадают в дом, где сразу же направляются в отопительную систему или в накопитель.

Уникальная конструкция вакуумных трубок способствует ускорению нагрева и минимизирует потери тепла во время транспортировки.

Создание вакуумного солнечного коллектора начинается с установки каркаса, который обычно монтируется на крыше, но также может устанавливаться на открытых, хорошо освещенных площадках.

Вакуумные трубки устанавливаются в коллекторную магистраль, подключенную к трубопроводу, а их нижние части фиксируются хомутами к опорам.

Аналогично водяным и воздушным системам отопления, вакуумные коллекторы можно оснастить термометрами, которые помогут автоматизировать процесс подготовки воды в зависимости от погодных условий.

Постепенно подаваемый в дом теплоноситель, нагревшись, передает тепло воде, которая сможет некоторое время храниться в теплоизолированной емкости.

За счет такой конструкции эффективность системы возрастает, а теплопотери минимизируются, так как вакуумная прослойка может удерживать до 95% пойманной солнечной энергии.

Вакуумный солнечный коллектор, установленный на крыше частного дома, будет обеспечивать жильцов горячей водой круглый год, а зимой служит источником тепла без значительных затрат.

Кроме того, створки менее зависят от сезонных изменений, температуры воздуха и различных погодных условий, таких как порывистый ветер, облачность и дожди.

Как устроен коллектор вакуумного типа?

Современные вакуумные устройства для отопления и горячего водоснабжения, использующие солнечную энергию, разнообразны по своей конструкции.

Существует несколько типов коллекторов:

• трубчатые без защитного стеклянного покрытия;
• модели с упрощенной конверсией;
• стандартные плоские варианты;
• приборы с прозрачной теплоизоляцией;
• воздушные устройства;
• плоские вакуумные коллекторы.

Вакуумные солнечные коллекторы обеспечивают горячее водоснабжение и эффективное отопление в любое время года, независимо от погоды (+)

Все они имеют сходные конструктивные элементы, состоящие из:

• внешней прозрачной трубки, из которой полностью удален воздух;
• нагреваемого патрубка, находящегося внутри большой трубы, по которой проходит жидкий или газообразный теплоноситель;
• одного или двух распределителей, к которым подключены трубы большего размера и входит циркуляционный контур тонких внутренних трубок.

По сути, вся структура напоминает термос с прозрачными стенками, который характеризуется исключительным уровнем теплоизоляции. Благодаря этому внутренний патрубок способен эффективнее нагреваться и обеспечивать теплом циркулирующий внутри теплоноситель.

Конструкционные нюансы и классификация

Классификация вакуумных коллекторов зависит от типа стеклянных трубок и характеристик тепловых каналов. Трубки могут быть коаксиальными и перьевыми, а тепловые каналы – U-образными и типа heat pipe.

Параметры коаксиальных трубок

Коаксиальные трубки представляют собой двойную стеклянную колбу-термос с искусственно созданным вакуумом между стенками. Внутренняя поверхность трубки покрыта специальным теплоаккумулирующим слоем, благодаря чему теплопередача происходит непосредственно от стенок стеклянной колбы.

Коаксиальные трубки изготавливают из закаленного стекла на основе боросиликатов, которое обладает высокой прозрачностью. В зависимости от производителя, эти элементы могут иметь до трех слоев магнетронного напыления, что обеспечивает отличную прочность и стойкость к разным неблагоприятным условиям (дождь, град и т. д.), выдерживают давление до 1 Mpa и служат около 15 лет.

В качестве поглощающего элемента металлическая трубка с содержимым впаюется внутрь, и в процессе нагрева состав испаряется, эффективно передает тепло, конденсируется и стекает вниз, что и создает непрерывный процесс теплообмена.

Характеристики перьевых трубок

Перьевые вакуумные трубки имеют более толстые стенки, чем коаксиальные, и состоят из одной колбы. Внутренний абсорбер из меди снабжается вдоль всей длины прочным гофрированным усилителем с высокоэффективным теплоаккумулирующим покрытием.

Эта конструкционная особенность позволяет помещать вакуум прямо в тепловом канале, часть которого вместе с абсорбером интегрирована в колбу.

Внутри перьевой вакуумной трубки располагается пластина, формой напоминающая перо. По уровню эффективности она превосходит коаксиальный аналог, но стоит гораздо дороже и сложнее заменить в случае повреждения колбы или выхода из строя греющего элемента.

Коллекторы, оснащенные перьевыми вакуумными трубками, являются наиболее эффективными в своем сегменте и надежно выполняют заявленные функции на протяжении долгого времени.

Работа теплового канала типа heat pipe

Тепловые каналы типа heat pipe представляют собой закрытые трубки, внутри которых находится легко испаряющийся состав. При действии солнечных лучей этот состав нагревается, поднимается вверх и собирается в специальном резервуаре (manifold).

Рабочая жидкость в этот момент отдает накопленное тепло и спускается вниз для продолжения цикла.

Гильза теплообменника heat pipe соединяется с теплообменником manifold’а посредством специального гнезда, вмонтированным в однотрубный теплообменник, либо обводится с помощью двухтрубного.

Рабочий элемент теплового канала heat pipe изготавливается из меди, а в редких случаях из алюминия. Он проявляет высокую устойчивость к нагрузкам, надежно служит на протяжении 15 лет, имеет доступную стоимость и является одним из наиболее популярных компонентов современных вакуумных гелиосистем трубчатого типа.

Выделенная энергия из теплоаккумулятора отбирается теплоносителем и передается по системе, обеспечивая горячую воду в кранах и радиаторах. Система heat pipe легко монтируется и демонстрирует высокую эффективность в эксплуатации.

Коллекторы с вакуумными трубками heat pipe характеризуются надежностью и могут использоваться как в быту, так и в высоконапорных гелиотермальных системах.

В случае поломки или неисправности ремонт становится простой задачей, так как можно заменить только поврежденный элемент без необходимости переделывать всю систему.

Ремонтные работы удобно проводить прямо на месте, без демонтажа агрегата и без лишних усилий.

Обзор U-образного прямоточного теплообменника

Трубка прямоточного теплообменника имеет форму буквы U. Внутри нее циркулирует вода или рабочий теплоноситель отопительной системы. Одна часть элемента отвечает за подачу холодного теплоносителя, а другая — за удаление уже нагретого.

В процессе нагревания активный состав расширяется и поступает в накопительный бак, обеспечивая тем самым естественный поток жидкости в системе. Специальное селективное покрытие, которое наносится на внутренние стенки, значительно повышает способность к теплопоглощению и общую эффективность системы.

В отличие от трубок типа heat-pipe, U-образные модели имеют более высокое гидравлическое сопротивление, требуют более строгих условий для теплоносителя и стоят на порядок дороже. Коллекторы на основе прямоточными U-трубками не могут функционировать при высоком давлении и обеспечивают качественную теплоотдачу только в теплый период года.

U-образные трубки обладают достойной производительностью и способны выдавать значительную теплоту, однако имеют один главный недостаток: они составляют единое целое с manifold’ом и подлежат совместному монтажу.

Замена одной испорченной трубки окажется невозможной. Для проведения ремонта потребуется демонтировать весь комплекс и установить новый.

Сравнение различных модификаций

При производстве гелиоагрегатов тепловые каналы и вакуумные стеклянные трубки для солнечных коллекторов комбинируются в различных сочетаниях.

Наибольшей популярностью среди потребителей пользуются коаксиальные модели с тепловым каналом типа heat pipe. Клиентов привлекает доступная цена устройств и простота обслуживания на протяжении всего их пользования.

Вакуумный солнечный коллектор с рабочим каналом heat pipe легко поддается ремонту. Замена поврежденных труб осуществляется на месте, без необходимости демонтажа или переноса системы. Однако в таких моделях теплообмен происходит сложно, что приводит к КПД не более 65% на выходе.

Приборы с каналами heat pipe демонстрируют высокую надежность и могут использоваться без ограничений, даже в условиях повышенного давления в гелиотермальных системах.

Приборы с коаксильной колбой и прямоточными U-каналами также весьма востребованы. Их отличают низкие теплопотери и высокий коэффициент полезного действия, превышающий 70%.

Для правильного функционирования вакуумный коллектор с U-каналом необходимо установить под правильным углом; угол наклона не должен быть менее 20⁰, чтобы обеспечить максимальную производительность.

Некоторые моменты усложняют ситуацию: сложный процесс ремонта, особые требования к обслуживанию и невозможность замены одной детали. Если с устройством возникает неполадка, его демонтируют и заменяют новым коллектором.

Перьевые трубки представляют собой цилиндрические стеклянные конструкции с усиленными стенками (от 2.5 мм в зависимости от производителя и выше). Внутри них располагается вставка из перьевого абсорбента, которая плотно охватывает теплопроводящий металлический канал.

Почти идеальную изоляцию обеспечивает вакуум внутри стеклянной оболочки. Абсорбент переносит поглощенное тепло без потерь, обеспечивая КПД системы до 77%.

При возникновении неисправностей коллекторы с перьевыми трубками можно отремонтировать. Замена всего устройства не требуется; достаточно выявить поврежденный элемент, снять его и установить новый.

Модели с перьевым элементом стоят несколько дороже коаксиальных, но благодаря своей высокой эффективности обеспечивают отличные условия в помещениях и быстро оправдывают вложенные средства.

Наибольшую эффективность и производительность демонстрируют перьевые колбы с внутренними прямоточными каналами. Их фактический КПД иногда доходит до рекордных 80%.

При установке перьевых трубок на раму каждая деталь обрабатывается прочной обжимной гайкой с кольцом и прокладкой, устойчивающей к высоким температурам. Это обеспечивает герметичность конструкции и ее способность нормально функционировать в любых погодных условиях.

Цены на такие изделия довольно высоки, и в процессе ремонта необходимо сливать теплоноситель из системы перед ремонтом.

Каким должен быть теплосборник?

Теплосборник является важным рабочим элементом вакуумного коллектора. Он передает накопленное тепло от трубок к теплоносителю.

Теплосборник расположен в верхней части устройства. Его важнейшим компонентом является медный сердечник, который принимает тепловую энергию и передает ее основному теплоносителю, циркулирующему в замкнутой системе «теплообменник-коллектор».

Работа системы обеспечивается подключенным циркуляционным насосом. Автоматическое устройство следит за температурой в каналах и, когда она падает ниже определённого минимума (например, ночью), отключает насос.

Это предотвращает обратный прогрев, когда теплоноситель начинает забирать тепло от горячей воды, скопившейся в аккумуляторе.

Плюсы и минусы коллекторов вакуумного типа

Основным преимуществом устройств является практически полное отсутствие теплопотерь в процессе эксплуатации. Это добивается благодаря вакуумной среде, которая является одним из лучших природных изоляторов. Но на этом преимущества не заканчиваются.

Галерея изображений

Для солнечных коллекторов вакуумного типа применяются трубки, произведенные на заводах. Эти трубки изготавливаются из материалов, которые могут выдерживать как высокие, так и низкие температуры, град, проливной дождь, и в них полностью откачан воздух.

В трубки коллектора закачивается бариумный поглотитель — вещество, которое предотвращает проникновение азота и других газов в вакуумное пространство.

Для повышения эффективности абсорбера внутреннюю поверхность покрывают черным слоем нитрита алюминия, что позволяет достичь производительности до 95%.

Вакуумная изоляция вместе с конструктивными особенностями трубки предотвращают нагрев внешней стеклянной части до критических температур, при которых стекло могло бы треснуть под воздействием холода.

Вакуумные трубки заводского производства
Использование бариумного поглотителя
Условие для повышения эффективности абсорбера
Прохладная внешняя часть вакуумной трубки

У устройств также есть другие, заметные плюсы:

• эффективное функционирование при низких температурах (до -30°C);
• способность аккумулировать температуру до 300°C;
• максимальное поглощение тепловой энергии, включая невидимый спектр;
• устойчивость в эксплуатации;
• низкая восприимчивость к агрессивным атмосферным условиям;
• небольшая парусность, связанная с конструктивными особенностями трубчатых систем, позволяющих пропускать воздушные массы разной плотности;
• высокий уровень эффективности в регионах с умеренным и холодным климатом, где нет большого количества солнечных дней;
• долговечность при соблюдении основных условий эксплуатации;
• удобство ремонта и возможность замены только отдельного неисправного элемента вместо всей системы.

К недостаткам можно отнести отсутствие самоочищающихся функций у коллекторов от инея, снега и льда, а также высокую стоимость комплектующих деталей, необходимых для создания агрегата в домашних условиях.

Солнечный коллектор представляет собой эффективное устройство, которое практически без потерь преобразует солнечную энергию в теплоту.

Сборка агрегата своими руками

Сборка вакуумного коллектора начинается с создания рамы-подложки для рабочих элементов. Она устанавливается сразу на выбранном месте для размещения агрегата.

Размеры и габариты рамы полностью зависят от модели, которую планируется собрать, и обычно указаны в инструкции, прилагаемой к компонентам.

Закрепляют готовую раму для коллектора на крыше так, чтобы она стояла ровно и не колебалась. Для шиферной крыши используется обрешеточный брус и толстые шурупы, для остальных кровельных материалов применяют анкера.

Места соединения рамы с крышей дополнительно обрабатываются герметиком, чтобы предотвратить попадание влаги внутрь дома через возможные отверстия. Затем к месту монтажа доставляют накопительный бак и крепят его на верхней части рамы шурупами.

На следующем этапе устанавливаются ТЭН, температурный датчик и автоматический воздухоотвод. Остальные элементы и комплектующие монтируются на мягкие прокладки, которые идут в комплекте. Для установки температурного датчика понадобится торцевой ключ.

Затем организуется подводienie водопроводных труб. Для этого используются трубы из материалов, которые устойчивы к низким температурам и способны выдерживать до 95°C. Полипропиленовые трубы и фитинги показали свою надежность.

Полипропиленовые трубы идеально подходят для соединения солнечного коллектора с системой водоснабжения жилого помещения. Они обладают отличными физическими характеристиками и выносливостью, служат долго и легко заменяются при появлении трещин или разрывов.

После подключения водопровода бак заполняется водой и проверяется на герметичность. Если в течение 3-4 часов возникают утечки, их устраняют.

В конце устанавливаются нагревательные элементы. Для этого медная трубка обвивается алюминиевым листом и помещается в стеклянную вакуумную трубку. Снизу на колбе одевается фиксирующая чашка и термостойкий пыльник.

Верхняя медная часть трубки вставляется в латунный конденсатор до упора. Вязкая термоконтактная смазка не удаляется с труб. Фиксирующий механизм на кронштейне защелкивается, и по тому же принципу устанавливаются все остальные стеклянные трубки.

Трубчатые солнечные коллекторы требуют регулярного обслуживания и обязательной чистки, особенно в зимний период, когда выпадает снег. Соблюдая эти несложные рекомендации, можно значительно продлить срок службы оборудования и поддерживать его эффективность на высоком уровне на протяжении всего периода эксплуатации.

Для установки конструкции монтируется блок, к которому подводится электропитание в 220 вольт, и подключаются три дополнительных элемента – ТЭН, воздухоотвод и температурный датчик.

К контроллеру подключается последняя часть системы, позволяющая эффективно управлять всем комплексом. В меню контроллера задаются необходимые параметры работы, после чего система запускается в стандартном режиме.

Подробные шаги по созданию солнечного коллектора описаны в данной статье.

Как правильно разместить прибор?

Чтобы вакуумный коллектор мог эффективно работать и обеспечивать дом необходимой энергией, важно выбрать наиболее подходящее место и правильно ориентировать устройство относительно сторон света.

Вакуумные солнечные коллектора значительно более удобны в использовании по сравнению с плоскими моделями. В случае повреждения одной из рабочих трубок ее легко заменить на новую, что позволит системе продолжить функционировать в прежнем режиме. Если нет возможности сразу установить новый элемент, не катастрофично – система сможет работать с поврежденной трубкой.

Для жителей северного полушария желательно располагать коллектор на южной стороне крыши или в солнечной части участка. Рекомендуется, чтобы плоскость устройства имела минимальное отклонение относительно горизонта.

Если нет возможности направить поверхность на юг, следует выбрать наименее затененное пространство между западом и востоком.

Высокая эффективность работы вакуумного коллектора объясняется также тем, что он действует подобно зеркалу, регулируя свою тепловую мощность в зависимости от высоты солнца.

Различные объекты, такие как дымоходы, декоративные элементы крыши, разросшиеся ветви деревьев и высокие здания, не должны закрывать солнечный комплекс. В противном случае снизится эффективность работы и температура нагрева элементов.

При правильном расположении коллектор будет обеспечивать стабильную теплоотдачу на протяжении всего года, вне зависимости от времени года.

Если вы не обладаете достаточным опытом в проведении сложных ремонтных или монтажных работ, не стоит пытаться вакуумировать трубки самостоятельно. Этот процесс трудоемкий и требует специфических знаний и оборудования.

К тому же, самодельные вакуумные элементы значительно уступают по КПД заводским. Поэтому лучше приобрести готовую продукцию у специализированных производителей, а затем попробовать собрать несколько секций самостоятельно.

На нашем сайте вы можете найти подборку статей, посвященных солнечным системам отопления, рекомендуем ознакомиться с ними:

1. Солнечные системы отопления: изучаем технологии создания отопления на основе гелиосистем
2. Отопление частного дома с использованием солнечных батарей: схемы и устройство
3. Гибкие солнечные батареи: виды, характеристики и особенности подключения

Выводы и полезное видео по теме

Здесь представлено подробное описание вакуумной трубки, принципа ее работы и особенностей функционирования солнечного коллектора в целом. Автор делится интересными нюансами и подчеркивает, что установка может стать актуальной альтернативой газовому котлу.

Предоставлена интересная информация о работе солнечного коллектора в зимний период.

Рассказывается, как правильно установить вакуумный солнечный коллектор самостоятельно в домашних условиях, включая все нюансы процесса, рекомендации и полезные советы.

Понимание основ работы трубчатого вакуумного солнечного коллектора позволяет создать устройство своими руками, которое будет полностью отвечать вашим индивидуальным потребностям.

Это не слишком сложная задача, однако она требует повышенного внимания, тщательности и определенных навыков, иначе может повыситься риск повреждения колбы и нарушения ее герметичности.

Все, кто заинтересован в выборе, установке или самостоятельной сборке солнечного коллектора, могут оставлять комментарии и задавать вопросы. Форма для обратной связи доступна в нижнем блоке.