Оглавление:

Как устроен солнечный коллектор?

Солнечный коллектор – это особое устройство, предназначенное для превращения энергии солнца в тепло. В отличие от солнечных батарей, работающих на принципе фотоэффекта и вырабатывающих ток, коллекторы предназначены для нагрева жидкости-теплоносителя. Поэтому их широко применяют в системах ГВС и отопительных коммуникациях частных домов. Существует две разновидности данных агрегатов, таким образом, устройство солнечного коллектора и особенности работы напрямую зависят от его типа.

Принцип работы же всех коллекторов, по сути, одинаков. Солнечные лучи падают на внешнюю поверхность коллектора, нагревая находящийся в нем теплоноситель. Разогретый теплоноситель по тонким трубкам поступает в накопительный бак, заполненный водой. Причем трубки для теплоносителя проходят через весь объем бака, за счет чего обеспечивается равномерный прогрев жидкости. По мере протекания через бак теплоноситель остывает и подается обратно в коллектор уже в холодном состоянии, где вновь нагревается. Таким образом гарантируется постоянная циркуляция горячего теплоносителя через накопительный бак с водой. Вода из бака может использоваться для купания, мытья посуды и прочих бытовых нужд или же подаваться в отопительные радиторы.

Плоские коллекторы

Основной элемент такого коллектора – плоский абсорбер (теплопоглотитель) со змеевидной трубкой для теплоносителя. Абсорбер имеет вид металлической пластины, верхняя часть которой обязательно выкрашена в черный цвет (для максимально полного поглощения солнечных лучей). К нижней плоскости пластины приварена тонкая металлическая трубка, изогнутая в виде змеевика. Именно по этой трубке и циркулирует теплоноситель (обычно это вода, реже – антифриз). Сварочные швы проходят по всей длине змеевика для обеспечения полного теплового контакта.

Такой абсорбер помещается в корпус, изготовленный из тонких алюминиевых профилей. Верхняя часть корпуса закрывается особо прочным закаленным стеклом с максимальной светопроницаемостью (иногда для этих целей используется сотовый поликарбонат). Обязательное условие – наличие надежной теплоизоляции между абсорбером и стенками корпуса. Это необходимо для предотвращения теплопотерь в окружающую среду.

Вакуумные коллекторы

Отличие вакуумного солнечного коллектора от плоского только одно, но принципиальное. Это отличие – устройство абсорбера. В вакуумных моделях он представляет собой системы вакуумированных трубок из особого стекла. Внутри каждой трубки находится медный стержень с теплопередающей жидкостью.

Причем трубки такого солнечного коллектора различаются по конструктивным особенностям:

  • Коаксиальные. Больше всего они напоминают классические термосы. Стеклянные колбы с двойными стенками (между ними – вакуум), внутри которых запаяна трубка из меди с легко вскипающей жидкостью. Теплопередача идет непосредственно от самой колбы, ее стенки имеют теплопоглощающее покрытие. При нагревании жидкость испаряется, передавая тепло далее в систему. Затем пар в виде конднесата оседает на дно трубки, после чего циклический процесс возобновляется.
  • Перьевые. Это колбы с одной, но толстой и прочной стенкой. Внутри — теплопоглощающая трубка (также из меди), снабженная гофропластиной с абсорбционным слоем. За счет такого устройства вакуум формируется в тепловом канале, причем сам канал (равно как и абсорбер) частично интегрирован в колбу.

Очевидно, что у вакуумного вида солнечного коллектора гораздо более сложное устройство, чем у плоского аналога. Более того, помимо разных типов стеклянных трубок для них используют и разные теплоканалы (трубки из меди, в которых проходит теплоноситель).

Так, теплоканалы вида «heat pipe» («горячая труба») представляют собой герметичные трубки с легко вскипающей жидкостью. При нагревании она испаряется, движется вверх канала и отдает там набранную тепловую энергию, конденсируясь в особом теплосборном узле. Остыв, жидкость стекает в нижнюю часть канала, повторяя цикл. А теплоноситель самого солнечного коллектора забирает отданное тепло, передавая его дальше в систему.

Очень востребованы и прямоточные каналы. Во внутренней части колбы располагаются две объединенные трубки из меди. Одна из них служит для подачи жидкости в колбу, другая – для выхода жидкости. В процессе прохода через колбу жидкость нагревается.

Виды теплоканалов и трубок могут комбинироваться между собой в различных вариациях. Причем каждое такое сочетание трубки/канала обладает своими эксплуатационными особенностями, достоинствами и недостатками.

Видео про солнечные коллекторы:

Воздушные коллекторы

Воздушные варианты солнечного коллектора известны гораздо меньше, чем вакуумные или плоские модели. Тем не менее, они достаточно неплохо зарекомендовали себя в осушительных установках, в комплексах воздушного отопления и в системах рекуперации воздуха. Схема работы и устройство такого коллектора очень просты.

Теплоносителем, как ясно из названия, является не жидкость, а обычный воздух. Конструктивно воздушный коллектор представляет собой плоскую панель с ребристой (иногда – дополнительно перфорированной) поверхностью или же систему трубок из металла хорошей теплопроводности. Воздух в коллекторе нагревается благодаря непосредственному контакту с металлом (который прогревается под солнечными лучами). С помещением коллектор соединяется через воздуховоды (один – для забора воздуха, второй – для подачи), в которых установлены вентиляторы для обеспечения циркуляции воздушных масс.

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 и обеспечивает максимальный греющий эффект при минимальных теплопотерях.

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

Поэтому, в статье речь пойдет о принципе работы и устройстве вакуумного коллектора, мы расскажем вам о конструкционных особенностях различных моделей. Нами будут рассмотрены все плюсы и минусы этих устройств. 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 теплопотеря существенно снижается, так как вакуумная прослойка позволяет сохранить около 95 % улавливаемой солнечной энергии.

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 несколько разнятся и подразделяются на такие виды, как:

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

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.

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.

Читайте так же:  Функция и возврат 1с

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.

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.

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

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.

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.

Модификационные особенности приборов

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.

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.

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%.

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%.

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 циркуляцию гарантирует подключенный к системе малогабаритный 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, например:

  • 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.

Как своими руками собрать агрегат?

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.

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 градусов тепла.

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.

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.

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.

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.

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.

Читайте так же:  Налоговый вычет на детей матери одиночке в 2018 году

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.

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, очень легко собрать своими руками агрегат, полностью соответствующий личным индивидуальным требования 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.

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ

Солнечная энергия может использоваться для множества задач. Мы в этой работе расмотрим случай преобразования энергии солнца в тепловую. Преобразование энергии в тепловую находит применение в обеспечении необходимых параметров микроклимата зданий, сооружений, а также индивидуальных жилых домов.

Устройствами с помощью которых присходит преобразование солнечной энергии в тепловую являются коллекторы.Различают два вида солнечных коллекторов, и от устройства конструкции зависит принцип его работы.

Наиболее распространенными на сегодняшний день являются плоские коллекторы, сделанные в форме панели. Обычно они представляют собой теплоизолированные металлические ящики со стеклянной или пластмассовой крышкой.

Рис.1. Плоский солнечный коллектор

В них же помещена пластина абсорбера. Абсорбер является ключевой частью солнечного коллектора, где происходит преобразование солнечной энерги в тепловую Черезе абсорбер передается тепловая энергия теплоносителю. Пластина абсорбера окрашивается в черный, так как темные поверхности способны поглощать больше солнечной энергии, нежели светлые.

Остекление коллекторов бывает двух видов: стеклянным или матовым. Но в большинстве используют матовое стекло из-за ее способности значительного светопропускания. Обычно дно и стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом для снижения потерь тепла.

Солнечный свет попадая на поверхность, проходит через остекление, и попадает на пластину, которая в свою очередь нагревает и способствует формированию тепловой энергии из солнечной радиации. Тепло передается теплоносителю (вода или воздух), который циркулирует по трубкам установки. С связи с тем, что большинство темных покрытий отражают около 10% радиации, пластины покрывают селективнм порытием, способным удерживать солнечный свет и служить намного дольше чем обычная черная краска (мы упомянули об этом выше).

Селективное покрытие представляет собой очень тонкий прочный слой из аморфного полупроводника, который наносится на металличесую основу. Селективные покрытия обладают отличной поглощающей способностью, и имеют низкий коэффициент излучения. И соответственно, применяемая пластина должна обладать высокой теплопроводностью, и с минимальными теплопотерями передавать выработанное тепло теплносителю. Одним из основных элементов коллектора также является теплоизоляционный слой, необходимый для снижения теплопотерь.

Система солнечного коллектора для отопления

Солнечные коллекторы можно устанавливать на крышу, образуя единую конструкцию с кровлей.Эффективным является установка коллекторов на крыше (Сравнивая с установкой конструкции на земле), а бак с водой (аккумулирующий) устанавливают в помещении, где производят наиболее выгодную установку сети горячей воды. Трубами соединяются бак и коллектор. Циркуляция в системе обеспечивается гелиостанцией.

В бак можно установить нагревательный контур для обеспечения необходимой температуры воды (теплоносителя). Коллектором накапливается солнечное излучение вне зависимости от погодных условий, и коэффициент поглощения составляет 96%. Для эффективного использования кровли при накоплении энергии коллектор устанавливают под углом 30-40°. Чтобы поддерживать отопление в системе применяют так называемый буферный бак — автоматизированная система, применяемая для поддержания и сохранения тепла, полученного от альтернативного источника и других видов источников, например котел, работающий на электричестве и же на другом виде топлива. Нагретая от второстепенных источников вода используется как теплоноситель для системы отопления. Касательно контроллера, он обеспечивает оптимальные параметры циркуляции в системе и способствует обеспечению необходимой заданной температуры.

Такая система эффективна тем, что обеспечивает в в ночное время привлечение минимально необходимой энергии для поддержания оптимальных параметров в помещении.

Основные достоинства плоских солнечных коллекторов:

Высокая производительность (во время пиковой инсоляции);

Возможность сэкономить на подогреве воды;

Длительный эксплуатационный период;

Возможность самостоятельного изготовления колллектора из-за отсутствия сложностей в конструкции;

Возможность использования как основного и допольнительного источника энергии;

Эффективность системы в поясах с умеренным и холодным климатом при низкой интенсивности потока солнечной радиации.

Вакуумные солнечные коллекторы

Вакуумные солнечные коллекторы способны нагревать воду до 300°С. Главным конструктинвным отличием такого коллектора является наличие стеклянных трубок, внутри которых размещены другие трубки, по которым движется теплоноситель. А между внешней и внетренней трубками находится вакуум, благодаря чему сохраняется тепло и эффективность увеличивается на 30% по сравнению с плоскими коллекторами.

Рис.2. Вакуумный солнечный коллектор

Обычно внешнее стекло трубки является прозрачным, а на поверхность внутренней наносят высокоселективное покрытие для улавливания солнечной энергии. Тепловые трубки, которые применяются в таких коллекторах, выполняют роль проводника тепла. При попадании солнечных лучей на установку, жидкость, находящаяся в нижней части трубки, превращаясь в пар, поднимается наверх, после чего пар, конденсируясь,

передает тепло коллектору.

Рис.3. Процесс работы вакуумных трубок

Такая схема работы установки помогает увелечить КПД в условиях низких температур и недостаточной освещенности.

Благодаря новым технологиям, современные солнечные коллекторы способны нагреть воду до температуры кипения даже при низких(минусовых) температурах.

Принцип работы

Солнечная энергия абсорбируется и превращается в тепло с помощью покрытия вакуумных трубок. Теплопередача осуществляется от теплообменного стержня через гильзу к воде резервуара. Комплект системы включает в себя трубки, внешний бойлер, контроллер, и соответственно при этом должен быть обеспечен устойчивый монтаж.

Вакуумные трубки способны поглощать инфракрасные лучи, поэтому коллектор может работать и в пасмурные дни. Количество солнечного излучения поступающего на вакуумный коллектор не подвержено изменению в связи с формй трубок, и поэтому по сравнению с плоским коллектором вакуумный поглощает больше излучения. Солнечные лучи падают на поверхность под прямым углом, тем самым сводят отражение к минимуму.

Трубки коллектора располагаются параллельно, а угол наклона трубок зависит от широты местарасположения установливаемой системы отоплени. Черный свет трубок коллектора отлично сочетается к кровлей. Данная конструкция может иметь соединительные выходы сбоку и сзади, чтобы позволяет устанавливать несколько коллекторов вплотную, и образовывать единую конструктивную систему значительной площади.

Боковое соединение используется в случае необходимости установки конструкций в ряд, а также для снижения перепада давления. В чем преимущество установки такого вида коллектора? В том, что трубки следуют движениею солнца в течении дня, и при необходимости можно уменьшать площадь, снимая или добавляя трубки, также замена трубок не требует приостановки работы системы. Вакуумные солнечные коллекторы хорошо обслуживают дом горячей водой, эффективны для использования в обеспечении отопления, и возможно применение в системах вентиляции зданий и соооружений различного назначения.

Высокая стоимость солнечных коллекторов была едиственным препятствием на пути применения их в широком спектре. Однако, продажа набирает обороты. По сравнению с солнечными плоскими коллекторами вакуумные дороже в цене, и не находят масштабного применения. Приемлемая цена и эффективность систем делают их рациональными для использования и срок окупаемости соответственно не большой.

Гелиосистемы различают: с замкнутым и незамкнутым контуром.

В геолисистемах с замкнутым контуром теплообменник размещают как внутри бака-аккумулятора, так и снаружи. А коллекторы с незамкнутым контуром используют в теплых климатических широтах, где нет опасности замерзания. Вакуумные коллекторы применимы как закрытых, так и в открытых системах, так как выполняют роль конроллера давления, температуры и оказывают защитное воздействие для предотвращения замерзания.

Солнечный коллектор не имеет встроенного бака-аккумулятора и в теплопроводе вмещается малое количество воды. Циркулиция теплоносителя обеспечивается циркулиционным насосом. Скорость потока, необходимая для работы системы, обычно не превышает 2м/с. Поэтому достаточно установить циркулиционный насос малой мощности. Насосы большой мощности необходимы в случае установки большого контура из солнечных установок, и для компенсации потерь напора теплоносителя в системе. Эффективность солнечных коллектор заключается в том, что внутренняя трубка защищена теплоизоляционным слоем, в результате чего теплопотери в системе сводятся к абсолютному минимуму, и соответственно производительность систем очень высокая в течение целого года.

Как и любие другие конструкции и системы, вакуумные коллекторы имеют свои достоинства и недостатки:

-Вакуумные коллекторы хороши тем, что ими можно достичь высоких температур;

-Эффективны для использования в холодный период года;

Читайте так же:  Возврат подоходного налога за лечение 2018

-При неполадках можно заменить поврежденные трубки, но система будет продолжать работать;

-Отличается хрупкостью в сравнениии с плоским коллектором.

Преимущества солнечных водонагревателей перед электрическими:

-Расходы на обслуживание низкие

-Возможность нагревать большой объем воды (до 300л)

-Срок службы сравнительно большой (15-30лет)

-Отсутствие пагубного воздействия на окружающую среду

-Цена на содержание и обслуживание не зависит от повышения тарифов на электроэнергию

Подводя итог, мы не имеем однозначного ответа на вопрос «Какой коллектор наиболее выгоднее для использования?». У каждого коллектора свои преимущества и недостатки. Эффективность обеих видов конструкций высока, но существенная разница — это разница в стоимости, надежности, и сроке экмплуатации. Вакуумные более дорогие и даже ручная сборка требует немалых усилий. А плоские надёжны, сравнительно дешёвые, и на данный момент именно они используются повсеместно, учитывая длительный срок их эксплуатации.

Список используемой литературы

«Солнечная энергетика» Умаров Г. Я., Ершов А. А.

Солнечный коллектор. [Электронный документ] URL: http://tehstudent.net/publ/novye_tekhnologii/solnechnyj_kollektor/2-1-0-435

Солнечный коллектор: Описание, классификация, отзывы. [Электронный документ] URL: http://energomir.net/alternativnaya-energetika/solnechnyj-kollektor-opisanie-klassifikaciya-otzyvy.html

Альтернативные источники энергии. [Электронный документ] URL: http://greenplaneta.org/posts/solnechnyj-kollektor-ploskij-ili-vakuumnyj-kakoj-luchshe/

Солнечный коллектор для системы отопления. [Электронный документ] URL: http://teplo.guru/eko/solnechnye-kollektory.html

Виды солнечных коллекторов. [Электронный документ] URL: http://www.dom-spravka.info/altenergo/gl0500.html

Разновидности солнечных нагревателей для воды и их применение. [Электронный документ] URL: http://solarb.ru/raznovidnosti-solnechnykh-nagrevatelei-dlya-vody-i-ikh-primenenie

Солнечный коллектор — водонагреватель для дома, бассейна. [Электронный документ] URL: http://domekonom.su/solnechnyj-kollektor-vodonagrevatel-dlja-doma-bassejna.html

Студенческий научный форум — 2016
VIII Международная студенческая научная конференция

В рамках реализации «Государственной молодежной политики Российской Федерации на период до 2025 года» и направления «Вовлечение молодежи в инновационную деятельность и научно-техническое творчество» коллективами преподавателей различных вузов России в 2009 году было предложено совместное проведение электронной научной конференции «Международный студенческий научный форум».

Устройство и принцип работы вакуумного солнечного коллектора

Ежедневно солнце является поставщиком неограниченного энергетического потенциала, которое будет доступно для человеческого пользования на протяжении еще многих лет. Такие возможности природы являются главными движителями для человека придумывать и воплощать в реальность более новые возможности и устройства, которые способны перерабатывать солнечное излучении в полезную для человечества энергию.

Вакуумный солнечный коллектор – эффективное устройство, способное питать не только электрическую лампочку, но и целую отопительную систему для помещений.

Переработанная солнечная энергия превращается в тепловую, и передается теплоносителю. Такое применение современных установок используется для обогрева помещения, подогрева жидкости, архитектурных конструкций.

Процесс нагревания воды от солнца

Для того, чтоб солнечное светило могло осуществить нагрев воды, должны быть осуществлены некоторые предпосылки. На протяжении всего года расход остается практически на одном и том же уровне. Именно по этой причине в роли энергетического источника для нагрева жидкости эффективнее всего использовать энергию большого светила – Солнца.

Если правильно осуществить установку солнечных коллекторов, то они способны увеличить температуру воды на 50- 65% в холодное время и до 100% в летнее.

Такие условия работы системы свидетельствуют о том, что в теплое время года можно будет отказаться от использования традиционных систем обогревания при помощи газа или электричества. Использование такой системы в летнее время является крайне выгодным еще и по той причине, что выработанной энергии хватает даже на питание некоторых бытовых электрических машин, работающих на благо домашнего хозяйства.

Важным достоинством современных солнечных водонагревательных установок является простота технологического новшества, использование которого дает возможность жить комфортно, экономно, без нанесения вреда для окружающей среды.

Конструктивные отличия

Главным конструктивным отличием вакуумных коллекторов являются стеклянные трубки, которые надежно закреплены на базовой панели. Такие трубки покрыты специальным веществом, которое способно притягивать солнечное тепло. Помимо этого, внутри такой трубки находится еще одна, меньшим диаметром.

Следует отметить, что между ними находится вакуум. Именно благодаря этой вакуумной прослойке удается сохранить большую часть тепла и повысить эффективность коллектора более чем на 30%, по сравнению с плоскими моделями. В таких коллекторах вода способна нагреться до 300 °C.

Следующим не менее важным отличием вакуумных коллекторов является специальная жидкость внизу трубки, которая в результате нагревания превращается в пар, поднимаясь вверх, производит равномерное нагревание жидкости.

Отметим, что именно в регионах с небольшой продолжительностью светового дня и минусовой температурой реализация такой работы аппарата дает существенный выигрыш в количестве добытой тепловой энергии.

Относительно цены такие приборы имеют более высокую стоимость, нежели иные, однако, выходные характеристики оправдываются по истечении нескольких лет.

Принцип работы солнечных коллекторов

Если говорить доступным языком, то солнечные коллекторы направлены на оккупацию тепловой солнечной энергии, ее накапливание и последующее распределение по оборудованию для человеческих потребностей.

Для большего понимания работы системы, прежде всего, необходимо разобраться из чего она состоит. Зачастую такая система собрана из коллектора, контура для самого теплообменника, теплового аккумулятора, температурных датчиков, приемника. В качестве такого аккумулятора чаще всего используют водяной бак.

Теперь разберем особенности некоторых частей более подробно. Главной особенностью приемника является состав сплава – медь, изолированная полиуретановым типом, защищенная анодированным алюминиевым покрытием. Именно через него происходит подача тепловой энергии. В случае обнаружения неисправности в приемнике его процесс замены происходит без особых затруднений, без необходимости слива всей не замерзшей жидкости из теплообменника.

Принцип работы вакуумной трубки коллектора

Температурные датчики расположены на выходе из вакуумного коллектора и на обратной стороне устройства отопления. На основе данных температурных датчиков происходит включение и выключение циркуляционного насоса.

В случае перегрева теплоносителя (жидкости) в системе может возникнуть так называемое избыточное давление, нейтрализовать которое поможет только расширительный бак.

Работа системы происходит следующим образом. В качестве теплоносителя вакуумного солнечного коллектора является незамерзшая жидкость, которая, продвигаясь через верхнюю зону устройства, осуществляет поглощение тепловой энергии со специальных наконечников из медных сплавов.

В результате использования змеевого механизма осуществляется нагревание жидкости в накопителе. Замкнутый цикл передачи тепла происходит до тех пор, пока температура самой жидкости будет превышать температурные показатели воды в накопительной емкости. Время работы такой системы напрямую зависит от продолжительности дня и температуры окружающей среды.

Вакуумные накопители с прямой тепловой подачей

В приборах с прямой подачей тепла вакуумные приспособления, изготовленные из стекла, и накопительный бак крепятся к единому рамному каркасу в наклоне от 40° до 60 °. Через резиновое соединительное кольцо соединены все вакуумные механизмы с накопительным баком.

Принцип работы вакуумного накопителя с прямым нагревом

При помощи запорного клапана устройство может быть подключено к водопроводным линиям, а специальный фиксирующий клапан осуществляет контроль за состоянием уровней водных масс в накопительной емкости.

Ввиду того, что носителем в таких системах является вода, то такие устройства относят к сезонным обменникам тепловой энергии.

Вакуумные коллекторы с косвенной подачей

Принцип работы оборудования, который имеет свойства косвенной передачи тепловых ресурсов, чем-то схож с процессом системных линий централизованной системы отопления. Работа в данных соединениях происходит благодаря давлению от водопроводных путей.

Достоинства вакуумных коллекторов

Для осуществления работы системы используются вакуумные изолированные приспособления. Главным достоинством таких тепловых соединений является постоянная работоспособность и при пониженных температурах (до — 40 °C) и усиленном давлении водопроводных каналов. Сам прибор с накопительным баком устанавливаются по отдельности, которые соединяются при помощи специальных металлопрокатных изделий.

Для получения максимального количества солнечной энергии стандартный вакуумный коллектор устанавливают на крыше дома, а накопительную емкость внутри помещения. Такие установки получили название всесезонных сплит-систем.

Работоспособность косвенных устройств автоматизирована при использовании контроллеров, а бесперебойная циркуляция носителя тепловой энергии в системе осуществляет насос.

Главными достоинствами коллекторов солнечного тепла являются:

  1. Высокая эффективность процесса даже в условиях минусовой температуры.
  2. Легкость установки всей конструкции.
  3. Противоветровая устойчивость коллектора.
  4. Продолжительность работы.

К недостаткам использования работы такой системы необходимо отнести высокую стоимость оборудования, окупаемого по истечении нескольких лет.

Распространенность солнечных коллекторов

На сегодняшний день ситуация распространения солнечных коллекторов претерпела небольших изменений. Ввиду изменения климата в некоторых областях использование солнечных коллекторов приобрело больше популярности.

Солнечные коллекторы с успехом используют как для реализации бытовых нужд, так и для обогрева жилых помещений, на предприятиях различных масштабов, на овощных плантациях. Такой способ получения энергии стал достаточно популярен в Европейских государствах, для которых экономия средств стоит на первом месте: США, Китай, Германия и так далее.

Для всего мира массовый переход на солнечную энергию означает прорыв в современных технологиях, которые обеспечивают большие возможности обеспечения населения планеты бесплатным электричеством, не оказывающим пагубное воздействие на атмосферу.

Использование такого рода коллекторов является прекрасной альтернативой электрического и газового отопления, так как является экологически чистым устройством, не осуществляющим выбросы в атмосферу. Помимо этого наибольшим достоинством использования такого рода устройств является экономическая выгода.