Вакуумный солнечный коллектор: принцип работы + как собрать самому

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.

Солнечные коллекторы для отопления дома: разновидности установок

По конструктивному исполнению солнечные коллекторы могут быть плоскими или вакуумными. Последний вариант является более распространенным типом, который характеризуется простотой монтажа, высокой эффективностью, способностью обеспечить необходимым количеством тепла весь дом. Вакуумный солнечный коллектор для отопления дома, цена которого превышает стоимость плоского изделия, представлен сложной конструкцией, которую можно использовать для полноценного обогрева помещения и нагрева воды в любой сезон года.

Существует особый тип установки, который называется коллектор-концентратор. Он представляет собой систему параболических отражателей, которые располагаются на одной криволинейной поверхности, где концентрируется в определенных точках солнечный свет. Для получения максимального эффекта необходимо изменять вслед за движением солнца положение устройства, которое может находиться в двух плоскостях.

В зависимости от теплоносителя различают жидкостные и воздушные конструкции. В первом случае используется дистиллированная вода или антифриз, а во втором – нагретый воздух.

Вакуумные солнечные коллекторы

По варианту применения теплоносителя различают пассивные и активные системы. В первом варианте солнечный коллектор используется совместно с баком накопителем. Такая система приемлема для горячего водоснабжения и не комплектуется дополнительными инженерными элементами. Активный вариант предполагает установку солнечного коллектора и других технических устройств, таких как насос, бак-накопитель, защитные клапаны, дополнительные приборы нагрева теплоносителя. Такая система может применяться и для горячего водоснабжения, и для отопления дома.

Активный солнечный коллектор для подогрева воды

Способ передачи тепла может быть косвенным или прямым. Первый вариант предполагает наличие аккумулирующего бака, в котором выполняется передача тепловой энергии, полученной наружным контуром от солнечного излучения, внутреннему контуру, циркулирующему в системах отопления и ГВС. В прямоточных системах, которые применяются для горячего водоснабжения, циркуляция воды в контуре коллектора происходит под воздействием разности температур и благодаря наличию дополнительных элементов в виде клапанов и кранов.

Классификация солнечных коллекторов для отопления по температуре нагрева теплоносителя

Воздушные или водяные солнечные коллекторы для отопления дома можно классифицировать по степени нагревания его рабочих органов и теплоносителя. В зависимости от этого критерия различают низко-, средне- и высокотемпературные установки. Низкотемпературные варианты способны обеспечить нагрев теплоносителя до 50 °С. Такие тепловые коллекторы используются для подогревания воды в душевых летом, в емкостях для полива, для создания комфортных условий в прохладные весенне-осенние вечера.

Среднетемпературные системы обеспечивают нагрев теплоносителя до 80 °С. Такие установки употребляются для обогрева помещений, для бассейнов. Солнечные коллекторы данной категории наиболее целесообразно устанавливать при обустройстве частного дома. Высокотемпературные системы способны нагреть теплоноситель до температуры 250-300 °С. Такие устройства рекомендуется использовать в промышленных масштабах. Их применяют для обогрева коммерческих зданий, производственных цехов и других технологических помещений.

Высокотемпературные системы предполагают сложный процесс преобразования и передачи тепловой энергии. Конструкции имеют внушительные габариты, требующие много свободного пространства для их монтажа. Процесс изготовления системы является весьма трудоемким и затратным, что связано с использованием специализированного оборудования. Самостоятельно выполнить такой вариант не удастся.

Плюсы и минусы гелиосистемы

Говоря о солнечных коллекторах в целом, можно выделить следующие их достоинства:

1. Им присущ более высокий КПД по сравнению с фотоэлектрическими элементами и ветрогенераторами.
2. Усваиваемая с их помощью энергия является абсолютно бесплатной.
3. Работа солнечного коллектора полностью безвредна для экологии: используемый ресурс – солнечное тепло – является неисчерпаемым и усваивается напрямую, без сжигания чего-либо и загрязнения окружающей среды.

Теперь укажем слабые места гелиоустановок:

1. Коллекторы заводского изготовления стоят пока сравнительно дорого – от 500 до 1000 дол. Таким образом, стоимость системы из 2-х коллекторов с монтажом может достигать 2,5 тыс. дол.
2. Из-за переменчивости погодных условий производительность коллектора не является стабильной.

По той же причине систему приходится оснащать довольно вместительным баком- накопителем с хорошей теплоизоляцией.

Солнечный коллектор для отопления

У поверхности этого прибора низкая отражающая способность, за счет чего поглощается тепло. Для обогрева помещения этот механизм использует свет солнца и его инфракрасное излучение.

Чтобы нагреть воду и отопить жилище хватит мощности простого солнечного коллектора. Это зависит от конструкции агрегата. Человек может самостоятельно сделать монтаж оборудования. Для этого не нужно использовать дорогие инструменты и материалы.

Справка. Коэффициент полезного действия профессиональных устройств составляет 80—85%. Самодельные обходятся намного дешевле, но их КПД не более 60—65%.

Конструкция

Строение оборудования простое. Прибор представляет собой прямоугольную пластину, состоящую из нескольких слоев:

• покрышка из антибликового закаленного стекла с обрамлением;
• поглотитель;
• нижняя изоляция;
• боковая изоляция;
• трубопровод;
• стеклянная завеса;
• алюминиевый атмосферостойкий корпус;
• соединительные штуцеры.

Система включает в себя 1—2 коллектора, накопительную емкость и аванкамеру. Конструкция организована замкнуто, поэтому солнечные лучи попадают только в нее и превращаются в тепло.

Принцип работы

Основа функционирования установки — термосифонная. Теплоноситель внутри оборудования циркулирует самостоятельно, что поможет отказаться от использования насоса.

Нагретая вода стремится вверх, оттесняя тем самым холодную и переправляя ее к тепловому источнику.

Коллектор представляет собой трубчатый радиатор, который вмонтирован в древесный короб, одна плоскость которого сделана из стекла. Трубы при изготовлении агрегата используются стальные. Отведение и подведение выполняются трубами, применяемыми в устройстве водопровода.

Конструкция работает так:

1. Коллектор преобразует солнечную энергию в тепло.
2. Жидкость поступает в бак-накопитель через подающую магистраль.
3. Циркуляция теплоносителя происходит самостоятельно либо с помощью электронасоса. Жидкость в установке должна отвечать нескольким требованиям: не испарятся при высоких температурах, быть нетоксичной, морозоустойчивой. Обычно берут воду дистиллированную, смешанную с гликолем в пропорции 6:4.

Принцип работы

Идея улавливать и преобразовывать световую энергию не нова. В мире достаточно давно и успешно эксплуатируются ветряные электростанции и солнечные батареи, последние в регионах с большим количеством ясных дней позволяют обеспечивать практически полностью автономное снабжение жилищ, коммерческих помещений и техники.

Классическая гелиобатарея принимает и конвертирует в электричество падающий на нее свет. Далее энергия поступает к потребляющим аппаратам. Вакуумный гелиоколлектор устроен иначе: он состоит из крепких стеклянных трубок с откачанным для образования вакуума воздухом. Трубки объединены в систему.

Внутри такой стеклянной трубки находятся один-два медных стержня с заключенным в них теплоносителем. Падающие на медь лучи разогревают ее, и тепло передается носителю. Таким образом улавливается и накапливается солнечная энергия. Конструкция позволяет обеспечить высокую энергоотдачу при низких потерях. Происходит это благодаря вакууму: поскольку нет отнимающей тепло среды, практически все оно остается в носителе. Такой солнечный коллектор сохраняет примерно 95 % уловленной им энергии.

Конструктивное решение также снижает зависимость от погоды и окружающей температуры. Зимой комплекс будет работать так же эффективно, как и летом. При текущих темпах неуклонного роста цен на органические энергоносители гелиоустановка для отопления дома окупится, в среднем, через 3–5 лет, а прослужит около 25. То есть ее владелец спустя относительно недолгое время станет получать энергию бесплатно.

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.

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.

Порядок действий

Давайте разберемся, как сделать простой коллектор своими руками.

Подготовка

Для начала снимите мерки и определите, сколько площади вы можете занять под устройством. Если крыша сделана из поликарбоната, стекла или подобных относительно хрупких материалов, коллектор не должен быть слишком большим.

Очень удобная конструкция состоит из двух пластин примерно 2,1х1 м, один лист непосредственно нагревает жидкость, второй играет роль защитного покрытия. Поликарбонат должен быть только сотовым, желательно черным.

Рекомендуемая толщина листа 4 мм. Общая площадь поперечного сечения каналов составляет 35 см² на погонный метр, что примерно равно поперечному сечению трубы диаметром 6-7 см. Таким образом, на 1 м² ткани помещается до 4 литров воды. Лист толщиной 10 мм вмещает до 10 литров на 1 м².

Помимо поликарбоната вам потребуются следующие материалы:

• 2 заглушки для трубок;
• пенопласт для утепления;
• две канализационные трубы ПВХ длиной 2 м и диаметром 32 мм;
• 2 гибких шланга с резьбовым соединением;
• 2 уголка полипропиленовые с металлической резьбой;
• силиконовый герметик.
• профили и перемычки из оцинкованного гипсокартона для каркаса;

Уголки из полипропилена должны плотно прилегать к трубам, поэтому их лучше покупать вместе.

Ширина профилей должна соответствовать общей толщине листов поликарбоната и пенопласта.

Также понадобится приспособление для резки труб — болгарка или дрель с насадкой для пилы.

Если у вас нет черных листов, вам понадобятся соответствующие чернила. Поликарбонат можно красить нитроэмалью, акриловыми красками на водной основе или пластиковыми аэрозолями.

Сборка каркаса

Коллектор собирается следующим образом:

Закрепите трубы хомутами и сделайте на них пропилы, соответствующие длине будущего коллектора. Не касайтесь краев: начало и конец трубы должны оставаться целыми, чтобы их можно было подключить к системе.

Края полипропиленовых труб в солнечных коллекторах должны быть плоскими, иначе уплотнение может быть нарушено
Зашлифуйте участки поликарбоната, которые будут соприкасаться с трубой: герметик лучше прилегает к шероховатой поверхности.
Вставьте края бумаги в прорези. Ячейки должны быть перпендикулярны трубе, чтобы в нее могла попасть вода. Если разрез слишком узкий, расширьте его. Также можно канцелярским ножом подвести срез к краю трубы, после чего, двигаясь в сторону, постепенно направлять лист.
Загляните в трубку. Поликарбонат не должен входить более чем на диаметра, иначе это нарушит циркуляцию воды. При необходимости откорректируйте положение листа.
Обезжирьте стык и заделайте его. Чтобы избежать протечек из коллектора, сделайте разрез 3-4 раза: в первый раз попробуйте вбить герметик в стык, затем сформировать внешний шов

Обратите особое внимание на концы. После высыхания предыдущего нанесите новый слой герметика

Если вы разрезаете трубу до самого края, обязательно полностью обрежьте этот участок.
Если вы купили прозрачный поликарбонат, покрасьте его в черный цвет и дайте высохнуть.

Полипропиленовые трубы для солнечных коллекторов должны быть черными, чтобы эффективно отводить тепло
Вставьте уголки с резьбой в концы труб и загерметизируйте стык. Противоположные края закрыть дюбелями.
Подсоедините коллектор к резервуару, наполненному водой, с помощью труб и фитингов. Внимательно проверьте все швы. Закройте все обнаруженные утечки.
Из профилей сделайте каркас с перемычками. Поместите пенополистирол внутрь и закрепите его винтами. Поставить на него коллектор. Просверлите в профиле отверстия для труб и соедините их по углам. Накройте конструкцию защитным листом. Крепится к каркасу уголками и саморезами.
Подсоедините коллектор к резервуару горячей воды и насосу холодной воды.

Хотя использовать такой коллектор можно только летом, он все же значительно удешевит расходы на нагрев воды.

Как сделать селективное покрытие

Коллектор с высоким КПД имеет высокое поглощение солнечной энергии. Лучи попадают на темную поверхность, а затем нагревают ее. Чем меньше излучения отталкивает поглотитель солнечного коллектора, тем больше тепла остается в солнечной системе.
{banner_downtext}
Для обеспечения достаточного тепловыделения требуется селективное покрытие. Возможны несколько вариантов изготовления:

• Самодельное покрытие селективного коллектора: используйте любую черную краску, которая после высыхания оставляет матовую поверхность. Есть решения при использовании тусклой темной клеенки в качестве абсорбента коллектора. На трубках теплообменника, на поверхности банок и бутылок нанесена черная эмаль с матовым эффектом.
• Специальные впитывающие покрытия: вы можете пойти другим путем, купив для коллекционера специальную селективную краску. В состав материалов селективной окраски входят полимерные пластификаторы и добавки, обеспечивающие хорошую адгезию, термостойкость и высокую степень поглощения солнечного света.

Солнечные системы, используемые исключительно для нагрева воды летом, вполне могут быть окрашены в черный цвет абсорбера обычными красками. Самодельные солнечные коллекторы для отопления дома зимой должны иметь качественное селективное покрытие. На краске не экономишь.

Самодельная или заводская гелиосистема — что лучше

Сделать в домашних условиях солнечный коллектор, который по техническим характеристикам и показателям можно было сравнить с заводской продукцией, нереально. С другой стороны, если вам просто нужно обеспечить достаточно воды для летнего душа, солнечной энергии будет достаточно, чтобы запустить самый простой самодельный водонагреватель.

Что касается работающих зимой жидкостных коллекторов, то не все солнечные системы электростанций могут работать при низких температурах. Системы для всех сезонов, часто это устройства с вакуумными тепловыми трубками, с более высоким КПД, способные работать при температуре до -50 ° C.

Заводские солнечные коллекторы часто оснащаются поворотным механизмом, который автоматически регулирует угол и направление панели относительно сторон света в зависимости от положения солнца.

Эффективный солнечный водонагреватель — это тот, который полностью выполняет возложенные на него задачи. Чтобы нагреть воду на 2-3 человека летом, можно обойтись обычным солнечным коллектором, сделанным своими руками из подручных средств. Для отопления зимой, несмотря на первоначальные затраты, лучше установить заводскую солнечную систему.

Источники

• https://altenergiya.ru/sun/izgotovlenie-solnechnogo-kollektora.html
• http://polikarbonatus.ru/konstrukcii/solnechnyjj-kollektor-iz-polikarbonata-svoimi-rukami/
• https://polikarbonat.guru/montazh/solnechnyj-kollektor-iz-polikarbonata.html
• https://EnergoSpravka.ru/otoplenie/mednyj-kollektor-2.html
• https://infracom74.com/solnechnyy-kollektor-iz-polikarbonata-svoimi-rukami/
• https://AvtonomnoeTeplo.ru/altenergiya/765-samodelnyy-solnechnyy-kollektor.html
• https://arbolit.org/poleznoe/solnechnyy-kollektor-iz-polikarbonata.html
• https://solarb.ru/kak-izgotovit-solnechnyj-kollektor-iz-sotovogo-polikarbonata
• http://propolikarbonat.ru/solnechnyj-kollektor-iz-polikarbonata
• https://lucheeotoplenie.ru/tipy-otopleniya/solnechnoe/solnechnyj-kollektor-svoimi-rukami-iz-polikarbonata.html
• https://SdelaySam-SvoimiRukami.ru/4688-solnechnyj-kollektor-iz-polikarbonata.html