Солнечный коллектор – это устройство для преобразования солнечной энергии в тепловую. Водонагревательные солнечные системы используются для горячего водоснабжения, поддержки отопления, нагрева воды в бассейне.
Всесезонный трубчатый вакуумный коллектор эффективен для применения в круглогодичном режиме в любом регионе Молдавии. КПД коллектора – до 98%. Обладает высокой производительностью в условиях низкой солнечной инсоляции. Термоизоляция теплообменника 75 мм. Алюминиевая рама коллектора позволяет уменьшить нагрузку на несущие конструкции кровли. Универсальная конструкция рамы рассчитана на установку коллектора на любой тип кровли: от горизонтальных до вертикальных поверхностей.
Круглогодичный трубчатый вакуумный коллектор устанавливается на крыше, а аккумулирующий бак с водой устанавливается в помещении, удобном для развода сети горячей воды (котельная, санузел и др.). Бак и коллектор соединены трубами, циркуляцию обеспечивает комплексная гелиостанция, в баке возможна установка электрического нагревателя (моновалентный бак) либо использование дублирующего греющего контура (бивалентный бак) от существующего теплогенератора , за температурой воды следит электронный контроллер. Солнечный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, вне зависимости от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии составляет до 98 %. Установка происходит непосредственно на крыше зданий таким образом, чтобы наиболее эффективно использовать площадь крыши для сбора энергии. Коллекторы монтируются под углом, от 30 до 50 °С.
Для поддержания отопления в системе применяется буферный бак, который представляет собой автоматизированную систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный котел, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые поддерживают систему при недостаточном количестве солнечного излучения. Нагретая от доступных источников тепла вода используется как теплоноситель для существующей системы отопления. Контроллер автоматически поддерживает самые оптимальные параметры циркуляции и обеспечивает комфортную заданную температуру. При отсутствии достаточной солнечной активности или в ночное время, автоматика системы обеспечивает минимально необходимое привлечение дополнительной энергии для поддержания заданной температуры внутри помещения. Система обладает малой инерционностью, быстрым выходом на рабочий режим и позволяет обеспечить среднегодовую экономию энергоносителей до 70 %.
Вакуумный Трубчатый Солнечный Коллектор с тепловыми трубками — стержнями (технология Heat Pipe).
Этот тип солнечного коллектора выбран нами не случайно, так как это самый популярный солнечный коллектор. Напомним, что плоские солнечные коллекторы были разработаны и эффективно работают в странах с теплым климатом — это страны юга Западной Европы, Азии и т.д.
Вакуумные трубчатые коллекторы были разработаны для эксплуатации в регионах с умеренным и суровым климатом, то есть наилучшим образом подходят для Молдавии. Многие производители разрабатывают и производят солнечные коллекторы на вакуумных трубках.
Солнечный вакуумный коллектор собирает солнечную энергию — солнечное излучение видимого и не видимого человеческому глазу спектра и преобразует её в тепловую энергию. В этой связи отметим, что эффективность работы солнечного коллектора зависит от интенсивности солнечного излучения, а не от температуры окружающей среды, которая оказывает заметное влияние только при больших отрицательных значениях. Так, вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками эффективен при температурах до -35С и способен преобразовать в тепло до 98% солнечного излучения, достигающего его поверхности. Температура теплоносителя вакуумного коллектора, в режиме ограничения отбора тепла, может составлять 250—300 °C .
Принцип работы солнечного коллектора рассмотрим, начиная с работы вакуумной трубки.
Вакуумная трубка
Основные характеристики:
Специальное трехслойное селективное покрытие трубок для повышения эффективности сбора тепла и минимизации тепловых потерь. Слой специальной меди концентрирует инфракрасную энергию внутри трубки.
Первый слой:
Специальный медный состав для концентрации инфракрасного излучения
Второй слой:
Ионизированная нержавеющая сталь, ориентированная таким образом, чтобы поглощать до 98% поступающего солнечного излучения
Третий слой:
Нитрид алюминия – прозрачный слой с очень низким индексом отражения для прохода сопутствующего солнечного излучения
Стеклянная стенка трубки толщиной до 2,5 мм, изготовленная из боросиликатного стекла для дополнительной прочности, может выдержать град диаметром вплоть до 35 мм.
Современные бытовые солнечные коллекторы способны нагревать воду вплоть до температуры кипения даже при отрицательной окружающей температуре.
Функция: Преобразования солнечного излучения в тепло
Вакуумная трубка солнечного коллектора из боросиликатного стекла с пониженным содержанием металлов. Она ударопрочная и выдерживает град размером до 35мм. Стенки трубки двойные, фактически одна трубка находится внутри другой, а между ними вакуум. Вакуум между стенками трубки создается при ее производстве. За счет вакуума между трубками потери тепла минимальны, так как вакуум — самый эффективный теплоизолятор. Это делает вакуумный трубчатый коллектор на 45% эффективнее плоского коллектора. Поверхность внутренней трубки имеет специальное покрытие, очень чувствительное ко всему спектру солнечного излучения. Современные трубки имеют тройное напыление, при этом каждый слой выполняет свою функцию, как показано на рисунке.
Говоря простым языком, слои отвечают за поглощение энергии, преобразование ее в тепло, минимизацию отражения. Кроме того, стеклянная трубка, со специальным покрытием, по сути, являются подобием увеличительного стекла, которое усиливает — концентрирует попадающее на него излучение внутрь трубки.
Излучение, из видимых и не видимых человеческому глазу лучей, концентрируется на полом медном сердечнике, находящемся внутри этих трубок и заполненном легкокипящей жидкостью. Концентрированное, как линзой, солнечное излучение, воздействуя на медный сердечник, разогревает его, жидкость внутри сердечника закипает, тем самым еще выше поднимая температуру сердечника, разогретого концентрированными лучами. При закипании специальная жидкость превращается в пар, температура которого выше, чем была температура перегретой жидкости. Пар отдает тепло и конденсируется, превращаясь в жидкость, в верхней части медной трубки.
Если внимательно посмотреть на фотографию, то можно заметить, что выступающая из трубки часть медного сердечника толще, чем сердечник внутри трубки. Эта расширенная часть – конденсатор, в котором пар легкокипящей жидкости снова превращается в жидкость. Эта жидкость – конденсат стекает в медный сердечник и процесс повторяется. Так солнечная энергия преобразуется в тепловую энергию.
В трубках современных солнечных коллекторов имеется алюминиевый тепловой экран, который держит тепловой стержень — медную трубку и выступает в роли передатчика тепла от внутренних стенок трубки к медному тепловому стержню.
Теплосборник солнечного коллектора.
Функция: Передача тепла от вакуумной трубки солнечного коллектора — теплоносителю.
При помощи теплосборника, находящегося в верхней части коллектора, медный сердечник отдает тепло теплоносителю, который циркулирует по контуру — вакуумный коллектор — теплообменник бака. За продвижение теплоносителя отвечает циркуляционный насос. Причем, если контроллер, получающий информацию от датчиков температуры, “увидит”, что температура теплоносителя такова, что он обеспечит нагрев воды в баке, то он даст команду и остановит работу циркуляционного насоса – предотвратит потерю тепла – не даст нагретой воде подогревать теплоноситель. Это происходит в основном ночью, при низких температурах окружающей среды. При недостаточной температуре теплоносителя, для подогрева воды, контроллер может включить
ТЭН или включить циркуляцию теплоносителя по второму теплообменнику от альтернативной системы подогрева воды, например от твердотопливного или газового котла. Утром теплоноситель контура солнечного коллектора вновь прогреется, от преобразованного коллектором в тепло утреннего света, и циркуляционный насос снова включится для продвижения теплоносителя от коллектора к теплообменнику в баке.
Контроллер солнечного коллектора.
Контроллер солнечного коллектора осуществляет интеллектуальный контроль и обеспечивает автоматическую работу системы.
(Выдержка из документации на контроллер управления системой горячего водоснабжения и отопления на солнечном коллекторе):
- Часы, таймер
- Индикация температуры воды
- Индикатор уровня воды
- Автоматический режим управления работой системы
- Принудительный набор воды, командой с пульта контроллера
- Набор воды по времени (таймер)
- Авто подкачка воды до запрограммированного уровня
- Увеличение гидравлического давления в системе во время отбора воды
- Принудительное включение электроподогрева
- Включение подогрева по расписанию (таймер)
- Включение циркуляции горячей воды
- Отключение – блокировка линии горячей воды
- Защита от недостаточного давления воды на входе
- Защита трубок солнечного коллектора от перегревания
- Защита информации при сбоях электропитания
Как видно из описания функций контроллера, есть возможность оптимально настроить систему для эксплуатации в разных условиях, а также гибко управлять системой при эксплуатации.
Например, в целях экономии электроэнергии, зная, что не будет большого расхода горячей воды, можно указать контроллеру, не включать подогрев воды ТЭН-ом в ночное время. Или, наоборот, зная, что предстоит постоянный большой расход горячей воды, дать команду контроллеру поддерживать максимально возможный объем воды в баке, и включать электроподогрев для максимально быстрого получения горячей воды без ожидания прогрева воды коллектором.
Преимущества вакуумных солнечных коллекторов
Вакуумные трубчатые коллекторы
1. Вакуумные солнечные коллекторы – практически не имеют тепловых потерь так как внутри вакуумных трубок имеется вакуум 5×10-3 Па. Поэтому температура окружающей среды оказывает на мощность вакуумного коллектора влияние лишь в очень незначительной степени. По этой причине вакуумная трубка не нагревается даже несмотря на то, что теплоноситель в контуре солнечного коллектора нагрелся, например, до 150 °С. В случае плоских коллекторов внутри коллектора не находится вакуум, а теплоизоляция и воздух, которые не обладают такими термо-изоляционными характеристиками, как вакуум. Поэтому при низких температурах плоский коллектор должен сначала подогреть “самого себя“ и лишь затем он способен передавать тепло теплонесущей жидкости в системе солнечного нагрева. Применение такой технологии, позволяет избавить вакуумные солнечные коллекторы от потерь на конвекцию и теплопроводность. В результате, тепловые потери коллектора сводятся к минимуму. Минимизируя тепловые потери, вакуумные солнечные коллекторы способны обеспечить хороший КПД даже в условиях слабого освещения и температурой наружного воздуха ниже 0 °С.
2. Tрубчатый коллектор работает при рассеянном излучении, в том числе в зимний период и в пасмурную погоду, так как он способен абсорбировать диффузионную радиацию благодаря высокоселективной абсорбционной поверхности
3. При равенстве площади воспринимающей поверхности, вакуумный коллектор имеет мощность почти в 2 раза больше, чем плоский, так как он адсорбирует полное излучение даже с задней поверхности вакуумной трубки. Этот эффект можно усилить, если располагать за коллектором отражающую поверхность. Отражение от снега также увеличивает выработку тепла вакуумным коллектором.
4. Высокая мощность коллектора позволяет достичь 70% экономии электроэнергии, необходимой для обогрева технологической воды.
5. Вакуумные трубки обладают высокой стойкостью относительно механического повреждения, так как они изготовлены из упрочненного боросиликатного стекла с толщиной стенки 2,5 мм.
6. Вакуумные трубки обладают высокой стойкостью относительно внешнего загрязнения благодаря их цилиндрической форме и расстоянию между ними – это позволяет снегу, листьям, веткам, пыли и т. п. проходить между трубками под коллектор и таким образом дать коллектору возможность работать максимально эффективно без необходимости технического ухода.
7. Вакуумный коллектор обладает меньшей парусностью (препятствие ветру), так как вакуумные трубки находятся на расстоянии друг относительно друга и дают возможность продува ветра между ними. Плоский коллектор, наоборот, должен противостоять ветру всей своей поверхностью – этим самым прочность конструкции плоского коллектора должна быть существенно выше, чем вакуумного.
8. Вакуумный коллектор с тепловыми трубками очень просто устанавливается. Подсоединение трубок реализуется сухим путем, т. е. без прямого контакта с рабочей жидкостью солнечного контура – в результате этого возникает надежное подсоединение трубок, которое позволяет также производить замену отдельных трубок в ходе эксплуатации коллектора под давлением. В случае повреждения плоского коллектора необходимо сначала осуществить отключение всей системы и лишь тогда производить ремонт или замену.
Плоский коллектор излучает значительное количество тепла в окружающую среду.
9. В случае если вдруг, повреждена одна из вакуумных трубок, то ее можно быстро заменить, без переустановки всей системы.
Смотрите также:
Гофрированная стальная труба в изоляции 13mm.