Vakuumski sončni kolektor: princip delovanja + kako ga sestaviti sami

Za oskrbo s toplo vodo in ogrevanje prostorov se porabijo precejšnja sredstva. Vendar obstaja alternativni vir energije – vakuumski sončni kolektor. Ste slišali za takega? Omogoča znatno zmanjšanje finančnih stroškov za vzdrževanje udobja, saj zagotavlja maksimalen grelni učinek z minimalnimi toplotnimi izgubami.

To napravo lahko kupite pri proizvajalcih gospodinjske opreme ali jo sestavite sami doma. Če želite izbrati ustrezno model, morate preučiti veliko informacij. Pomagali vam bomo pri določitvi glavnih meril nakupa.

V članku bomo govorili o načelu delovanja in zgradbi vakuumskega kolektorja. Povedali vam bomo o konstrukcijskih značilnostih različnih modelov, preučili bomo prednosti in slabosti teh naprav. Poleg tega bomo podrobno opisali, kako sami izdelati in namestiti vakuumski sončni kolektor.

Gradivo spremljajo videoposnetki, iz katerih boste izvedeli o pomembnih značilnostih in načelih delovanja vakuumskih kolektorjev.

Načelo delovanja vakuumske enote

Vakuumski sončni kolektor se od običajnih solarnih sistemov razlikuje po načinu pretvorbe sončne energije. Klasična baterija preprosto sprejema svetlobo in jo pretvarja v elektriko. Kolektor pa je sestavljen iz steklenih cevk z notranjim vakuumom. V enoten sistem so povezani s pomočjo posebnih priključnih vozlišč.

Znotraj vsake cevke je kanal iz ene ali dveh bakrenih palic s toplotnim nosilcem. Ko zajame sončne žarke, delovni element segreje material toplotnega nosilca, s čimer zagotavlja delovanje kolektorja.

Zaradi takšne konstrukcije se raven oddajanja energije znatno poveča, toplotne izgube pa se bistveno zmanjšajo, saj vakuumska plast omogoča ohranitev približno 95 % ujete sončne energije.

Vakuumski sončni kolektor, nameščen na strehi zasebne hiše, bo stanovalcem zagotavljal toplo vodo skozi vse leto, v hladni sezoni pa bo omogočal udobno ogrevanje prostorov brez velikih finančnih izdatkov.

Poleg tega se zmanjša odvisnost zmogljivosti kolektorja od sezonskih vplivov, temperature okolice in različnih vremenskih pogojev, kot so: sunki vetra, spremenljiva oblačnost, padavine in podobno.

Kako je zgrajen kolektor vakuumskega tipa?

Sodobne vakuumske naprave, ki prostorom zagotavljajo toploto in toplo vodo s pomočjo sončne energije, se tehnološko razlikujejo.

Kolektorje delimo na naslednje vrste:

• cevni brez steklene zaščitne prevleke;
• modul z reducirano konverzijo;
• standardna ploščata različica;
• naprava s prozorno toplotno izolacijo;
• zračni agregat;
• ploščati vakuumski kolektor.

Vakuumski sončni kolektor lahko zagotovi oskrbo s toplo vodo in ogrevanje kadarkoli v letu in pri vsakem vremenu (+)

Vsi imajo skupno konstrukcijsko podobnost, sestavljeni so iz:

• zunanje prozorne cevi, iz katere je popolnoma izsesan zrak;
• ogrevanega priključka, ki se nahaja v veliki cevi, kjer se premika tekoči ali plinasti prenosnik toplote;
• enega ali dveh zbirnih razdelilnikov, na katere so priključene cevi večjega kalibra in v katere vstopa cirkulacijski krog tankih cevi, nameščenih v notranjosti.

Celotna konstrukcija nekoliko spominja na termos s prozornimi stenami, v katerem je vzdrževana brezprecedenčno visoka raven toplotne izolacije. Zahvaljujoč tej značilnosti ohišje notranje cevi pridobi sposobnost, da se kakovostno segreje in v celoti odda energetski vir krožečemu toplotnemu nosilcu v notranjosti.

Konstrukcijske podrobnosti in klasifikacija

Zbiralniki vakuumskega tipa se klasificirajo glede na vrsto steklenih cevi, nameščenih v konstrukciji, ali glede na značilnosti toplotnih kanalov. Cevi so običajno koaksialne in peresne, toplotni kanali pa so U-oblikovani pretočni in tipa heat pipe.

Značilnosti koaksialnih cevk

Koaksialne cevi predstavljajo dvojno stekleno bučko-termos z umetno ustvarjenim vakuumskim prostorom med stenama. Notranja površina cevi ima plast posebnega toplotno absorpcijskega premaza, zato dejanski prenos toplote poteka neposredno od sten steklene bučke.

Koaksialne cevi so izdelane iz visoko trdnega stekla na osnovi borosilikatov, ki ima visoko prepustnost svetlobe. Elementi imajo, odvisno od proizvajalca, do tri plasti magnetronskega naprševanja, kažejo odlično trdnost in odpornost na različne atmosferske pojave (dež, toča itd.), prenesejo tlak 1 MPa in zanesljivo služijo 15 let.

Kot absorpcijski element v stekleno cev vvarijo bakreno cev, ki vsebuje etrno sestavo. Med segrevanjem ta izhlapi, učinkovito odda svojo toploto, se kondenzira in steče na spodnji del cevi. Nato se cikel ponovi, s čimer se ustvari neprekinjen proces toplotne izmenjave.

Značilnosti peresnih cevk

Vakuumske peresne cevi imajo večjo debelino sten kot koaksialne in so sestavljene ne iz dveh, ampak iz ene bučke. Notranji absorpcijski element iz bakra je po celotni dolžini opremljen z močnim ojačevalcem – valovito ploščo z visokoenergijskim absorpcijskim nanosom.

Zahvaljujoč takšni konstrukcijski posebnosti se vakuum nahaja neposredno v toplotnem kanalu, katerega del je skupaj z absorberjem integriran neposredno v bučko.

Peresna vakuumska cev v notranjosti vsebuje ploščo, ki po svoji obliki spominja na pero. Po stopnji izkoristka presega zmogljivosti svojega koaksialnega dvojnika, vendar ima bistveno višjo ceno in jo je težko zamenjati v primeru kršitve celovitosti bučke ali okvare grelnega elementa.

Zbiralniki, izdelani na osnovi peresnih vakuumskih cevi, veljajo za najučinkovitejše v svojem razredu, odlično opravljajo zastavljene naloge in zanesljivo služijo več let.

Načelo delovanja toplotnega kanala heat pipe

Toplotni kanali heat pipe so sestavljeni iz zaprtih cevi, ki vsebujejo lahko izhlapevajočo tekočo sestavo. Pod vplivom sončnih žarkov se segreje, preide v zgornje območje kanala in se tam zbere v posebnem zbiralniku toplote (manifold).

Delovna tekočina v tem trenutku odda vse nabrano toploto in se spet spusti navzdol za ponovitev postopka.

Tuljava toplotnega izmenjevalnika heat-pipe se povezuje s toplotnim izmenjevalnikom manifolda preko posebnega vtiča, vgrajenega v sam 1-cevni toplotni izmenjevalnik, ali pa se ovija okoli 2-cevnega toplotnega izmenjevalnika.

Delovni element toplotnega kanala heat pipe je izdelan iz bakra, v redkejših primerih – iz aluminija. Izkazuje visoko odpornost na obratovalne obremenitve, zanesljivo služi 15 let, ima razumno ceno in je eden najbolj priljubljenih elementov sodobnih vakuumskih heliosistemov cevnega tipa.

Prenosnik toplote odvzame sproščeno energijo iz toplotnega rezervoarja in jo prenaša naprej po sistemu, s čimer zagotavlja vročo vodo v pipah in radiatorjih ogrevanja. Sistem heat pipe se enostavno montira in izkazuje visoko učinkovitost pri delovanju.

Kolektorji, opremljeni z vakuumskimi cevmi heat pipe, se odlikujejo po dobri ravni zanesljivosti in so primerni za uporabo ne le v gospodinjstvu, ampak tudi v visokotlačnih heliotermalnih sistemih.

V primeru okvare ali izpada brez kakršnih koli težav obstaja možnost zamenjave poškodovanega sklopa z novim, ne da bi se bilo treba lotiti rekonstrukcije celotnega sistema.

Popravila je mogoče enostavno izvesti kar na mestu namestitve kolektorja, ne da bi bilo treba demontirati enoto in vložiti čezmernega truda.

Opis U-oblikovanega pretočnega toplotnega izmenjevalnika

Cev pretočnega toplotnega izmenjevalnika ima obliko črke U. V njej kroži voda ali delovni prenosnik toplote ogrevalnega sistema. En del elementa je namenjen hladnemu prenosniku toplote, drugi pa pravilno odvaja že segretega.

Pri segrevanju se delovna snov razširi in vstopi v zbiralnik, s čimer ustvari naravno kroženje tekočine v sistemu. Poseben selektivni premaz, nanesen na notranje stene, povečuje toplotno absorpcijsko sposobnost in izboljšuje učinkovitost sistema kot celote.

V primerjavi s cevmi heat-pipe tipa imajo U-oblikovani izdelki večjo hidravlično upornost, postavljajo višje zahteve za prenosnik toplote in so bistveno dražji. Kolektorji, ki delujejo na pretočnih U-ceveh, ne morejo delovati pod visokim tlakom in zagotavljajo kakovosten prenos toplote le v obdobju toplega letnega časa.

U-cevi kažejo visoko zmogljivost in zagotavljajo soliden toplotni izkoristek, vendar imajo eno pomembno pomanjkljivost. So ena celovita konstrukcija z manifoldom in se vedno montirajo skupaj z njim.

Zamenjave posamezne okvarjene cevi ne bo mogoče. Za popravilo bo treba celoten komplet popolnoma razstaviti in na njegovo mesto namestiti novega.

Primerjava različnih modifikacij

Pri izdelavi helioagregatov se toplotni kanali in vakuumske steklene cevi za sončne kolektorje kombinirajo v najrazličnejših kombinacijah.

Največjo priljubljenost med potrošniki uživajo koaksialni modeli s toplotnim kanalom heat pipe. Kupce privlači ugodna cena naprav in zelo preprosto, dostopno vzdrževanje v celotni življenjski dobi.

Vakuumski sončni kolektor z delovnim kanalom heat pipe se odlično popravlja. Zamenjava poškodovanih cevi se izvaja na mestu in ne zahteva demontaže sistema ali njegovega prenosa na drugo mesto. Vendar pa je toplotna izmenjava pri teh modelih zapletena, zaradi česar izkoristek na izhodu ne presega 65%.

Vakuumske naprave s kanali heat pipe kažejo visoko zanesljivost in nimajo nobenih omejitev pri uporabi, tudi v visokotlačnih heliotermalnih kompleksih.

Naprave s koaksialno bučko, ki vsebuje pretočne U-cevi, so prav tako na seznamu iskanih. Zanje so značilni parametri, kot so nizka toplotna izguba in izkoristek od 70% navzgor.

Za pravilno delovanje je treba vakuumsko napravo z U-cevjo pravilno namestiti. Priporočljivo je, da je najmanjši naklonski kot vsaj 20⁰. Le v tem primeru bo mogoče zagotoviti maksimalni izkoristek.

Situacijo nekoliko pokvarijo: zapleten postopek popravila, specifično vzdrževanje med uporabo in nezmožnost zamenjave posameznega okvarjenega elementa. Če se z napravo kaj zgodi, jo demontirajo in na njeno mesto namestijo popolnoma nov kolektor.

Peresne cevi konstrukcijsko predstavljajo enojni stekleni valj z odebeljenimi trdnimi stenami (odvisno od proizvajalca od 2,5 mm navzgor). V notranjosti nameščen peresni absorbent tesno obdaja delovni kanal, izdelan iz toplotno prevodne kovine.

Skoraj brezhibno izolacijo ustvarja vakuumski prostor znotraj steklene posode. Absorbent prenaša absorbirano toploto brez izgub in zagotavlja sistemu izkoristek do 77%.

V primeru okvare so kolektorji, opremljeni s peresnimi cevmi, predmet popravila. Ni treba zamenjati celotnega sistema, dovolj je, da se odkrije poškodovani sklop, ga demontira in na njegovo mesto namesti novega.

Modeli s peresnim elementom so nekoliko dražji od koaksialnih, vendar zaradi visoke učinkovitosti zagotavljajo popolno udobje v prostoru in se hitro povrnejo.

Najbolj učinkovite in produktivne so peresne cevi z notranjimi pretočnimi kanali. Njihov dejanski izkoristek včasih doseže rekordnih 80%.

Pri montaži peresnih cevi v okvir se na steblo vsakega dela namesti trda stiskalna matica z obročem in toplotno odpornim tesnilom. To zagotavlja tesnost celotne konstrukcije in omogoča kolektorju popolno delovanje v vseh pogojih.

Cena izdelkov je precej visoka, pri izvajanju popravila pa je treba iz sistema izpustiti vso toplotno tekočino in šele nato pristopiti k odpravljanju napak.

Kakšen naj bo toplotni zbiralnik?

Toplotni zbiralnik je še en zelo pomemben delovni element vakuumskega kolektorja. S pomočjo tega sklopa se izvaja prenos akumulirane toplote iz cevi na toplotni nosilec.

Toplotni zbiralnik se nahaja v zgornjem delu naprave. Eden od njegovih komponent, bakreno jedro, sprejema energijo in jo prenaša na glavni toplotni nosilec, ki kroži v zaprtem sistemu »izmenjevalnik toplote rezervoarja-kolektorja«.

Pravilno delovanje zagotavlja cirkulacijska črpalka, priključena na sistem. Avtomatika, ki upravlja grelni sklop, natančno spremlja raven temperature v kanalih in v primeru, da pade pod dopustni kritični minimum (na primer ponoči), ustavi delovanje črpalke.

To omogoča preprečevanje povratnega ogrevanja, ko toplotni nosilec začne jemati toploto tople vode, ki se je nabrala v zbiralnem rezervoarju.

Prednosti in slabosti kolektorjev vakuumskega tipa

Kot glavno prednost naprav navajajo skoraj popolno odsotnost toplotnih izgub med delovanjem. To zagotavlja vakuumsko okolje, ki je eden najkakovostnejših naravnih izolatorjev. Toda s tem se seznam prednosti ne konča.

Naprave imajo tudi druge izrazite prednosti:

• učinkovitost delovanja pri nizkih temperaturnih vrednostih (do -30 °C);
• sposobnost akumuliranja temperature do 300 °C;
• največja možna absorpcija toplotne energije, vključno z nevidnim spektrom;
• obratovalna stabilnost;
• nizka občutljivost na agresivne atmosferske vplive;
• majhna vetrovnost, ki jo določajo konstrukcijske značilnosti cevnih sistemov, ki lahko skozi sebe prepuščajo zračne mase različne gostote;
• visoka raven učinkovitosti v regijah z zmernim in hladnim podnebjem z majhnim številom jasnih in sončnih dni;
• trajnost ob upoštevanju osnovnih pravil uporabe;
• dostopnost za popravilo in možnost zamenjave ne celotnega sistema, ampak samo enega okvarjenega dela.

Med slabosti štejemo nezmožnost kolektorjev za samočiščenje od ivja, ledu, snega ter visoko ceno sestavnih delov, potrebnih za sestavo agregata v domačih pogojih.

Sončni kolektor je učinkovita naprava, ki omogoča skoraj brez izgub pretvorbo sončne energije v toplotno.

Sestavljanje enote z lastnimi rokami

Postopek sestavljanja vakuumskega kolektorja se začne z izdelavo nosilnega okvirja za delovne elemente. Namesti se ga takoj na mestu, ki je določeno za agregat.

Velikost in dimenzije okvirja sta popolnoma odvisni od modela, ki ga nameravate izdelati, in sta običajno navedeni v navodilih, ki so med spremno dokumentacijo komponent.

Končani okvir za kolektor se pritrdi na streho tako, da zavzame natančen položaj in se ne ziba. Če je streha objekta iz skrilavca, se uporabi letveni les in debele vijake velikega kalibra. Za druge kritine se uporabi običajna sidra.

Mesta stika okvirja s površino strehe dodatno zatesnijo s tesnilno maso, da v prihodnosti skozi odprtine v hišo ne bi vdirala voda. Nato na mesto montaže dostavijo zbiralni rezervoar in ga z vijaki pritrdijo na zgornji del okvirja.

V naslednjem koraku sestavijo grelni element, temperaturni senzor in avtomatski odzračevalnik. Vse pomožne sklope in pripadajoče dele namestijo na priložene blažilne podloge. Za pritrditev temperaturnega senzorja uporabijo obročasti ključ.

Nato uredijo dovod vodovodnih napeljav. V ta namen uporabijo cevi iz katerega koli materiala, odpornega na nizke temperature in sposobnega prenesti do 95 °C. Dobro so se izkazale polipropilenske cevi in fitinzi.

Cevi iz polipropilena so idealne za povezavo sončnega kolektorja z vodovodnim sistemom stanovanjskega prostora. Armatura ima dobre fizikalne lastnosti in operativno vzdržljivost, zanesljivo deluje več let in jo je enostavno zamenjati, če pride do razpok ali raztrganin.

Po priključitvi vodovoda napolnite akumulacijski rezervoar z vodo in preizkusite njegovo tesnjenje. Če se v 3–4 urah kje pojavijo puščanja, jih odpravite.

Na koncu namestite grelne elemente. Za to bakreno cev ovijte z aluminijasto folijo in jo vstavite v stekleno vakuumsko cev. Na spodnji del bučke namestite fiksirno skodelico in zaščitni pokrov iz trpežne, gibke gume.

Zgornjo bakreno konico cevi do konca vstavite v medeninasti kondenzator. Viskoznega termokontaktnega maziva s cevi ne odstranjujte. Zaskočite fiksirni mehanizem na nosilcu in po istem principu namestite vse preostale steklene cevi.

Cevni sončni kolektorji potrebujejo redno vzdrževanje in obvezno čiščenje, zlasti v obdobju aktivnega sneženja. Če upoštevate ta preprosta pravila, bodo delovali dolgo in ohranili visoko raven učinkovitosti skozi celotno življenjsko dobo.

Na konstrukcijo namestite montažni blok, nanj priključite električno napajanje 220 voltov in na sistem priključite tri pomožne bloke – grelni element, odzračevalnik in temperaturni senzor.

Nazadnje priključite krmilnik, namenjen pravilnemu upravljanju kompleksa. V meniju krmilnika vnesite želene delovne parametre in zaženite sistem v standardnem načinu.

Navodila po korakih za izdelavo sončnega kolektorja so navedena v tem članku.

Kako pravilno namestiti napravo?

Da bi vakuumski kolektor lahko polno deloval in učinkovito oskrboval stanovanjski prostor s potrebno energijo, je treba zanj najti najprimernejše mesto in napravo pravilno usmeriti glede na smeri neba.

Sončni kolektorji vakuumskega tipa so veliko bolj praktični kot njihovi ploščati analogi. Ko katera od delovnih cevi poškoduje in odpove, jo je zelo enostavno zamenjati z novo. Po tem sistem še naprej deluje v enakem načinu. Če takoj ni mogoče namestiti novega elementa na mesto poškodovanega, nič hudega. Agregat bo lahko opravljal svoje 'dolžnosti', tudi če ima na voljo sklop s poškodovanim elementom.

Za naseljena območja severne poloble je smiselno namestiti kolektor na južni del strehe hiše ali na sončno stran parcele. Priporočljivo je zagotoviti minimalno odstopanje ravnine naprave.

Če ni možnosti usmeriti površine proti jugu, je treba med zahodom in vzhodom izbrati najbolj svetel kot na odprtem prostoru.

Visoka delovna učinkovitost kolektorja vakuumskega tipa je pogojena tudi s tem, da deluje po načelu ogledala in izenačuje svojo toplotno moč glede na trenutno višino sonca.

Dimniki, dekorativni fragmenti strešne kritine, razvejane veje dreves in visoka stanovanjska ali tehnična poslopja ne smejo zakrivati energijskega sončnega kompleksa. To bo znižalo učinkovitost delovanja in zmanjšalo stopnjo segrevanja delujočih elementov.

Če je agregat pravilno nameščen, bo zagotavljal praktično enako oddajanje toplote skozi vse leto, ne glede na sezono.

Če ni veliko izkušenj z izvajanjem zahtevnih popravljalnih, montažnih in ključavničarskih del, je neracionalno izvajati vakuumiranje cevi v domačih pogojih. Ta postopek je zelo delovno intenziven in zahteva posebno znanje ter specializirano opremo.

Poleg tega imajo elementi vakuumskega tipa, izdelani samostojno, veliko nižjo stopnjo izkoristka kot tovarniški deli. Zato je najbolj smiselno kupiti izdelke pri specializiranem proizvajalcu, nato pa doma poskusiti sestaviti več sekcij.

Na spletni strani je izbor člankov o ureditvi sončnega ogrevalnega sistema, priporočamo, da si jih ogledate:

1. Solarni ogrevalni sistemi: analiza tehnologij za ureditev ogrevanja na osnovi heliosistemov
2. Ogrevanje zasebne hiše s sončnimi baterijami: sheme in naprava
3. Fleksibilne sončne baterije: vrste, značilnosti + posebnosti priključitve

Zaključki in koristen video na to temo

Podroben, natančen opis vakuumske cevi, načela njenega delovanja in posebnosti delovanja sončnega kolektorja na splošno. Avtor govori o nekaterih zanimivih niansah in kaže, da lahko namestitev postane resnična alternativa plinskemu kotlu.

Zanimive informacije o delovanju sončnega kolektorja v zimskem obdobju.

Kako pravilno namestiti vakuumski sončni kolektor z lastnimi rokami v domačih pogojih. Vse nianse postopka, priporočila in koristni nasveti.

Če poznate osnovno načelo delovanja cevnega vakuumskega sončnega kolektorja, lahko agregat sestavite sami. Namestitev bo popolnoma ustrezala osebnim individualnim zahtevam in potrebam.

To ni preveč težka dejavnost, vendar zahteva povečano pozornost, skrbnost in določene veščine, sicer se tveganje poškodbe celovitosti cevi in kršitve njene tesnosti znatno poveča.

Vsem, ki jih zanima izbira, namestitev ali samostojna sestava sončnega kolektorja, predlagamo, da pustite komentarje in postavljate vprašanja. Obrazec za stike se nahaja v spodnjem bloku.