Вакуумні сонячні колектори і їх класифікація

15/07/2018

Вакуумні сонячні колектори - найбільш ефективний вид гелоустановок. Це пов'язано з тим, що їх конструкція дозволяє звести тепловтрати до мінімуму.

Конструкція вакуумного сонячного колектора - це ряд паралельних рядів прозорих трубчастих профілів. Вакуумні трубки - основний робочий елемент колектора. Їх традиційно виготовляють з боросилікатного скла. З одного боку - воно дуже міцне, його важко не те, що розбити, але і навіть подряпати. З іншого боку, воно довгий час залишається прозорим, здатним без помутніння роками пропускати сонячне світло в широкому діапазоні з мінімальним коефіцієнтом відбиття.

Головна функція вакуумованої трубки - поглинути все сонячне випромінювання, що надходить ззовні, і не дати вийти йому в зовнішнє середовище. Теплова енергія може покинути робочу частину вакуумного сонячного колектора тільки двома способами - за рахунок прямої теплопередачі теплоносія або в вигляді інфрачервоного випромінювання. Другий варіант за рахунок відсутності молекул, які можуть переносити тепло, майже повністю виключений.

Вакуумна труба нагадує собою термос - в трубу з великим діаметром вставлена інша, з меншим діаметром, між ними відкачане повітря. За рахунок створення вакууму вдається отримати майже повну теплоізоляцію. Внутрішню трубу покривають особливим селективним шаром - абсорбером - який має дуже високий коефіцієнт теплопоглинання. В результаті вакуумні сонячні колектори виявляються ефективними навіть при мінусовій температурі, добре поглинаючи як пряме, так і перевідбите сонячне випромінювання. При цьому також поглинається і перетворюється в тепло інфрачервоне випромінювання, що проходить крізь хмари.

Особливості конструкції вакуумної трубки впливають на коефіцієнт поглинання, швидкість нагріву і перетворення сонячної енергії в теплову.

Залежно від конструкції і способу передачі тепла розрізняють чотири основні типи:

коаксіальна трубка (інше часто встречабщееся назва - Heat Pipe)
подвійна коаксіальна трубка
пір'яна вакуумна трубка
U-type - U-подібна вакуумна трубка

Коаксіальна трубка

Найпоширеніший і затребуваний у споживача вид вакуумних трубок. На системи з коаксіальними трубками (тепловими трубами) припадає більша частина продажів на ринку. Усередині прозорої скляної колби укладена трубка-гільза, звичайно зроблена з міді, рідше – з алюмінію. Всередині трубки знаходиться рідина, що має низьку температуру кипіння або, як варіант, вода під низьким тиском.

Під впливом сонячних променів рідина (вода), яка знаходиться всередині колби, нагрівається і закипає, пара починає підніматися вгору. По міру просування вгору вона додатково нагрівається, стикаючись з нагрітою мідною стінкою. У верхній частині системи пара надходить в теплообмінник (для його позначення часто може використовуватися англійський термін manifold - маніфолд), в якому нагріває теплоносій. Після теплообміну охолоджений пар конденсується на стінках теплообмінника і стікає вниз, після чого процес повторюється знову. Існує два способи приєднання вакуумної трубки і теплообмінника - через спеціальне гніздо, впаяні в трубний теплообмінник, або гільза охоплена самим трубним теплообмінником.

Сонячні колектори з коаксіальними трубками (система heat-pipe) мають досить високий ККД - в середньому він становить близько 65-70%. До інших переваг можна віднести їх надійність, відносно простий монтаж і високу ремонтопридатність - щоб замінити одну трубку, немає необхідності демонтувати всю систему, всі роботи можна проводити безпосередньо на місці установки сонячного колектора. Вони можуть використовуватися в високонапірних геліотермальних системах.

Спарені коаксіальні трубки

Єдина відміна від описаної вище системи - до теплообмінника підключені відразу дві мідні трубки (теплові труби) аналогічної конструкції. Спарена система, за рахунок більшої місткості і площі стінок теплообмінника дозволяє краще поглинати сонячну енергію, тим самим прискорюючи процес нагрівання води.

Пір'яна вакуумна трубка

Пір'яна вакуумна трубка - це одностінна скляна колба, у якій товщина стінок більше, ніж у коаксіальної трубки. Розташований усередині абсорбційний елемент, що виготовляється з міді, додатково по всій довжині посилюється гофрованої пластиною, яка має високорівневе енергопоглинаюче напилення. Саме через цю пластину, яка за формою нагадує перо, вакуумні трубки цього типу і отримали свою назву.

Така конструктивна особливість дозволяє вакууму розташовуватися безпосередньо в тепловому каналі, частину його інтегрується безпосередньо в колбу разом з абсорбентом. За своїм ККД пір'яні вакуумні трубки перевершують коаксіальні аналоги, але при цьому через більш складну конструкцію вони істотно дорожче. Але за рахунок більшого вироблення тепла ця різниця досить швидко окупається. До недоліків варто віднести досить складний ремонт, якщо нагрівальний елемент вийшов з ладу або порушена цілісність колби.

U-подібна вакуумна трубка

Свою назву отримала через специфічну форму прямоточного теплообмінника, який схожий на англійську букву «U». Усередині теплообмінника циркулює теплоносій. На один вхід подається рідина з магістралі з холодним теплоносієм, а другий вихід підключений до магістралі, куди подається вже нагрітий теплоносій. Який потім подається в накопичувальний бак - таким чином в системі створюється природна циркуляція. Щоб збільшити теплопоглинальні властивості трубки, на внутрішні стінки наносять спеціальне селективне напилення.

Якщо порівнювати ефективність нагріву, то у U-образних вакуумних трубок вище, ніж у коаксіальних, їх ККД може досягати майже 77%. Але маючи хорошу тепловіддачу, трубки цього типу мають ряд істотних недоліків:

велика гідравлічна опірність, колектори, побудовані на прямоточних U-трубках, не можуть функціонувати під високим тиском (примусова циркуляція), тому хорошу ефективність демонструють тільки під час теплого сезону
низька ремонтопридатність - трубки і теплообмінник представляють єдине ціле, тому при виході з ладу всього однієї трубки необхідно повністю демонтувати весь колектор - не можна окремо замінити тільки одну пошкоджену трубку. При цьому доведеться повністю злити весь теплоносій, залитий в геліосистему.

Якщо порівнювати за ефективністю, то найбільший ККД мають U-образні вакуумні трубки, трохи гірші показники у пір'яних і спарених коаксіальних, найменший ККД - у коаксіальних (Heat Pipe) трубок. При цьому розробники намагаються підвищити показники гелеосистем, за рахунок комбінації різних типів вакуумних трубок. Наприклад, високий ККД має пір'яна трубка з тепловим каналом типу "нeat pipe".

Вакуумні сонячні колектори і їх класифікація

Комментарии

Недавнее

Сотрудничество

Как нас найти