Вакуумний сонячний колектор: класифікація

Вакуумний сонячний колектор має значно менші теплові втрати у навколишнє середовище, оскільки вакуум є ідеальним утеплювачем. Однак досить складно зробити вакуум, а точніше розріджене повітря з меншим тиском атмосферного, і утримати його в сонячному колекторі з часом експлуатації. Як правило, у промисловості значення тиску не повинно перевищувати 300 мбар.

Плоский вакуумний сонячний колектор

У плоских сонячних колекторах проблематично досягти герметичності для утримання вакууму через великий об’єм та конструкцію корпусу. Також існує проблема прогину скла. Для вирішення проблеми використовують додаткові опорні стійки, що призводять до небажаного часткового затінення.

Плоский вакуумний сонячний колектор

Трубчастий вакуумний сонячний колектор

Трубчаста форма у вигляді колби оптимальна для створення та утримання вакууму. Саме тому найбільшого поширення у побутовому секторі набули саме вакуумні трубчасті сонячні колектори. Тому в цій статті йтиметься про них.

Трубчастий вакуумний сонячний колектор – загальна класифікація

Найбільш поширені вакуумні сонячні трубчасті колектори можна класифікувати за двома основними конструктивними особливостями скляних трубок і теплового каналу, які використовуються як абсорбер сонячного колектора:

• за типом скляної трубки;
• за типом теплового каналу.

Розглянемо класифікацію за типом скляної трубки. Її так само можна розділити на два основні типи конструкції:

• коаксіальна трубка;
• пір’яна трубка.

Коаксіальна трубка фактично є термосом з подвійною скляною колбою. В просторі між трубками відкачано повітря (створений вакуум). На стінці внутрішньої трубки нанесено поглинаюче покриття, тому передача тепла походить від поверхні скла.

Пір’яна трубка являє собою одностінну скляну колбу. Вакуум знаходиться у просторі теплового каналу, в цих трубках частина теплового каналу та абсорбера інтегрована всередині самої колби.

Приклади пір’яних трубок

За типом теплового каналу сонячні вакуумні колектори можна розділити на два типи:

• тепловий канал типу Heat pipe;
• прямоточний тепловий канал.

Сонячний вакуумний колектор з трубкою типу «Heat pipe» також відомі під назвою теплова труба, займає більшу частину ринку вакуумних сонячних колекторів. Принцип роботи заснований на тому, що в закритих трубках з теплопровідного металу (міді або алюмінію) знаходиться рідина, що легко випаровується, перенесення тепла відбувається за рахунок того, що рідина нагріваючись під дією сонячного випромінювання, випаровується на нижній частині трубки, поглинає теплоту випаровування і конденсується у верхній частини (теплозбірник), а потім знову перетікає вниз і процес повторюється. Теплоносій через поглинач відбирає тепло, що виділяється.

Схема роботи теплової трубки у вакуумному сонячному колекторі

Конструктивна особливість сонячного колектора з тепловою трубкою

У вакуумних трубчастих сонячних колекторах з прямоточним каналом теплоносій безпосередньо протікає та нагрівається у кожній із трубок колектора.

Конструктивна особливість сонячного колектора із прямоточним тепловим каналом

Поєднання різних типів теплових каналів та скляних трубок

Розглянемо докладніше можливі конфігурації вакуумних сонячних колекторів. Вакуумна коаксіальна трубка може поєднуватися з тепловим каналом типу Heat pipe. Даний сонячний колектор є найбільш поширеним через свою дешевизну та простоту заміни пошкоджених трубок.

Вакуумна коаксіальна трубка у поєднанні з тепловим каналом “Heat pipe”

1-зовнішня скляна колба, 2-високоселективне поглинаюче покриття, 3-алюмінієве ребра, 4-вакуумний прошарок, 5-тепловий канал з рідиною, що легко випаровується, 6-внутрішня скляна колба.

Ці колектори мають досить складний процес передачі тепла. Тепло передається кілька разів, від скла до алюмінієвого ребра потім від алюмінію до самої теплової трубки і тільки потім передається теплоносія геліосистеми. Тому в поєднанні з круглою формою абсорбера, ефективність сонячного колектора цього типу посередня. Показники максимального ККД (оптичного ККД η₀) колектора до 65%.

Коаксіальна вакуумна трубка також може бути використана для колектора з прямоточним тепловим каналом. Даний тип сонячного вакуумного колектора отримав назву колектор з U-подібною трубкою.

Вакуумна коаксіальна трубка з прямоточним тепловим каналом

1-зовнішня скляна колба, 2-високолективне поглинаюче покриття, 3-алюмінієва вставка, 4-тепловий канал з теплоносієм, 5-вакуумний прошарок, 6-внутрішні скляні колби.

Даний вакуумний сонячний колектор за рахунок зменшення кількості теплопередач (теплота від алюмінієвого шару передається відразу трубкам, в яких циркулює теплоносій геліосистеми), має максимальний ККД до 76%. Недоліком може бути те, що при певному характері пошкодження заміни може вимагати весь сонячний колектор, а не лише колба.

Пір’яна трубка так само може поєднуватися з тепловим каналом «Heat pipe».

Пір’яна трубка з тепловим каналом типу “Heat pipe”

1-скляна колба, 2-вакуумний прошарок, 3-мідний абсорбер з високоселективним покриттям, 4-тепловий канал з рідиною, що легко випаровується.

Дані сонячні вакуумні трубчасті колектори мають вищі оптичні характеристики, ніж колектори з коаксіальною трубкою. У деяких виробників значення максимального ККД сягає 77%. Цьому сприяють деякі конструктивні особливості: плоский абсорбер із безпосередньою передачею теплоти тепловій трубці, а також один шар скла, що значно зменшує відбиття сонячного випромінювання. Також зручним є процес заміни пошкоджених трубок, що не вимагає заміни всього колектора і зливання теплоносія всієї геліосистеми.

Пір’яна трубка з прямоточним тепловим каналом

1-скляна колба, 2-вакуумний прошарок, 3-мідний абсорбер з високоселективним покриттям, 4- внутрішній тепловий канал з теплоносієм (що подає), 5-зовнішній тепловий канал з теплоносієм (нагрівається).

Схема циркуляції теплоносія у вакуумному колекторі з пір’яною трубкою та прямоточним тепловим каналом

Такий вакуумний сонячний колектор має максимальний КПД до 80%. Надоліком є необхідність зливати теплоносій усієї геліосистеми при заміні пошкоджених трубок. Так само ці колектори мають досить високу ціну.