Vákuový solárny kolektor: princíp fungovania + ako ho svojpomocne zostaviť

Na prípravu teplej vody a vykurovanie priestorov sa vynakladajú nemalé prostriedky. Existuje však alternatívny zdroj energie – vákuový slnečný kolektor. Počuli ste o ňom? Umožňuje výrazne znížiť finančné náklady na udržanie komfortu, pričom zabezpečuje maximálny vykurovací účinok pri minimálnych tepelných stratách.

Toto zariadenie si môžete kúpiť od výrobcov domácej techniky alebo si ho sami zostaviť v domácich podmienkach. Aby ste vybrali vhodný model, je potrebné preštudovať si nemálo informácií. Pomôžeme vám rozhodnúť sa na základe hlavných kritérií nákupu.

V článku sa budeme venovať princípu činnosti a konštrukcii vákuového kolektora. Povieme si o konštrukčných zvláštnostiach rôznych modelov, zvážime výhody a nevýhody týchto zariadení. Navyše podrobne opíšeme, ako si solárny kolektor vyrobiť a nainštalovať svojpomocne.

Materiál je doplnený videami, z ktorých sa dozviete o dôležitých vlastnostiach a princípoch činnosti vákuových kolektorov.

Princíp činnosti vákuového zariadenia

Od bežných heliosystémov sa vákuový slnečný kolektor odlišuje spôsobom spracovania slnečnej energie. Klasická batéria jednoducho prijíma svetlo a premieňa ho na elektrinu. Kolektor však pozostáva zo sklenených trubíc s vytvoreným vákuom vo vnútri. Do jedného systému sú spojené prostredníctvom špeciálnych spojovacích uzlov.

Vo vnútri každej trubice sa nachádza kanál z jednej alebo dvoch medených tyčí s teplonosným médiom. Zachytávaním slnečných lúčov pracovný prvok ohrieva teplonosné médium, čím zabezpečuje činnosť kolektora.

Vďaka takejto konštrukcii sa úroveň energetického výdaja výrazne zvyšuje a tepelné straty sa podstatne znižujú, pretože vákuová vrstva umožňuje uchovať približne 95 % zachytenej slnečnej energie.

Vákuový solárny kolektor umiestnený na streche rodinného domu bude po celý rok zásobovať obyvateľov teplou vodou a v chladnom období umožní komfortne vykurovať priestor bez vynaloženia veľkých finančných prostriedkov.

Okrem toho sa znižuje závislosť výkonu kolektora od sezónnosti, teploty okolia a rôznych poveternostných podmienok, ako sú nárazy vetra, premenlivá oblačnosť, výskyt zrážok a pod.

Ako je skonštruovaný kolektor vákuového typu?

Moderné vákuové zariadenia, ktoré zabezpečujú priestory teplom a teplou vodou pomocou slnečnej energie, sa technologicky líšia.

Kolektory sa delia na tieto druhy:

• rúrkový bez skleneného ochranného krytu;
• modul so zníženou konverziou;
• štandardný plochý variant;
• zariadenie s priehľadnou tepelnou izoláciou;
• vzduchový agregát;
• plochý vákuový kolektor.

Vákuový solárny kolektor je schopný zabezpečiť dodávku teplej vody a vykurovanie v každom ročnom období a za každého počasia (+)

Všetky majú spoločnú konštrukčnú podobu, a to pozostávajú z:

• vonkajšej priehľadnej trubice, z ktorej je úplne odčerpaný vzduch;
• ohrievanej prípojky umiestnenej vo veľkej trubici, kde sa pohybuje kvapalné alebo plynné teplonosné médium;
• jedného alebo dvoch zberných rozdeľovačov, ku ktorým sa pripájajú rúry väčšieho kalibru a vstupuje cirkulačný okruh tenkých trubíc umiestnených vo vnútri.

Celá konštrukcia pripomína termosku s priehľadnými stenami, v ktorej je dosiahnutá bezprecedentne vysoká úroveň tepelnej izolácie. Vďaka tejto vlastnosti získava teleso vnútornej trubice schopnosť kvalitne sa zohriať a plnohodnotne odovzdávať energetický zdroj cirkulujúcemu teplonosnému médiu.

Konštrukčné nuansy a klasifikácia

Kolektory vákuového typu sa klasifikujú podľa druhu sklenených trubíc inštalovaných v konštrukcii, alebo podľa charakteristík tepelných kanálov. Trubice sú zvyčajne koaxiálne a perové, a tepelné kanály sú U-tvaru priamočiare a typu heat pipe.

Charakteristika koaxiálnych trubíc

Koaxiálne trubice predstavujú dvojitú sklenenú banku-termosku s umelo vytvoreným vákuovým priestorom medzi stenami. Vnútorný povrch trubice má vrstvu špeciálneho tepelne pohlcujúceho náteru, preto k skutočnému prenosu tepla dochádza priamo od stien sklenenej banky.

Koaxiálne trubice sa vyrábajú z vysoko pevného skla na báze borosilikátov, ktoré má vysokú priepustnosť svetla. Prvky, v závislosti od výrobcu, majú až tri vrstvy magnetrónového nanášania, vykazujú vynikajúcu pevnosť a odolnosť voči rôznym atmosférickým javom (dážď, krúpy a pod.), odolávajú tlaku 1 MPa a spoľahlivo slúžia po dobu 15 rokov.

Ako absorpčný prvok sa do sklenenej trubice vkladá medená trubica obsahujúca éterovú zmes. Počas zahrievania sa odparuje, účinne odovzdáva svoje teplo, kondenzuje a steká na spodnú časť trubice. Potom sa cyklus opakuje, čím sa vytvára nepretržitý proces výmeny tepla.

Vlastnosti pérových trubíc

Vákuové perové trubice majú väčšiu hrúbku stien ako koaxiálne a pozostávajú nie z dvoch, ale z jednej banky. Vnútorný absorpčný prvok z medi je po celej dĺžke vybavený pevným zosilňovačom – vlnitou doskou s vysokoúrovňovým energeticky pohlcujúcim náterom.

Vďaka takejto konštrukčnej vlastnosti je vákuum umiestnené priamo v tepelnom kanáli, ktorého časť je spolu s absorbentom integrovaná priamo do banky.

Perová vákuová trubica vnútri obsahuje dosku, ktorá svojim tvarom pripomína pero. Úrovňou účinnosti prekračuje možnosti svojho koaxiálneho analógu, ale má výrazne vyššiu cenu a ťažko sa vymieňa v prípade porušenia celistvosti banky alebo poruchy vykurovacieho prvku.

Kolektory vyrobené na báze perových vákuových trubíc sú považované za najúčinnejšie vo svojej triede, výborne si poradia so zadanými úlohami a spoľahlivo slúžia po mnoho rokov.

Princíp činnosti tepelného kanála heat pipe

Tepelné kanály heat pipe pozostávajú z uzavretých rúrok obsahujúcich ľahko odpariteľnú kvapalinu. Pod vplyvom slnečných lúčov sa ohrieva, presúva sa do hornej časti kanála a sústreďuje sa tam v špeciálnom tepelnom kolektore (manifold).

Pracovná kvapalina v tomto okamihu odovzdáva všetko nahromadené teplo a opäť klesá dole, aby proces pokračoval.

Puzdro výmenníka tepla heat-pipe sa spája s výmenníkom tepla manifolda pomocou špeciálneho lôžka, ktoré je prispájkované do samotného 1-rúrkového výmenníka tepla, alebo je obtočené 2-rúrkovým výmenníkom tepla.

Pracovný prvok tepelného kanála heat pipe sa vyrába z medi, v zriedkavejších prípadoch z hliníka. Vykazuje vysokú odolnosť voči prevádzkovým zaťaženiam, spoľahlivo slúži po dobu 15 rokov, má primeranú cenu a je jedným z najobľúbenejších prvkov moderných vákuových solárnych systémov rúrkového typu.

Uvoľnenú energiu z tepelného zásobníka odoberá teplonosné médium a prenáša ju ďalej po systéme, čím zabezpečuje prítomnosť teplej vody v kohútikoch a vykurovacích telesách. Systém heat pipe sa ľahko montuje a vykazuje vysokú účinnosť pri prevádzke.

Kolektory vybavené vákuovými rúrkami heat pipe sa vyznačujú dobrou úrovňou spoľahlivosti a sú vhodné na použitie nielen v domácnosti, ale aj vo vysokotlakových solárno-termálnych systémoch.

V prípade poruchy alebo zlyhania je bez akýchkoľvek ťažkostí možné vymeniť poškodený uzol za nový bez nutnosti rekonštrukcie celého systému.

Opravy je možné ľahko vykonať priamo na mieste umiestnenia kolektora bez demontáže zariadenia a bez vynaloženia zbytočného úsilia.

Opis priamoprúdového výmenníka tepla tvaru U

Rúrka prietokového výmenníka tepla má tvar písmena U. Vo vnútri cirkuluje voda alebo pracovné teplonosné médium vykurovacieho systému. Jedna časť prvku je určená pre studené teplonosné médium a druhá správne odvádza už zohriate médium.

Pri zahrievaní sa pracovná látka rozpína a vstupuje do zásobníka, čím vytvára prirodzenú cirkuláciu kvapaliny v systéme. Špeciálny selektívny povlak nanesený na vnútorné steny zvyšuje schopnosť pohlcovania tepla a zvyšuje celkovú účinnosť systému.

V porovnaní s rúrkami heat-pipe typu majú U-tvaré výrobky väčší hydraulický odpor, kladú zvýšené nároky na teplonosné médium a sú podstatne drahšie. Kolektory fungujúce na prietokových U-rúrkach nemôžu pracovať pod vysokým tlakom a zabezpečujú kvalitný prenos tepla iba počas teplého obdobia.

Rúrky typu U vykazujú vysokú produktivitu a poskytujú solídny prenos tepla, ale majú jednu podstatnú nevýhodu. Tvoria jeden celistvý celok s manifoldom a vždy sa montujú spolu s ním.

Jednotlivú rúrku, ktorá zlyhala, nebude možné vymeniť. Na opravu bude potrebné celý komplex kompletne demontovať a na jeho miesto nainštalovať nový.

Porovnanie rôznych modifikácií

Pri výrobe solárnych agregátov sa tepelné kanály a vákuové sklené rúrky pre slnečné kolektory kombinujú v najrôznejších kombináciách.

Najväčšej obľube medzi spotrebiteľmi sa tešia koaxiálne modely s tepelným kanálom heat pipe. Zákazníkov priťahuje priaznivá cena zariadení a veľmi jednoduchá, dostupná údržba počas celej doby prevádzky.

Vákuový slnečný kolektor s pracovným kanálom heat pipe sa dá výborne opraviť. Výmena poškodených rúrok sa vykonáva na mieste a nevyžaduje demontáž systému ani jeho presun na iné miesto. Avšak výmena tepla v týchto modeloch prebieha zložito, v dôsledku čoho účinnosť na výstupe nepresahuje 65 %.

Vákuové zariadenia s kanálmi heat pipe vykazujú vysokú spoľahlivosť a nemajú žiadne obmedzenia pri použití ani vo vysokotlakových heliotermálnych komplexoch.

Zariadenia s koaxiálnou bankou, obsahujúce priamočiare kanály tvaru U, tiež patria do zoznamu žiadaných. Charakterizujú ich parametre ako nízka tepelná strata a účinnosť od 70 % a viac.

Pre správne fungovanie je potrebné vákuové zariadenie s U-kanálom správne nainštalovať. Je žiaduce, aby minimálny uhol sklonu bol aspoň 20⁰. Len v takomto prípade bude možné zabezpečiť maximálny výkon.

Situáciu trochu kazí: zložitý proces opravy, špecifická údržba počas prevádzky a nemožnosť vymeniť jednotlivú poškodenú jednotku. Ak sa so zariadením niečo stane, demontuje sa a na jeho miesto sa nainštaluje úplne nový kolektor.

Perové rúrky konštrukčne predstavujú jediný sklený valec so zosilnenými pevnými stenami (v závislosti od výrobcu od 2,5 mm a viac). Vnútorná vložka z perového absorbéra tesne obklopuje pracovný kanál vyrobený z tepelne vodivého kovu.

Takmer dokonalú izoláciu vytvára vákuový priestor vo vnútri sklenenej nádoby. Absorbér odovzdáva absorbované teplo bez strát a zabezpečuje systému účinnosť až 77 %.

V prípade poruchy sú kolektory vybavené perovými rúrkami opraviteľné. Nie je potrebné meniť celý systém, stačí nájsť poškodený uzol, demontovať ho a na toto miesto vložiť nový.

Modely s perovým prvkom sú o niečo drahšie ako koaxiálne, ale vďaka vysokej účinnosti zabezpečujú plnohodnotný komfort v miestnosti a rýchlo sa vrátia.

Najefektívnejšie a najvýkonnejšie sú perové banky s vnútornými priamoprúdovými kanálmi. Ich skutočná účinnosť niekedy dosahuje rekordných 80 %.

Pri montáži perových rúrok do rámu sa na tyč každého dielu nasadí pevná lisovacia matica s krúžkom a tepelne odolným tesnením. To zaisťuje tesnosť celej konštrukcie a umožňuje kolektoru plnohodnotne fungovať v akýchkoľvek podmienkach.

Cena výrobkov je pomerne vysoká a pri oprave je nevyhnutné vypustiť z celého systému všetku teplonosnú kvapalinu a až potom začať s odstraňovaním porúch.

Aký by mal byť tepelný zberač?

Teplozberač je ďalší veľmi dôležitý pracovný prvok vákuového kolektora. Prostredníctvom tohto uzla dochádza k prenosu nahromadeného tepla z rúrok na teplonosné médium.

Teplozberač je umiestnený v hornej časti zariadenia. Jeden z jeho komponentov, medené jadro, prijíma energiu a odovzdáva ju hlavnému teplonosnému médiu cirkulujúcemu v uzavretom systéme "výmenník tepla nádrž-kolektor".

Správnu činnosť zaručuje k systému pripojené cirkulačné čerpadlo. Automatika riadiaca vykurovací komplex starostlivo sleduje úroveň teploty v kanáloch a v prípade jej poklesu pod prípustné kritické minimum (napr. v nočných hodinách) zastaví prevádzku čerpadla.

To umožňuje vyhnúť sa spätnému ohrevu, keď teplonosné médium začne odoberať teplo horúcej vody nahromadenej v zásobníku.

Výhody a nevýhody kolektorov vákuového typu

Hlavnou výhodou zariadení je takmer úplná absencia tepelných strát počas prevádzky. To zabezpečuje vákuové prostredie, ktoré je jedným z najkvalitnejších prírodných izolantov. Tým však zoznam výhod nekončí.

Zariadenia majú aj ďalšie výrazné plusy:

• efektívnosť práce pri nízkych teplotných ukazovateľoch (do -30 °C);
• schopnosť akumulovať teplotu až do 300 °C;
• maximálne možné pohltenie tepelnej energie vrátane neviditeľného spektra;
• prevádzková odolnosť;
• nízka náchylnosť na agresívne atmosférické prejavy;
• malá veternosť, spôsobená konštrukčnými osobitosťami rúrkových systémov, schopných prepúšťať cez seba vzdušné hmoty rôznej hustoty;
• vysoká úroveň efektívnosti v regiónoch s miernou a chladnou klímou s malým množstvom jasných a slnečných dní;
• trvanlivosť pri dodržiavaní základných pravidiel prevádzky;
• dostupnosť pre opravu a možnosť meniť nie celý systém, ale len jeden vyradený fragment.

K nedostatkom patrí neschopnosť kolektorov samočistiť sa od srieňa, ľadu, snehu a vysoká cena komponentov potrebných na zostavenie agregátu v domácich podmienkach.

Slnečný kolektor – to je efektívne zariadenie, ktoré umožňuje prakticky bez strát premieňať slnečnú energiu na tepelnú

Svojpomocná montáž zariadenia

Proces zostavenia vákuového kolektora začína výrobou rámu – podložky pre pracovné prvky. Montuje sa priamo na mieste, ktoré je určené pre agregát.

Rozmer a rozmery rámu úplne závisia od modelu, ktorý sa plánuje vyrobiť, a zvyčajne sú uvedené v návode, ktorý sa nachádza medzi sprievodnými dokumentmi ku komponentom.

Hotový rám pre kolektor sa upevňuje na streche tak, aby zaujal pevnú polohu a nekýval sa. Ak je strecha budovy bridlicová, použije sa latový trám a veľkokalibrové hrubé skrutky. Pre iné strešné materiály sa používajú bežné kotvy.

Miesta dosadania rámu na povrch strechy sa dodatočne fixujú tmelom, aby v budúcnosti cez otvory do domu neprenikala voda. Potom sa na miesto montáže dopraví akumulačná nádrž a skrutkami sa pripevní na hornú časť rámu.

V ďalšej etape sa montuje vyhrievacie teleso, teplotný senzor a automatický odvzdušňovač. Všetky pomocné uzly a súvisiace diely sa umiestňujú na priložené zmäkčovacie podložky. Na upevnenie teplotného senzora sa používa čelný kľúč.

Ďalej sa zabezpečuje prívod vodovodných komunikácií. Na tento účel sa používajú rúry z ľubovoľného materiálu, odolného voči nízkym teplotným ukazovateľom a schopného vydržať až do 95 °C. Dobre sa osvedčili polypropylénové rúry a armatúry.

Polypropylénové rúry sú ideálne na prepojenie solárneho kolektora s vodovodným systémom obytných priestorov. Armatúra má dobré fyzikálne vlastnosti a prevádzkovú odolnosť, spoľahlivo slúži po mnoho rokov a ľahko sa vymieňa v prípade prasklín alebo roztrhnutí.

Po pripojení vodovodu naplnia zásobník vodou a otestujú tesnosť. Ak sa počas 3-4 hodín niekde zistia úniky, odstránia sa.

Na konci sa inštalujú vyhrievacie prvky. Za týmto účelom sa medená trubica obalí hliníkovým plechom a vloží sa do sklenenej vákuovej trubice. Zospodu sa na banku nasadí fixačný pohárik a prachovka z pevnej, pružnej gumy.

Horný medený hrot trubice sa zasunie až na doraz do mosadzného kondenzátora. Viskózne termokontaktné mazivo sa z rúrok neodstraňuje. Zacvakne sa fixačný mechanizmus na konzole a rovnakým princípom sa namontujú všetky zvyšné sklenené trubice.

Rúrkové solárne kolektory potrebujú pravidelnú údržbu a povinné čistenie, najmä v období aktívneho sneženia. Ak sa dodržiavajú tieto jednoduché pravidlá, budú pracovať dlho a zachovajú si vysokú úroveň účinnosti počas celej doby životnosti.

Na konštrukciu sa umiestni montážny blok, privedie sa k nemu elektrické napájanie 220 voltov a pripoja sa k systému tri pomocné bloky – vyhrievacie teleso, odvzdušňovač a teplotný senzor.

Ako posledný sa pripojí regulátor určený na správne riadenie komplexu. Do menu regulátora sa zadajú požadované pracovné parametre a systém sa spustí v štandardnom režime.

Podrobný návod na stavbu solárneho kolektora je uvedený v tomto článku.

Ako správne umiestniť zariadenie?

Aby vákuový kolektor mohol plnohodnotne pracovať a efektívne zásobovať obytný priestor potrebnou energiou, je potrebné nájsť preň najvhodnejšie miesto a správne orientovať zariadenie voči svetovým stranám.

Solárne kolektory vákuového typu sú oveľa praktickejšie ako ich ploché náprotivky. Keď niektorá z pracovných trubíc utrpí poškodenie a zlyhá, dá sa veľmi ľahko vymeniť za novú. Potom bude systém fungovať ďalej v pôvodnom režime. Ak nie je hneď možné dať nový prvok na miesto poškodeného, nevadí. Agregát bude schopný plniť svoje „povinnosti“, aj keď bude mať uzol s poškodeným prvkom.

Pre obývané oblasti severnej pologule je vhodné umiestniť kolektor na južnú časť strechy domu alebo na slnečnú stranu pozemku. Odporúča sa zabezpečiť pre rovinu zariadenia minimálnu odchýlku.

Ak nie je možnosť nasmerovať povrch na juh, je vhodné vybrať spomedzi západu a východu čo najsvetlejší uhol na otvorenom priestranstve.

Vysoká pracovná účinnosť kolektora vákuového typu je spôsobená aj tým, že funguje na princípe zrkadla. Svoj tepelný výkon vyrovnáva na základe aktuálnej výšky slnka.

Energetický slnečný komplex by nemali zakrývať komíny, dekoratívne fragmenty strešnej krytiny, rozložité konáre stromov a vysoké obytné alebo technické budovy. To zníži účinnosť práce a zmenší úroveň ohrevu aktívnych prvkov.

Ak je agregát umiestnený správne, zabezpečí prakticky rovnaký tepelný výkon počas celého roka, bez ohľadu na sezónu.

Ak nemáte veľa skúseností s vykonávaním zložitých opráv, montážnych a zámočníckych prác, nie je racionálne vykonávať vákuovanie rúrok v domácich podmienkach. Tento proces je veľmi náročný na prácu a vyžaduje špeciálne znalosti a špecializované vybavenie.

Okrem toho, prvky vákuového typu vyrobené svojpomocne majú oveľa nižšiu úroveň účinnosti ako továrenské diely. Preto je najrozumnejšie zakúpiť produkt od špecializovaného výrobcu a potom sa doma pokúsiť zostaviť niekoľko sekcií.

Na stránke je výber článkov o zariadení slnečného vykurovacieho systému, odporúčame si ich prečítať:

1. Solárne vykurovacie systémy: rozbor technológií zriadenia vykurovania na báze solárnych systémov
2. Kúrenie súkromného domu solárnymi panelmi: schémy a zariadenie
3. Flexibilné solárne batérie: druhy, charakteristiky + vlastnosti pripojenia

Závery a užitočné video k téme

Podrobný, detailný opis vákuovej trubice, princípu jej práce a vlastností fungovania slnečného kolektora ako celku. Autor hovorí o niektorých zaujímavých nuansách a ukazuje, že inštalácia sa môže stať reálnou alternatívou k plynovému kotlu.

Zaujímavé informácie o práci slnečného kolektora v zimnom období.

Ako správne namontovať vákuový slnečný kolektor vlastnými rukami v domácich podmienkach. Všetky nuansy procesu, odporúčania a užitočné rady.

Keď poznáte základný princíp práce rúrkového vákuového slnečného kolektora, môžete zostaviť agregát svojpomocne. Inštalácia bude plne vyhovovať osobným individuálnym požiadavkám a potrebám.

Nie je to príliš náročná činnosť, vyžaduje si však zvýšenú pozornosť, dôslednosť a určité zručnosti, inak riziko poškodenia celistvosti banky a narušenia jej tesnosti výrazne stúpa.

Všetkým záujemcom o otázku výberu, inštalácie alebo samostatnej montáže slnečného kolektora odporúčame zanechať komentáre a klásť otázky. Kontaktný formulár sa nachádza v dolnom bloku.