Vakuumski solarni kolektor: princip rada + kako ga sami sastaviti

Za pripremu tople vode i grijanje prostorija troše se znatna sredstva. No postoji alternativni izvor energije – vakuumski solarni kolektor. Jeste li čuli za njega? Omogućuje značajno smanjenje financijskih troškova održavanja udobnosti, pružajući maksimalan učinak grijanja uz minimalne gubitke topline.

Ovaj uređaj možete kupiti od proizvođača kućanske opreme ili ga sami sastaviti kod kuće. Kako biste odabrali prikladan model, potrebno je proučiti mnogo informacija. Pomoći ćemo vam da se odlučite prema glavnim kriterijima kupnje.

U članku će biti riječi o principu rada i konstrukciji vakuumskog kolektora. Govorit ćemo o konstrukcijskim značajkama različitih modela, razmotriti prednosti i nedostatke ovih uređaja. Osim toga, detaljno ćemo opisati kako sami izraditi i instalirati vakuumski solarni kolektor.

Materijal je popraćen videozapisima iz kojih ćete saznati o važnim značajkama i principima rada vakuumskih kolektora.

Princip rada vakuumskog uređaja

Vakuumski solarni kolektor razlikuje se od uobičajenih solarnih sustava načinom pretvorbe sunčeve energije. Klasična baterija jednostavno prima svjetlost i pretvara je u električnu energiju. Kolektor se pak sastoji od staklenih cijevi s postignutim vakuumom unutar njih. One se povezuju u jedinstveni sustav pomoću posebnih spojnih elemenata.

Unutar svake cijevi nalazi se kanal od jednog ili dva bakrena štapa s nositeljem topline. Hvatajući sunčeve zrake, aktivni element zagrijava materijal nositelja topline, čime se osigurava rad kolektora.

Zahvaljujući takvoj konstrukciji razina energetske učinkovitosti značajno raste, a gubici topline se znatno smanjuju, jer vakuumski sloj omogućuje očuvanje oko 95 % uhvaćene sunčeve energije.

Vakuumski sunčani kolektor, smješten na krovu privatne kuće, opskrbljivat će stanare toplom vodom tijekom cijele godine, a u sezoni hladnoće omogućit će ugodno grijanje prostora bez velikih financijskih izdataka.

Osim toga, smanjuje se ovisnost učinka kolektora o sezoni, temperaturi okoline i različitim vremenskim uvjetima, poput: naleta vjetra, promjenjive naoblake, oborina i sl.

Kako je izgrađen kolektor vakuumskog tipa?

Suvremeni vakuumski uređaji koji osiguravaju prostorijama toplinu i toplu vodu pomoću sunčeve energije tehnološki se razlikuju.

Kolektori se dijele na sljedeće vrste:

• cijevasti bez staklene zaštitne prevlake;
• modul s reduciranom konverzijom;
• standardna ravna inačica;
• uređaj s prozirnom toplinskom izolacijom;
• zračni agregat;
• ravni vakuumski kolektor.

Vakuumski sunčani kolektor sposoban je osigurati opskrbu toplom vodom i grijanje u bilo koje doba godine i po svakom vremenu (+)

Svi imaju zajedničku konstrukcijsku sličnost, a sastoje se od:

• vanjske prozirne cijevi iz koje je potpuno isisan zrak;
• grijane priključne cijevi smještene u velikoj cijevi, gdje se kreće tekući ili plinoviti toplinski medij;
• jednog ili dva sabirna razdjelnika na koje se spajaju cijevi većeg kalibra i ulazi cirkulacijski krug tankih cijevi smještenih unutra.

Cjelokupna konstrukcija donekle podsjeća na termos s prozirnim stijenkama, u kojem je postignuta iznimno visoka razina toplinske izolacije. Zahvaljujući toj značajci, kućište unutarnje cijevi stječe sposobnost kvalitetnog zagrijavanja i potpunog predavanja energetskog resursa toplinskom mediju koji cirkulira unutra.

Konstrukcijske nijanse i klasifikacija

Kolektori vakuumskog tipa klasificiraju se prema vrsti staklenih cijevi ugrađenih u konstrukciju ili prema karakteristikama toplinskih kanala. Cijevi su obično koaksijalne i peraste, a toplinski kanali – U-oblika s izravnim protokom i tipa heat pipe.               .

Karakteristike koaksijalnih cijevi

Koaksijalne cijevi predstavljaju dvostruku staklenu termos-bocu s umjetno stvorenim vakuumskim prostorom između stijenki. Unutarnja površina cijevi ima sloj posebnog premaza za apsorpciju topline, tako da se stvarni prijenos topline odvija izravno sa stijenki staklene boce.

Koaksijalne cijevi izrađuju se od čvrstog stakla na bazi borosilikata, koje ima visoku propusnost svjetla. Elementi, ovisno o proizvođaču, imaju do tri sloja magnetronskog naparivanja, pokazuju izvrsnu čvrstoću i otpornost na različite atmosferske utjecaje (kiša, tuča i sl.), podnose tlak od 1 MPa i pouzdano služe 15 godina.

Kao apsorpcijski element u staklenu cijev se ugrađuje bakrena cijev koja sadrži eterični sastav. Tijekom zagrijavanja on isparava, učinkovito predaje svoju toplinu, kondenzira se i otječe na donji dio cijevi. Zatim se ciklus ponavlja, stvarajući tako kontinuirani proces izmjene topline.

Osobitosti pernatih cijevi

Vakuumske peraste cijevi imaju veću debljinu stijenki nego koaksijalne i sastoje se od jedne boce, a ne od dvije. Unutarnji apsorpcijski element od bakra opremljen je cijelom dužinom čvrstim pojačivačem – rebrastom pločom s visokorazinskim premazom za apsorpciju energije.

Zahvaljujući takvoj konstrukcijskoj značajci, vakuum se nalazi izravno u toplinskom kanalu, čiji se dio zajedno s apsorbentom integrira izravno u bocu.

Perasta vakuumska cijev iznutra sadrži ploču koja svojim oblikom podsjeća na pero. Po razini učinkovitosti nadmašuje mogućnosti svog koaksijalnog analoga, ali ima znatno višu cijenu i teško se zamjenjuje u slučaju oštećenja cjelovitosti boce ili kvara grijaćeg elementa.

Kolektori izrađeni na temelju perastih vakuumskih cijevi smatraju se najučinkovitijima u svojoj klasi, izvrsno se nose sa zadanim zadacima i pouzdano služe dugi niz godina.

Princip rada toplinskog kanala heat pipe

Toplinski kanali heat pipe sastoje se od zatvorenih cijevi koje sadrže lako isparljivu tekuću tvar. Pod utjecajem sunčevih zraka ona se zagrijava, prelazi u gornje područje kanala i tamo se koncentrira u posebnom toplinskom kolektoru (manifold).

Radna tekućina u tom trenutku predaje sve akumulirano toplo i ponovno se spušta prema dolje kako bi obnovila proces.

Čahura izmjenjivača topline heat-pipe povezuje se s izmjenjivačem topline manifolda putem posebne utičnice, koja je zalemljena u sami 1-cijevni izmjenjivač topline, ili se omotava oko 2-cijevnog izmjenjivača topline.

Radni element toplinskog kanala heat pipe izrađuje se od bakra, u rjeđim slučajevima – od aluminija. Pokazuje visoku otpornost na radna opterećenja, pouzdano služi 15 godina, ima razumnu cijenu i jedan je od najpopularnijih elemenata modernih vakuumskih solarnih sustava cijevnog tipa.

Oslobođenu energiju iz toplinskog spremnika preuzima toplinski medij i prenosi je dalje sustavom, osiguravajući na taj način prisutnost tople vode u slavinama i radijatorima grijanja. Sustav heat pipe lako se montira i pokazuje visoku učinkovitost pri radu.

Kolektori opremljeni vakuumskim cijevima heat pipe odlikuju se dobrom razinom pouzdanosti i prikladni su za upotrebu ne samo u kućanstvima, već i u visokotlačnim solarnim termalnim sustavima.

U slučaju kvara ili otkaza, bez ikakvih poteškoća postoji mogućnost zamjene oštećenog sklopa novim, bez potrebe za rekonstrukcijom cijelog sustava.

Popravke se mogu lako obaviti izravno na mjestu gdje se kolektor nalazi, bez demontaže uređaja i bez ulaganja dodatnog napora.

Opis U-izravnog izmjenjivača topline

Cijev protočnog izmjenjivača topline ima oblik slova U. Unutra cirkulira voda ili radni toplinski medij sustava grijanja. Jedan dio elementa namijenjen je za hladni toplinski medij, a drugi ispravno odvodi već zagrijani.

Prilikom zagrijavanja, aktivni sastav se širi i ulazi u spremnik za akumulaciju, stvarajući tako prirodnu cirkulaciju tekućine u sustavu. Posebni selektivni premaz nanesen na unutarnje stijenke povećava sposobnost apsorpcije topline i poboljšava učinkovitost sustava u cjelini.

U usporedbi s cijevima heat-pipe tipa, proizvodi u obliku slova U imaju veći hidraulički otpor, postavljaju veće zahtjeve na toplinski medij i znatno su skuplji. Kolektori koji rade na protočnim U-cijevima ne mogu raditi pod visokim tlakom i osiguravaju kvalitetan prijenos topline samo tijekom toplog godišnjeg doba.

Cijevi U-tipa pokazuju visoku učinkovitost i pružaju solidan prijenos topline, ali imaju jedan značajan nedostatak. One čine jednu cjelovitu konstrukciju s manifoldom i uvijek se montiraju zajedno s njim.

Zamjena pojedinačne cijevi koja je otkazala nije moguća. Za popravak će biti potrebno demontirati cijeli sklop i na njegovo mjesto postaviti novi.

Usporedba različitih modifikacija

Pri izradi helioagregata toplinski kanali i vakuumske staklene cijevi za solarne kolektore kombiniraju se u najrazličitijim kombinacijama.

Najveću popularnost među potrošačima uživaju koaksijalni modeli s toplinskim kanalom heat pipe. Kupce privlači povoljna cijena uređaja i vrlo jednostavno, pristupačno održavanje tijekom cijelog vijeka trajanja.

Vakuumski solarni kolektor s radnim kanalom heat pipe izvrsno se popravlja. Zamjena oštećenih cijevi obavlja se na licu mjesta i ne zahtijeva demontažu sustava ili njegovo premještanje. Međutim, izmjena topline u ovim modelima odvija se složenije, zbog čega izlazni koeficijent korisnog djelovanja (KKD) ne prelazi 65%.

Vakuumski uređaji s kanalima heat pipe pokazuju visoku pouzdanost i nemaju nikakvih ograničenja u korištenju čak ni u visokotlačnim heliotermalnim kompleksima.

Uređaji s koaksijalnom cijevi koja sadrži protočne U-kanale također su na popisu traženih. Karakteriziraju ih parametri kao što su niski toplinski gubici i KKD od 70% i više.

Za ispravno funkcioniranje, vakuumski uređaj s U-kanalom potrebno je pravilno instalirati. Poželjno je da minimalni kut nagiba iznosi najmanje 20⁰. Samo na taj način može se osigurati maksimalni učinak.

Situaciju donekle kvare: složen proces popravka, specifično održavanje tijekom rada i nemogućnost zamjene pojedinog oštećenog dijela. Ako se s uređajem nešto dogodi, demontira se i na njegovo mjesto postavlja potpuno novi kolektor.

Peraste cijevi konstrukcijski predstavljaju jednostruki stakleni cilindar s podebljanim čvrstim stjenkama (ovisno o proizvođaču od 2,5 mm i više). Unutarnji umetak od perastog apsorbensa čvrsto obavija radni kanal izrađen od toplinski provodljivog metala.

Gotovo besprijekornu izolaciju stvara vakuumski prostor unutar staklenog spremnika. Apsorbens prenosi apsorbiranu toplinu bez gubitaka i osigurava sustavu KKD do 77%.

U slučaju kvara, kolektori opremljeni pernatim cijevima podliježu popravku. Nije potrebno mijenjati cijeli sustav, dovoljno je pronaći oštećenu jedinicu, demontirati je i postaviti novu na to mjesto.

Modeli s pernatim elementom stoje nešto skuplje nego koaksijalni, ali zahvaljujući visokoj učinkovitosti osiguravaju potpunu udobnost u prostoriji i brzo se isplate.

Najuspješnije i najproduktivnije su pernate cijevi s unutarnjim protočnim kanalima. Njihov stvarni stupanj djelovanja ponekad doseže rekordnih 80%.

Pri montaži pernatih cijevi u okvir, na svaki štap dijela stavlja se čvrsta stezna matica s prstenom i toplinski otpornom brtvom. To osigurava nepropusnost cijele konstrukcije i omogućuje kolektoru da u potpunosti funkcionira u svim uvjetima.

Cijena proizvoda prilično je visoka, a prilikom popravka obavezno je potrebno ispustiti cijeli toplinski medij iz sustava i tek onda pristupiti otklanjanju kvarova.

Kakav treba biti sakupljač topline?

Toploskupljač je još jedan vrlo važan radni element vakuumskog kolektora. Pomoću ove jedinice prenosi se nakupljena toplina s cijevi na toplinski medij.

Toploskupljač se nalazi u gornjem dijelu uređaja. Jedna od njegovih komponenti, bakrena jezgra, prima energiju i predaje je glavnom toplinskom mediju koji cirkulira u zatvorenom sustavu „izmjenjivač topline spremnik-kolektor“.

Ispravan rad osigurava cirkulacijska pumpa povezana sa sustavom cirkulacijska pumpa. Automatika koja upravlja kompleksom grijanja pažljivo prati razinu temperature u kanalima i, u slučaju pada ispod dopuštenog kritičnog minimuma (npr. noću), zaustavlja rad pumpe.

To omogućuje izbjegavanje povratnog zagrijavanja, kada toplinski medij počinje uzimati toplinu iz vruće vode nakupljene u spremniku.

Prednosti i nedostaci kolektora vakuumskog tipa

Glavnom prednošću uređaja smatra se gotovo potpuni izostanak gubitaka topline tijekom rada. To osigurava vakuumsko okruženje, koje je jedan od najkvalitetnijih prirodnih izolatora. No popis prednosti tu ne završava.

Uređaji imaju i druge izražene prednosti:

• učinkovitost rada pri niskim temperaturama (do -30°C);
• sposobnost akumuliranja temperature do 300°C;
• maksimalna moguća apsorpcija toplinske energije, uključujući nevidljivi spektar;
• eksploatacijska stabilnost;
• niska osjetljivost na agresivne atmosferske pojave;
• malo vjetrovno opterećenje, zbog konstrukcijskih značajki cjevastih sustava koji mogu propuštati zračne mase različite gustoće;
• visoka razina učinkovitosti u regijama s umjerenom i hladnom klimom s malim brojem vedrih i sunčanih dana;
• trajnost uz poštivanje osnovnih pravila rada;
• dostupnost popravku i mogućnost zamjene ne cijelog sustava, već samo jednog pokvarenog dijela.

Nedostaci uključuju nesposobnost kolektora za samočišćenje od inja, leda, snijega te visoku cijenu komponenti potrebnih za sastavljanje agregata u kućnim uvjetima.

Solarni kolektor je učinkovit uređaj koji omogućuje gotovo bez gubitaka pretvaranje sunčeve energije u toplinsku.

Sastavljanje uređaja vlastitim rukama

Proces sastavljanja vakuumskog kolektora započinje izradom podložnog okvira za radne elemente. Montira se odmah na mjesto koje je predviđeno za agregat.

Veličina i dimenzije okvira u potpunosti ovise o modelu koji se planira izraditi, a obično su navedene u uputama koje se nalaze u pratećoj dokumentaciji komponenti.

Gotovi okvir za kolektor učvršćuje se na krovu tako da zauzima čvrst položaj i ne ljulja se. Ako je krov zgrade od škriljca, koriste se letvice i debeli vijci velikog kalibra. Za druge krovne materijale koriste se obična sidra.

Mjesta dodira okvira s površinom krova dodatno se učvršćuju brtvilom kako u budućnosti voda ne bi prodirala kroz otvore u kuću. Zatim se na mjesto montaže donosi spremnik i vijcima se pričvršćuje na gornji dio okvira.

U sljedećoj fazi sastavljaju se grijaći element, temperaturni senzor i automatizirani odzračivač zraka. Svi pomoćni sklopovi i prateći dijelovi postavljaju se na priložene amortizirajuće podloške. Za pričvršćivanje temperaturnog senzora koristi se nasadni ključ.

Zatim se postavlja dovod vodoopskrbnih komunikacija. U tu se svrhu koriste cijevi od bilo kojeg materijala otpornog na niske temperature i sposobnog izdržati do 95°C. Dobro su se pokazale polipropilenske cijevi i fitinzi.

Polipropilenske cijevi idealne su za spajanje sunčanog kolektora s vodovodnim sustavom stambenog prostora. Armatura ima dobra fizička svojstva i radnu izdržljivost, pouzdano služi dugi niz godina i lako se mijenja u slučaju pukotina ili oštećenja.

Nakon priključenja vodovoda, spremnik se napuni vodom i testira na nepropusnost. Ako se u roku od 3-4 sata negdje otkriju curenja, ona se uklone.

Na kraju se ugrađuju grijaći elementi. Bakrena cijev se omota aluminijskim limom i stavi u staklenu vakuumsku cijev. Na dnu tikvice postavljaju se fiksirajuća čašica i prašnik od čvrste, fleksibilne gume.

Gornji bakreni vrh cijevi do kraja se uvlači u mjedeni kondenzator. Viskozna termokontaktna mast se ne skida s cijevi. Zatvara se fiksirajući mehanizam na nosaču i na isti se način montiraju sve preostale staklene cijevi.

Cijevni sunčani kolektori trebaju redovito održavanje i obavezno čišćenje, posebno u razdoblju intenzivnog padanja snijega. Ako se slijede ova jednostavna pravila, radit će dugo i zadržati visoku razinu učinkovitosti tijekom cijelog vijeka trajanja.

Na konstrukciju se postavlja montažni blok, napaja se električnom energijom od 220 volti i spajaju se tri pomoćna bloka – grijač, odzračnik i temperaturni senzor.

Na kraju se priključuje kontroler namijenjen ispravnom upravljanju sustavom. U izborniku kontrolera unose se željeni radni parametri i sustav se pokreće u standardnom načinu rada.

Korak po korak upute za izradu sunčanog kolektora navedene su u ovom članku.

Kako pravilno postaviti uređaj?

Kako bi vakuumski kolektor mogao ispravno raditi i učinkovito opskrbljivati stambeni prostor potrebnom energijom, potrebno mu je pronaći najpovoljnije mjesto i pravilno ga orijentirati u odnosu na strane svijeta.

Sunčani kolektori vakuumskog tipa mnogo su praktičniji od svojih ravnih analoga. Kada jedna od radnih cijevi ošteti i prestane funkcionirati, vrlo ju je lako zamijeniti novom. Nakon toga sustav nastavlja raditi u prijašnjem načinu. Ako ne postoji mogućnost odmah postaviti novi element na mjesto oštećenog, nije problem. Agregat i dalje može obavljati svoje „dužnosti“, čak i s ugrađenim elementom koji je oštećen.

Za naseljena mjesta sjeverne polutke, kolektor je najbolje smjestiti na južnu stranu krova kuće ili na sunčanu stranu parcele. Poželjno je osigurati minimalno odstupanje ravnine uređaja.

Ako nije moguće usmjeriti površinu prema jugu, treba izabrati između zapada i istoka najsvjetliji kut na otvorenom prostoru.

Visoka radna učinkovitost vakuumskog kolektora također je posljedica činjenice da djeluje po principu zrcala i usklađuje svoju toplinsku snagu na temelju trenutne visine sunca.

Energetski solarni kompleks ne smiju zaklanjati dimnjaci, ukrasni dijelovi krovnog pokrova, raširene grane drveća i visoke stambene ili tehničke građevine. To će smanjiti učinkovitost rada i umanjiti razinu zagrijavanja radnih elemenata.

Ako je agregat pravilno postavljen, osigurat će gotovo jednaku toplinsku predaju tijekom cijele godine, neovisno o sezoni.

Ako nemate velikog iskustva u izvođenju složenih popravaka, montažnih i bravarskih radova, nije racionalno raditi vakuumiranje cijevi u kućnim uvjetima. Taj je proces vrlo zahtjevan i zahtijeva posebna znanja i specijaliziranu opremu.

Osim toga, elementi vakuumskog tipa izrađeni samostalno imaju znatno nižu razinu učinkovitosti od tvorničkih dijelova. Stoga je najrazumnije kupiti proizvode od specijaliziranog proizvođača, a zatim kod kuće pokušati sastaviti nekoliko sekcija.

Na web stranici postoji izbor članaka o uređenju solarnog sustava grijanja, preporučujemo da se upoznate:

1. Solarni sustavi grijanja: pregled tehnologija za izvedbu grijanja na bazi solarnih sustava
2. Grijanje privatne kuće solarnim panelima: sheme i uređaj
3. Fleksibilne solarne baterije: vrste, karakteristike + posebnosti povezivanja

Zaključci i koristan video na temu

Detaljan, podroban opis vakuumske cijevi, principa njezina rada i značajki funkcioniranja solarnog kolektora u cjelini. Autor govori o nekim zanimljivim nijansama i pokazuje da instalacija može postati stvarna alternativa plinskom kotlu.

Zanimljive informacije o radu solarnog kolektora u zimskom razdoblju.

Kako pravilno montirati vakuumski solarni kolektor vlastitim rukama u kućnim uvjetima. Sve nijanse procesa, preporuke i korisni savjeti.

Poznavajući osnovni princip rada cijevnog vakuumskog solarnog kolektora, možete sami sastaviti agregat. Instalacija će u potpunosti odgovarati osobnim individualnim zahtjevima i potrebama.

To nije preteška aktivnost, međutim zahtijeva povećanu pozornost, skrupuloznost i određene vještine, inače se rizik oštećenja cjelovitosti žarulje i narušavanja njezine nepropusnosti značajno povećava.

Svima zainteresiranima za pitanje odabira, instalacije ili samostalne izrade solarnog kolektora predlažemo da ostave komentare i postavljaju pitanja. Kontakt obrazac nalazi se u donjem bloku.