Próżniowy kolektor słoneczny: zasada działania + jak złożyć samodzielnie

Na ciepłą wodę użytkową i ogrzewanie pomieszczeń przeznacza się niemałe środki. Istnieje jednak alternatywne źródło energii – próżniowy kolektor słoneczny. Czy słyszał Pan/Pani o takim? Pozwala on znacząco obniżyć koszty finansowe utrzymania komfortu, zapewniając maksymalny efekt grzewczy przy minimalnych stratach ciepła.

Niniejsze urządzenie można kupić u producentów sprzętu gospodarstwa domowego lub złożyć samodzielnie w warunkach domowych. Aby wybrać odpowiedni model, trzeba zapoznać się z wieloma informacjami. Pomożemy Państwu określić główne kryteria zakupu.

Artykuł poświęcony jest zasadzie działania i budowie próżniowego kolektora. Opowiemy o cechach konstrukcyjnych różnych modeli, omówimy zalety i wady tych instalacji. Ponadto szczegółowo opiszemy, jak samodzielnie wykonać i zainstalować próżniowy kolektor słoneczny.

Materiał jest uzupełniony filmami wideo, z których dowiedzą się Państwo o istotnych właściwościach i zasadach działania próżniowych kolektorów.

Zasada działania agregatu próżniowego

Od zwykłych systemów helioenergetycznych próżniowy kolektor słoneczny różni się sposobem przetwarzania energii słonecznej. Klasyczna bateria po prostu przyjmuje światło i przekształca je w elektryczność. Kolektor natomiast składa się ze szklanych rur z wytworzoną wewnątrz próżnią. Są one łączone w jeden system za pomocą specjalnych węzłów łączących.

Wewnątrz każdej rury znajduje się kanał wykonany z jednego lub dwóch miedzianych prętów z nośnikiem ciepła. Przechwytując promienie słoneczne, element roboczy nagrzewa materiał nośnikowy, w ten sposób zapewniając pracę kolektora.

Dzięki takiej konstrukcji poziom oddawania energii znacznie wzrasta, a straty ciepła są znacząco zmniejszone, ponieważ warstwa próżniowa pozwala zachować około 95% wychwytywanej energii słonecznej.

Próżniowy kolektor słoneczny umieszczony na dachu domu jednorodzinnego będzie dostarczać mieszkańcom ciepłą wodę przez cały rok, a w sezonie zimowym pozwoli komfortowo ogrzewać pomieszczenie bez ponoszenia dużych nakładów finansowych.

Ponadto zmniejsza się zależność wydajności kolektora od pory roku, temperatury otoczenia oraz różnych warunków pogodowych, takich jak: podmuchy wiatru, zmienne zachmurzenie, opady atmosferyczne itp.

Jak zbudowany jest kolektor próżniowy?

Nowoczesne urządzenia próżniowe, zapewniające pomieszczeniom ciepło i ciepłą wodę dzięki energii słonecznej, różnią się technologicznie.

Kolektory dzieli się na następujące rodzaje:

• rurowy bez szklanej powłoki ochronnej;
• moduł z zredukowaną konwersją;
• standardowa wersja płaska;
• urządzenie z przezroczystą izolacją termiczną;
• agregat powietrzny;
• płaski kolektor próżniowy.

Próżniowy kolektor słoneczny jest w stanie zapewnić ciepłą wodę użytkową i ogrzewanie o każdej porze roku i przy każdej pogodzie (+)

Wszystkie mają ogólne podobieństwo konstrukcyjne, składają się z:

• zewnętrznej przezroczystej rury, z której całkowicie wypompowano powietrze;
• podgrzewanej rury, umieszczonej w dużej rurze, w której przemieszcza się ciekły lub gazowy czynnik grzewczy;
• jednego lub dwóch rozdzielaczy zbiorczych, do których podłączane są rury większego kalibru i wchodzi obieg cyrkulacyjny cienkich rurek umieszczonych wewnątrz.

Cała konstrukcja przypomina nieco termos o przezroczystych ściankach, w którym utrzymano bezprecedensowo wysoki poziom izolacji cieplnej. Dzięki tej właściwości korpus wewnętrznej rury zyskuje zdolność do jakościowego nagrzewania się i w pełni oddawania zasobu energetycznego krążącemu wewnątrz czynnikowi grzewczemu.

Szczegóły konstrukcyjne i klasyfikacja

Kolektory próżniowe klasyfikuje się według rodzaju szklanych rurek zamontowanych w konstrukcji lub według charakterystyk kanałów cieplnych. Rurki zazwyczaj są współosiowe i piórkowe, a kanały cieplne – U-kształtne przepływowe i typu heat pipe.               .

Charakterystyka rur współosiowych

Rurki współosiowe stanowią podwójną szklaną kolbę-termos ze sztucznie wytworzoną między ściankami próżnią. Wewnętrzna powierzchnia rurki posiada warstwę specjalnej powłoki absorbującej ciepło, dlatego rzeczywiste przekazywanie ciepła następuje bezpośrednio od ścianek szklanej kolby.

Rurki współosiowe wykonuje się z wysokowytrzymałego szkła na bazie borokrzemianów, charakteryzującego się dużą przepuszczalnością światła. Elementy, w zależności od producenta, mają do trzech warstw napylania magnetronowego, wykazują doskonałą wytrzymałość i odporność na różne zjawiska atmosferyczne (deszcz, grad itp.), wytrzymują ciśnienie 1 MPa i niezawodnie służą przez 15 lat.

Jako element absorbujący w szklaną rurkę wlutowuje się miedzianą rurkę zawierającą mieszankę eteryczną. Podczas ogrzewania odparowuje, efektywnie oddaje swoje ciepło, skrapla się i spływa do dolnej części rurki. Następnie cykl się powtarza, tworząc w ten sposób ciągły proces wymiany ciepła.

Cechy rur żebrowanych

Próżniowe rurki piórkowe mają większą grubość ścianek niż współosiowe i składają się nie z dwóch, ale z jednej kolby. Wewnętrzny element absorpcyjny z miedzi jest na całej długości wyposażony w wytrzymały wzmacniacz – karbowaną płytkę z wysokopoziomową powłoką pochłaniającą energię.

Dzięki takiej cesze konstrukcyjnej próżnia znajduje się bezpośrednio w kanale cieplnym, którego część wraz z absorbentem integruje się bezpośrednio w kolbie.

Piórkowa rurka próżniowa wewnątrz zawiera płytkę, swoim kształtem przypominającą pióro. Pod względem sprawności przewyższa możliwości swojego współosiowego odpowiednika, ale ma znacznie wyższą cenę i jest trudna do wymiany w przypadku naruszenia integralności kolby lub uszkodzenia elementu grzejnego.

Kolektory wykonane na bazie próżniowych rurek piórkowych są uważane za najbardziej efektywne w swojej klasie, doskonale radzą sobie z powierzonymi zadaniami i niezawodnie służą przez wiele lat.

Zasada działania kanału cieplnego heat pipe

Kanały cieplne heat pipe składają się z zamkniętych rurek zawierających łatwo parującą ciecz. Pod wpływem promieni słonecznych nagrzewa się, przechodzi do górnej części kanału i gromadzi się tam w specjalnym kolektorze ciepła (manifold).

W tym momencie ciecz robocza oddaje całe zgromadzone ciepło i ponownie opada w dół, aby wznowić proces.

Tuleja wymiennika ciepła heat-pipe łączy się z wymiennikiem ciepła manifolda za pomocą specjalnego gniazda wlutowanego w sam 1-rurowy wymiennik ciepła lub jest opasana 2-rurowym wymiennikiem ciepła.

Roboczy element kanału cieplnego heat pipe jest wykonany z miedzi, w rzadszych przypadkach – z aluminium. Wykazuje wysoką odporność na obciążenia eksploatacyjne, niezawodnie służy przez 15 lat, ma rozsądną cenę i jest jednym z najpopularniejszych elementów nowoczesnych próżniowych systemów solarnych typu rurowego.

Energię zgromadzoną w zbiorniku ciepła odbiera czynnik grzewczy i przenosi ją dalej w systemie, zapewniając w ten sposób dostęp do ciepłej wody w kranach i grzejnikach. System heat pipe jest łatwy w montażu i wykazuje wysoką wydajność podczas pracy.

Kolektory wyposażone w próżniowe rury heat pipe charakteryzują się dobrym poziomem niezawodności i nadają się do użytku nie tylko w gospodarstwach domowych, ale także w wysokociśnieniowych systemach solarnych.

W przypadku awarii lub uszkodzenia, bez żadnych trudności istnieje możliwość wymiany uszkodzonego elementu na nowy, bez konieczności przebudowy całego systemu.

Prace naprawcze można łatwo wykonać bezpośrednio w miejscu ustawienia kolektora, bez demontażu urządzenia i bez konieczności wkładania nadmiernego wysiłku.

Opis przepływowego wymiennika ciepła w kształcie litery U

Rurka wymiennika ciepła o przepływie bezpośrednim ma kształt litery U. Wewnątrz krąży woda lub roboczy czynnik grzewczy systemu. Jedna część elementu przeznaczona jest dla zimnego czynnika, a druga prawidłowo odprowadza już podgrzany.

Podczas nagrzewania czynnik roboczy rozszerza się i wpływa do zbiornika akumulacyjnego, tworząc w ten sposób naturalny obieg cieczy w systemie. Specjalna selektywna powłoka naniesiona na wewnętrzne ścianki zwiększa zdolność pochłaniania ciepła i podnosi ogólną wydajność systemu.

W porównaniu z rurami typu heat-pipe, produkty w kształcie litery U mają większy opór hydrauliczny, stawiają wyższe wymagania wobec czynnika grzewczego i są znacznie droższe. Kolektory działające na rurach U o przepływie bezpośrednim nie mogą pracować pod wysokim ciśnieniem i zapewniają wysokiej jakości oddawanie ciepła tylko w ciepłym sezonie.

Rury typu U wykazują wysoką wydajność i zapewniają solidną wymianę ciepła, ale mają jedną istotną wadę. Stanowią one integralną konstrukcję z manifoldem i są zawsze montowane razem z nim.

Wymiana pojedynczej uszkodzonej rurki nie jest możliwa. Aby przeprowadzić naprawę, należy zdemontować cały zespół i zastąpić go nowym.

Porównanie różnych modyfikacji

Podczas produkcji kolektorów słonecznych, kanały cieplne i próżniowe rury szklane są łączone w różnych kombinacjach.

Największą popularnością wśród konsumentów cieszą się modele koncentryczne z kanałem cieplnym heat pipe. Klientów przyciąga przystępna cena urządzeń oraz bardzo prosta i łatwa obsługa przez cały okres eksploatacji.

Próżniowy kolektor słoneczny z kanałem roboczym heat pipe doskonale nadaje się do naprawy. Wymiana uszkodzonych rurek odbywa się na miejscu i nie wymaga demontażu systemu ani przenoszenia go w inne miejsce. Jednak wymiana ciepła w tych modelach jest skomplikowana, przez co sprawność końcowa wynosi nie więcej niż 65%.

Urządzenia próżniowe z kanałami heat pipe wykazują wysoką niezawodność i nie mają żadnych ograniczeń w użytkowaniu, nawet w wysokociśnieniowych systemach heliotermicznych.

Urządzenia z koncentryczną kolbą zawierającą przepływowe kanały U-kształtne również znajdują się na liście poszukiwanych. Charakteryzują się takimi parametrami, jak niska strata ciepła i sprawność od 70% wzwyż.

Aby zapewnić prawidłowe działanie, urządzenie próżniowe z kanałem U należy poprawnie zainstalować. Zaleca się, aby minimalny kąt nachylenia wynosił co najmniej 20⁰. Tylko w ten sposób można zapewnić maksymalną wydajność.

Sytuację nieco psują: skomplikowany proces naprawy, specyficzna obsługa w trakcie eksploatacji oraz niemożliwość wymiany pojedynczego uszkodzonego elementu. Jeśli coś stanie się z urządzeniem, demontuje się je i na jego miejsce instaluje całkowicie nowy kolektor.

Rurki piórkowe konstrukcyjnie są pojedynczym cylindrem szklanym o pogrubionych, wytrzymałych ściankach (w zależności od producenta od 2,5 mm wzwyż). Umieszczony wewnątrz wkład z absorbentu piórkowego ściśle przylega do kanału roboczego wykonanego z metalu przewodzącego ciepło.

Niemal idealną izolację zapewnia przestrzeń próżniowa wewnątrz szklanego naczynia. Absorbent przekazuje pochłonięte ciepło bez strat i zapewnia systemowi sprawność do 77%.

W przypadku awarii kolektory wyposażone w rurki piórkowe podlegają naprawie. Nie ma potrzeby wymiany całego systemu, wystarczy znaleźć uszkodzony element, zdemontować go i wstawić nowy w jego miejsce.

Modele z elementem piórkowym są nieco droższe niż koncentryczne, ale dzięki wysokiej wydajności zapewniają pełny komfort w pomieszczeniu i szybko się zwracają.

Najbardziej wydajne i efektywne są kolby piórkowe z wewnętrznymi kanałami bezpośredniego przepływu. Ich rzeczywista sprawność sięga czasami rekordowych 80%.

Podczas montażu rurek piórkowych w ramie na trzpień każdej części nakłada się wytrzymałą nakrętkę zaciskową z pierścieniem i uszczelką żaroodporną. Zapewnia to szczelność całej konstrukcji i pozwala kolektorowi w pełni funkcjonować w każdych warunkach.

Cena tych produktów jest dość wysoka, a podczas naprawy konieczne jest spuszczenie całego czynnika grzewczego z systemu, a dopiero potem przystąpienie do usuwania usterek.

Jaki powinien być odbiornik ciepła?

Odbieralnik ciepła to kolejny bardzo ważny element roboczy kolektora próżniowego. Za pomocą tego elementu następuje przekazywanie zgromadzonego ciepła z rurek do czynnika grzewczego.

Odbieralnik ciepła znajduje się w górnej części urządzenia. Jeden z jego elementów, miedziany rdzeń, odbiera energię i przekazuje ją głównemu czynnikowi grzewczemu krążącemu w zamkniętym układzie „wymiennik ciepła zbiornika-kolektora”.

Prawidłową pracę gwarantuje podłączony do systemu pompa obiegowa. Automatyka sterująca kompleksem grzewczym dokładnie monitoruje poziom temperatury w kanałach, a w przypadku jej spadku poniżej dopuszczalnego minimum krytycznego (np. w nocy) zatrzymuje pracę pompy.

Pozwala to uniknąć odwrotnego ogrzewania, gdy czynnik grzewczy zaczyna pobierać ciepło z gorącej wody zgromadzonej w zbiorniku akumulacyjnym.

Zalety i wady kolektorów próżniowych

Główną zaletą tych urządzeń jest prawie całkowity brak strat ciepła podczas eksploatacji. Zapewnia to środowisko próżniowe, które jest jednym z najlepszych naturalnych izolatorów. Ale na tym lista zalet się nie kończy.

Urządzenia mają także inne wyraźne zalety:

• efektywność działania w niskich temperaturach (do -30°C);
• zdolność do akumulacji temperatury do 300°C;
• maksymalne możliwe pochłanianie energii cieplnej, w tym w niewidzialnym spektrum;
• stabilność eksploatacyjna;
• niska podatność na agresywne zjawiska atmosferyczne;
• mała nawiewność, wynikająca z cech konstrukcyjnych systemów rurowych, zdolnych do przepuszczania przez siebie mas powietrza o różnej gęstości;
• wysoki poziom efektywności w regionach o klimacie umiarkowanym i chłodnym z niewielką liczbą dni pogodnych i słonecznych;
• trwałość przy przestrzeganiu podstawowych zasad eksploatacji;
• dostępność do naprawy oraz możliwość wymiany nie całego systemu, a tylko jednego uszkodzonego elementu.

Do wad zalicza się niezdolność kolektorów do samooczyszczania się z szronu, lodu, śniegu oraz wysoką cenę części składowych niezbędnych do montażu urządzenia w warunkach domowych.

Kolektor słoneczny to wydajne urządzenie, umożliwiające praktycznie bez strat przekształcanie energii słonecznej w cieplną.

Samodzielny montaż agregatu

Proces montażu kolektora próżniowego rozpoczyna się od wykonania ramy-podkładu dla elementów roboczych. Montuje się ją natychmiast w miejscu przeznaczonym pod urządzenie.

Rozmiar i wymiary ramy całkowicie zależą od modelu, który planuje się wykonać, i zwykle są określone w instrukcji znajdującej się wśród dokumentów towarzyszących dołączonych do komponentów.

Gotową ramę pod kolektor mocuje się na dachu tak, aby zajmowała wyraźne położenie i nie chwiała się. Jeśli dach budynku jest łupkowy, stosuje się łatę kontrującą i grube wkręty o dużym kalibrze. W przypadku innych pokryć dachowych używa się zwykłych kotew.

Miejsca styku ramy z powierzchnią dachu dodatkowo uszczelnia się silikonem, aby w przyszłości przez otwory nie dostawała się woda do domu. Następnie na miejsce montażu dostarcza się zbiornik akumulacyjny i przykręca go wkrętami do górnej części ramy.

W kolejnym etapie montuje się grzałkę (TEN), czujnik temperatury i automatyczny odpowietrznik. Wszystkie pomocnicze zespoły i akcesoria umieszcza się na dołączonych w zestawie podkładkach amortyzujących. Do mocowania czujnika temperatury używa się klucza nasadowego.

Następnie wykonuje się doprowadzenie instalacji wodociągowej. Do tego celu używa się rur z dowolnego materiału odpornego na niskie temperatury i zdolnego wytrzymać do 95°C. Sprawdziły się rury polipropylenowe i złączki.

Rury polipropylenowe doskonale nadają się do połączenia kolektora słonecznego z instalacją wodociągową w pomieszczeniu mieszkalnym. Kształtki charakteryzują się dobrymi parametrami fizycznymi i wytrzymałością eksploatacyjną, służą niezawodnie przez wiele lat i można je łatwo wymienić w przypadku powstania pęknięć lub rozdarć.

Po podłączeniu instalacji wodociągowej zbiornik akumulacyjny napełnia się wodą i sprawdza szczelność. Jeśli w ciągu 3–4 godzin gdzieś pojawią się wycieki, są one usuwane.

Na końcu montuje się elementy grzejne. W tym celu miedzianą rurkę owija się blachą aluminiową i umieszcza w próżniowej rurce szklanej. Na dolną część żarówki zakłada się miseczkę mocującą oraz osłonę przeciwpyłową z wytrzymałej, elastycznej gumy.

Górną miedzianą końcówkę rurki wsuwa się do oporu w mosiężny kondensator. Lepkiej pasty termokontaktowej nie usuwa się z rur. Zatrzaskuje się mechanizm mocujący na wsporniku i według tej samej zasady montuje się wszystkie pozostałe szklane rurki.

Rurkowe kolektory słoneczne wymagają regularnej konserwacji i obowiązkowego czyszczenia, zwłaszcza w okresie intensywnych opadów śniegu. Przestrzeganie tych prostych zasad sprawi, że będą działać długo i utrzymają wysoki poziom wydajności przez cały okres eksploatacji.

Na konstrukcji instaluje się blok montażowy, doprowadza do niego zasilanie elektryczne 220 woltów i podłącza do systemu trzy bloki pomocnicze – grzałkę, odpowietrznik oraz czujnik temperatury.

Jako ostatni podłącza się sterownik przeznaczony do prawidłowego zarządzania układem. W menu sterownika wprowadza się żądane parametry pracy i uruchamia system w trybie standardowym.

Instruktaż krok po kroku dotyczący budowy kolektora słonecznego znajduje się w tym artykule.

Jak prawidłowo umieścić urządzenie?

Aby kolektor próżniowy mógł w pełni działać i skutecznie dostarczać niezbędnej energii do pomieszczenia mieszkalnego, należy znaleźć dla niego najkorzystniejsze miejsce i prawidłowo zorientować urządzenie względem stron świata.

Kolektory słoneczne próżniowe są znacznie bardziej praktyczne niż ich płaskie odpowiedniki. Gdy któraś z rur roboczych ulegnie uszkodzeniu i przestanie działać, można ją bardzo łatwo wymienić na nową. Następnie system będzie nadal funkcjonował w dotychczasowym trybie. Jeśli nie ma możliwości natychmiastowego zastąpienia uszkodzonego elementu nowym, nie stanowi to problemu. Urządzenie będzie w stanie wypełniać swoje „obowiązki”, nawet mając węzeł z uszkodzonym elementem.

W przypadku miejscowości na półkuli północnej zaleca się umieszczenie kolektora w południowej części dachu domu lub po słonecznej stronie działki. Pożądane jest zapewnienie minimalnego odchylenia płaszczyzny urządzenia.

Jeśli nie ma możliwości skierowania powierzchni na południe, należy wybrać spośród zachodu i wschodu maksymalnie jasny kąt w otwartej przestrzeni.

Wysoka wydajność robocza kolektora próżniowego wynika również z tego, że działa on na zasadzie lustra i dostosowuje swoją moc cieplną w zależności od aktualnej wysokości słońca.

Instalacja solarna nie powinna być zasłaniana przez kominy, dekoracyjne fragmenty pokrycia dachowego, rozłożyste gałęzie drzew ani wysokie budynki mieszkalne lub techniczne. Obniży to wydajność pracy i zmniejszy poziom nagrzewania się aktywnych elementów.

Jeśli urządzenie zostanie prawidłowo umieszczone, zapewni praktycznie jednakowe oddawanie ciepła przez cały rok, niezależnie od pory roku.

Jeśli nie ma się dużego doświadczenia w wykonywaniu skomplikowanych prac remontowo-montażowych i ślusarskich, wykonanie w warunkach domowych próżniowania rurek jest nieracjonalne. Proces ten jest bardzo pracochłonny i wymaga posiadania specjalistycznej wiedzy oraz odpowiedniego sprzętu.

Ponadto elementy próżniowe wykonane samodzielnie mają znacznie niższy poziom sprawności niż części fabryczne. Dlatego najrozsądniej jest zakupić produkty u wyspecjalizowanego producenta, a następnie w domu spróbować złożyć kilka sekcji.

Na stronie znajduje się zestaw artykułów na temat urządzania słonecznego systemu grzewczego, zalecamy zapoznanie się:

1. Słoneczne systemy ogrzewania: analiza technologii urządzania ogrzewania na bazie systemów solarnych
2. Ogrzewanie prywatnego domu bateriami słonecznymi: schematy i budowa
3. Elastyczne panele słoneczne: rodzaje, charakterystyka + cechy podłączenia

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Szczegółowy, dokładny opis rurki próżniowej, zasady jej działania oraz cech funkcjonowania kolektora słonecznego jako całości. Autor opowiada o kilku interesujących niuansach i pokazuje, że instalacja może stać się realną alternatywą dla kotła gazowego.

Interesujące informacje na temat pracy kolektora słonecznego w okresie zimowym.

Jak prawidłowo zamontować próżniowy kolektor słoneczny własnoręcznie w warunkach domowych. Wszystkie niuanse procesu, zalecenia i przydatne porady.

Znając podstawową zasadę działania rurowego próżniowego kolektora słonecznego, można złożyć urządzenie własnoręcznie. Instalacja będzie w pełni odpowiadać indywidualnym wymaganiom i potrzebom.

Nie jest to zbyt trudne zajęcie, jednak wymaga ono wzmożonej uwagi, skrupulatności i pewnych umiejętności, w przeciwnym razie ryzyko uszkodzenia integralności kolby i naruszenia jej szczelności znacznie wzrasta.

Wszystkim zainteresowanym kwestią wyboru, montażu lub samodzielnego składania kolektora słonecznego proponujemy pozostawianie komentarzy i zadawanie pytań. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.