/ Сонячні колектори / Принцип роботи сонячного колектора

СОНЯЧНІ КОЛЕКТОРИ

Найбільш потужним джерелом енергії для людства є Сонце, яке буде світити ще щонайменше 3-4 мільярди років. Річна кількість сонячної енергії майже в 15 000 разів перевищує потреби населення нашої планети, проте лише незначна її частина використовується на господарські потреби. Для перетворення сонячної енергії в теплову використовують сонячні колектори (геліосистеми).

Сонячний колектор (геліоколектор) – це пристрій, який призначений для поглинання сонячної енергії, яка переноситься видимим та ближнім інфрачервоним випромінюванням та для подальшого її перетворення в теплову енергію, придатну для використання.

Насправді суть роботи сонячних колекторів доволі проста. Будь-який сонячний колектор, незалежно від його типу чи конструкції, перетворює енергію Сонця в теплову енергію для опалення, гарячого водопостачання, нагрівання басейну тощо. Втім, геліосистеми з використанням високоефективних вакуумних сонячних трубок здатні працювати цілий рік на відміну від плоских геліоколекторів. Вакуумна теплова трубка виготовляється зі спеціального зміцненого боросилікатного скла. Зовнішня труба такого колектора є прозорою, а внутрішня - покрита високоякісним селективним покриттям, яке забезпечує максимальне поглинання сонячного тепла при мінімальному рівні рефлекції (тобто, мінімальному рівні відбиття сонячних променів назад у атмосферу). Для уникнення теплових втрат між зовнішньою та внутрішньою трубками передбачено вакуум. Для того, що підтримувати вакуум, застососвують барієвий газопоглинач, який в виробничих умовах підлягає впливу високих температур. Через це нижній край вакуумного термосу покривається шаром чистого барію, який поглинає СО, СО₂, N₂, O₂, H₂O та H₂, що можуть виділятися з труби в процесі зберігання та експлуатації. Цей шар є дуже добрим візуальним детектором стану вакууму в трубі геліоколектора. Цебто, коли вакуум порушується, барієвий шар зі сріблястого робиться білим. Такий індикаторний механізм дає можливість легко визначити, чи ціла труба в вакуумному сонячному колекторі, а чи має тріщину.

Абсорбування сонячного тепла проходить у мідній трубці, яка розташована всередині вакуумної труби. Спосіб передачі тепла від мідної трубки до головного теплопроводу сонячного колектора також простий. Мідна труба є порожнистою і містить всередині запатентовану неорганічну й зовсім нетоксичну рідину. При нагріванні ця рідина закипає і починає випаровуватися. Це відбувається навіть при мінусових температурах, окільки в трубці, як ви пам"ятаєте, створено вакуум. Нагріта пара піднімається до верхнього наконечника (конденсатора) теплової трубки, де передає тепло теплоносію (антифризу), що циркулуює в трубі теплопровода. Потім пара конденсується й стікає вниз - процес починається знову. Сонячний водонагрівач з вакуумними трубами показує задовільні результати навіть у хмарні дні, тому що труби сонячного колектора здатні поглинати енергію інфрачервоних променів, які проходять через хмари. Завдяки ізоляційним властивостям вакууму вплив вітру та низьких температур на роботу вакуумних трубчатих геліоколекторів абсолютно нівелюється у порівнянні з плоскими геліоколекторам .Системи на основі вакуумних сонячних колекторів успішно нагрівають воду, навіть коли на вулиці -35°С.

Теплообмін в тепловій трубці сонячного колектора

Труби геліоколектора мають круглу форму, завдяки чому кількість сонячної енергії, яка падає на сонячний колектор практично не змінюється протягом дня. Саме тому загальна кількість сонячного випромінювання, яке поглинає геліоколектор є значно більшою, якщо порівнювати таку систему з пласким сонячним колектором. Така форма труб забезпечує чудове поглинання енергії оскільки сонячні промені завжди падають на поверхню вакуумного сонячного колектора строго під прямим кутом, при цьому відбивання зводиться до мінімуму. Труби розміщуються в колекторі паралельно одна одній, кут їх нахилу відносно горизонту залежить від географічної широти місцевості, де встановлюється сонячна система опалення. Правильно орієнтовані трубки протягом дня пасивно рухаються за сонцем. Такий сонячний водонагрівач зовсім не вимагає обслуговування під час експлуатації: ми, компанія Прогрес-ХХІ даємо на геліосистеми гарантію.

Сонячна система також є простою у ремонті: якщо виникне така потреба, вакуумну трубку можна легко поміняти, не зупиняючи при цьому сонячний колектор. При необхідності трубки можна додавати (при недостачі тепла) чи частково знімати (якщо тепло поглинається в надлишку), зменшуючи геліополе, що, зауважте, абсолютно неможливо в геліосистемах з пласкими колекторами.

Геліоколектори відмінно справляються з завданням забезпечення будинку гарячою водою, підігрівом басейнів, теплиць, працюють в системах вентиляції, кондиціонування та опалення будівель.

Геліосистема від Прогресс-ХХІ складається з таких основних частин:

- вакуумний сонячний колектор;

- насосний вузол для перекачки теплоносія від геліоколектора до бака акумулятора;

- контролер, який керує роботою геліосистеми;

- бак акумулятор гарячої води;

- піковий доводчик (тепловий насос, електричний тен чи інше джерело).

Схема геліосистеми

Сонячні колектори здатні забезпечити безкоштовною тепловою енергію з квітня по жовтень. В інший період року вони дають частину теплової енергії, іншу частину забезпечує піковий догрівач: електричний тен, тепловий насос чи газовий котел.

ТОВ “Прогрес -ХХІ” представляє сонячні колектори трьох типів:

- вакуумні з тепловими трубами типу “Heat pipe”;

- вакуумні з тепловими трубами надвисокої теплопровідності;

- вакуумні з тепловими трубами типу-U.

Конструкція вакуумного сонячного колектора Прогресс-ХХІ показана на малюнку нижче.

Сонячний колектор PROGRESS-XXI

Характеристика сонячного колектора з тепловими трубами типу “Heat pipe”

Довжина труб та зовнішній діаметр труби	1800 мм, 58 мм
Товщина скла стінки труби	1,6 мм
Матеріал труби	боросилікатне скло
Коефіцієнт теплового розширення матеріалу	3,3×10^-6°С
Поглинаюче покриття	Al-N/Al
Коефіцієнт поглинання	> 90%
Випромінююча здатність	7 % (100°С)
Вакуум	P < 5×10^-3Па
Опір вітру	30 м/с
Температура стагнації	< 220°С
Тепловтрати	< 0,8 Вт/м²×°С)
Відбивач	алюмінієвий
Матеріал рами	алюміній, нержавіюча сталь
Тиск випробовування	1,0 МПа
Робочий тиск	0,6 МПа
Працює при температурі	до –30°С

Характеристика сонячного колектора з надвисокою теплопровідністю

Матеріал скла	високоякісне боросилікатне скло
Діаметр скляної трубки	70 мм
Товщина вакуумного прошарку	10 мм
Товщина стінки	2 мм
Маса однієї трубки	2 кг
Високий вакуум	5×10^-3Па
Матеріал абсорберу	алюміній
Покриття абсорберу	нітрит алюмінію
Коефіцієнт поглинання	α ≥ 0,94
Опір вітру	30 м/с
Працює при температурі	до –30°С
Витримує удари граду	розміром до 35 мм
Температура ізоляції	250 °С

Характеристика сонячного колектора з тепловими трубами типу-U

Довжина труб та зовнішній діаметр труби	1800 мм, 58 мм
Товщина скла стінки труби	1,6 мм
Матеріал труби	боросилікатне скло
Поглинаюче покриття	Al-N/SS
Коефіцієнт поглинання	> 93%
Випромінююча здатність	8 % (100°С)
Вакуум	P < 5×10^-3Па
Опір вітру	30 м/с
Температура стагнації	< 230°С
Тепловтрати	< 0,8 Вт/м²×°С)
Відбивач	алюмінієвий
Матеріал рами	алюміній, нержавіюча сталь
Тиск випробовування	1,0 МПа
Робочий тиск	0,6 МПа
Працює при температурі	до –30°С

Ціна на сонячні колектори Прогрес-ХХІ та допоміжне обладнання для геліосистем

Опис сонячних колекторів Прогрес-ХХІ

1. Сонячні колектори Прогрес-ХХІ здатні витримувати тиск теплоносія до 0,6 МПа.

2. Замкнутий та незамкнутий контури геліосистеми

В сонячних системах з замкнетим контуром, як правило, використовується теплообмінник, який може розміщуватися як всередині, так і ззовні бака-акумулятора гарячої води. Сонячний водонагрівач з незамкненим контуром часто використовується в теплих кліматичних зонах, де не має небезпеки замерзання. Сонячні колектори Прогрес-ХХІ підходять як для закритих, так і відкритих геліосистем, так як має функції контролю тиску, температури та захист від замерзання.

3. Циркуляційний насос геліосистеми

Сонячні водонагрівачі Прогрес-ХХІ не мають вмонтованого бака-акумулятора, та теплопровід геліоколектора вміщує досить малу кількість теплоносія (близько 2 л для сонячного колектора з 30 труб). Для того щоб теплоносій циркулював від колектора до акумулюючої ємкості та назад, необхідно використати циркуляційний насос. Циркуляційним насосом геліосистеми, як правило, керує контролер з датчиками. Швидкість потоку, необхідна для роботи більшості сонячних систем, не перевищує 2 л/хв., тому достатньо циркуляційного насоса молої потужності. Більш потужні циркуляційні насоси потрібні лише у випадку об’єднання декількох геліоколекторів в один контур, чи коли геліонасос повинен компенсувати втрати напору теплоносія. Перепад тиску при малій швидкості потоку незначний, всього 700 Па при швидкості 3,3 л/хв, для теплопроводу на 20 труб, тому це не є вагомим критерієм при виборі потужності циркуляційного насоса.

4. Ефективність сонячного колектора

Переваги сонячних колекторів Прогрес-ХХІ полягають в тому, що їх внутрішня труба надійно захищена від втрат тепла. Це означає, що тепло відразу є після поглинання віддається воді теплозбірника геліоколектора та не надходить в оточуюче середовище. Такі теплоізоляційні властивості сонячних колекторів складають ключову різницю між сонячними колекторами з вакуумними трубками та плоскими. А оскільки ефективність передачі тепла тепловими трубами дуже висока, то сонячний водонагрівач Прогрес-ХХІ має високу теплопродуктивність цілий рік.

5. Вартість сонячного колектора

Висока вартість вакуумних колекторів з тепловими трубами, до недавнього часу була головною перешкодою до початку їх широкого вживання. Наш сонячний колектор – це високоякісна, надійна в експлуатації система, яка володіє високою теплопровідністю. Раціональна схема сонячних водонагрівачів Прогрес-ХХІ та низькі затрати на їх виробництво зробили їх широкодоступними та такими, які мають малий термін окупності.

6. Естетика сонячного колектора

Якщо Ви хочете встановити геліоколектор у себе на даху, то для Вас, звичайно, досить важливо, як він буде виглядати. Сонячний водонагрівач Прогрес-ХХІ має низькопрофільний дизайн та розміщується близько до поверхні даху. Труби чорного кольору відмінно поєднуються з дахом будь-якого кольору. Теплопровід виготовлений з міді, та може мати з’єднувальні виходи ззаду та збоку. Теплопровід з заднім виходом дозволяє заховати водопровідні труби за теплопроводом сонячного колектора. Крім того, з’єднання ззаду дозволяє поставити поруч впритик два та більше геліоколекторів. Бокове з’єднання частіше використовується в масштабних проектах з метою полегшення об’єднання сонячних колекторів в ряди та знизити перепад тиску в трубопроводі.

7. Утворення накипу в сонячних колекторах

Утворення накипу є предметом для хвилювання в багатьох регіонах, так як це поступово призводить до блокування водопровідної мережі, особливо в системах з гарячою водою. Оскільки сонячні колектори Прогрес-ХХІ працюють при високих температурах, в теплопроводі може утворюватися накип. Якщо вода в трубопроводі дуже жорстка, то можна передбачити утворення накипу наступним чином:

1. Використовувати електричний чи магнітний пом’якшувач воді для водопровідної мережі.

2. Використовувати геліосистеми з замкнутим контуром.

8. Використання в широких масштабах сонячних колекторів

Сонячні колектори Прогрес-ХХІ ідеальні для сонячного підігріву великої кількості води та можуть використовуватися в готелях, аеропортах, житлових будівлях та інших місцях, де потрібна гаряча вода. Економічність таких геліосистем вища, ніж домашніх, так як замість циркуляційного насоса та бака акумулятора для кожного одного-двох сонячних колекторів використовується один бак акумулятор та один циркуляційний насос на 30-50 геліоколекторів. Сонячні водонагрівачі Прогрес-ХХІ витримують гідростатичний тиск, володіють антикорозійною стійкістю та можуть встановлюватися рядами та/чи паралельно, внаслідок чого вони підходять як для масштабних, так і для малих проектів.

Характеристика сонячних колекторів PROGRESS-XXI з тепловими трубами типу “Heat pipe”


Матеріал покриття	Нержавіюча сталь 304 чи шаром порошкового алюмінію
Матеріал рами	Нержавіюча сталь 304
Матеріал труби теплосбірника	Мідь С12200
Теплова ізаляція	Поліуретан 55 мм
Гумові ущільнювачі та кільця	Стабілізована термостійка силіконова гума
Оптимальний кут встановлення	30-70º вертикально, 0º горизонтально
Максимальний робочий тиск	6 бар,
Падіння тиску	700 Па при витраті 3,3 л/хв для колектора з 20 трубок
Оптимальна швидкість потоку	0,1 л/хв./трубку – 0,026 г/хв./трубку
Коефіцієнт сезонного використання (SPF)	Коефіцієнт перетворення: h_o= 0,717. Зменшення коефіцієнтів: a₁= 1,52; а₂= 0,0085.

Сонячні колектори PROGRESS – XXI з тепловими трубами типу Heat pipe (HP)

Модель	Розміри (мм)	Кількість труб (шт.)	Корисна площа (м²)	Подача гарячої води (л/°С)
PRG/VSHP – 58/1800-12	1090×1520×1400	12	1,99	110 (60°С)
PRG/VSHP – 58/1800-18	1570×1520×1400	18	2,66	150 (60°С)
PRG/VSHP – 58/1800-20	1730×1520×1400	20	2,98	175 (60°С)
PRG/VSHP – 58/1800-24	2050×1520×1400	24	3,56	220 (60°С)
PRG/VSHP – 58/1800-30	2530×1520×1400	30	4,43	260 (60°С)

Сонячні колектори PROGRESS – XXI з тепловими трубами типу-U

Модель	Розміри (мм)	Кількість труб (шт.)	Корисна площа (м²)	Подача гарячої води (л/°С)
PRG/VSHPU – H58/1800-12	1050×1520×1400	12	1,99	110 (60°С)
PRG/VSHPU – H58/1800-18	1530×1520×1400	18	2,66	260 (60°С)
PRG/VSHPU – H58/1800-30	2490×1520×1400	30	4,43	300 (60°С)

Сонячні колектори PROGRESS – XXI з тепловими трубами надвисокої ефективності

Модель	Розміри (мм)	Кількість труб (шт.)	Корисна площа (м²)	Подача гарячої води (л/°С)
PRG/VSHPР – 70/1700-10	1065×1360×1265	10	1,5	120 (60°С)
PRG/VSHPР – 70/1700-20	2015×1360×1265	20	3,1	240 (60°С)
PRG/VSHPР – 70/1700-25	2490×1360×1265	25	4,0	300 (60°С)

Перевеги використання вакуумних сонячних колекторів PROGRESS-XXI:

Висока надійність
Максимальне використання кожного сонячного променя
Здатність знезаражувати воду
Збереження високої роботоздатності в холодний період року
Швидке повернення в робочий стан при обледенінні, покритті снігом чи інеєм
Змінні модулі, легкість в монтажі
Антикорозійний мідний теплозбірник сонячного колектора
Високі теплоізоляційні властивості теплозбірника
Рама та кожух теплопроводу геліокооектора виготовлені із високоякісної нержавіючої сталі
Сонячні колектори витримують високий тиск теплоносія, що особливо актуально для великих геліосистем

Теплообмін в сонячному колекторі типу “Heat Pipe”

1. Поглинання сонячного випромінювання. Сонячне проміння попадаючи на абсорбер сонячного колектора (спеціальне покриття, яке характеризується підвищеною здатністю поглинати теплову енергію) перетворюється в тепло та передається у внутрішню частину трубки.

2. Передача тепла. Теплові мідні трубки сонячного колектора, які розміщені всередині скляної трубки отримують теплову енергію від абсорбера. Низькокипляча рідина починає кипіти, пара цієї рідини піднімається вгору. Відбувається процес передачі тепла від всієї трубки по довжині до верхньої колби (накінечник) сонячного водонагрівача .

3. Теплообмін між колбою (накінечником) та теплозбірником. Пара низькокиплячої рідини зібрана в верхній частині трубки сонячного колектора під впливом теплообміну з теплозбірником, через який прокачується антифриз і який має значно нижчу температуру, конденсується. При конденсації відбувається передача тепла від низько киплячої рідини до антифризу, зконденсована рідина по мідним стінкам теплової труби стікає в низ і процес поглинання сонячного проміння починається знову. Нагрітий антифриз в геліоколекторі потрапляє в бак акумулятор.

4. Зберігання сонячної енергії. Антифриз (незамерзаюча рідина) забравши тепло від сонячного колектора передає його через теплообмінник в бак-акумулятор, внаслідок цього температура антифризу знижується і він направляється до сонячного водонагрівача за новою порцією теплової енергії. Температура води в баці акумуляторі поступово підвищується, а певний об’єм баку дозволяє забезпечити достатнє акумулювання сонячної теплової енергії для Ваших потреб.

Схема геліосистеми

Вакуумна теплова трубка

Конструкція сонячних колекторів на основі вакуумних трубок досить складна, основним їх компонентом є скляні вакуумні трубки. Зовнішня труба зроблена з прозорого надміцного боросилікатного скла, яке витримує удари граду діаметром 25 мм. Внутрішня труба також виготовлена з прозорого боросилікатного скла, покрита спеціальним селективним покриттям (Al-N/Al), яке забезпечує відмінне поглинання тепла з мінімальним відбиванням. Для уникнення кондуктивних та конвективних тепловтрат в геліоколекторі з простору між двома трубами викачене повітря та утворений вакуум. Для підтримання вакууму між двома скляними трубами використовується газопоглинач (такой же, как в телевизионніх трубках). При виробництві сонячних колекторів газопоглинач потрапляє під вплив високих температур, внаслідок чого нижній кінець вакуумної трубки сонячного колектора покривається шаром чистого барію. Цей шар барія поглинає СО, СО2, N2, O2, H2O та Н2, які виділяються з труби в процесі зберігання та експлуатації вакуумного колектора, підтримуючи таким чином стан вакууму. Шар барія також являється чітким візуальним індикатором стану вакууму в сонячному колекторі. Коли вакуум зникає, барієвий шар із срібного стає білим. Це дає можливість легко визначити, чи справна труба.

Сонячні колектори з вакуумними трубками типу “Heat pipe” показують відмінні результати також в похмурі дні, тому що труби здатні поглинати енергію інфрачервоного проміння, яке проходить через хмари. Завдяки ізоляційним властивостям вакууму вплив вітру та низьких температур на роботу сонячного водонагрівача також незначний в порівняні з впливом на плаский колектор. Скляні вакуумні трубки геліоколектора укладені паралельно; кут нахилу залежить від географічної широти даної місцевості. Орієнтовані з Півночі на Південь трубки сонячного водонагрівача Прогрес-ХХІ пасивно «рухаються за сонцем» протягом всього дня. Форма трубок забезпечує відмінну степінь поглинання вакуумними сонячними колекторами в порівняні з плоскими сонячними колекторами внаслідок цілого ряду причин, а саме:

1. Трубка вакуумного сонячного колектора кругла, тому сонячні промені завжди попадають на поверхню труби під прямим кутом, зводячи відбивання до мінімуму.

2. Якщо поверхня сонячного колектора пласка, то кількість сонячного випромінювання, яке на нього потрапляє, досягає свого максиму лише о півдні, коли сонце знаходиться прямо над геліоколектором. Вранці та ввечері сонячні промені падають на поверхню сонячного водонагрівача під кутом, та кількість поглинутого сонячного випромінювання зменшується.

Вакуумні трубки круглі, як наслідок, кількість сонячного випромінювання, яке потрапляє на сонячний водонагрівач, залишається достатньо постійною з середини ранку до середини дня. Завдяки цьому загальна кількість поглинутого сонячного випромінювання зростає. Більше того, кут падіння сонячних променів завжди перпендикулярний поверхні труби сонячного колектора, та відбивання, таким чином, зменшується.

Звичайна теплова труба із неорганічного скла складається з описаної вище скляної вакуумної трубки, в яку вставлена мідна теплова труба. Мідна теплова труба передає тепло із вакуумної трубки в наконечник (конденсатор) сонячного колектора, який вставляється в трубу теплозбірника, розміщеного всередині теплопроводу. Далі тепло від мідної теплової трубки передається теплоносію (антифризу), який тече через трубу теплозбірника сонячного водонагрівача. Процес теплообміну продовжується доти, поки сонце світить на небі.

Оскільки сонячний колектор досить складний пристрій, що працює в одній системі з сучасною автоматикою, не намагайтеся зробити його власноруч! Крім того, ви повинні розуміти, що не достатньо просто купити сонячний колектор, геліосистема потребує правильного розрахунку, кваліфікованих проектувальників і якісного монтажу.

Ми пропонуємо системи з використанням відновлюваних джерел енергії «під ключ» (від проекту до монтажу та пуску в експлуатацію).

При використанні матеріалів з сайту, посилання на www.progress21.com.ua є обов'язковим.

Розробка: Брайтім

CMS: xSight