Рассматриваются особенности применения вакуумных солнечных коллекторов с тепловыми трубками в системах горячего водоснабжения и отопления для жилого дома.
Ключевые слова: вакуумный солнечный коллектор, отопление, горячее водоснабжение, альтернативный источник тепла, тепловая трубка, абсорбер солнечного света
Использование солнечной энергии один из самых доступных источников энергии. Колоссальный запас и свободный доступ являются наиболее весомыми достоинствами подобного энергоносителя. Создано огромное количество всевозможных установок, которые продолжают совершенствоваться, перерабатывающих солнечную энергию в электричество, нагревающих разного рода теплоносители. Одними из таких устройств являются солнечные коллекторы. В данном случае рассмотрим вакуумный солнечный коллектор с тепловыми трубками [1].
Вакуумные трубы представляют собой две концентрически расположенные, одна внутри другой, стеклянные трубы, которые создают между собой закрытое сильно разряженное пространство, т. е. вакуум (отсюда и их название — вакуумные). Они выполнены из термозакаленного боросиликатного стекла, которое характеризуется малым коэффициентом линейного теплового расширения (до 3,1·10−6°C−1при 20 °C) [2] и выдерживает относительно высокие температуры, а главное — резкие ее перепады. На поверхность внутренней трубы нанесено селективное покрытие, благодаря которому она функционирует как высокоэффективный абсорбер солнечного света [3].
Непосредственно переносчиком поглощенной энергии солнечного света является хладагент внутри тепловой трубки. Перенос тепла происходит за счёт того, что жидкостьиспаряетсяна горячем конце трубки, поглощаятеплоту испарения, иконденсируетсяна холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.
Материалы и хладагенты для тепловых трубок выбираются в зависимости от условий применения: от жидкогогелиядля сверхнизких температур дортутии дажеиндиядля высокотемпературных применений. Однако большинство современных трубок в качестве рабочей жидкости используютаммиак,воду,метанолиэтанол [4].
Примерная конструкция вакуумного солнечного коллектора с тепловыми трубками представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Конструкция вакуумного солнечного коллектора с тепловыми трубками
Непосредственно об особенностях применения вакуумных солнечных коллекторов с тепловыми трубками.
Коллекторы следует устанавливать в местах, где ветровая нагрузка Vm (средняя скорость ветра) не превышают 150 км/ч и снеговая нагрузка Sk (вес снега) не превышает 1,25 кН/м.
Эффективность установки максимальна при прямом перпендикулярном воздействии солнечных лучей на поверхность коллектора. Поэтому установка панелей производится тепловоспринимающей поверхностью к экватору и под определенным углом к горизонту (от 30 до 60 градусов, в зависимости от широты). Так же угол наклона коллектора влияет на возможность скопления снега в холодный период года. Однако не всегда возможно установить такой угол наклона, при котором будет максимальная эффективность работы коллектора и минимально возможная вероятность скопления снега на его поверхности. Возникает вопрос — какой выбрать угол установки панели, чтобы обеспечить требуемую мощность коллектора и сократить количество очисток от снега. На практике, снег подтаивает на солнце и сползает в нижнюю половину или треть коллектора, где может превращаться в снежно-ледяную корку. Вакуумные коллекторы, расположенные под углом 55–60 градусов к горизонту, даже при небольшом ветре, легко обдуваются от снега естественным образом, если только они не установлены на земле, где намело сугробы.
Пример установки вакуумных солнечных коллекторов на крыше жилого дома приведен на рисунке 2.
Рис. 2 Пример установки вакуумных солнечных коллекторов (установлены 3 панели у конька крыши) на крыше жилого дома.
Если же, и плоские и вакуумные коллекторы установлены на крыше или на земле, где собирается снег, то и тот, и другой придется отчищать для нормальной работоспособности. Общее правило — чем больше угол наклона коллектора, тем меньше на нем будет собираться снег. Вакуумные коллекторы, установленные под углом от 55 градусов и выше, имеют еще одно преимущество перед плоскими коллекторами — они обладают повышенной устойчивостью к обильным снегопадам.
Также существует мнение, что солнечные коллекторы покрываясь изморозью перестают нормально работать, на самом деле, изморозь не сильно влияет на работоспособность коллекторов. Изморозь обычно появляется после обильных осадков при повышенной влажности, как только выходит солнце, изморозь превращается в воду.
Установку коллекторов следует производить в месте, которое будет освещаться Солнцем на протяжении большей части светового дня, которое не будет затеняться деревьями, сооружениями, естественным и искусственным ландшафтом.
Следует предусмотреть защиту от перегрева. В случае, если система проектирована для питания центрального отопления, в летние месяцы она будет производить намного больше необходимого горячей воды. В этом случае рекомендуется к системе установить устройство для рассеивания тепла или прибавить несколько потребителей горячей воды в летний период (например, бассейн и др.).
Поддержание поверхности тепловоспринимающей поверхности коллектора в чистом состоянии. Такие виды загрязнений как пыль, листья, отложения солей, ветки растений и их семена оказывают прямое негативное влияние на эффективную работу установки. Поэтому, следует периодически очищать поверхность солнечного коллектора от посторонних объектов.
Температура стагнации. Возможны случаи, когда циркуляция теплоносителя в коллекторе сильно замедляется или вовсе прекращается — повреждение циркуляционных труб, неисправность циркуляционного насоса, активация заложенной в контроллере функции защиты бойлера от высокой температуры. При этом коллектор продолжит повышать свою температуру, пока не достигнет граничной температуры клапана для понижения температуры, и в этот именно момент будет выброшена из системы горячая вода. Если предохранительный клапан не установлен на коллекторе, то в главной трубе может образоваться пар. В конечном счете возможен возврат пара к бойлеру по возвратной трубе. Клапан на бойлере откроется, чтобы высвободить давление или тепло, в зависимости от необходимости. В таких условиях коллекторная труба достигнет максимальной температуры примерно в 160 °C. В сущности, возврата тепла из коллектора в форме пара не достаточно, чтобы повлиять на дальнейшее повышение температуры в бойлере (т. е. входящая тепловая мощность меньше тепловых потерь водонакопителя). При нормальном применении стагнация вследствие остановки насосов появлялась бы редко, так как перерывы в подаче электричества обычно бывают во время бурь и в облачную погоду. Защита водонакопителя против перегрева необходима единственно в том случае, когда нет потребления горячей воды в течение нескольких дней, и только в периоды сильного солнечного жара (летом). Если установка не эксплуатируется длительный период (два-три дня и более), рекомендуется накрывать панель коллектора или проектировать систему с устройством для рассеивания тепла или для альтернативного применения тепла, предотвращая таким образом перегрев системы и стагнацию коллектора. Стагнация коллектора не повредит его самого, однако изоляция труб в близости к входу и выходу коллектора должна находиться в состоянии выдержать температуры до 200 °С (например, из стеклянной ваты или минеральной ваты с внешней оболочкой из алюминиевой фольгой, предохраняя таким образом все составные части) [3].
Литература:
1. Вакуумный нагреватель на солнечной энергии. — URL: http://ekobatarei.ru/vidy/vakuumnyj-nagrevatel-na-solnechnoj-energii (Дата обращения 03.08.2016).
2. Боросиликатное стекло. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Боросиликатное_ стекло(Дата обращения 03.08.2016).
- Технический паспорт инструкция по установке и эксплуатации солнечных коллекторов SUNSYSTEM плоского коллектора серии РК вакуумно-трубного коллектора серии VTC. — URL: http://tula.sol-batery.ru/netcat_files/multifile/9651/381388j7yjt22u7h.pdf (Дата обращения 03.08.2016).
4. Тепловая трубка. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Тепловая_трубка (Дата обращения 03.08.2016).
