Vakuumroehrenkollektor-wwwВикористання енергії сонця для опалення та гарячого водопостачання набуває дедалі більшого поширення в усьому світі. Ця технологія є дуже перспективною і для нашої країни.

Спонукають до цього кліматичні умови, постійне подорожчання енергоресурсів та усвідомлення необхідності охорони навколишнього середовища. Які ж саме технології наявні нині на ринку сонячного водонагрівального обладнання та на що слід зважати під час вибору обладнання?
Сонячні водонагрівачі виробляються з пласкими колекторами (ПК) та з вакуумними трубчатими колекторами (BTK).

 

 

Плаский колектор

 

Плаский колектор уловлює сонячну радіацію і перетворює сонячну енергію на теплову, яка застосовується для нагрівання води. Плаский колектор повинен бути надійним, строк його служби має бути не менше 15 років.

Основними характеристиками цього колектора мають бути:
• стійкість до впливу навколишнього середовища (морське середовище, дощ, пил, град);
• стійкість до великих перепадів температури;
• щільність усіх частин системи;
• стабільність та міцність;
• легкість інсталяції;
• ефективне перетворення енергії;

Основні конструктивні елементи пласких колекторів такі:
• корпус;
• ущільнювач;
• прозоре покриття;
• теплоізолюючий шар;
• теплопоглинаючий елемент (абсорбер);
• трубка (теплопровідна система).


Корпус

Корпус містить усі компоненти колектора і захищає їх від впливу навколишнього середовища. Для цього він повинен бути міцним. Матеріал, застосований для виготовлення корпуса, має бути стійким до корозії.

Ущільнювач

Ущільнювач виготовляється з еластичного матеріалу для запобігання протіканню та потраплянню дощової води всередину колектора. Ущільнювальний матеріал повинен витримувати великі перепади температури та дію ультрафіолетового (УФ) опромінювання для забезпечення строку служби не менше 15 років.

Прозоре покриття

Прозоре покриття має виготовлюватися із загартованого скла з високим коефіцієнтом теплопередачі (близьким до 1). Воно захищає компоненти всередині колектора від впливу навколишнього середовища.

Теплоізолюючий шар

Теплоізолюючий шар зменшує небажані втрати тепла через задню та бічні частини колектора. Ізолюючий шар має витримувати максимальну температуру абсорбера.

Абсорбер

Абсорбер поглинає сонячну енергію і перетворює її на теплову. Абсорбер виготовляється, як правило, з матеріалу з високою теплопровідністю,наприклад, із міді, з селективним покриттям на ньому для забезпечення максимального поглинання сонячної радіації.

Теплопровідна система

Рідина, що протікає через колектор, має відбирати тепло з метою його подальшого використання. Теплопередача відбувається головним чином завдяки процесам теплопровідності та конвекції. Трубки виготовляються з матеріалу з високою провідністю.


Вакуумний трубчатий колектор

 

Сонячний водонагрівач із вакуумним колектором складається із двох основних елементів: зовнішнього блока — сонячних вакуумних колекторів та внутрішнього блока — резервуара-теплообмінника. Зовнішній блок складається з мідних трубок із чорним покриттям і відбивного шару.
Прямі сонячні промені нагрівають чорні трубки, а відбиті від відбивного шару сонячні промені фокусуються на зворотному боці трубок.
Сонячний вакуумний колектор забезпечує збирання сонячного випромінювання в будь-яку погоду, послабляючи його залежність від температури зовнішнього повітря. Коефіцієнт поглинання енергії колекторів сягає 98%.
Вакуумна трубка буває різних підкатегорій залежно від використаного матеріалу та вимог щодо застосування. Строк служби вакуумної трубки складає від 5 до 15 років. 

Основні характеристики вакуумного трубчастого колектора:

• стійкість до впливу навколишнього середовища (дощ, пил тощо, а в деяких випадках підвищений рівень вологості, наприклад, у морському середовищі);
• стійкість до великих перепадів температури;
• щільність усіх частин системи;
• стабільність та міцність;
• легкість установлення;
• ефективне перетворення енергії.

За рахунок використання теплових трубок у конструкції вакуумних колекторів досягається вищий ККД при роботі в умовах низьких температур і слабкого освітлення. Водночас вико-ристання додаткового теплового контуру призводить до неминучих втрат, пов'язаних з передачею тепла між середовищами, тому при температурах вище +15 °С ефективність вакуумних колекторів практично зрівнюється, а іноді й нижча, ніж у пласких колекторів. За рахунок якісних багатошарових високоселективних покриттів і вакуумування сучасний сонячний колектор здатен уловлювати сонячну енергію в широкому спектрі випромінювання (значно ширшому за видимий спектр).

Типи вакуумних сонячних колекторів:

• Колба в колбі.
• Колба в колбі з тепловою трубкою.
• Вакуумована колба.

Колба в колбі

У колекторах першого типу нагріваня теплоносія відбувається при контакті із селективним покриттям скляної колби. Теплоносієм може бути як вода, так і антифриз (або його суміш з водою). Такі системи працюють при відсутності надлишкового тиску з боку теплоносія, тому що не можуть бути ефективно гідроізольовані. Найчастіше це системи з пасивною циркуляцією теплоносія.

Колба в колбі з тепловою трубкою

У колекторах з використанням колб другого типу застосовуються мідні теп¬лові трубки. Передача тепла від абсорбера до трубки здійснюється за допомогою ребер. Теплова трубка передає тепло в конденсатор, приєднаний до колектора, де відбувається циркуляція теплоносія.

Вакуумована колба

Головною відмінністю колб третього типу є вакуумна теплоізоляція мідної теплової трубки. Якщо в колбах першого і другого типу вакуумний прошарок знаходиться між скляними стінками колб, то у вакуумованих колбах і абсорбер і теплова трубка перебувають у зниженому тиску повітря. Крім того, наявність лише одного шару скла замість двох підвищує ККД установки.

 

Вибір технології

 

Ефективність сонячних систем на основі ВТК та ПК, призначених для нагрівання води, відрізняється залежно від регіону, місця розташування, пори року та багатьох інших зовнішніх факторів.

Температура навколишнього середовища

Температура навколишнього повітря (зовнішня атмосферна) вночі та вдень відіграє важливу роль при виборі належного обладнання. У холодних кліматичних умовах, де температура навколишнього середо¬вища сягає точки замерзання води, ефективність вакуумних трубчастих колекторів є вищою порівняно з пласкими. За подібних умов не рекомендується пряме нагрівання води. Користувачам радять обирати систему з тепловою трубкою на основі технології ВТК або систему на базі плаского колектора з теплообмінником, якщо тем-пература навколишнього середовища може опуститися нижче 2 °С.

Бажана температура гарячої води

Вибір тієї чи іншої технології впливає також і на бажану температуру гарячої води.

 

Якість води

 

Якість води відіграє важливу роль при виборі технології, а також механізму теплообмінника. Далі описується вибір технології та матеріалів на підставі їх якості.

Тимчасово жорстка вода. Основні конструктивні елементи пласких колекторів

Коли нагрівається тимчасово жорстка вода, у ній виділяється осад, який накопичується в різних частинах системи колектора і призводить до утворення накипу. Його утворення відбувається швидше у пласких сонячних колекторах порівняно з вакуумними трубчатими. Втім, у системах на базі ВТК накип також утворюється. Тому при використанні води подібного типу рекомендоване непряме нагрівання із застосуванням теплообмінника. У випадку непрямого нагрівання накип утворюється на поверхні теплообмінника, а тому його можна видаляти через періодичні проміжки часу. У той же час слід зазначити, що нині впроваджуються нові технології, за якими внутрішня поверхня колекторних трубок обробляється спеціальними хімікатами, які зменшують утворення накипу. Споживачі можуть вимагати надання конкретної інформації про ці технології та отримати спеціальну гарантію виробника перед тим, як обирати технологію прямого нагрівання тимчасово жорсткої води.

Постійно жорстка вода

Постійно жорстка вода не створює проблем у роботі систем на базі ПК або ВТК. Однак якщо система залишається наповненою водою упродовж усього літа і постійно перегрівається, концентрація розчинених твердих частинок збільшується, що з часом призводить до утворення накипу.

Вода, що містить солі

Вода із вмістом солі спричиняє корозію м'яких металів, оцинкованих трубок і навіть нержавіючої сталі. Мідь значною мірою захищена від цього. Отже, в середовищі, що містить солі, можуть застосовуватися як ПК, так і ВТК. Однак при цьому слід уникати застосування резервуара для зберігання води з нержавіючої сталі. Замість цього можна використовувати резервуар для зберігання води із м'якої сталі, належним чином обробленої та покритої захисною фарбою. В умовах роботи з водою, що містить солі, необхідне регулярне технічне обслуговування сонячної установки.

Кисла вода

Кисла вода спричиняє корозію м'якої сталі, оцинкованого заліза, міді та інших металів. Вона також призводить до корозії нержавіючої сталі, якщо у ній містяться сульфіди, хлориди та фториди. З подібною водою слід застосовувати системи на базі ВТК. Втім, вода такої якості трапляється рідко.

Лужна вода

Це найпоширеніший тип води. Помірна лужність майже не чинить негативного впливу на м'яку сталь, мідь, нержавіючу сталь та оцинковане залізо.

Однак оцинковане залізо починає втрачати шар цинку, що відкладається на мідних поверхнях тієї самої системи. Як ПК, так і ВТК можуть застосовуватись у системах з подібною водою. Для запобігання відкладанню цинку замість оцинкованих трубок можна використовувати ізольовані трубки з ПВХ.

Вода з високим ступенем каламутності

Каламутність води спричиняється високим вмістом суспендованих твердих частинок. Ці частинки повільно осідають, коли вода довго залишається в резервуарі. Ці суспендовані частинки часто мають електричний заряд. Заряд повільно нейтралізується при контакті з металами, але існує проблема повільного осідання часток. Тому під час користування сонячними системами для нагрівання води каламутної води слід уникати, оскільки вона шкідлива для систем як на базі ПК, так і на базі ВТК. Якщо неможливо уникнути каламутності води, необхідно періодично виконувати технічне обслуговування для забезпечення надійної та рівномірної роботи системи.

Оброблена вода(для зменшення жорсткості)

Обробка води зазвичай здійснюється перед її подачею в котел для того, щоб зменшити її жорсткість. Однак процес зменшення жорсткості робить воду солоною, що призводить до утворення накипу. Подібна вода не підходить ні для ПК, ні для ВТК, і її слід уникати. Вона також непридатна для зберігання в резервуарі з нержавіючої сталі.

 

Інші фактори впливу навколишнього середовища

 

У регіонах, де часто буває град, не слід застосовувати ВТК, оскільки скляні трубки можуть розбитися під час негоди. Це стосується і тих регіонів, у яких на місце розташування сонячного водонагрівача можуть проникати тварини або птахи. При цьому існує ризик розбиття скляної трубки ВТК, що призведе до зупинки роботи системи. Отже, системи на базі ВТК в подібних місцях рекомендується не застосовувати.

 

За матеріалами Проекту UNDP/GEF