Vakuový solární kolektor: princip fungování + jak si ho sestavit sami

Na ohřev vody a vytápění místností se vynakládají nemalé finanční prostředky. Existuje však alternativní zdroj energie – vakuový solární kolektor. Slyšeli jste o něm? Umožňuje výrazně snížit finanční náklady na udržování komfortu, přičemž poskytuje maximální topný účinek při minimálních tepelných ztrátách.

Tento přístroj lze koupit u výrobců domácího zařízení nebo si jej sami sestavit doma. Abyste vybrali vhodný model, budete muset prostudovat mnoho informací. Pomůžeme vám rozhodnout se o hlavních kritériích nákupu.

V článku se budeme věnovat principu fungování a konstrukci vakuového kolektoru. Popíšeme konstrukční zvláštnosti různých modelů, probereme výhody a nevýhody těchto zařízení. Kromě toho podrobně popíšeme, jak si sami vyrobit a nainstalovat vakuový solární kolektor.

Materiál je doplněn videi, ze kterých se dozvíte o důležitých vlastnostech a principech fungování vakuových kolektorů.

Princip fungování vakuového agregátu

Od běžných solárních systémů se vakuový solární kolektor liší způsobem zpracování sluneční energie. Klasická baterie jednoduše přijímá světlo a přeměňuje ho na elektřinu. Kolektor se skládá ze skleněných trubic s vytvořeným vakuem uvnitř. Do jediného systému jsou spojeny pomocí speciálních spojovacích uzlů.

Uvnitř každé trubice se nachází kanál z jednoho nebo dvou měděných tyčí s teplonosnou látkou. Zachycováním slunečních paprsků aktivní prvek ohřívá materiál-teplonosnou látku, čímž zajišťuje funkci kolektoru.

Díky této konstrukci se úroveň energetického výdeje výrazně zvyšuje a tepelné ztráty se podstatně snižují, protože vakuová vrstva umožňuje uchovat asi 95 % zachycené sluneční energie.

Vakuový solární kolektor umístěný na střeše rodinného domu bude zásobovat obyvatele teplou vodou po celý rok a v chladném období umožní komfortně vytápět místnost, aniž by na to byly vynakládány velké finanční prostředky.

Kromě toho se snižuje závislost výkonu kolektoru na ročním období, teplotě okolí a různých povětrnostních podmínkách, jako jsou poryvy větru, proměnlivá oblačnost, srážky atd.

Jak je konstruován kolektor vakuového typu?

Moderní vakuová zařízení zajišťující vytápění a teplou vodu pomocí sluneční energie se technologicky liší.

Kolektory se dělí na tyto typy:

• trubicový bez skleněného ochranného povlaku;
• modul se sníženou konverzí;
• standardní plochý typ;
• zařízení s průhlednou tepelnou izolací;
• vzduchová jednotka;
• plochý vakuový kolektor.

Vakuový solární kolektor je schopen zajistit dodávku teplé vody a vytápění v kterémkoli ročním období a za každého počasí (+)

Všechny mají obecnou konstrukční podobnost, skládají se z:

• vnější průhledné trubice, z níž je zcela odčerpán vzduch;
• ohřívané trubky, umístěné ve velké trubici, kde se pohybuje kapalné nebo plynné teplonosné médium;
• jednoho nebo dvou sběrných rozdělovačů, ke kterým se připojují trubky většího kalibru a do nichž vstupuje cirkulační okruh tenkých, uvnitř umístěných trubiček.

Celá konstrukce poněkud připomíná termosku s průhlednými stěnami, ve které je udržována bezprecedentně vysoká úroveň tepelné izolace. Díky této vlastnosti získává těleso vnitřní trubice schopnost kvalitně se prohřát a plně předávat energetický zdroj cirkulujícímu teplonosnému médiu uvnitř.

Konstrukční nuance a klasifikace

Kolektory vakuového typu se klasifikují podle druhu skleněných trubic umístěných v konstrukci, nebo podle charakteristik tepelných kanálů. Trubice jsou obvykle koaxiální a pérové, a tepelné kanály – U-tvaré přímoproudé a typu heat pipe.               .

Charakteristika koaxiálních trubic

Koaxiální trubice představují dvojitou skleněnou baňku-termosku s uměle vytvořeným vakuovým prostorem mezi stěnami. Vnitřní povrch trubice má vrstvu speciálního tepelně pohlcujícího povlaku, takže k vlastnímu přenosu tepla dochází přímo od stěn skleněné baňky.

Koaxiální trubice se vyrábějí z vysoce pevného skla na bázi borosilikátů, které má vysokou propustnost světla. Prvky, v závislosti na výrobci, mají až tři vrstvy magnetronového nástřiku, vykazují vynikající pevnost a odolnost vůči různým atmosférickým jevům (déšť, kroupy atd.), vydrží tlak 1 MPa a spolehlivě slouží po dobu 15 let.

Jako absorpční prvek je do skleněné trubice zapájena měděná trubička obsahující éterovou směs. Během zahřívání se odpařuje, účinně odevzdává své teplo, kondenzuje a stéká do spodní části trubice. Poté se cyklus opakuje, čímž vzniká nepřetržitý proces výměny tepla.

Zvláštnosti pérových trubic

Vakuové pérové trubice mají větší tloušťku stěn než koaxiální a sestávají ne ze dvou, ale z jedné baňky. Vnitřní absorpční prvek z mědi je po celé délce opatřen pevným zesilovačem – vlnitou deskou s vysoce výkonným energeticky pohlcujícím nástřikem.

Díky této konstrukční vlastnosti je vakuum umístěno přímo v tepelném kanálu, jehož část je spolu s absorbentem integrována přímo do baňky.

Pérová vakuová trubice uvnitř obsahuje desku, která svým tvarem připomíná pero. Úrovní účinnosti překonává možnosti svého koaxiálního analogu, ale má výrazně vyšší cenu a obtížně se vyměňuje v případě porušení celistvosti baňky nebo selhání topného prvku.

Kolektory vyrobené na bázi pérových vakuových trubic jsou považovány za nejúčinnější ve své třídě, skvěle zvládají zadané úkoly a spolehlivě slouží po mnoho let.

Princip fungování tepelného kanálu heat pipe

Tepelné kanály heat pipe se skládají z uzavřených trubic obsahujících snadno se odpařující kapalnou směs. Působením slunečních paprsků se ohřívá, přesouvá se do horní oblasti kanálu a soustřeďuje se tam ve speciálním tepelném kolektoru (manifold).

Pracovní kapalina v tomto okamžiku odevzdá všechno nahromaděné teplo a znovu klesá dolů pro obnovení procesu.

Objímka tepelného výměníku heat-pipe se spojuje s tepelným výměníkem manifold prostřednictvím speciálního sedla, které je zapájeno do samotného 1-trubkového tepelného výměníku, nebo je obepínána 2-trubkovým tepelným výměníkem.

Pracovní prvek tepelného kanálu heat pipe se vyrábí z mědi, ve vzácnějších případech – z hliníku. Vykazuje vysokou odolnost vůči provoznímu zatížení, spolehlivě slouží po dobu 15 let, má rozumnou cenu a je jedním z nejoblíbenějších prvků moderních vakuových solárních systémů trubicového typu.

Uvolněnou energii z tepelného zásobníku odebírá teplonosná látka a přenáší ji dále po systému, čímž zajišťuje přítomnost teplé vody v kohoutcích a topných tělesech. Systém heat pipe se snadno montuje a vykazuje vysokou účinnost při provozu.

Kolektory vybavené vakuovými trubicemi heat pipe se vyznačují dobrou úrovní spolehlivosti a jsou vhodné pro použití nejen v domácnosti, ale i ve vysokotlakých solárně-termálních systémech.

V případě poruchy nebo havárie je bez problémů možné vyměnit poškozený uzel za nový, aniž by bylo nutné rekonstruovat celý systém.

Opravné práce lze snadno provést přímo na místě umístění kolektoru, aniž by bylo nutné demontovat agregát a vynakládat zbytečné úsilí.

Popis U-tvarého přímoproudého výměníku tepla

Trubka průtočného tepelného výměníku má tvar písmene U. Uvnitř cirkuluje voda nebo pracovní teplonosná látka topného systému. Jedna část prvku je určena pro studenou teplonosnou látku, a druhá správně odvádí již ohřátou.

Při zahřívání se pracovní směs rozpíná a vstupuje do akumulační nádrže, čímž vytváří přirozenou cirkulaci kapaliny v systému. Speciální selektivní povlak nanesený na vnitřní stěny zvyšuje schopnost pohlcovat teplo a zvyšuje celkovou účinnost systému.

Ve srovnání s trubicemi heat-pipe typu mají U-tvaré výrobky větší hydraulický odpor, kladou zvýšené nároky na teplonosnou látku a jsou výrazně dražší. Kolektory fungující na průtočných U-trubicích nemohou pracovat pod vysokým tlakem a zajišťují kvalitní přenos tepla pouze v období teplé sezóny.

Trubky U-typu vykazují vysoký výkon a poskytují solidní tepelný výdej, ale mají jeden podstatný nedostatek. Tvoří jeden celistvý konstrukční celek s manifoldem a vždy se montují společně s ním.

Vyměnit jednotlivou trubku, která selhala, není možné. Pro opravu bude nutné demontovat celý komplet a na jeho místo nainstalovat nový.

Srovnání různých modifikací

Při výrobě helioagregátů se tepelné kanály a vakuové skleněné trubky pro solární kolektory kombinují v nejrůznějších kombinacích.

Největší oblibě u spotřebitelů se těší koaxiální modely s tepelným kanálem heat pipe. Zákazníky přitahuje příznivá cena zařízení a velmi jednoduchá, snadná údržba po celou dobu životnosti.

Vakuový solární kolektor s pracovním kanálem heat pipe se dá dobře opravit. Výměna poškozených trubek se provádí na místě a nevyžaduje demontáž systému nebo jeho přesun na jiné místo. Nicméně výměna tepla v těchto modelech probíhá složitě, kvůli čemuž účinnost na výstupu nepřesahuje 65%.

Vakuová zařízení s kanály heat pipe vykazují vysokou spolehlivost a nemají žádná omezení použití ani ve vysokotlakých heliotermálních komplexech.

Zařízení s koaxiální baňkou obsahující průtočné U-tvaré kanály jsou také v seznamu žádaných. Charakterizují je parametry jako nízká tepelná ztráta a účinnost od 70% výše.

Pro správné fungování je třeba vakuové zařízení s U-kanálem správně nainstalovat. Je žádoucí, aby minimální úhel sklonu činil alespoň 20⁰. Jen v tomto případě bude možné zajistit maximální výkon.

Situaci trochu kazí: složitý proces opravy, specifická údržba během provozu a nemožnost vyměnit jednotlivý poškozený díl. Pokud se zařízením něco stane, je demontováno a na jeho místo je instalován zcela nový kolektor.

Pérové trubky konstrukčně představují jednoduchý válec ze skla se zesílenými pevnými stěnami (v závislosti na výrobci od 2,5 mm výše). Uvnitř obsažená vložka z pérového absorbentu těsně obepíná pracovní kanál vyrobený z tepelně vodivého kovu.

Téměř dokonalou izolaci vytváří vakuový prostor uvnitř skleněné nádoby. Absorbent předává absorbované teplo beze ztrát a zajišťuje systému účinnost až 77%.

V případě poruchy jsou kolektory vybavené tepelnými trubicemi opravitelné. Není nutné měnit celý systém, stačí najít poškozený uzel, demontovat jej a na jeho místo nainstalovat nový.

Modely s tepelnými trubicemi jsou o něco dražší než koaxiální, ale díky vysoké účinnosti poskytují v místnosti plnohodnotný komfort a rychle se zaplatí.

Nejúčinnějšími a nejvýkonnějšími jsou tepelné trubice s vnitřními přímoproudými kanály. Jejich skutečná účinnost někdy dosahuje rekordních hodnot 80 %.

Při montáži tepelných trubic do rámu se na tyč každé součásti nasazuje pevná lisovací matice s kroužkem a tepelně odolným těsněním. To zajišťuje těsnost celé konstrukce a umožňuje kolektoru plně fungovat v jakýchkoli podmínkách.

Cena výrobků je poměrně vysoká a při opravě je nutné zcela vypustit z celého systému teplonosné médium a teprve poté začít s odstraňováním závad.

Jaký by měl být tepelný sběrač?

Tepelný sběrač je další velmi důležitý pracovní prvek vakuového kolektoru. Prostřednictvím tohoto uzlu se uskutečňuje přenos nahromaděného tepla z trubic na teplonosné médium.

Tepelný sběrač je umístěn v horní části zařízení. Jeden z jeho komponentů, měděné jádro, přijímá energii a předává ji hlavnímu teplonosnému médiu, které cirkuluje v uzavřeném systému „výměník tepla nádrže-kolektor“.

Správný provoz zaručuje ke systému připojené oběhové čerpadlo. Automatika řídící topný komplex pečlivě sleduje úroveň teploty v kanálech a v případě jejího poklesu pod přípustné kritické minimum (např. v nočních hodinách) zastaví provoz čerpadla.

To umožňuje zabránit zpětnému ohřevu, kdy teplonosné médium začne odebírat teplo horké vody shromážděné v akumulační nádrži.

Výhody a nevýhody vakuových kolektorů

Hlavní předností zařízení je prakticky úplná absence tepelných ztrát během provozu. Zajišťuje to vakuové prostředí, které je jedním z nejkvalitnějších přirozených izolantů. Tím však výčet výhod nekončí.

Zařízení mají i další výrazné výhody:

• účinnost práce při nízkých teplotních hodnotách (do -30°C);
• schopnost akumulovat teplotu až 300°C;
• maximální možná absorpce tepelné energie, včetně neviditelného spektra;
• provozní stabilita;
• nízká náchylnost k agresivním atmosférickým jevům;
• malá plachtovitost, daná konstrukčními zvláštnostmi trubicových systémů, schopných propouštět skrze sebe vzduchové hmoty různé hustoty;
• vysoká úroveň účinnosti v regionech s mírným a chladným podnebím s malým počtem jasných a slunečných dnů;
• trvanlivost při dodržování základních pravidel provozu;
• dostupnost pro opravu a možnost měnit ne celý systém, ale pouze jeden vadný fragment.

K nevýhodám patří neschopnost kolektorů samočištění od jinovatky, ledu, sněhu a vysoká cena komponentů potřebných pro sestavení agregátu v domácích podmínkách.

Solární kolektor je účinné zařízení, umožňující prakticky beze ztrát přeměnit sluneční energii na tepelnou

Montáž agregátu vlastníma rukama

Proces sestavování vakuového kolektoru začíná výrobou rámové podložky pro pracovní prvky. Montuje se okamžitě na místo určené pro agregát.

Rozměr a rozměry rámu zcela a úplně závisí na modelu, který se plánuje vyrobit, a obvykle jsou uvedeny v návodu, který je mezi průvodními dokumenty ke komponentům.

Hotový rám pod kolektor se upevní na střechu tak, aby zaujímal pevnou polohu a nehoupal se. Pokud je střecha budovy břidlicová, použije se laťový trám a silné šrouby velkého kalibru. Pro jiné střešní materiály se používají běžné kotvy.

Místa dosedání rámu na povrch střechy se dodatečně fixují tmelem, aby v budoucnu nepronikala voda skrz otvory do domu. Poté se na místo montáže dopraví akumulační nádrž a šrouby se připevní na horní část rámu.

V další fázi se sestaví topné těleso, teplotní čidlo a automatizovaný odvzdušňovač. Všechny pomocné uzly a související díly se umístí na přiložené tlumicí podložky. Pro upevnění teplotního čidla se použije nástrčný klíč.

Dále se zařizuje přívod vodovodních komunikací. K tomuto účelu se berou trubky z jakéhokoli materiálu odolného vůči nízkým teplotám a schopného snášet až 95°C. Dobře se osvědčily polypropylenové trubky a fitinky.

Polypropylenové trubky jsou ideální pro propojení solárního kolektoru s vodovodním systémem obytného prostoru. Armatura má dobré fyzické vlastnosti a provozní odolnost, spolehlivě slouží po mnoho let a snadno se vymění v případě prasklin nebo natržení.

Po připojení vodovodu naplňte zásobní nádrž vodou a otestujte těsnost. Pokud se během 3–4 hodin někde objeví úniky, odstraňte je.

Na závěr instalujete topné prvky. K tomu obalíte měděnou trubku hliníkovým plechem a umístíte ji do vakuové skleněné trubky. Zespodu na baňku nasadíte fixační mističku a prachovku z pevné, pružné pryže.

Horní měděný hrot trubky zasunete až na doraz do mosazného kondenzátoru. Viskózní teplovodivé mazivo z trubek neodstraňujte. Zaklapněte fixační mechanismus na konzole a stejným způsobem namontujte všechny zbývající skleněné trubky.

Trubkové solární kolektory vyžadují pravidelnou údržbu a povinné čištění, zejména v období aktivního sněžení. Pokud dodržíte tato jednoduchá pravidla, budou pracovat dlouho a zachovají si vysokou úroveň účinnosti po celou dobu životnosti.

Na konstrukci umístíte montážní blok, přivedete k němu napájení 220 voltů a připojíte k systému tři pomocné bloky – topné těleso, odvzdušňovač a teplotní čidlo.

Jako poslední připojíte regulátor určený pro správné řízení komplexu. Do menu regulátoru zadáte požadované parametry provozu a spustíte systém ve standardním režimu.

Podrobný návod krok za krokem na stavbu solárního kolektoru je uveden v tomto článku.

Jak správně umístit přístroj?

Aby vakuový kolektor mohl plnohodnotně pracovat a efektivně zásobovat obytný prostor potřebnou energií, je pro něj nutné najít co nejvhodnější místo a správně jej orientovat vůči světovým stranám.

Solární kolektory vakuového typu jsou mnohem praktičtější než jejich ploché analogy. Pokud některá z pracovních trubek utrpí poškození a přestane fungovat, lze ji velmi snadno vyměnit za novou. Poté systém bude dále fungovat v původním režimu. Pokud není možné ihned nahradit poškozený prvek novým, není to problém. Agregát bude schopen plnit své „povinnosti“ i s uzlem obsahujícím poškozený prvek.

Pro sídla na severní polokouli je aktuální umístit kolektor na jižní stranu střechy domu nebo na slunečnou stranu pozemku. Je žádoucí zajistit minimální odchylku roviny přístroje.

Pokud není možné nasměrovat plochu na jih, je vhodné vybrat mezi západem a východem maximálně světlý úhel na otevřeném prostoru.

Vysoká pracovní účinnost vakuového kolektoru je také dána tím, že funguje na principu zrcadla a vyrovnává svůj tepelný výkon podle aktuální výšky slunce.

Energetický solární komplex by neměly zakrývat komíny, dekorativní části střešní krytiny, rozložité větve stromů a vysoké obytné nebo technické budovy. Snížilo by to účinnost a zmenšilo úroveň ohřevu pracovních prvků.

Pokud je zařízení správně umístěno, zajistí prakticky stejný tepelný výkon po celý rok bez ohledu na roční období.

Pokud nemáte dostatek zkušeností s prováděním složitých opravářských, montážních a zámečnických prací, není racionální provádět vakuování trubic v domácích podmínkách. Tento proces je velmi náročný a vyžaduje speciální znalosti a specializované vybavení.

Kromě toho mají prvky vakuového typu vyrobené svépomocí mnohem nižší úroveň účinnosti než tovární díly. Proto je nejrozumnější zakoupit výrobky od specializovaného výrobce a poté se doma pokusit sestavit několik sekcí.

Na webu je výběr článků o zařizování solárního topného systému, doporučujeme Vám se s nimi seznámit:

1. Solární systémy vytápění: rozbor technologií pro vytápění na bázi solárních systémů
2. Vytápění rodinného domu solárními panely: schémata a konstrukce
3. Flexibilní solární panely: druhy, charakteristiky + vlastnosti připojení

Závěry a užitečné video k tématu

Podrobný, detailní popis vakuové trubice, principu jejího fungování a vlastností fungování solárního kolektoru jako celku. Autor hovoří o některých zajímavých nuancích a ukazuje, že instalace se může stát skutečnou alternativou k plynovému kotli.

Zajímavé informace o práci solárního kolektoru v zimním období.

Jak správně namontovat vakuový solární kolektor svépomocí v domácích podmínkách. Všechny nuance procesu, doporučení a užitečné rady.

Se znalostí základního principu fungování trubicového vakuového solárního kolektoru lze sestavit zařízení vlastnoručně. Instalace bude plně odpovídat osobním individuálním požadavkům a potřebám.

Není to příliš obtížná činnost, vyžaduje však zvýšenou pozornost, pečlivost a určité dovednosti, jinak riziko poškození celistvosti baňky a narušení její těsnosti výrazně vzroste.

Všem zájemcům o výběr, instalaci nebo vlastní montáž solárního kolektoru doporučujeme Vám zanechat komentáře a pokládat dotazy. Kontaktní formulář je umístěn v dolním bloku.