Konstrukce a princip fungování solárního kolektoru (heat-pipe)
Konstrukce kolektoru:
Solární kolektor se skládá z vakuových trubic vyrobených z borosilikátového skla. Při výrobě byla použita vhodná směs oxidů SiO2 a B2O3, což poskytlo produkt s dobrou chemickou odolností a mimořádnou čistotou a homogenností. Borosilikátové sklo je šetrné k životnímu prostředí a lze jej opakovaně recyklovat. Použit byl také proces tepelného odlehčení, tedy kalení. V kombinaci s nízkou tepelnou roztažností typickou pro borosilikátové sklo bylo dosaženo obzvláště vysoké odolnosti vůči změnám teplot ve srovnání s běžným sklem. Trubice jsou odolné vůči krupobití do velikosti 25 mm. Použití trubic o průměru 47 mm a 58 mm umožňuje jejich koncentrické umístění jedné do druhé. Vzduch mezi trubicemi je odčerpán a trubice jsou k sobě zataveny. Vakuum nacházející se mezi dvěma vrstvami skla je vynikajícím izolantem a zabraňuje tepelným ztrátám. V procesu trojité magnetronové metalizace je nanesen absorbér (sloučenina pohlcující sluneční paprsky a přeměňující je na tepelnou energii). Nová speciální absorpční vrstva ALN/AIN-SS/CU s přídavkem mědi představuje další generaci absorpčních vrstev. Nástupkyně vrstvy AL/N/AL se vyznačuje vyšší účinností (až o 12 %) a vynikajícími schopnostmi absorpce přímého i rozptýleného slunečního záření. Dodatečné vrstvy absorbéru mají za úkol udržet co nejvíce energie uvnitř trubic a zabránit ztrátám tepla prostřednictvím infračerveného záření. Vnitřek vakuové trubice se může zahřát až na 300 °C. Uvnitř vakuových trubic je montována tzv. „tepelná trubice“ (heat pipe). Hliníkové radiátory umístěné uvnitř vakuových trubic pomáhají přenášet energii do měděných tepelných trubic. V souladu s principem snižování bodu varu spolu s poklesem tlaku se v případě „heat pipe“ postupovalo tak, že se snížil tlak uvnitř trubice odčerpáním vzduchu. Kapalina uvnitř výměníku „heat pipe“ se díky tomu vaří již při teplotě 25 °C. Měď použitá při výrobě trubice heat pipe je bez obsahu kyslíku, což zajišťuje možnost dlouhého a spolehlivého provozu.
Vysoká účinnost kolektoru vyplývá ze schopnosti absorbovat rozptýlené sluneční záření (např. v zamračených dnech) a maximálně omezit tepelné ztráty. Energie se získává nejen z přímo dopadajících slunečních paprsků, ale také z odraženého světla. Sběrná magistrála (manifolder) kolektoru je vyrobena z měděné trubky. Uvnitř ní jsou namontována měděná pouzdra, do kterých se zasouvá kondenzátor tepelné trubice. Aby se dosáhlo lepšího kontaktu mezi měděnými povrchy a tím i efektivnějšího přenosu tepla, používají se na spoje vysokoteplotní teplovodivé pasty. Sběrná magistrála kolektoru je tepelně izolována minerální vlnou. Přestože má o něco horší izolační vlastnosti než polyuretanová pěna, je v tomto případě lepším řešením. Minerální vlna neoxiduje a je odolnější vůči vysokým teplotám, které mohou nastat například při zastavení oběhu kapaliny v systému. Ve sběrné magistrále je také místo pro montáž teplotního čidla. Kryt sběrné magistrály kolektoru a jeho rám (stelaž) jsou vyrobeny z hliníku. Použití lehkých kovů má poměrně velký význam při montáži kolektorů na střechy budov.
Princip fungování:
Energie ze slunečních paprsků způsobuje ohřev vnitřku vakuových trubic. Prostřednictvím hliníkových radiátorů se teplo z vnitřku trubice předává do „tepelných trubic“. Již po chvíli se při teplotě 25 °C kapalina v „tepelné trubici“ začíná odpařovat. Pára stoupá vzhůru do hlavy výměníku (kondenzátoru), kde prostřednictvím sběrné magistrály kolektoru odevzdává teplo a kondenzuje. Následně stéká zpět na dno „tepelných trubic“, aby se celý proces opakoval. Topné médium (např. glykol) protékající kolektorem nemá žádný kontakt s vakuovými trubicemi a absorbérem v nich naneseným, pouze odebírá teplo z kondenzátoru „tepelné trubice“. Spojení „tepelných trubic“ s výměníkem tepla (ve kterém protéká glykol) má charakter „suchého“ spoje.
Nejjednodušší a nejlevnější instalací je instalace fungující gravitačně (termosifon). Topné médium zahřáté v kolektoru stoupá do horní části zásobníku bez použití oběhového čerpadla, následně se po odevzdání tepla v zásobníku ochlazené médium vrací do kolektoru. V takovém systému je nutné umístit zásobník nad kolektory. V praxi to vyžaduje umístění kolektorů na stelažích na zemi a zásobníku na vyšším patře v budově.
Druhým používaným řešením je instalace s nuceným oběhem. Nemá nevýhody gravitační instalace, je však v ní nutné použít čerpadlo a systém automatického řízení. Obvykle se v takovém oběhu používají zásobníky vybavené dvěma výměníky (bivalentní zásobníky). Umožňují spolupráci se dvěma zdroji tepla. K dolnímu výměníku je připojena solární instalace, k hornímu – topný kotel. Když nastanou příznivé podmínky (teplota média v kolektoru je o 5 až 8 stupňů Celsia vyšší než teplota vody v zásobníku), automaticky se zapne oběhové čerpadlo, které tlačí rozhřáté médium z kolektoru do výměníku v zásobníku.
V případě poškození vakuové trubice celý systém stále funguje. Klesá pouze účinnost systému. Ve vakuových trubicích nejsou žádné kapaliny, což znamená, že trubici lze kdykoli demontovat bez nutnosti vypouštění systému.
Pro rychlé a snadné propojení kolektoru s akumulačním zásobníkem doporučujeme používat dvojité potrubí předizolované syntetickou kaučukovou pěnou se zvýšenou tepelnou odolností. Trubky jsou vyrobeny z nerezové oceli nebo měkké mědi. Jejich flexibilita způsobuje, že mezi kolektorem a zásobníkem není nutné používat další spojky a tvarovky. Jsou také vybaveny integrovaným řídicím kabelem (pro teplotní čidlo v kolektoru). Kromě zachování nejvyšších technických parametrů za účelem minimalizace ztrát energie tento systém výrazně zkracuje dobu montáže instalace a zvyšuje její spolehlivost.
Výhody:
- Vyšší účinnost vakuového kolektoru se systémem „heat pipe“ (celoroční provoz).
- Možnost výběru různé velikosti kolektorů pro různé velikosti zásobníků.
- Poškození vakuové trubice s „heat pipe“ nezpůsobí odstavení celého systému, ale pouze sníží účinnost kolektoru.
- Menší pravděpodobnost ucpání kolektoru, což se může stát u plochých kolektorů nebo kolektorů založených na „U“-trubicích.
- Možnost propojení se systémem ústředního vytápění za účelem snížení nákladů na energii.