На сьогоднішній день технологія вакуумних труб є найбільш ефективною з тих, що використовуються в сонячних теплових колекторах.

Деякий час це була дуже дорога система і важкодоступна. Однак ця система починає ставати дедалі доступнішою для деяких застосувань, про що свідчить поширення компактних термосифонних систем гарячого водопостачання з вакуумними трубками, які в останні роки вторглися на такі ринки, як Мексика.

передачі тепла

Чому вакуумні колектори ефективніші за плоскі? Для того, щоб дати більш точну відповідь, необхідно знати фізичні процеси, за допомогою яких теплова енергія переходить від одного тіла до іншого і які втручаються в процеси, що визначають більшу чи меншу ефективність одного колектора щодо іншого.

Шляхи передачі тепла

Існує 3 способи передачі тепла від одного тіла до іншого:

Водіння- Це передача тепла, що відбувається між двома тілами при різних температурах, які перебувають у безпосередньому фізичному контакті, або між двома ділянками одного тіла при різних температурах. Потік теплопередачі буде залежати від того, наскільки широка контактна поверхня між двома областями різних температур, і від теплового дисбалансу, що існує між ними. Цей тип передачі перевіряється емпіричним шляхом, торкаючись гарячого тіла (воно передає нам тепло) або тримаючи металевий елемент, підданий вогню (ми помітимо, що тепло поступово розподіляється по об’єкту)

Конвекція- Тип передачі тепла, який відбувається лише між рідинами, а не між твердими речовинами. Це відбувається тому, що при підвищенні температури рідини вона втрачає щільність і піднімається над найхолоднішим і найгустішим середовищем, передаючи своє тепло останньому. Цей тип трансмісії можна емпірично перевірити, поклавши руку на радіатор або плиту. Відчуватиметься пологий висхідний потік теплого повітря

Випромінювання. У цьому випадку тіла не зобов’язані контактувати для передачі тепла, і вони навіть можуть існувати у вакуумі між собою. Кожне тіло завдяки простому факту перебування при температурі вище абсолютного нуля (-273 градуси Цельсія) випромінює електромагнітне випромінювання. Чим вища його температура, тим більшу радіацію вона випромінює.

Наприклад, два тіла, одне при 30 градусах Цельсія, а друге при 130 градусах Цельсія, випромінюватимуть променисту енергію. При розміщенні поруч один з одним відбудеться обмін випромінюванням між ними. Той, що має 10 градусів, поглине багато енергії від випромінювання тіла 130 градусів і дасть йому мало. Таким чином, тіло на 130 градусів буде випромінювати набагато більше випромінювання, ніж воно здатне поглинути з тіла на 10 градусів. За відсутності інших зовнішніх агентів кінцевим результатом буде те, що 10-градусне тіло нагріється, а 130-градусне тіло охолоне, поки вони обидва не досягнуть однакової температури і не поглинуть і не випромінять однакову кількість енергії. Найяскравіший приклад такого типу теплопередачі дає саме Сонце, яке знаходиться при дуже високій температурі і через порожній простір посилає нам своє тепло.
Зазвичай три типи передачі тепла зазвичай даються одночасно, хоча в різних пропорціях кожен.

У колекторах сонячної енергії ми можемо встановити такі відносини передачі тепла. Сонце світить на колектор, і він підвищує температуру. За допомогою цього тепла прагнуть нагріти потрібну рідину, як правило, воду. (або вода та антифриз). Однак не все тепло, що виробляється, використовується для нагрівання потрібної рідини, оскільки частина буде безповоротно втрачена при нагріванні зовнішнього повітря, що знаходиться в контакті з колектором (кондукція та конвекція), а інша буде втрачена випромінюванням із підвищенням температури колектор буде випромінювати більше енергії, ніж середовище, в якому він знаходиться, спричиняючи збитки в цьому сенсі.

Не всі колектори однакові, і ті, хто підтримує кращий зв'язок між тим, що вони отримують від енергії Сонця, і тим, що вони втрачають, будуть ефективнішими, як ми коментували.

Існує два шляхи вдосконалення колекторів: покращення приросту енергії, отриманої від сонця, та/або зменшення його втрат.

Поліпшення, яке забезпечують вакуумні трубкові колектори, полягає в уникненні втрат на кондукцію та провідність. Як було видно, передача тепла шляхом провідності та конвекції вимагає здійснення речовини. Отже, розмістивши поглинач всередині трубки, в якій був створений вакуум, він дозволяє уникнути втрат цими методами лише втрачаючи тепло випромінюванням (яке може передаватися у вакуумі).

Якщо втрачається менше тепла, буде доступно більше тепла для нагрівання рідини, яка нам потрібна, таким чином отримуючи більше продуктивності для тієї ж кількості енергії від Сонця.

Слід також зазначити, що завдяки циліндричній формі колекторних трубок утворюється більше відблисків сонячного світла, ніж у плоских колекторних колекторах, а це означає, що приріст енергії від Сонця менший. Однак прийняття цієї форми компенсує, оскільки через вакуум втрачається більше енергії, ніж через відбиття.

Тип вакуумних трубних колекторів

Різні колекторні системи вакуумних труб засновані на евакуйованих трубах. Вони складаються з двох концентричних трубок, між якими втягується повітря, створюючи вакуум. На одному кінці обидві трубки з’єднуються, герметизуючи вакуум. Усередині обох трубок (відтепер ми будемо називати ці трубки концентричними з вакуумом. Посередині - евакуйовані трубки) знаходяться різні типи поглиначів, які визначають різні системи.

Схеми евакуйованих трубок


Деякі колектори використовують систему CPC (концентричний параболічний колектор), щоб скористатися сонячним випромінюванням, яке потрапляє між двома трубками. Ця система складається з серії відбивачів, які спрямовують світло, що потрапляє між трубкою та трубкою, до їх задньої частини, де вона також використовується. Завдяки цьому колектори отримують світло як спереду, так і ззаду. За допомогою системи CPC ефективна поверхня збору на квадратний метр збільшується для технологічного коефіцієнта вакуумної трубки, який, однак, завжди буде нижче плоских колекторів (на квадратний метр збирається менше, але ефективніше використовується те, що було захоплено)