Vakuové trubicové sluneční kolektory Regulus

Trubicové sluneční kolektory využívají jako tepelnou izolaci vakuum, vytvořené mezi dvěma skleněnými trubicemi. Proti klasickým plochým kolektorům mají vyšší účinnost a to zejména v nepříznivých klimatických podmínkách. Na vnitřní trubici je nanesena vysoce selektivní absorpční vrstva, na které dochází ke přeměně energie záření na tepelnou. Vzniklé teplo se odvádí speciálními hliníkovými lamelami do měděných trubiček, ve kterých proudí teplonosná kapalina (KTU), nebo kapalina proudí přímo vnitřní skleněnou trubicí s absorpční vrstvou (ETC).

Tepelné ztráty vedením a prouděním jsou u trubicových kolektorů velmi malé, takže mohou využít získané teplo i při velmi malé intenzitě slunečního záření, včetně případů, kdy je slunce zataženo (využití rozptýleného, neboli difúzního záření) nebo při velmi nízkých teplotách vzduchu.

Kolektory řady KTU

V nabídce společnosti Regulus jsou dvě modelové řady vakuových kolektorů Regulus s ”U” trubicemi KTU a KTU R.

Kolektory typu KTU R mají velký tvarovaný reflektor, který koncentruje sluneční záření z velké plochy na absorpční plochu trubic. Kolektory KTU R podávají vyšší špičkový výkon.

Kolektory typu KTU jsou bez reflexního plechu, ale s větším počtem trubic, které využívají plnou absorpční plochu v širokém úhlu slunečního záření 110°. Kolektory KTU mají vyrovnanější výkon během dne.

	s reflexním plechem	s reflexním plechem	bez reflexního plechechu	bez reflexního plechechu
Rozměry š x d x v (mm)	1000 x 1970 x 141	1430 x 1970 x 141	1000 x 1970 x 140	1430 x 1970 x 140
Hrubá plocha kolektoru	1,81 m2	2,66 m2	1,81 m2	2,66 m2
Účinná plocha trubic	1,43 m2	2,15 m2	0,93 m2	1,41 m2
Připojovací rozměry	4 x trubka Cu 22	4 x trubka Cu 22	4 x Cu 22	4 x Cu 22
Max. provozní tlak	6 bar	6 bar	6 bar	6 bar
Objem kapaliny	0,92 l	1,37 l	1,7 l	2,4 l
Hmotnost	32 kg	44 kg	41 kg	60 kg
Model	KTU R6	KTU R9	KTU 10	KTU 15
Kód	7343	7342	7126	7127

Kolektor ETC 16

• Vnější díly kolektoru jsou vyrobeny z eloxovaného hliníku a plastů.
• Kolektor má samonosnou konstrukci a díky tomu velmi nízkou hmotnost.
• Díky integrovaným rychlospojkám je montáž rychlá a jednoduchá.
• Vysoká účinnost díky přímému průtoku nemrznoucí kapaliny skleněnými trubicemi.
• Uvnitř vakuové trubice je vytvořena reflexní vrstva.

Kolektory se spojují přímo jeden do druhého bez použití šroubení.

Rozměry š x d x v	765 x 1684 x 100 mm
Hrubá plocha kolektoru	1,29 m2
Účinná plocha trubic	0,808 m2
Připojovací rozměry	2 x Cu 26 rychlospojka
Max. provozní tlak	0,6 MPa
Objem kapaliny	3,2 l
Hmotnost	20 kg
Model	ETC 16
Kód	6830

Použití

Vakuové trubicové sluneční kolektory se používají stejně jako ploché kolektory na předehřev vody (dříve se říkalo užitkové) a také na přitápění - tedy ohřev topné vody, za podmínky nízkoteplotní otopné soustavy. Častější použití kolektorů jen k ohřevu teplé vody pro mytí a koupání apod. je dáno tím, že teplá voda je potřebná celoročně, a protože v létě - a většinou i na jaře a na podzim - je díky kolektorům její ohřev téměř zadarmo. Naopak vytápět není v létě vůbec třeba a v zimě bývá výkon kolektorů z důvodu malé intenzity slunečního záření daleko nižší, než je potřebný výkon pro vytápění. Vyšší efektivnosti solárního systému pro přitápění lze docílit využitím solárního systému i pro ohřev bazénu, kdy se i v letním období využije větší kolektorová plocha.

Mnoho investorů dnes již neplánuje výdaje pouze na základě kritéria nejrychlejší návratnosti, ale usiluje o rychlé docílení vlastní, co možná nejvyšší energetické nezávislosti z důvodu poměrně velké nejistoty na trhu s palivy. Maximální využití „bezplatné” a z energetického pohledu vysoce ušlechtilé sluneční energie (v dalším textu ukážeme, že toto záření dokáže tělesa na ohřát na poměrně vysoké teploty) je při tomto přístupu základem.

Vakuové trubicové kolektory a jejich vlastnosti

Podstatným specifikem u trubicového kolektoru je vakuum, které odděluje povrch absorbéru od vnějšího prostředí. Vakuum minimalizuje tepelné ztráty vedením a prouděním (kondukcí resp. konvekcí). K tomu, aby kolektor pracoval efektivně i při nízkých venkovních teplotách, je vakuum nutné.

Nejsnazší způsob, jak vakua docílit a to na dlouhou dobu, je řešení s dvěma soustřednými skleněnými trubicemi. Pokud jsou obě trubice staveny už při výrobě, dojde k úniku vakua pouze při prasknutí trubic. Pokud se vakua dosahuje při smontování trubic za pomoci izolací, ventilů, apod., hrozí nepozorovaný únik kdykoliv během provozu netěsnostmi. Na vnitřní skleněné trubici je nanesena vrstva absorpčního materiálu, vnitřkem této trubice pak prochází měděná U-trubice s teplonosnou látkou. Postup energie z venkovního prostředí probíhá takto: energie záření - vnější skleněná trubice, vakuum, absorbér, přeměna na teplo, prostup vnitřní skleněnou trubicí, tepelně vodivý plech, měděná U-trubice, teplonosná látka. V modelu Regulus ETC měděná U-trubice chybí, je zde pouze měděná trubička, která přivádí teplonosnou kapalinu do spodní části trubice. Teplonosná kapalina pak protéká přímo vnitřní skleněnou trubicí zpátky do sběrače. Tím odpadají přechodové tepelné odpory na rozhraní různých hmot, které ztěžují přestup tepla do teplonosné kapaliny. Trubice se řadí paralelně do tělesa (baterie) kolektoru.

Vnitřní strana vnější trubice je u vyspělejších modelů opatřena tepelně reflexní vrstvou, která propouští krátkovlnné sluneční záření dovnitř, ale nikoliv dlouhovlnné tepelné záření od ohřátého absorbéru ven. Tím se omezí i ztráty tepla radiací (sáláním), týká se to opět typu Regulus ETC.

Trubice se do tělesa osazují tak, aby jejich celková tzv. účinná plocha byla co největší. Účinná plocha je důležitý parametr udávaný výrobcem kolektoru. Při výpočtech se s účinnou plochou pracuje jako s plochou, která veškeré dopadající záření pohltí a promění (na plochách absorbéru uvnitř trubic) v teplo.

Sluneční záření ohřívá absorbér a absorbér předává teplo teplonosné kapalině. Ta cirkuluje mezi kolektorem a zásobníkem teplé vody, kde předává teplo vodě. Pokud je zásobník vody umístěn pod kolektorem, je nutné do solárního systému navrhnout oběhové čerpadlo, aby byl zajištěn potřebný průtok teplonosné kapaliny solárním okruhem. Základem teplonosné kapaliny je většinou 1,2-propandiol CH₂(OH) – CH(OH) – CH₃, jehož teplota tání je -60 °C a teplota varu 189 °C a/nebo 1,3-propandiol CH₂(OH) – CH₂ – CH₂(OH) s teplotou tání -26,7 °C a teplotou varu 214 °C.

Trubice vakuového kolektoru může přijímat přímé i rozptýlené záření ze všech směrů po celém obvodu trubice. Sestava kolektoru je buď s reflektorem (profilovaným plechem pod trubicemi), viz doprovodná fotografie, nebo bez reflektoru. Kolektor s reflektorem sbírá zářivou energii jen z jedné strany a reflektor zajišťuje, aby veškeré dopadající záření bylo odraženo na absorpční plochu ve vakuovaných trubicích. Rozteč trubic může být větší. Ze zkoušek plyne, že pokud plech reflektoru po čase provozu ztratí lesk a zmatní, na funkci to nemá praktický vliv.

V druhém případě, bez reflektoru, kolektor sbírá zářivou energii z obou stran kolektoru. Jeho trubice jsou řazeny blíže u sebe. Takový kolektor lze umístit např. svisle podél stěny domu.

To, jestli zvolit typ s reflektorem nebo bez něho a také jaký volit sklon kolektoru je předmětem odborného návrhu. Při umístění na střeše se pro kolektor s reflektorem uvádí jako vhodný sklon od 20° do 80° od vodorovné roviny.

{Spočítejte si Úhel dopadu slunečních paprsků sklonitou rovinu kolektoru v zadaném čase anebo Účinnou část sklonité plochy kolektoru při celodenním slunečním záření - pozn. redakce}

Kolektor bez reflektoru lze instalovat svisle a sbírat jím i světlo odražené ode zdi. K tomu dvě poznámky:

Nejefektivnější pro ohřev teplonosné kapaliny a tedy vody je sluneční světlo, ať už přímé nebo rozptýlené. Vyplývá to z toho, že jde fyzikálně o záření tzv. černého tělesa o teplotě okolo 5 500 °C (teplota na povrchu Slunce) a má tedy schopnost ohřát tělesa teoreticky až na tuto teplotu. Prakticky - v kolektoru - to je ovšem neuskutečnitelné, protože i nejvyšší intenzity slunečního záření stačí v našich zeměpisných šířkách k ohřátí absorbéru „jen” na teploty pod 300 °C (tzv. stagnační teploty trubicových kolektorů jsou daleko za 200 °C a kolektor je při přehřátí může dosáhnout). Při větších teplotách začnou nad energetickým přísunem převažovat tepelné ztráty.

Naopak zeď za kolektorem, kterou slunce ohřeje v zimě např. na 10 °C (letošní lednové poměry při slunečním svitu byly ovšem leckde i kolem 20 °C, závisí to i na teplotě okolí), může vlastním tepelným vyzařováním ohřát absorbér kolektoru jen do výše oněch 10 °C, při emisivitě fasády menší než jedna ještě méně. Navíc zářivý tok slunečního a difúzního slunečního světla, který dopadá na kolektor ze strany přivrácené ke zdi, je sotva poloviční, než na lícové straně.

Závěr

Vakuové trubicové kolektory umožňují účinnější využití slabého slunečního záření a rozptýleného slunečního záření při zatažené obloze nebo v mlze pro ohřev vody a přitápění. Použití trubic s absorbéry umožňuje nejen realizovat v trubici vakuum, ale kolektorové pole dokáže lépe zpracovat tepelné záření dopadající pod malými úhly od roviny kolektoru.