Вакуумный трубчатый коллектор — это солнечный тепловой коллектор из параллельных стеклянных трубок, в каждой из которых абсорбер заключен в вакуум, практически исключающий конвективные и кондуктивные теплопотери. Благодаря коэффициентам теплопотерь около a1 ≈ 1–2 Вт/(м²·К) против 3–4 у плоских коллекторов он сохраняет эффективность при больших разностях температур — ценой более высокой стоимости и температур стагнации до 300 °C.
Как работает вакуумный трубчатый коллектор?
Вакуум — лучшая из доступных теплоизоляций, а вакуумная трубка оборачивает ею каждую полосу абсорбера. Каждая трубка представляет собой стеклянную колбу — обычно двустенную трубку типа Sydney или одностенную стеклянную колбу вокруг металлического ребра, — из которой откачан воздух примерно до одной стомиллионной атмосферного давления. При отсутствии воздуха внутри конвекция и теплопроводность от горячего абсорбера к холодному внешнему стеклу по сути прекращаются; остается только излучение, а селективное покрытие сводит его к нескольким процентам. В результате потери коллектора почти не растут по мере его нагрева — именно это выражают низкие значения a1 и a2 в параметрах его эффективности.
Heat pipe или прямоточный: что находится внутри трубок?
Преобладают две конструкции. В конструкции с тепловой трубкой (heat pipe) герметичная медная трубка содержит небольшое количество жидкости, которая испаряется на горячем абсорбере, поднимается и конденсируется в колбе, вставленной в распределительный коллектор, — это «сухое» подключение, поэтому одну трубку можно заменить, не опорожняя контур. Трубкам heat pipe требуется минимальный угол наклона при монтаже, обычно 20–30°, чтобы конденсат стекал обратно. В прямоточной конструкции (U-образная трубка) через каждую трубку циркулирует собственный теплоноситель системы, что допускает монтаж на плоской кровле и на фасаде, но делает замену трубки «мокрой» операцией.
Когда вакуумный коллектор превосходит плоский?
Всякий раз, когда коллектор должен работать при температуре намного выше наружной. Поскольку потери очень малы, трубчатые коллекторы продолжают работать при разностях температур 60–100 К, где выработка плоского солнечного коллектора резко снижается.
| Свойство | Вакуумный трубчатый | Плоский |
|---|---|---|
| Теплопотери a1 | ≈ 1 – 2 Вт/(м²·К) | ≈ 3 – 4 Вт/(м²·К) |
| Оптический КПД η0 (по общей площади) | ≈ 0,45 – 0,65 | ≈ 0,75 – 0,82 |
| Температура стагнации | До ≈ 300 °C | 160 – 200 °C |
| Сильные стороны | Технологическое тепло, солнечное охлаждение, холодный климат, цели 70 °C и выше | Горячее водоснабжение (ГВС), комбинированные системы, стоимость, надежность |
Для стандартного ГВС при 45–60 °C в большей части Европы обе технологии дают сопоставимую годовую выработку на квадратный метр общей площади, и плоский коллектор обычно выигрывает по цене; полное сравнение приведено в статье плоские и вакуумные трубчатые коллекторы. В мире по установленной мощности доминируют вакуумные трубки — основная часть мировой тепловой мощности солнечных систем в 544 ГВт (IEA SHC, данные 2024 года) приходится на трубчатые коллекторы китайского рынка, — тогда как в Европе по-прежнему преобладают плоские коллекторы.
Каковы практические недостатки?
Главный — стагнация. Температура до 300 °C на распределительном коллекторе нагружает гликолевый теплоноситель и требует высокотемпературных компонентов и тщательного подбора расширительного бака — см. температура стагнации. Другой — снег: поскольку внешнее стекло остается холодным (следствие отличной изоляции), снег не тает с батарей трубок так, как сползает с теплого плоского коллектора. Отдельные трубки могут разбиваться при ударе, хотя это палка о двух концах: разбитую трубку можно заменить за несколько минут, тогда как повреждение остекления плоского коллектора означает замену панели. Наконец, сам вакуум — компонент, который должен служить долго.
Как долго сохраняется вакуум?
Качественные трубки сохраняют вакуум 15–20 лет и более. В каждой трубке есть бариевый газопоглотитель (геттер) — металлический налет, нанесенный внутри стекла, который поглощает остаточные молекулы газа и одновременно служит индикатором: серебристое зеркало означает, что вакуум цел, молочно-белый цвет — что он потерян и трубку нужно заменить. Долговечность вакуума и характеристики коллектора проверяются при испытаниях по EN ISO 9806, а сертифицированные параметры каждой модели публикуются в базе данных Solar Keymark.
Часто задаваемые вопросы
Работают ли вакуумные трубки зимой лучше плоских коллекторов?
При отрицательных температурах окружающей среды их низкие теплопотери сохраняют больше выработки при заданной облученности, так что да — для высоких температур подачи. Устойчивый снежный покров может свести преимущество на нет, поскольку батареи трубок хуже сбрасывают снег, чем плоские коллекторы.
Можно ли заменить одну разбитую трубку?
Да. Трубки heat pipe вставляются в распределительный коллектор с сухим подключением и заменяются по отдельности без опорожнения солнечного контура. Прямоточные трубки также можно заменить, но для этого контур нужно опорожнить и снова заполнить.
Как понять, что трубка потеряла вакуум?
Посмотрите на пятно геттера на конце трубки: при целом вакууме оно остается серебристым зеркалом; контакт с воздухом делает его молочно-белым. Белый геттер или видимый конденсат внутри трубки означает, что трубка больше не изолирует и ее нужно заменить.
Стоят ли вакуумные трубки затрат для ГВС?
Для горячей воды 45–60 °C в кранах в большинстве европейских климатов плоские коллекторы дают сопоставимую годовую выработку на квадратный метр общей площади при меньшей стоимости. Трубки оправдывают свою цену там, где целевые температуры превышают примерно 70 °C, в суровые зимы или для технологического тепла и солнечного охлаждения.