O analiză mai exactă a pierderilor termice din cadrul colectorilor plați arată faptul că o bună parte din căldură se pierde prin convecție (mișcare a aerului) de la contactul elementului absorbant cu învelișul exterior (geam, margini). Astfel o parte din căldură ajunge prin transfer termic la geam și se pierde prin izolația termică. O metodă de reducere semnificativă a pierderilor termice este de a îndepărta din colector aerul ca agent termic. O utilizare a acestui principiu o cunoaște fiecare din viața de zi cu zi: termosul. Valoarea U pentru suprafețele colectorilor (mai mult despre coeficientul pierderilor termice veți găsi in cap. 2.2) este cuprinsă între 3 și 4,5 W/(m²4xk), iar în cazul colectorilor solari cu tuburi de vid “intre 0,8 și 2 W/(m²4xk). O valoare U mai mică înseamnă așadar pierderi termice mai mici și un randament mai ridicat, inclusiv la temperaturi ridicate.

O comparație dintre colectorii cu vid și cei plați indică superioritatea colectorilor cu vid în ceea ce privește diferențele ridicate de temperatură dintre elementul absorbant și mediul înconjurător, respectiv cantitățile scăzute de radiații: la o radiație de cca. 800/Wm²‘ și o temperatură exterioară mai mică cu 35°C decât a colectorului (adică un raport specific verii, corespunzător unei temperaturi reduse de 0,04/(m².K)/W), eficienta colectorului plat este însă cu 4% mai mare (eficienta este de 72% fată de 68% la un colector solar cu tuburi de vid). La o radiație egală și cu o diferență de temperatură de 65°C corespunzătoare punctului de funcționare de 0,08/(m².K)/W), colectorul cu vid este cu aproximativ 6% mai eficient. Așa cum vă puteți da seama din valorile graficului, gradul optic de eficientă al colectorilor cu vid este mai mic decât la colectorii plați, căci geamul rotund al tuburilor reflectă mai multă lumină, ceea ce înseamnă că transmisia este mai mică. Mai mult decât atât, la colectorii cu vid se pot capta cantități suplimentare de radiații prin intermediul unor reflectoare potrivite (oglinzi), fiindcă acestea sunt transparente pe partea din spate.

Din experiența practică rezultă așadar că necesarul mai mare de energie pentru fabricare și preturile mai ridicate își au rostul în ceea ce privește colectorii cu vid dacă randamentul energetic este mai mare. De aceea, sunt potrivite pentru utilizările la temperaturi mari, cum ar fi procesul de producere de energie sau pentru încălzirea încăperilor {pe timp de iarnă), în special pentru sistemele de încălzire convenționale la „temperaturi ridicate”. Nu se recomandă colectori cu vid pentru pregătirea apei calde (diferențele de temperatură fată de mediul înconjurător variază intre 20 și 40°C) și în niciun caz pentru încălzirea apei din bazinele de înot (diferența de temperatură de la câteva grade la cel mult 15°C)

Forme de construcție

Colectorii cu tuburi de vid se videază la 10-5mbar, adică la 0,00001 mbar (vid înaintat), Sarcina de compresiune este foarte mare pentru că presiunea aerului exterior este de 1000mbar. Aceasta înseamnă că sunt necesare alte forme de construcție decât cele ale unui colector plat; colectorii cu vid au întotdeauna o formă tubulară. O serie de mai multe cadre, montate unul lângă altul (5 — 30), cu o carcasă colectoare pentru racordurile hidraulice, reprezintă modulul unui colector; acesta este, de cele mai multe ori, prevăzut cu un reflector paraboloid din aluminiu (cunoscut și sub numele de CPC — Compound Parabolic Concentrator.

Astfel, cantitatea de radiație captată de elementul absorbant creste prin reflexia radiației solare de pe partea din spate a elementului absorbant. Cu alte cuvinte, suprafața de deschidere creste.

Există mai multe tipuri de tuburi:

• tuburi directe: „strămoși” tuburilor aveau în interior o altă țeavă în formă

de U pentru agentul termic, a cărui intrare era o ramură a tubului în formă de U, iar ieșirea pe ramura cealaltă. Coeficienții de dilatare diferă pentru că țeava agentului termic este din metal, iar cealaltă din sticlă, ceea ce, din cauza temperaturilor diferite, a dus întotdeauna la neetanșeități si deteriorare a sticlei. Acesta este motivul pentru care țeava în formă de U a fost înlocuită de o țeavă coaxială (adică o țeavă in altă țeava).Agentul termic intră prin țeava din interior și iese prin cea din exterior. Astfel, nu există decât un singur punct de intersecție a geamului cu metalul și o singură temperatură.

• țeava de căldură sau Heatpipe: în țeava de sticlă se găsește o aftă țeavă

in care se află un lichid (cu o temperatură mai mare de 25°C) care se evaporă ușor, de apă cu o presiune mică, sau alcool. Vaporii care se formează imediat și la radiații reduse urcă prin „țeava de căldură” și ajung în afara tubulaturii de sticlă într-un condensator (schimbător de căldură). Prin acesta din urmă fie trece direct un agent termic (legătură umedă), fie se află în contact conducătorul de căldură cu agentul termic care ajunge conducta colectoare (legătură uscată).

Aburul se condensează datorită răcirii: prin agentul termic și ajunge in final înapoi în țeava de căldură. țeava de căldură este, așadar, un circuit închis,

Avantaje: țeava defectă din interiorul modulului unui colector se poate înlocui foarte ușor fără ca circuitul colectorului să fie golit. Tuburile se pot roti pentru a putea capta mai multă radiație.

Dezavantaje: țeava de căldură trebuie să aibă un grad minim de înclinare de 15 — 20°C pentru ca circuitul termodinamic să funcționeze perfect, Acest lucru este mai greu de realizat din cauza tuburilor directe.

• Termosul sau tuburile—Sydney: principiul pe baza căruia funcționează termosurile se aseamănă foarte mult cu sistemul tuburilor duble de vid, închise, cunoscute și sub numele de tuburi Sydney (această formă de construcție a fost descoperită la Universitatea din Sydney). Vidul se află între țevile de sticlă interioară și exterioară, ale căror capete sunt bine sudate între ele. Pe partea exterioară a țevii de sticlă interioare, adică în vid se montează învelișul selectiv. Țeava de sticlă interioară este, așadar, elementul absorbant. În acest „termos” cu o singură intrare se introduce direct agentul termic. Pentru a obține însă o curgere continua, se montează înăuntru o bucată de tablă conductoare de căldură în formă de cerc, ce este racordată la țeava în formă de U. Agentul termic circulă și transportă căldura prin țeava în formă de U. Aici se poate monta in locul tubulaturii în formă de U o țeavă de căldură.

Avantaje: pe de o parte, montajul are loc prin sticlă, pe de altă parte, tuburile defecte se pot înlocui ușor. Demn de luat în seamă este și faptul că acest tip de tuburi este cel mai ieftin, căci este aproape exclusiv fabricat în China, acolo unde se găsește cea mai mare piață pentru colectori.

Dezavantaje: acest tip de tuburi are cel mai mic randament la toți colectorii cu vid, din cauză că transferul termic prin sticlă nu este foarte bun.

O problemă generală a colectorilor cu tuburi de vid o reprezintă temperaturile mari la stagnare, care pot depăși chiar și 300°C. Aceasta înseamnă o solicitare enormă pentru toate materialele folosite în construcție. Spre exemplu, cuprul se poate oxida, adică nu mai poate fi folosit sub nicio formă, rezistenta agentului termic din circuitul solar pe baza glicolului este pusă la îndoială ş.a.m.d. Tuburile de căldură au, cu anumite limite, un randament care se autoreglează, căci atunci când interiorul tubului de căldură este vaporizat în întregime, nu mai are loc nicio creștere a temperaturii, ceea ce înseamnă că se instalează temperatura de stagnare. Cu toate acestea, temperaturi de stagnare de până la 250°C pot apărea și la colectorii cu tuburi de vid și tuburi de căldură. Unul dintre p:oducători a construct o limită a temperaturilor de stagnare, unde un arc de memorie din metal închide condensatorul in mod automat dacă temperaturile depășesc 150°C. În orice caz, trebuie să se respecte indicațiile oferite de producători, în special în ceea ce privește substanțele anti-îngheț.

Elementul absorbant

Materialele folosite pentru tuburile de căldură și cele de vid sunt aceleași ca și la colectorii plați. Au forma unui element absorbant și un tub sudat (din cauza temperaturilor ridicate nu se pot monta legături tip racorduri sudate). În cazul tuburilor-Sydney, elementul absorbant propriu-zis este confecționat din sticlă.

Învelișul selectiv este confecționat din nitrat de aluminiu, dar se poate fabrica mai ușor și ieftin din metal.

Trecerea agentului termic prin elementul absorbant: tuburile de căldură alcătuiesc un circuit aparte și anume: prin colectorii cu tuburi de căldură agentul termic nu poate trece în serie. Chiar și în cazul termosurilor, unde agentul termic trece direct, se folosesc ambele variante (in serie și parale), precum şi variantele mixte. Depinde de sistemul solar, care este cea mai bună variantă de trecere a agentului termic. Producătorii calculează și îmbunătățesc de obicei valorile de trecere ale agentului termic, în funcție de celelalte componente ale sistemului. De aceea se recomandă respectarea cu strictețe a indicațiilor fabricantului.

Învelișul transparent

În loc de sticla solar dură care nu conține oțel, se folosește sticla din borsilicat cu o grosime cuprinsă între 1,5 și 3 mm, având o stabilitate mecanică și termică semnificativ mai mare. Astfel, tuburile de vid rezistă la factori extremi precum grindina, șocurile de temperatură etc, se poate chiar și alerga pe suprafața acestora. Caracteristicile optice ale acestui tip de sticlă sunt comparabile cu cele ale colectorilor plati. Ca preț însă, sunt mai scumpe. Între timp a apărut pe piață și sticla anti reflexie.

Carcasa

O atenție deosebită se acordă în cazul tuburilor cu vid carcasei, care are rolul de a proteja elementul absorbant și vidul, adică izolația. În cele ce urmează se va descrie suportul pentru mai multe tuburi. Aici se folosesc aceleași materiale ca și la colectorul plat, adică în principiu aluminiul (și pentru reflectori), oțelul superior și materialele sintetice, însă nu și lemnul. Tuburile care ies din țevile de vid, prin care circulă agentul termic se racordează la așa-numitul “Header” sau carcasa de colectare, căldura fiind astfel transportată la rezervor Așa-numitul “Header” este o cutie rezistentă la intemperii, etanșă și izolată termic, rezistentă la temperaturi mari. Mai mult decât atât, există posibilitatea de a fi instalată pe acoperiș.

Modulele colectorilor cu vid se găsesc pe piață cu dimensiuni cuprinse între 0,5 și 6 m² și au o greutate cuprinsă între 15 și 40 kg/m².

Raport de piață

Pentru pregătirea de apă caldă și pentru încălzire se folosesc, de obicei, colectori plați, deoarece raportul preț ­randament este mai bun decât al colectorilor cu tuburi de vid, al căror randament pe m² este mai mare, dar sunt mai scumpi. Segmentul de piață al colectorilor cu vid se afla în ultimii ani la cca. 10 -12%, ceea ce corespunde unei suprafețe de 100.000 m² în 2005. Piața colectoarelor cu vid poate fi mult mai ușor de cuprins cu privirea; numărul producătorilor este mai mic, iar fabricarea colectorilor cu tuburi de vid este, din punct de vedere tehnologic, mai pretențioasă decât cea a colectorilor plați. Tuburile de vid ale termosurilor, printre altele și cele produse de Paradigma, provin exclusiv din China. Aici se produc anual milioane de tuburi, cum ar fi Tsinghua, Himin sau Linuo, care, împreună cu Firma Paradigma, alcătuiesc una dintre cele mai mari societăți mixte din China. Mulți producători germani de colectori cu vid construiesc din tuburi un colector complet și oferă tehnologia sistemului.

Este îmbucurător faptul că după insolvabilitatea producătorilor germani de au apărut de câțiva ani producători autohtoni. Este vorba despre firme care sunt active în cu totul alte dornenii industriale și fabrică tuburi pentru colectori. Este vorba despre firmele Schott Rohrglas, Lenz Laborglas şi Narva, unul dintre producătorii tradiționali de lămpi.