Солнечный коллектор своими руками

0
6435

Использовать солнечную энергию для бытовых нужд мечтали всегда. Особенно актуально эта идея стала развиваться в последние пятьдесят лет, когда появились новые материалы, позволяющие конструировать довольно эффективные конструкции. Появились и инструменты, с помощью которых можно в домашних условиях производить изготовление сложных технологичных конструкций.

Идея нагревать воду с помощью солнца реализовывалась еще в древности. Обычные бочки, выставленные на солнце или в тени, в течение определенного времени поглощали тепловой поток из окружающей среды. Температура жидкости увеличивалась с ростом интенсивности солнечного излучения.

В семидесятых-восьмидесятых годах XIX века Йозеф Стефан и Людвиг Больцман открыли закон теплового излучения. Ими были выведены расчетные формулы, на основании которых определяется тепловой поток, получаемый от Солнца, на поверхности Земли. Для объектов, расположенных на Земле, используют следующую формулу:

где         σ = 5,670367·10-4, Вт/(м2·К4) – постоянная Стефана-Больцмана;

F – площадь поверхности тепловосприятия, м2;

С2 – степень черноты поверхности тепловосприятия;

Т1 – температура теплового излучателя, для поверхности Солнца принято считать, что она составляет Т1 = 6000 К;

Т2 – температура теплоприемника – это поверхность нагреваемая солнечным излучением, (T2 = t2 + 273), K;

где        t2 – температура теплоприемник (тела на Земле), °С;

ϕ – угол падения солнечных лучей, °.

Что такое коллектор и назначение солнечных коллекторов

Под солнечным коллектором понимают устройство, которое собирает энергию излучения, а затем перемещает накопленную теплоту потребителям. На практике используют еще один термин – гелиоколлектор.

По назначению солнечные установки (гелиоустановки) использования подразделяют:

  • гелиоконцентраторы – устройства, собирающие солнечную энергию в узкий поток. Их используют для плавки металла. В институте НПО «Физика-Солнце» (г. Ташкент) были разработаны и изготовлены плавильные печи, в которых достигнуты температуры более 5000…5500 °С;
  • солнечные батареи – устройства для преобразования излучения от Солнца в электрическую энергию;
  • гелиоопреснительные установки – машины, предназначенные для получения пресной воды из воды с высоким содержанием минеральных солей;
  • гелиосушильные установки – тепловые устройства, в которых осуществляется удаление влаги из овощей и фруктов с использованием энергии Солнца;
  • гелионагреватели (воздушный солнечный коллектор) – установки для передачи теплового потока от инфракрасного излучения к теплоносителям.

Как работает солнечный коллектор

Солнечное излучение кроме видимого света имеет еще и невидимый инфракрасный спектр. Именно он и переносит тепловую энергию. На основании исследований установлено, что в зоне умеренного климата интенсивность теплового излучения в полдень достигает более 5 кВт/м2. На рис. 1 представлена зависимость суммарной инсоляции для 48 ° северной широты.

Рис. 1 Суммарная инсоляция солнечного излучения для разных периодов умеренной зоны Европы

Информация к размышлению! Тепловую радиацию разделяют на: прямую и рассеянную. Поэтому даже в пасмурный день ощущается поступление солнечного теплового потока. Из представленной иллюстрации видно, что количество поступающей теплоты в летний и зимний периоды имеет значительные различия. Поэтому при проектировании устройств учитывают возможную эффективность, сообразуясь с затратами.

Принципиальная схема гелиоколлектора представлена на рис. 2. Солнечная радиация поступает внутрь коллектора через светопрозрачное ограждение. На приемной панели, окрашенной в черный цвет, происходит поглощение теплоты. В результате происходит нагрев черного тела. Последующий процесс теплопередачи происходит конвекцией. Теплота передается от нагретой стенки к потоку жидкости (газа), перемещаемого по трубопроводам. Подвижная среда нагревается.

Внимание! Для предотвращения тепловых потерь ограждение коллектора теплоизолируется. Так как внутри полученная теплота используется на нагревание потока, то интенсивность отраженного излучения от панели, воспринимающей излучение, невысока.

Читайте также:  Как выбрать стабилизатор напряжения

Рис. 2 Схема устройства гелиоколлектора

Внимание! На поверхность Земли поступает мощный поток теплового излучения. Основная часть его отражается и не поглощается поверхностью.

Виды коллекторов

Принято разделять виды коллекторов по нагреваемым теплоносителям. Нагревать можно:

  • воду – такие установки могут обеспечивать потребителя горячей водой, а также участвовать в отоплении здания;
  • воздух – воздушные солнечные коллекторы применяют для сушки сельскохозяйственных культур, а также в домах, оборудованных регенерационными теплообменниками, для обогрева жилья или производственного помещения;
  • антифриз (жидкости с низкой температурой замерзания) – здесь назначение одно – отопление с помощью солнечных коллекторов.

Делят гелиоколлекторы и по конструкции солнечных коллекторов:

  • трубчатые – в их основе использованы трубопроводы разного типа;
  • щелевые – в таких устройствах теплоноситель перемещается внутри узкой щели, находясь в контакте с нагретым теплоприемником;
  • параллельного или последовательного исполнения, здесь все зависит от способа задания движения теплоносителю;
  • открытого или вакуумного заложения теплообменников, для снижения теплопотерь в окружающую среду дорогие конструкции оборудую вакуумными трубками. Через них теплопотери в окружающую среду сведены к минимуму.

Приверженцы разных школ создания солнечных коллекторов всегда продвигают определенный принцип в конструировании и изготовлении собственных установок.

Плоский коллектор

Самыми распространенными считают плоские гелиоколлекторы. В их основе используют короб, внутри которого размещают все основные элементы (рис. 3). Теплообменник выполняется из тонкой медной трубки. По ней циркулирует вода. Нагрев поверхности трубки происходит от платины теплоприемника, окрашенного в черный цвет.

Рис. 3 Конструктивное исполнение плоского трубчатого гелиоколлектора

Снаружи устанавливают прозрачное стекло. Оно пропускает солнечное излучение, но препятствует конвекционным теплопотерям через верх плоского коллектора. Ниже медной трубки расположен теплоизолятор. Он способствует сохранению теплоты вокруг зоны теплообмена.

Конструкционные нюансы и особенности плоского гелиоколлектора

Чтобы подавать воду на входе и выходе гелиоустановки устанавливают патрубки, для присоединения магистральных трубопроводов на конце имеются резьбы. Чтобы активизировать перемещение воды, устанавливают насосы малой мощности. С их помощью увеличивают производительность солнечного коллектора.

Вода может циркулировать и сама, за счет изменения плотности при нагревании. Но интенсивность естественной циркуляции будет настолько низкой, что нагревание большого объема воды в системе горячего водоснабжения окажется недостаточно эффективной.

Изготовление плоского коллектора своими руками

Чтобы сделать солнечный коллектор своими руками, нужно использовать испарительную решетку (трубка с наружным диаметром 6 мм) от старого холодильника (рис. 4). Аккуратно снимают  трубку и промывают ее от остатков хладона, использованного ранее в холодильнике.

Рис. 4 Общий вид испарителя от старого холодильника

В дальнейшем работы выполняются в следующей последовательности:

  1. Подбираются рейки 30х30 или 40х40 мм для изготовления каркаса.
  2. Из реек с помощью гвоздей, а лучше с применением саморезов и шуруповерта изготавливается короб.
  3. Приобретается стекло. Его можно специально не покупать. Сейчас население активно заменяет окна на пластиковые. Поэтому можно всегда подобрать подходящее стекло на свалках. Его нужно будет только отмыть.
  4. Стекло под воздушный солнечный коллектор вырезается в размер рамки.
  5. Необходимо подобрать материал для изготовления черной поверхности. Здесь подойдет автомобильный коврик. Их тоже довольно часто меняют, поэтому проблем с приобретением не будет. В гаражах отдадут с удовольствием.
  6. Все элементы помещаются внутрь каркаса из реек (рис. 5).

    Рис. 5 Сборка основных элементов внутри каркаса

  7. Внутрь помещают фольгу. Тщательно проклеивают все углы, чтобы исключить теплопотери.
  8. Остается только собрать всю конструкцию и закрепить стекло сверху. Вариантов крепления стекла много. Некоторые забивают несколько гвоздей, а потом их сгибают. Чтобы предотвратить утечки теплого воздуха, дополнительно оклеивают скотчем. На несколько сезонов такого утепления хватит.

    Рис. 6 Гелиоколлектор в сборе со стеклом

  9. Воздушный солнечный коллектор готов, он устанавливается на открытом воздухе. Чтобы гелиоколлектор эффективно работал, его ориентируют относительно сторон света. С помощью полихлорвиниловых трубок присоединяют водопроводные трубы. Далее монтируют систему горячего водоснабжения по принятой для себя схеме (рис. 7).

    Рис. 7 Собранный солнечный коллектор, готовый к установке в систему ГВС.

Подобные установки могут применяться не только для производства горячей воды. Весной их используют на отопление теплицы солнечным коллектором. Чтобы теплоноситель не замерзал в ночное время, в нем растворяют обычную поваренную соль. Температура замерзания может быть снижена до -7 °С.

Вакуумный коллектор

Солнечные коллекторы промышленного типа изготавливают с применением стеклянных коаксиальных вакуумных трубок. При отсутствии воздуха конвективный теплообмен сводится к нулю. С этим и связано появление подобных коллекторов. Они имеют самый высокий КПД, так как нет неконтролируемых тепловых потерь (рис. 8).

Рис. 8 Конструкция колбы вакуумного солнечного коллектора

Внутри стеклянной колбы помещена тепловоспринимающая трубка (абсорбер), окрашенная в черный цвет. Она контактирует с пластиной, изготовленной из алюминия (материал имеет самое низкое значение коэффициента теплопроводности, что и обусловило ее применение). Теплообменник изготовлен из медных трубок, внутри которых циркулирует жидкость.

Внимание! Даже в условиях низких значений солнечного излучения, что наблюдается в зимний период, вакуумные коллекторы способны получать тепловую энергию и отдавать ее в систему отопления или горячего водоснабжения.

Конструкционные нюансы вакуумного гелиоколлектора

На рис. 9 показана схема монтажа вакуумного гелиоколлектора.

Рис. 9 Монтажная схема вакуумного солнечного коллектора

Особенности следующие:

  1. В качестве теплоносителя чаще всего используют низкокипящие спирты, которые не замерзают даже при температуре ниже -30 °С.
  2. В системе используют принцип последовательной циркуляции теплоносителя. Он нагревается до температуры выше, чем вода в накопительном баке, который и нагревается от теплоносителя вакуумной установки.
  3. Необходимо избегать присутствия любых затемняющих элементов во внешней среде.
  4. Необходимо минимизировать расстояние между коллектором и потребителем. С ростом расстояний растут и потери, которые понижают эффективность использования подобного устройства.

Изготовление вакуумного коллектора своими руками

Важно! Сделать солнечный коллектор своими руками вакуумного типа крайне сложно. Затраты могут быть весьма высокими.

Вакуумный солнечный коллектор своими руками изготовить можно. Потребуется приобрести стеклянные трубки для молочной промышленности или доильных установок. Они реализуются вместе со специальными резиновыми патрубками, с помощью которых могут монтироваться в разные монтажные схемы.

Внутри стеклянных труб потребуется расположить стальные или медные трубки, окрашенные в черный цвет. Сварку или пайку придется дополнительно защищать теплоизолирующими лентами, например, вырезанными из вспененного полиэтилена.

Изготавливая  солнечный коллектор вакуумного типа, потребуется произвести откачку воздуха из стеклянных труб. Откачку воздуха выполняют с помощью вакуумного насоса. Здесь понадобится использовать специальный штуцер, который плотно закроется сразу после отсоединения всасывающего трубопровода от вакуум-насоса. Современные пластинчатые устройства позволяют получать разряжение до 25…30 % от исходного атмосферного значения.

Перед началом работ следует оценить свои силы. Подобные устройства довольно дороги в изготовлении. Здесь нужны не только дорогие инструменты и приспособления. Нужен еще и навык выполнения работ с вакуумными установками.

Можно собрать установку из готовых элементов (рис. 10)

Рис. 10 Сборка вакуумной установки

  1. Изготавливают раму для монтажа.
  2. Ориентируют ее относительно сторон света.
  3. Приобретают коаксиальные трубки в сборе с теплообменниками.
  4. Производят монтаж подводящих и отводящих трубопроводов.
  5. Устанавливают вакуумные трубки и соединяют их с магистральными трубопроводами.
  6. Выполняют работы по тепловой изоляции всех точки стыковки колб и трубопроводов.

Воздушный коллектор

Воздушный солнечный коллектор используется только для нагревания воздуха. Подобные установки испытывались в системе «теплый дом», где нагретый воздух передавал теплоту аккумулятору из гранитных камней. Для создания теплового аккумулятора под жилым домом вырыли большой котлован (более 12 м3). По периметру обложили теплоизоляционными матами, а внутрь заложили гранитные камни массой по 10-12 кг.

Подобное устройство изготавливается с применением разных типов труб. С появлением современных материалов многие вопросы изготовления значительно упростились.

На рис. 11 показаны варианты воздушных гелиоколлекторов.

Рис. 11 Варианты изготовления воздушных гелиоколлекторов: а – использование резинового шланга; б – применение алюминиевых банок

Конструкционные особенности

Принципиальных отличий в конструкции нет, единственное отличие в том, что для циркуляции теплоносителя при принудительном способе задания движения используют не насос, а вентилятор. Здесь не принципиально, какому типу вентиляторов отдать предпочтение, центробежному или осевому. Каждый из них может быть довольно просто приспособлен для выполнения работы.

Оригинально выглядят установки, в которых теплообменник выполнен с использованием сотового поликарбоната.

Как изготовить солнечный коллектор своими руками при использовании поликарбоната

Особенностью поликарбоната является наличие в нем сот, длина которых достигает 12 м (стандартный лист имеет размеры 12,0х2,1 м). Проходя по такому протяженному пути, теплоноситель может нагреваться до довольно высокой температуры. Поэтому подобный материал привлекает внимание мастеров.

Делать громадный по размерам коллектор довольно сложно, поэтому ограничивают размеры отдельных секций. Обычно для удобства монтажа принимают листы размером 1,0х2,0 м. Для таких листов несложно изготовить корпус. Вместо поверхностного стекла обычно применяют тот же сотовый поликарбонат, что используют для изготовления теплообменника. Наличие сот сокращает конвекционные потери теплоты. Светопрозрачное покрытие работает довольно эффективно: пропускает солнечное излучение, не позволяет сконцентрированной теплоте внутри коллектора покидать его пределы.

На рис.12 показано строение листа сотового поликарбоната. Видно, что соты образуют строгие прямоугольники. Их сечение сохраняется неизменным по всей длине рулона (листа).

Рис. 12 Строение листа поликарбоната

Алгоритм изготовления гелиоустановки следующий:

  1. Для создания верхнего и нижнего коллектора используют пластиковые трубы, в которых с помощью отрезного диска углошлифовальной машинки делают продольный разрез (рис. 13).

    Рис. 13 Продольный разрез в пластиковой трубе

  2. Отрезанный лист сотового поликарбоната вставляется в полученный паз (рис. 14)

    Рис. 14 Монтаж сотового поликарбоната в паз пластиковой трубы

  3. С помощью клеевого пистолета выполняется герметизация шва

    Рис. 15 Пайка шва клеевым пистолетом

  4. Отдельные элементы собирают в батарею. Площадь ее может быть сколь угодно большой (рис. 16).

    Рис. 16 Батарея из воздушных солнечных коллекторов

После сборки выполняют монтаж всех тепловой системы и начинают использовать подобные устройства. Если применять поликарбонат толщиной 10 мм и более, то можно создавать не только воздушные установки. Они успешно будут работать для получения горячей воды.

Как выбрать коллектор для себя

Часто задают подобные вопросы те, кому предстоит определиться с параметрами солнечной системы получения горячей воды и отопления. Многое зависит от назначения и длительности использования в течение года.

Если предусматривается проживание в течение только летнего сезона (дачный вариант), то создавать дорогое устройство или приобретать его для собственных нужд будет не обосновано. Лучше остановить свой выбор на простых установках, которые несложно изготовить своими руками.

Другое дело, если проживание в индивидуальном доме происходит в течение всего года. Здесь стоит подумать о более дорогом устройстве. Например, вакуумном солнечном коллекторе. Но и тут имеются определенные ограничения. Для северных районов выше 55 ° северной широты эффективность применения подобной установки может оказаться недостаточно высокой. Она сумеет компенсировать не более 10-20 % затрат от потребностей системы отопления, хотя и такая экономия может оказаться весьма существенной.

Для районов южнее указанных широт традиционная система отопления может быть только в качестве резервной, используемой только для нескольких самых холодных дней в году. В остальное время будет достаточно того теплового потока, который будет получен от солнечной радиации.

Преимущества и недостатки

У любых типов установок имеются свои положительные и отрицательные характеристики. Для гелиоколлекторов тоже есть свои показатели.

Плюсы:

  1. Система солнечного обогрева позволяет экономить энергию на получение горячей воды.
  2. Часть затрат на отопление в зимний период может быть снижена путем использования солнечной радиации.

Минусы:

  1. Потребуется изготовление совершенно новой системы теплообеспечения, которую необходимо вмонтировать в традиционные отопительную установку и устройства получения горячей воды.
  2. Солнечные системы не могут гарантировать пиковые заморозки. Здесь понадобится применять устройства, сжигающие топливо или электрические установки для обогрева помещений.

Читайте также:  Как самостоятельно подключить стабилизатор

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here