Солнечный водяной коллектор своими руками

Способы подключения к системе отопления

Поскольку устройства на солнечной энергии не могут обеспечить стабильное и круглосуточное снабжение энергией, необходима система устойчивая к этим недостаткам.

Для средней полосы России солнечные устройства не могут гарантировать стабильный приток энергии, поэтому используются как дополнительная система. Интегрирование в существующую систему отопления и горячего водоснабжения отличается для солнечного коллектора и солнечной батареи.

Схема с водяным коллектором

В зависимости от целей использования теплового коллектора применяются разные системы подключения. Вариантов может быть несколько:

  1. Летний вариант для горячего водоснабжения
  2. Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения

Летний вариант наиболее простой и может обходится даже без циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.

Вода нагревается в солнечном коллекторе и за счет теплового расширения поступает в бак-аккумулятор или бойлер. При этом происходит естественная циркуляция: на место горячей воды из бака засасывается холодная.

Зимой при отрицательных температурах прямой нагрев воды не возможен. По закрытому контуру циркулирует специальный антифриз, обеспечивая перенос тепла от коллектора к теплообменнику в баке

Как любая система основанная на естественной циркуляции работает не очень эффективно, требуя соблюдения необходимых уклонов. Кроме того, аккумулирующий бак должен быть выше чем солнечный коллектор. Чтобы вода оставалась как можно дольше горячей бак необходимо тщательно утеплить.

Если Вы хотите действительно добиться максимально эффективной работы солнечного коллектора, схема подключения усложниться.

Чтобы ночью коллектор не превратился в радиатор охлаждения необходимо прекращать циркуляцию воды принудительно

По системе солнечного коллектора циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительную циркуляцию обеспечивает насос под управлением контроллера.

Контроллер управляет работой циркуляционного насоса основываясь на показаниях как минимум двух температурных датчиков. Первый датчик измеряет температуру в накопительном баке, второй – на трубе подачи горячего теплоносителя солнечного коллектора.

Как только температура в баке превысит температуру теплоносителя, в коллекторе контроллер отключает циркуляционный насос, прекращая циркуляцию теплоносителя по системе. В свою очередь при понижении температуры в накопительном баке ниже заданной включается отопительный котел.

Новым словом и эффективной альтернативой солнечным коллекторам с теплоносителем стали системы с вакуумными трубками, с принципом действия и устройства которых мы предлагаем ознакомиться.

Схема с солнечной батареей

Было бы заманчиво применить схожую схему подключения солнечной батареи к электросети, как это реализовано в случае солнечного коллектора, накапливая поступившую за день энергию. К сожалению для системы электроснабжения частного дома создать блок аккумуляторов достаточной емкости очень дорого. Поэтому схема подключения выглядит следующим образом.

При снижении мощности электрического тока от солнечной батареи блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей элетросети

С солнечных панелей заряд поступает на контроллер заряда, который выполняет несколько функций: обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Далее электрический ток поступает на инвертор, где происходит преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.

Увы, наши электросети не приспособлены для получения энергии, могут работать только в одном направлении от источника к потребителю. По этой причине вы не сможете продавать добытую электроэнергию или хотя бы заставить счетчик крутиться в обратную сторону.

Использование солнечных батарей выгодно тем, что они предоставляют более универсальный вид энергии, но при этом не могут сравнится по эффективности с солнечными коллекторами. Однако последние не обладают возможностью накапливать энергию в отличие от солнечных фотоэлектрических батарей.

Изготовление солнечного водонагревателя с медным абсорбером

Предлагаемый к изготовлению гелиоколлектор в зимний солнечный день разогревает воду до температуры выше 90 °C, а в пасмурную погоду — до 40 °С. Этого хватит, чтобы обеспечить дом горячей водой. Если же вы хотите отапливать солнечной энергией жилище, то потребуется несколько таких установок.

Необходимые материалы и инструмент

Для изготовления водонагревателя понадобятся:

  • листовая медь толщиной не менее 0,2 мм размерами 0,98×2 м;
  • медная трубка Ø10 мм длиной 20 м;
  • медная трубка Ø22 мм длиной 2,5 м;
  • резьба 3/4˝ — 2 шт;
  • заглушка 3/4˝ — 2 шт;
  • припой мягкий SANHA или ПОС-40 — 0,5 кг;
  • флюс;
  • химреактивы для чернения абсорбера;
  • плита OSB толщиной 10 мм;
  • уголки мебельные — 32 шт;
  • базальтовая вата толщиной 50 мм;
  • листовой теплоотражающий утеплитель толщиной 20 мм;
  • рейка 20х30 — 10м;
  • дверной или оконный уплотнитель — 6 м;
  • оконное стекло толщиной 4 мм или стеклопакет 0,98х2,01 м;
  • саморезы;
  • краска.

Кроме этого, подготовьте такие инструменты:

  • электрическая дрель;
  • набор свёрл по металлу;
  • «коронка» или фреза для работы по дереву Ø20 мм;
  • труборез;
  • газовая горелка;
  • респиратор;
  • малярная кисть;
  • набор отвёрток или шуруповёрт;
  • электрический лобзик.

Для опрессовки контура также понадобится компрессор и манометр, рассчитанный на давление до 10 атмосфер.

Для пайки мягким припоем подойдёт простая газовая горелка

Инструкция по ходу работ

  1. При помощи трубореза медную трубку нарезают на куски. Получатся 2 части Ø22 мм длиной 1,25 м и 10 элементов Ø10 мм длиной 2 м.
  2. В толстых трубах делают отступ от края 150 мм и выполняют по 10 сверлений Ø10 мм через каждые 100 мм.
  3. В полученные отверстия вставляют тонкие трубки так, чтобы они выступали внутрь не более чем на 1–2 мм. В противном случае в радиаторе будут появляться излишние гидравлические сопротивления.
  4. Используя газовую горелку, термофен и припой, все части радиатора соединяют между собой.

  5. По диагоналям радиатора к трубам 3/4˝ попарно припаивают заглушки и резьбы.
  6. Закрыв выходную резьбу заглушкой, на вход собранного коллектора навинчивают штуцер и присоединяют компрессор.

  7. Помещают радиатор в ёмкость с водой и компрессором нагнетают давление 7–8 атм. По поднимающимся в местах стыков пузырькам судят о герметичности паяных соединений.
  8. После проверки герметичности радиатор сушат и обезжиривают. Затем приступают к припаиванию медного листа. Паять полотно абсорбера к трубкам следует сплошным швом по всей длине каждого элемента медного контура.

  9. Поскольку абсорбер гелиоколлектора изготавливается из меди, то вместо покраски можно использовать химическое чернение. Это позволит получить на поверхности настоящее селективное покрытие, наподобие того, что получают в заводских условиях. Для этого в ёмкость для проверки герметичности наливают нагретый химический раствор и укладывают абсорбер лицевой стороной вниз. Во время реакции поддерживают температуру реактивов любым доступным способом (например, постоянной прокачкой раствора через ёмкость с кипятильником).

  10. Из листа OSB вырезают детали для сборки корпуса гелиоколлектора — днище 1х2 м, боковые стороны 0,16х2 м, верхнюю 0,18х1 м и нижнюю 0,17х1 м панели, а также 2 опорные перегородки 0,13х0,98 м.
  11. Рейку 20х30 мм нарезают на части: 1,94 м — 4 шт. и 0,98 м — 2 шт.
  12. В боковых стенках делают отверстия Ø20 мм для входного и выходного патрубков, а в нижней части коллектора выполняют 3–4 сверления Ø8 мм для микровентиляции.

  13. В перегородках делают вырезы под трубки абсорбера.
  14. Из реек 20х30 мм собирают опорную раму.
  15. Воспользовавшись мебельными уголками и саморезами, раму обшивают панелями OSB. При этом боковые стенки должны опираться на днище — это позволит предотвратить прогиб корпуса. Нижнюю панель опускают на 10 мм от остальных, чтобы перекрыть её стеклом. Это не даст осадкам попадать внутрь рамы.
  16. Устанавливают внутренние перегородки.

  17. Днище и бока корпуса утепляют минеральной ватой и укрывают рулонным теплоотражающим материалом.

  18. Абсорбер укладывают на подготовленное пространство. Для этого демонтируют одну из боковых панелей, которую затем ставят на место.

  19. На расстоянии 1 см от верхнего края короба внутренний периметр сооружения обшивают деревянной рейкой 20х30 мм так, чтобы стенок касалась её широкая сторона.
  20. По периметру проклеивают уплотнительную резинку.

  21. Укладывают стекло или стеклопакет, контур которого также обклеивают оконным уплотнителем.
  22. Прижимают конструкцию алюминиевым уголком, в котором предварительно сверлят отверстия для саморезов. На этом этапе сборку коллектора считают завершённой.

Чтобы предотвратить попадание влаги и утечку тепла, на всех этапах стыки и места сопряжений деталей обрабатывают силиконовым герметиком. Для защиты конструкции от осадков древесину покрывают специальным составом и окрашивают эмалью.

Плюсы и минусы

Коллекторы имеют немало как достоинств, так и недостатков – многие из них уже были разобраны, но стоит кратко подытожить сказанное. Начнём с достоинств:

Сокращение потребления энергии из других источников, а значит одновременно сокращение расходов и увеличение автономности дома.
Смонтировать коллектор на крыше несложно, сделать это можно даже своими силами.
Длительный срок службы: работать устройство может десятилетиями, так что окупит своё приобретение несколько раз.
Простота эксплуатации – не нужно постоянно контролировать работу коллектора, достаточно обращать на него внимание изредка.
В случае поломки почти всегда повреждённый элемент можно заменить быстро и недорого.
Экологичность и безопасность – солнечные коллекторы не загрязняют окружающую среду.

Недостатки коллекторов:

  • Довольно высокая стоимость и длительный срок окупаемости. В последнее время цены на коллекторы падают, так что эта проблема становится всё менее актуальной.
  • Зависимость от погоды и времени года, необходимость ориентироваться или на летнюю, или на зимнюю производительность. Как следствие, значительную часть года энергии будет либо слишком много, либо слишком мало, и обе проблемы придётся решать.
  • Требовательность к расположению, ориентации и углу наклона – не на каждом доме коллектор можно разместить так, чтобы он выдавал близкую к заявленной производительность.
ТОП 15 самодельных солнечных нагревателей воды или воздухаТОП 15 самодельных солнечных нагревателей воды или воздуха

Плоские солнечные коллекторы

Плоский солнечный коллектор

Плоский солнечный коллектор имеет слоистую конструкцию. По сути, это пластина теплоемкого металла, которая может быть покрыта черным селективным составом, способствующим лучшему поглощению и трансформации солнечных лучей с практически нулевым их отражением – так называемый абсорбер. Снизу к пластине приварены тонкие трубки – параллельные или извилистые (в виде трубки-змеевика) –  по ним циркулирует жидкость-теплоноситель. Солнечные лучи, поглощенные абсорбером, прогревают теплоноситель, и далее тепло передается в систему.

Абсорбер (пластина) помещается в теплоизоляционный корпус из алюминиевых профилей, а сверху она покрыта защитным (обычным или закаленным) стеклом с минимальной светопроницаемостью – для создания своеобразного «парникового эффекта»

Чтобы минимизировать потери тепла, важно сделать надежную теплоизоляцию между стенками корпуса и абсорбером. Как правило, теплоизоляционный слой сплошной плитой укладывается под пластиной-абсорбером

Внешне плоский солнечный коллектор имеет вид цельной и громоздкой плиты, его непросто устанавливать, особенно на крышах с крутым скатом. К минусам можно отнести также значительные теплопотери в холодное время года даже при герметичном корпусе и хорошем теплоизоляционном слое. Из-за особенностей конструкции эффективность работы такого солнечного коллектора может быть невысокой даже при хорошем уровне поглощения солнечных лучей.  Поэтому плоские коллекторы имеет смысл использовать, в основном, в летний период года.

Более эффективными являются плоские вакуумные коллекторы – разновидность плоских коллекторов. В таком типе устройств потери минимизированы за счет вакуума между абсорбером и стеклом. КПД коллектора при этом увеличивается, так как взаимодействие пластины-абсорбера и стекла сведено к минимуму, а сама система работает по принципу зеркального отражения, вне зависимости от угла падения солнечных лучей. При более высоком КПД, что является плюсом, к минусам можно отнести сложность монтажа и высокую стоимость коллектора такой конструкции.

Период окупаемости гелиосистемы

Понять, как быстро окупаются дорогостоящие солнечные коллекторы, поможет несложный расчет. Например, это будет плоское устройство площадью 2 «квадрата» суточной производительностью 6,4 кВт·ч тепла.

Когда главным источником тепловой энергии является электрокотел, то выработанный им киловатт-час обойдется в 5 рублей (согласно ценам 2017 года), а это означает, что ежесуточно экономия на электропитании при эксплуатации плоского устройства составит 6,4х5=32 рубля, а срок окупаемости при цене устройства 20 тысяч – 625 дней (20000:32=625).

Когда основной источник тепла – газовый агрегат, киловатт-час энергии будет стоить 0,7 рубля, а суточная экономия — 6,4х0,7 = 4,48 рубля. Период окупаемости увеличится до 4464 дней или 12 лет. Если учесть, что средний срок эксплуатации коллектора составляет не больше 15 лет, то можно сделать вывод, что в данном случае гелиосистема не окупится никогда.

Дополнительная информация о структуре

Сам солнечный коллектор становится главным элементом в системе нагрева воды. Эта конструкция может быть отнесена к одной из трёх групп:

  • плоские коллекторы
  • вакуумные коллекторы
  • водяные коллекторы

Алюминиевая рама становится основой для плоских коллекторов. Внутри неё располагаются медные трубки, сверху их покрывает специальный поглощающий материал. Снизу находится теплоизоляция. Закалённое стекло практически полностью закрывает эту конструкцию, само стекло всегда отличается большой пропускной способностью относительно света. Такие системы можно включать только в определённое время года, а можно пользоваться ими круглый год.

Рама с вакуумными трубками из боросиликатного стекла — вот что используется для изготовления вакуумных коллекторов. Ещё одна колба со специальным поглощающим покрытием имеется при этом внутри каждой отдельной трубки. Медная трубка с теплоносителем под низким давлением располагается в самих колбах. В теплообменник с жидкостью помещается конец медной трубки, именно туда выделяется тепловая энергия, которая аккумулируется в системе.

Конструкция типа «морская трубка» тоже является отдельной разновидностью вакуумных коллекторов. Бак для воды и трубки в этом случае находятся на раме. Внутри каждой трубки находится ещё одна трубка, между ними обязательно устраивается специальное вакуумное пространство. Слоем абсорбента покрыты вакуумные трубки, более того, они заполнены водой. Когда происходит нагрев, вода поднимается в бак. Холодная опускается к трубкам для нагрева. Такие системы ещё называются водяными солнечными коллекторами.

Бак-аккумулятор выступает вторым элементом, который обязательно присутствует в любой системе. Именно он используется для хранения воды, в дальнейшем потребляющейся для различных нужд. Наружную часть бака лучше утеплить отдельным слоем толщиной минимум в 3 сантиметра, иначе в холодное время года он не сможет сохранить тепло. Бойлер для солнечного коллектора тоже подождёт.

Сравнение КПД солнечных коллекторов

Ниже приведены результаты сравнительных испытаний плоских и вакуумных коллекторов в различных климатических условиях. Результаты говорят сами за себя — лучший КПД вакуумных коллекторов наблюдается практически в любых условиях.

Результаты испытаний, приведенные ниже, даны при нагреве воды солнечными коллекторами с температуры окружающей среды до  75 °C – данные предоставлены Hills Solar. Плоские солнечные коллекторы были испытаны в National Solar Test Facility, Канада.

Сидней

Зима:
Уровень солнечной радиации во время испытаний был 426 Вт/м²  и температура окружающего воздуха была 13.1 °C. Вакуумный коллектор оказался лучше на 104%, чем плоский, из расчета на один м² апертурной поверхности для вакуумного коллектора или общей площади для плоского коллектора.

Лето: Солнечная радиация была 840 Вт/м², температура воздуха 21.3 °C. Вакуумный коллектор оказался на 150.5% более эффективным  из расчета на м² апертурной поверхности**.

** Данные взяты из отчета Hills Solar  – hills-collector-efficiency (380kb PDF)

Мельбурн, Виктория

Зима:
Уровень солнечной радиации во время испытаний был 296 Вт/м²  и температура окружающего воздуха была 9.9 °C. Вакуумный коллектор оказался лучше на 163,5%, чем плоский, из расчета на один м² апертурной поверхности для вакуумного коллектора или общей площади для плоского коллектора.

Лето: Солнечная радиация была 861 Вт/м², температура воздуха 19.8 °C. Вакуумный коллектор оказался на 151.5% более эффективным  из расчета на м² апертурной поверхности**.

Брисбан, Квинсланд

Зима:
Уровень солнечной радиации во время испытаний был 546 Вт/м²  и температура окружающего воздуха была 17.8 °C. Вакуумный коллектор оказался лучше на 81%, чем плоский, из расчета на один м² апертурной поверхности для вакуумного коллектора или общей площади для плоского коллектора.

Лето: Солнечная радиация была 828 Вт/м², температура воздуха 25.1 °C. Вакуумный коллектор оказался на 54.5% более эффективным  из расчета на м² апертурной поверхности**.

 Аделаида, Южная Австралия

Зима:
Уровень солнечной радиации во время испытаний был 452 Вт/м²  и температура окружающего воздуха была 10.9 °C. Вакуумный коллектор оказался лучше на 132%, чем плоский, из расчета на один м² апертурной поверхности для вакуумного коллектора или общей площади для плоского коллектора.

Лето: Солнечная радиация была 953 Вт/м², температура воздуха 22.1 °C. Вакуумный коллектор оказался на 52% более эффективным  из расчета на м² апертурной поверхности**.

Как видим, чем ниже температура окружающей среды, тем больше заметна разница в работе вакуумного и плоского коллектора. Чем холоднее, т.е. чем больше дельта температур, на которую нагревается вода в солнечном коллекторе, тем более явные преимущества у вакуумного солнечного коллектора.

Справедливости ради, в  исследовании, результаты которого приведены выше, использовалось приведение выработки вакуумного солнечного коллектора к апертурной поверхности, а для плоского использовалась общая поверхность. Если в расчетах принимать общую площадь для обоих типов коллекторов, разница в эффективности будет существенно меньше.

Гелиоустановки для систем горячего водоснабжения и отопления

Большое распространение и популярность приобрели именно солнечные коллекторы, которые применяются в качестве устройства для нагрева какой-либо жидкости (чаще всего, воды) с целью ее использования в системах горячего водоснабжения или отопления.

Другой вид оборудования для преобразования энергии солнца – батареи, которые принципиально отличаются от коллекторов тем, что сначала вырабатывают и аккумулируют электрическую энергию, а в дальнейшем ее можно использовать для хозяйственных нужд.

Но данный вид получения и переработки солнечной энергии требует приобретения дорогостоящего оборудования, главными конструктивными единицами которого являются фотоэлементы, что не всегда оправданно, особенно в регионах с небольшим количеством солнечных дней в году.

В отличие от них, солнечные коллекторы для нагрева воды или отопления дома имеют быструю окупаемость, особенно если изготовить их самостоятельно, так как в этом случае расходы составят лишь стоимость материалов, в число которых дорогие фотоэлементы не входят.

Использование солнечных коллекторов имеет очевидные преимущества:

  • снижение затрат на отопление и подогрев воды для системы горячего водоснабжения;
  • экологичность данного вида энергии.

Чаще всего использование коллекторов оправданно для использования в системах отопления небольших коттеджей или организации горячего водоснабжения в летний период в загородном доме или на даче. Оправдан солнечный коллектор для бассейна в качестве устройства для подогрева воды.

Объясняется это относительно невысоким КПД таких установок, который может значительно уменьшаться в пасмурные дни.

Поэтому для оптимизации расходов на отопление частного дома лучше всего использовать коллекторы совместно с традиционным оборудованием, которое изначально может быть рассчитано для этого, либо имеет возможности для переоборудования или согласования параллельного функционирования двух систем теплоснабжения.

Также стоит отметить, что, кроме регулярного обслуживания и очистки поверхности коллекторов от грязи и мусора, некоторые из них не предназначены для работы при низких температурах, поэтому перед началом зимы их нужно законсервировать, предварительно слив из системы теплоноситель.

Основные разновидности солнечных коллекторов

Солнечный коллектор представляет собой устройство, главной функцией которого является превращение поглощенной солнечной энергии в тепловую с целью ее дальнейшего использования для нагрева теплоносителя в системах отопления, в том числе и в «теплых полах» и ГВС дома.

КПД коллектора напрямую зависит от двух факторов: типа устройства и его площади, поэтому нередко для его монтажа выбирается крыша здания.

Солнечные коллекторы условно можно классифицировать, используя разные критерии. Прежде всего, они делятся по типу теплоносителя на:

  • водяные (жидкостные);
  • воздушные.

По уровню предельных температур коллекторы бывают:

  • низкотемпературными – предел до 50°C, средний показатель 35-45 °C;
  • среднетемпературными до 80°C;
  • высокотемпературными – более 80°C.

Последние чаще всего являются промышленными образцами, сделать их своими руками не представляется возможным.

Конструктивно солнечные нагреватели воды могут быть:

  • плоскими, которые могут быть как воздушными, так и жидкостными;
  • вакуумными, использующими в качестве теплоносителя воду или иной вид жидкости;
  • трубчатыми – бывают и жидкостными, и воздушными;
  • термосифонными, или так называемыми накопительными интегрированными коллекторами, главным отличием которых является способность не только нагревания жидкости, но и поддержания ее температуры определенное время.

Последний вариант является самым простым как по устройству, так и по сложности изготовления и представляет собой несколько теплоизолированных емкостей с водой, а нагрев жидкости происходит через стеклянные крышки баков.

Данный тип коллекторов можно считать и самым простым в обслуживании, так как для того, чтобы он работал, необходимо лишь периодически очищать крышку емкости, но использовать его в холодное время года невозможно.

Плоские воздушные коллекторы тоже довольно просты и имеют вид специальной панели в виде герметичной коробки с теплоприемником с подключенными воздуховодами, по которым движется и нагревается воздух.

Для повышения эффективности их работы требуется увеличение их площади, например, за счет использования нескольких панелей в одной системе, а также использование вентилятора.

2 Основные виды устройств

Гелиоустановки можно разделить на несколько типов, зависящих от их конструкции. Самые популярные — плоскопластинчатые солнечные коллекторы для дома. Их основные составные части:

  • абсорбер — пластина, улавливающая солнечные лучи;
  • прозрачное покрытие;
  • теплоизоляция, находящаяся на нижней поверхности.

Предпочтительнее выбирать абсорберы, которые сделаны из меди, прекрасно проводящей тепло. Сверху пластины покрывают специальным покрытием на основе чёрного никеля или оксида титана, хотя в самых дешёвых вариантах может использоваться и обычная чёрная краска.

Как работают солнечные коллекторы. Солнечный коллектор - устройство и принцип работыКак работают солнечные коллекторы. Солнечный коллектор — устройство и принцип работы

https://youtube.com/watch?v=9eCJvdirj5s

Покрытие, пропускающее свет, изготавливают из закалённого стекла, в котором почти нет металлических примесей, или из профильного рифлёного листа из поликарбоната.

Чтобы конвекция не вызывала теплопотери, все щели между корпусом коллектора и прозрачным покрытием нужно тщательно загерметизировать. Существует два типа таких конструкций:

  1. 1. Воздушные — в качестве теплоносителя используют воздух, который непосредственно примыкает к абсорберу с одной или двух сторон.
  2. 2. Жидкостные (с применением воды, антифриза, масла) — в них теплоноситель подаётся при помощи специальных трубок, сделанных из меди или алюминия.

Второй распространённый тип тепловых коллекторов для отопления — вакуумные. Они куда дороже, но эффективнее собирают энергию. Абсорбером в таких устройствах является трубка, внутри которой протекает теплоноситель. Множество этих элементов собрано и находится в круглом прозрачном кожухе, в котором поддерживается вакуум.

Чтобы повысить производительность таких устройств, можно использовать отражатели света с вогнутой зеркальной поверхностью, которые собирают непойманные лучи и направляют их в сторону коллектора. Дополнительным способом увеличения производительности может стать установка системы слежения за солнцем.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий