Чертежи конструкций
Приступаем к работе
Прежде чем сооружать солнечный коллектор, необходимо произвести соответствующие расчеты и определить, как много энергии он должен производить. Но от самодельной установки ждать высокого КПД не стоит. Сориентировавшись, что его будет достаточно – можно приступать.
Работу можно поделить на несколько основных этапов:
- Изготовить короб
- Изготовить радиатор или теплообменник
- Изготовить аванкамеру и накопитель
- Собрать коллектор
Чтобы изготовить коробку под солнечный коллектор своими руками, следует заготовить обрезную доску толщиной 25-35 мм и в ширину 100-130 мм. Дно ее следует сделать текстолитовым, оснастив его ребрами. Оно также должно быть хорошо теплоизолированное при помощи пенопласта (но предпочтение отдают минеральной вате), накрытого оцинкованным листом.
Еще 4 эффективных способа альтернативного отопления дома
О которых вы можете узнать в нашей следующей статье
Подготовив короб, настает пора мастерить теплообменник. Следует придерживаться инструкции:
- Необходимо подготовить 15 тонкостенных металлических трубок длиной 160 см и две дюймовые трубы длиной 70 см
- В обоих утолщенных трубках сверлятся отверстия диаметра меньших трубок, в которые они будут устанавливаться. При этом нужно следить за тем, чтоб они были по одной стороне соосны, максимальный шаг между ними 4.5 см
- Следующий этап – все трубки нужно собрать в единую конструкцию и надежно сварить
- Теплообменник монтируется на лист оцинковки (ранее прикрепленный к коробу) и фиксируется при помощи стальных хомутов (можно сделать металлические зажимы)
- Днище короба рекомендуют покрасить в темный цвет (например, черный) – он будет лучше поглощать солнечное тепло, но чтобы снизить тепловые потери, внешние элементы красятся белым
- Завершить монтаж коллектора необходимо установкой покровного стекла около стенок, при этом не забыв о надежной герметизации стыков
- Между трубками и стеклом оставляется расстояние, равное 10-12 мм
Остается соорудить накопитель под солнечный коллектор. Его роль может исполнять герметичная емкость, объем которой варьируется около 150-400 л. Если найти одну такую бочку не удается, можно сварить между собой несколько небольших.
Как и коллектор, накопительный бак основательно изолируют от потерь тепла. Остается изготовить аванкамеру – небольшой сосуд объемом 35-40 л. Он должен оснащаться падающим воду устройством (шарнирным краном).
Остается самый ответственный и важный этап – собрать коллектор воедино. Сделать это можно таким образом:
- Вначале необходимо установить аванкамеру и накопитель. Необходимо следить, чтоб уровень жидкости в последнем был на 0.8 м ниже, чем в аванкамере. Так как воды в таких устройствах может собираться немало, необходимо продумать, каким образом они будут надежно перекрываться
- Коллектор размещается на крыше дома. Исходя из практики, рекомендуется делать это на южной стороне, наклонив установку под углом 35-40 градусов к горизонту
- Но нужно учитывать, что между накопителем и теплообменником расстояние не должно превышать 0.5-0.7 м, иначе потери будут слишком существенны
- В конце должна получиться следующая последовательность: аванкамера обязана располагаться выше накопителя, последний – выше коллектора
Наступает самый ответственный этап – необходимо соединить все составляющие воедино и подключить к готовой системе водопроводную сеть. Для этого потребуется посетить магазин сантехники и приобрести необходимые фитинги, переходники, сгоны и прочую запорную арматуру. Высоконапорные участки рекомендуют соединять трубой диаметром 0.5 дюйма, низконапорные – 1 дюйм.
Введение в эксплуатацию выполняется следующим образом:
- Установка заполняется водой посредством нижнего дренажного отверстия
- Подсоединяется аванкамера и регулируются уровни жидкости
- Необходимо пройтись вдоль системы и проверить, чтобы не было утечек
- Все готово к повседневной эксплуатации
Принципе действия водонагревателя
Чтобы взяться за дело с пониманием вопроса, следует вначале разобраться, в чем заключается принцип работы солнечного водонагревателя. В качестве примера лучше всего взять заводской аппарат, который в состоянии подогревать воду даже в зимнее время, хотя в гораздо меньших объемах, нежели летом.
Устройство представляет собой батарею, собранную из множества отдельных элементов в виде стеклянных трубок.Внутри каждой трубки, изготавливаемой из кварцевого стекла, располагается еще одна, окрашенная в черный цвет и наполненная веществом, что испаряется при низких температурах.
С целью не допустить потерь тепла изнутри, а также избежать воздействия окружающей среды снаружи, из пространства между трубками удален воздух. Концы всех элементов входят в горизонтальный коллектор, где протекает нагреваемая вода. Подобные вакуумные трубки для водонагревателя весьма эффективно поглощают солнечное тепло и передают его воде за счет испарения / конденсации вещества (рабочего тела).
Система функционирует следующим образом:
- под воздействием солнечных лучей рабочее тело превращается в пар и поднимается в верхнюю часть стеклянной колбы;
- контактируя сквозь стенки с потоком воды, вещество отдает ему тепловую энергию и возвращается в жидкое агрегатное состояние;
- подчиняясь силе тяжести, рабочее тело стекает в нижнюю часть, где цикл начинается заново;
- обычно солнечные водонагреватели, находящиеся на крыше, присоединяются к дополнительному змеевику бойлера косвенного нагрева. Таким способом осуществляется передача теплоты домашней отопительной сети.
Примечание. Вакуумные трубки изготавливаются из кварцевого стекла, которое, в отличие от обычного, пропускает волны ультрафиолетового диапазона. Это позволяет поглощать энергию солнца во время облачности и в холодный период года.
Как нетрудно догадаться, соорудить подобную конструкцию в домашних условиях невозможно. Приведем более удачный пример: безнапорный водонагреватель, где происходит передача тепла напрямую, без посредника. В прямоугольный корпус с хорошо утепленной задней стенкой помещен змеевик из меди, подключенный к накопительному баку. В контуре естественным образом циркулирует вода, нагреваясь от солнца напрямую, вследствие чего температура в накопительной емкости постепенно возрастает.
Трубка змеевика запрессована в металлическую пластину – теплоприемник темного цвета, от воздействия осадков она защищена прочным стеклом. Данный солнечный накопительный водонагреватель не так дорог, как вакуумный, но и менее эффективен. Он хорошо действует только в солнечную безоблачную погоду. Зато его конструкция проще и может быть реализована в домашних условиях.
Для справки. Существует еще один способ воспользоваться энергией солнца – установить обычный водонагреватель на солнечных батареях, вырабатывающих электричество. Но такая система очень дорога, хотя может функционировать круглогодично.
Как сделать простой водонагреватель своими руками
Из поликарбоната
Одним из вариантов для создания солнечного водонагревателя для дачи своими руками предполагает использование для конструкции сотовый поликарбонат. Единственным требованием для такого элемента конструкции является светопропускная способность материала. Хотя прочность является одной из важнейших характеристик, она не является основой.
Из тех материалов, что есть в наличии, могут быть использованы пиломатериалы или профильные легкие элементы из металла, которые потребуются для изготовления каркаса устройства. Из медных трубок делаем змеевик, причем желательно в одной плоскости – это и будет ваш абсорбер для водонагревателя, в котором будет происходить циркуляция воды. На концах трубок из меди установите штуцера для соединения подающей трубы и выхода нагретой воды. В роли змеевика можно использовать похожую конструкцию от ненужного холодильника, но лишь в том случае, если параметры змеевика от холодильного оборудования будут определять геометрические размеры устройства в целом.
Из пластика (бутылок)
Такая очень простая система нагрева воды от солнечной энергии допускает ее самостоятельное изготовления из привычных для всех пластиковых бутылок с объемом в 1.5 литра (или любого другого размера, но чтобы се были одинаковыми).
Также важным условием работы для такого устройства считается прочность соединений и герметичность бутылок между собой. Будет идеально, если на донышке бутылки будет просверлено отверстие, которое будет соответствовать диаметру горлышку от бутылки, чтобы получилось вставить одну бутылку в другую. Для крепления допустимо использовать крышки от тех же бутылок, в которых заранее должны быть просверлены отверстия.
В зависимости от того, какое количество бутылок будет собрано для солнечного водонагревателя в виде батареи и количества батарей, получатся геометрические размеры устройства, и на основании них можно будет делать каркас. Как и в предыдущем случае, каркас можно сделать из материалов, которые есть под рукой. После укладывайте слой теплоизоляции и по возможности затемните приемную поверхность (внутреннюю часть нижней стенка каркаса).
В готовый каркас остается уложить бутылочные батареи, которые будут соединены между собой так, что верхние части батарей будут подключены к подаче холодной жидкости от источника снабжения водой, а нижние к отводной трубе с нагретой водой. Сторона каркаса с «лица» должна быть зашита поликарбонатом, стеклом или любым другим прозрачным материалом, который хорошо пропускает солнечный свет и сохраняет тепло внутри устройства. Для приемлемого уровня нагрева воды требуется установить запорный вентиль на отводную и входную трубу.
Конструкция своими руками
Конструкция солнечных установок не настолько сложна, чтобы люди, обладающие некоторой подготовкой, были не в состоянии самостоятельно изготовить и запустить их в своих домах. Гелиосистема для отопления дома 100 кв м своими руками — это вполне воплотимый замысел, который поможет существенно сэкономить на приобретении и ремонтных работах. Рассмотрим возможные варианты.
Термосифонная гелиосистема
Термосифонные гелиосистемы — это трубчатые коллекторы, которые были рассмотрены выше. Существуют безнапорные и напорные конструкции, различающиеся способом циркуляции теплоносителя. Безнапорные работают на естественном перемещении жидкости и не нуждаются в электроэнергии, состав комплекса намного проще и дешевле. Напорные способны обеспечить заданный режим циркуляции и позволяют получить максимальную эффективность. Наиболее активная работа таких систем — период с апреля по октябрь, чем севернее регион, тем короче срок наибольшей активности установок.
Воздушная гелиосистема
Воздушные коллекторы — это установки, использующие в качестве теплоносителя воздух. Они обогревают дом вентиляционным методом, что позволяет серьезно экономить на создании отопительных контуров и пользоваться системой круглый год.
Коллектор представляет собой полый черный ящик, в котором от солнечного тепла нагревается воздух. Теплый воздух направляют в помещение, а остывший — в коллектор на подогрев. Для снижения теплопотерь ящик устанавливается в прозрачную герметичную емкость, защищающую от внешних воздействий — ветра, низкой температуры и т. п. Вход и выход размещают в разных помещениях для увеличения разницы давления и организации самостоятельно циркуляции потоков.
Устройство и виды
Условно данные системы можно классифицировать на два вида:
- жидкостные (о которых мы говорим в данном материале);
- воздушные солнечные коллекторы, в которых используется не жидкость, а нагретый воздух.
Также они разделяются по КПД, ведь обеспечивают различную теплоотдачу. Это зависит от материалов, используемых для изготовления батареи, ее площади. Оптимальным местом расположения абсорбера является крыша:
- попадает максимальное количество солнечного света,
- имеет большую площадь,
- установленная на крыше батарея не занимает полезное пространство, никому не мешает.
Воздушный солнечный коллектор
Конструкция солнечного коллектора может быть нескольких видов, основные:
- вакуумный отопительный коллектор, имеющий самую сложную конструкцию. Вакуумные солнечные коллекторы отлично подходят для обогрева помещений, нагрева воды в любое время года, они полностью обеспечат небольшой дом, коттедж;
- плоский солнечный коллектор может быть жидкостным и вакуумным. Это наиболее распространенный тип поскольку достаточно прост в монтаже, при этом эффективен, может обеспечивать дом необходимым количеством тепла для обогрева помещений, водой для хозяйственных нужд;
- термосифонный — в качестве абсорбера используются стеклянные или металлические трубки;
- трубчатый — самый простой тип, изготовить который можно для дачи, достаточно примитивный, не подходит для использования в зимнее время.
Нас интересует конструкция, которая обеспечивает наличие горячей воды и отопления в доме в любое время года, остановимся на двух оптимальных вариантах, рассмотрим устройство вакуумного солнечного коллектора и плоского.
Плоский коллектор
Это наиболее распространенный вид коллектора, который можно изготовить самостоятельно. Хорошо подходит для использования в теплое время года для подогрева воды, зимой коэффициент полезного действия снижается.
Особенность конструкции состоит в следующем:
- корпус имеет плоскую прямоугольную или квадратную форму, выполнен из металла или другого материала, имеющего высокий показатель теплопроводности, покрыт черной краской;
- внутри располагают пластину, в которой уложен змеевик из медной трубки небольшого сечения;
- по трубкам циркулирует теплоноситель: вода, пропилен-гликоль, антифриз, другие подходящие жидкости;
- также внутри корпуса укладывают теплоизоляционный материал, который минимизирует потери тепла;
- собирая коллектор такого типа, нужно запастись листом поликарбоната или стекла, который будет служить крышкой и выполнять две функции: препятствовать проникновению мусора, осадков, усиливать подогрев.
Составная часть плоского солнечного коллектора
Вакуумный коллектор
Для водяного отопления можно использовать солнечные коллекторы вакуумного типа. Благодаря конструкционным особенностям они являются более мощными: способны вырабатывать тепловую энергию, которой хватит на подогрев воды и отопление помещений.
Особенности конструкции:
- минимизировать потери позволяют трубки, которые помещаются в колбах с выкачанным воздухом;
- сверху трубки покрыты абсорбционным материалом, поглощающим световую энергию, внутри — наполнены антифризом (хладагентом);
- концы трубок соединены с трубой, по которой проходит теплоноситель;
- при нагреве антифриз закипает, преобразуется в пар, который, в свою очередь, поднимается вверх и нагревает теплоноситель;
- у данной конструкции есть недостаток: если хоть одна трубка выйдет из строя, ремонт становится довольно проблематичным, так как они соединены последовательно. Придется производить замену всех «внутренностей».
Воздушная солнечная система из вакуумных трубок
Такой воздушный солнечный коллектор для отопления будет более эффективен и пригоден для того, чтобы поддерживать температуру в системе в любой сезон. Хотя в холодное время КПД работающего коллектора может незначительно снижаться из-за короткого светового дня и малой световой активности.
Совет по уходу! Обратите внимание на внутреннюю поверхность накопительного бака для воды, она со временем покрывается накипью, нужна очистка. Периодичность зависит от качества воды в местности
Принцип действия
Для отопления жилого дома или иного объекта могут быть использованы все виды солнечных коллекторов, однако принцип их работы, вне зависимости от конструкции и вида теплоносителя, является единым.
Принцип работы солнечного коллектора основан на способности материалов поглощать энергию солнца в видимом и невидимом, человеческому глазу, диапазонах, в связи с чем, внутри данного материала, начинаются физические процессы, молекулы начинают быстрее двигаться, материал (вещество) – нагревается. Тепло выделяемое материалами, на которые воздействуют солнечные лучи, передается теплоносителя для последующего использования.
Схематично, принцип работы различных видов устройств, можно отразить следующим образом:
Плоский солнечный коллектор, работающий с использование жидкого теплоносителя:
- Плоский солнечный коллектор, работающий с использование воздуха:
- Вакуумный солнечный коллектор, с жидким теплоносителем:
Выбор места установки
Почему чаще всего ставят солнечные батареи на крыше? Именно там есть шанс избежать затенения. Если на панели падает тень от другого дома или дерева, она не сможет нормально работать и быстро сломается, не оправдав своей стоимости. Солнечная крыша, не затененная дымоходной трубой или электрической вышкой — идеальное место для монтажа.
Время от времени, в зависимости от положения Солнца и погодных условий, гелиосистема оказывается в тени. Именно по этой причине в фотоэлементах высокого качества предусмотрен способ шунтирования с помощью диодов. Если один ряд ячеек оказывается в тени, в работу включается диод, и ток проходит по запасному пути. Это обеспечивает постоянную работу установки — так, чтобы в ней не возникало скачков напряжения.
Ориентация установки солнечных батарей должна быть направлена на Солнце. Движение нашего светила происходит по условной линии экватора. Мы живем в северном полушарии, поэтому панели, монтируемые на кровлю, должны быть обращены в южную сторону.
Географическое положение нашей широты влияет и на угол наклона, под которым нужно будет расположить солнечную батарею. В идеале величина угла наклона должна быть равна широте, а если мы находимся не на линии экватора, наклон надо будет корректировать в зависимости от сезона. Величина коррекции составляет 12 градусов. Летом угол увеличивается, а зимой — уменьшается.
Для того чтобы найти оптимальный угол наклона, можно воспользоваться данными из интернета. Там есть специальные онлайн-калькуляторы, с помощью которых вы сможете сделать все необходимые расчеты и получить нужную величину в градусах.
Солнечные батареи в частном доме должны находиться в доступном месте. Желательно, чтобы доступ к ним был возможен со всех сторон. Со временем вам придется регулярно чистить панели от пыли, грязи и снега. Поскольку на фотоэлементы нанесен защитный слой, сам процесс очистки не составить большого труда, но если доступ к гелиосистеме будет затруднен, могут возникнуть проблемы.
Требования к материалам для изготовления самодельного солнечного коллектора
Для изготовления каркаса солнечного коллектора для отопления своими руками применяется фанера, деревянный брус, плиты ОСП или другие подобные варианты. Как альтернативу можно использовать алюминиевый или стальной профиль со вставками из аналогичных материалов, что придаст конструкции прочность и надежность. Однако такой корпус будет иметь высокую стоимость.
Материалы должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к конструкциям, которые располагаются на открытом воздухе. Поскольку в среднем период эксплуатации солнечного коллектора составляет 20-30 лет, необходимо, чтобы материалы характеризовались высокими эксплуатационными характеристиками, которые будут оставаться неизменными на протяжении всего периода службы установки.
Древесина для корпуса должна обрабатываться водно-полимерными составами и покрываться лакокрасочными эмульсиями. Стальной профиль необходимо надежно защитить от коррозии.
Для изготовления каркаса коллектора используется фанера, плиты ОСБ или брус
Для изготовления абсорбера гелиостата своими руками используют доступные подручные материалы. Змеевик может быть произведен из жесткой ПВХ трубы с фитингами, гибкой ПНД трубы, гнутой медной или металлической трубки. Для абсорбера подойдет теплообменник старого холодильника. Также элемент можно выполнить из алюминиевых банок или пластиковых бутылок. Главным критерием выбора является теплопроводность материала.
Для предотвращения потерь тепла корпус следует утеплить со всех сторон. Для этих целей преимущественно используется минеральная вата или пенопласт. Хорошо себя зарекомендовал фольгированный вариант утеплителя, который обеспечит не только теплоизоляцию, но и отражение лучей солнца от поверхности.
Теплообменник закрывается защитной поверхностью, в качестве которой может быть использовано закаленное стекло или монолитный поликарбонат. Материал должен иметь рифленую, а не гладкую поверхность.
Чтобы предотвратить потерю тепла, корпус коллекторов утепляют минеральной ватой или пенопластом
Принцип работы солнечных коллекторов
Принцип работы солнечных коллекторов является относительно простым.
Абсорбер
Первым элементом, «захватывающим» солнечные лучи является коллектор, а если точнее, то установленный в нем абсорбер.
Устройство поглощает излучение и преобразует его в тепло. Производительность системы зависит, главным образом, от типа абсорбера.
Часто используются батареи, оборудованные следующими типами поглотителей или абсорберов:
- Нормальный – мы его узнаем по характерному черному цвету. Этот тип поглотителя является не самым эффективным и имеет не очень хорошую обратную связь. Он может поглощать до 80% солнечного света.
- Селективный – устройство гораздо лучшего качества, которое гарантирует более высокую эффективность. Эффективно принимает лучи, его эффективность может достигать 95%.
Теплоноситель
Затем абсорбер нагревает теплоноситель, протекающий через батареи или панели. Чаще всего это обычная вода, которая может быть использована с весны до поздней осени. В зимнее время теплоносителем может быть только незамерзающая жидкость, которая защищает всю систему от возможного повреждения.
Теплоноситель работает в замкнутой системе и при нагревании поступает в бак. В баке он отдает свое тепло воде.
Охлажденный теплоноситель снова проходит через поглотитель и нагревается вновь с помощью солнечного света.
Устройство и принцип работы
Солнечный коллектор — панель, размером в несколько квадратных метров, внутрь которой встроен нагревательный элемент, накапливающий энергию солнца. Весь принцип работы устройства можно сравнить с обычным водонагревателем. Лучи аккумулируются в нем и передаются в теплообменник, заполненный теплоносителем, который нагревается и начинает циркулировать по отопительной системе.
Направление движения может меняться с помощью смесителя. Остывший теплоноситель вновь поступает в резервуар. Естественная циркуляция обеспечивается расширением теплоносителя, который поднимается и вытесняет холодный в резервуар. В солнечный день движение непрерывно, температура жидкости в трубах отопления сохраняется на уровне + 70 градусов.
Вакуумные водонагреватели косвенного нагрева
Принцип действия таких водонагревателей напоминает работу установки центрального отопления. Это закрытая система, которая работает под давлением. Ещё такие системы называют всесезонными или раздельными. За счёт использования тепловых трубок в конструкции вакуумных коллекторов достигается большая эффективность при работе в условиях низких температур и слабой освещенности.
Применяются вакуумные тепловые трубки HP (Heate Pipe). Это более продвинутый тип трубки, который может работать при низких, до -50°С температурах. Коллектор и бак-накопитель расположены раздельно и соединены трубопроводом. Для соединения используют медную или удобную в монтаже гофрированную трубу из нержавеющей стали, которая не боится разморозки.
Водонагреватель обычно монтируется на крыше, а бак-накопитель внутри здания. Теплоноситель циркулирует принудительно, для этого система использует электрические насосы, клапаны и контроллеры.
И хотя подобная установка является энергозависимой, многолетний опыт эксплуатации показывает, что при использовании её в комплексе с солнечными электрическими панелями, обеспечивающими питание циркуляционного насоса, такая система может длительное время работать и при отключении электричества.
Системы с открытым контуром
Если через коллектор, в котором происходит передача тепла от вакуумных трубок, используется вода, которая циркулирует между ним и баком-накопителем, она называется системой с открытым контуром.
Такая схема наиболее проста и эффективна и снижает эксплуатационные расходы, однако солевые отложения и коррозия со временем могут вывести её из строя. Коллекторы с открытым контуром популярны в регионах с круглогодичными положительными температурами или при сезонном использовании. Хотя они и способны противостоять умеренно отрицательным (до -20°С) температурам без повреждения.
Системы с закрытым контуром
В этих системах косвенного нагрева теплоносителем первого контура является антифриз, который и передаёт энергию бытовой воде через теплообменник внутри бака-теплоаккумулятора. Они дороже, но при этом и более эффективны. Системы с закрытым контуром имеют хорошую защиту от замораживания, поэтому они безальтернативны для тех районов, где влияние отрицательных внешних температур носит продолжительный характер.
