Солнечный воздушный коллектор своими руками — подробное руководство

Как работает солнечный коллектор

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.

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.

Солнечный воздушный коллектор своими руками - подробное руководство

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.

Рис. 2 Схема устройства гелиоколлектора

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

Из чего можно сделать гелиосистему

Для начала следует разобраться в том, какой принцип работы использует солнечный водонагреватель. Во внутреннем устройстве блока присутствуют следующие узлы:

  • корпус;
  • абсорбер;
  • теплообменник, внутри которого будет циркулировать теплоноситель;
  • отражатели для фокусировки солнечных лучей.

Заводской коллектор для нагрева воды от солнца работает следующим образом:

  • Абсорбция тепла — солнечные лучи проходят сквозь стекло, расположенное поверх корпуса, либо через вакуумные трубки. Внутренний абсорбирующий слой, контактирующий с теплообменником окрашен селективной краской. При попадании солнечных лучей на абсорбер выделяется большое количество тепла, которое собирается и используется для нагрева воды.
  • Теплопередача — абсорбер расположен в тесном контакте с теплообменником. Аккумулируемое абсорбером и передаваемое теплообменнику тепло нагревает жидкость, движущуюся по трубкам к змеевику внутри бака теплонакопителя. Циркуляция воды в водонагревателе осуществляется принудительным или естественным способом.
  • ГВС — используется два принципа подогрева горячей воды:
    1. Прямой нагрев — горячая вода после нагрева попросту сбрасывается в теплоизолированную емкость. В моноблочной гелиосистеме в качестве теплоносителя используется обычная бытовая вода.
    2. Второй вариант — обеспечение ГВС с пассивным водонагревателем по принципу косвенного нагрева. Теплоноситель (часто антифриз) под давлением направляется в теплообменник гелиоколлектора. После нагрева разогретая жидкость подается в накопительный бак, внутри которого встроен змеевик (играющий роль нагревательного элемента), окруженный водой для системы горячего водоснабжения.
      Теплоноситель разогревает змеевик, посредством чего и передает тепло воде, находящейся в емкости. При открытии крана нагретая вода из теплоаккумулирующей ёмкости поступает к точке водоразбора. Особенность гелиосистемы с косвенным нагревом в способности работать в течение всего года.

Принцип работы, используемый в дорогостоящих заводских гелиосистемах, копируется и повторяется в коллекторах, изготавливаемых своими руками.

Рабочие конструкции солнечных водонагревателей имеют схожее устройство. Только изготавливаются из подручных материалов. Существуют схемы производства коллекторов из:

  • поликарбоната;
  • вакуумных трубок;
  • ПЭТ бутылок;
  • пивных банок;
  • радиатора холодильника;
  • медных трубок;
  • ПНД и ПВХ труб.

Солнечный воздушный коллектор своими руками - подробное руководство

Судя по схемам, современные «Кулибины» отдают предпочтение самодельным системам с естественной циркуляцией, термосифонного типа. Особенность решения в том, что накопительную емкость располагают в верхней точке ГВС. Вода самотеком циркулирует в системе и подается потребителю.

Изготавливают из сотовых панелей, отличающихся хорошими теплоизоляционными свойствами. Толщина листов от 4 до 30 мм. Выбор толщины поликарбоната зависит от необходимой теплоотдачи. Чем толще лист и ячейки в нем, тем больше воды сможет нагреть установка.

Чтобы самому сделать гелиосистему, в частности самодельный солнечный водонагреватель из поликарбоната, понадобятся следующие материалы:

  • две штанги с нарезанной резьбой;
  • пропиленовые уголки, на фитингах должно быть наружное резьбовое соединение;
  • пластиковые трубы ПВХ: 2 шт, длина 1,5 м, диаметр 32;
  • 2 заглушки.

Трубы укладывают в корпус параллельно. Подключают к ГВС через отсекающие краны. Вдоль трубы делают тонкий надрез, в который можно вставить лист поликарбоната. Благодаря принципу термосифона вода будет самостоятельно поступать в желобки (ячейки) листа, нагреваться и уходить в накопитель, расположенный вверху всей системы нагрева. Для герметизации и фиксации листов, вставленных в трубу, используют силикон, стойкий к термическому воздействию.

Чтобы увеличить теплоэффективность коллектора из сотового поликарбоната, лист покрывают любой селективной краской. Нагрев воды после нанесения селективного покрытия ускоряется приблизительно в два раза.

Солнечный воздушный коллектор своими руками - подробное руководство

В этом случае не получится обойтись исключительно подручными средствами. Для изготовления солнечного коллектора придется купить вакуумные трубки. Их продают компании, занимающиеся обслуживанием гелиосистем и непосредственно производители гелиоводонагревателей.

Для самостоятельного производства лучше выбирать колбы с перьевыми стержнями и тепловым каналом heat-pipe. Трубки легче монтировать и менять в случае необходимости.

Также нужно приобрести блок-концентратор для вакуумного солнечного коллектора. При выборе обращают внимание на производительность узла (определяется по количеству трубок, которые можно одновременно подключить к устройству). Раму изготавливают самостоятельно, собирая деревянный каркас. Экономия при изготовлении в домашних условиях, с учетом приобретения готовых вакуумных трубок, составит не менее 50%.

Для приготовления потребуется около 30 шт. ПЭТ бутылок. При сборке удобнее использовать тару одинакового размера на 1 или 1,5 л. На подготовительном этапе с бутылок снимают этикетки, поверхность тщательно промывают. Кроме пластиковой тары понадобится следующее:

  • 12 м шланга для полива растений, диаметром 20 мм;
  • 8 Т-образных переходников;
  • 2 колена;
  • рулон тефлоновой пленки;
  • 2 шаровых крана.

При изготовлении солнечных коллекторов из пластиковых бутылок внизу основания делают отверстие, равное диаметру горлышка, куда вставляют резиновый шланг, либо ПВХ трубу. Коллектор собирают в 5 рядов по 6 бутылок на каждой линии.

В ясный день уже через 15 мин. вода нагреется до температуры 45°С. Учитывая высокую производительность солнечный водонагреватель из пластиковых бутылок имеет смысл подключить к накопительной емкости в 200 л. Последнюю хорошо утепляют для предотвращения теплопотерь.

Алюминий отличается хорошими теплотехническими характеристиками. Не удивительно, что металл используют для изготовления радиаторов отопления.

Алюминиевые банки можно применять при изготовлении самодельных гелиосистем. Для производства не подойдут банки из жести и любого другого металла.

Для одной гелиопанели будут необходимы следующие комплектующие:

  • банки, около 15 шт. на линию, в корпус вмещается 10-15 рядов;
  • теплообменник — используется коллектор из резинового шланга, или пластиковых труб;
  • клей для склеивания банок между собой;
  • селективная краска.

Поверхность банок окрашивается в темный цвет. Короб накрывают толстым стеклом или поликарбонатом.

Солнечный коллектор из алюминиевых банок чаще изготавливают для воздушного отопления. При использовании водяного теплоносителя снижается теплоэффективность устройства.

Еще одно популярное решение, требующее минимальных затрат времени и средств. Солнечный коллектор делают из радиатора старого холодильника. Змеевик уже окрашен в черный цвет. Достаточно только уложить решетку в деревянный корпус с изоляцией и подключить его к ГВС, при помощи пайки.

Существует вариант изготовления из конденсатора кондиционера. Для этого несколько радиаторов соединяют в единую сеть. Если существует возможность приобрести дешево около 8 шт. конденсаторов, изготовление коллектора вполне возможно.

Медь отличается хорошими теплотехническими свойствами. При изготовлении медного солнечного коллектора используют:

  • трубы диаметром 1 1/4″, используемые при монтаже систем отопления и горячего водоснабжения;
  • трубы на 1/4″, используемые в системах кондиционирования;
  • газовая горелка;
  • припой и флюс.

Солнечный воздушный коллектор своими руками - подробное руководство

Корпус радиаторной решетки собирается из медных труб с большим диаметром. В поверхности просверливают отверстия равные 1/4″. В полученные пазы вставляют трубы соответствующего диаметра. Радиатор закрывают стеклом или поликарбонатом. Медь окрашивают селективной краской.

При производстве гелиосистем используют практически любой подручный материал. Существуют решения, позволяющие изготовить коллектор из гофрошланга, резинового шланга, используемого для полива растений.

Из металлопластиковой трубы гелиосистемы не делают из-за резиновых уплотнителей фитингов, не выдерживающих сильного нагрева. При интенсивном солнечном излучении нагрев в коллекторе достигает 300°С. При перегреве уплотнительные прокладки обязательно дадут течь.

Существует возможность изготовления солнечного коллектора из гофрированной нержавеющей трубы. Популярность решения обусловлена скоростью и простотой монтажа. Гофротруба из нержавейки укладывается кольцами или змейкой. Недостаток, относительная дороговизна нержавеющей гофрированной трубы.

Несмотря на существующие варианты, описанные выше, наиболее популярными остаются солнечные коллекторы из пропиленовых и ПНД труб. У каждого варианта есть свои преимущества:

  • Солнечный коллектор из ПНД трубы — для изготовления выбирают материал, устойчивый к нагреванию. Продается большое количество фитингов, облегчающих сборку теплоаккумулирующего радиатора. Трубы из полиэтилена низкого давления изначально имеют черный или темно-синий цвет, поэтому не требуют окрашивания.
  • Солнечный коллектор из ПВХ труб — популярность решения в простоте монтажа конструкции, осуществляемого с помощью пайки. Наличие большого количества уголков, тройников, американок и других фитингов облегчает процесс сборки. С помощью пайки можно создать теплообменник коллектора любой конфигурации.

Все описанные трубы с той или иной эффективностью используются в качестве сердечника при изготовлении самодельного гелиоколлектора из пластиковых бутылок и алюминиевых банок.

Высокоэффективный коллектор имеет высокую степень поглощения солнечной энергии. Лучи попадают на темную поверхность, после чего нагревают ее. Чем меньше излучения отталкивается от абсорбера солнечного коллектора, тем больше тепла остается в гелиосистеме.

Чтобы обеспечить достаточную аккумуляцию тепла требуется создать селективное покрытие. Вариантов производства несколько:

  • Самодельное селективное покрытие коллектора — используют любые черные краски, которые после высыхания оставляют матовую поверхность. Есть решения, когда в качестве абсорбера коллектора применяют непрозрачную темную клеенку. На трубы теплообменника, поверхность банок и бутылок наносят черную эмаль, с матовым эффектом.
  • Специальные абсорбирующие покрытия — можно пойти другим путем, приобретя для коллектора специальную селективную краску. В состав селективных ЛКМ входят полимерные пластификаторы и присадки, обеспечивающие хорошую адгезию, теплостойкость и высокую степень поглощения солнечных лучей.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.
ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ:  Бюджетный аккумуляторный ударный гайковерт.
Оцените статью
MALIVICE.RU