Как сделать солнечный коллектор для отопления своими руками: пошаговое руководство. Делаем простой солнечный коллектор своими руками, пошаговая инструкция Из чего можно сделать солнечный коллектор

Но принцип водонагрева идентичен – все устройства работают по одной разработанной схеме . В хорошую погоду лучи солнца начинают нагревать теплоноситель. Он проходит по тонким изящным трубочкам, попадая в бак с жидкостью. Теплоноситель и трубочки размещаются по всей внутренней поверхности бака. Благодаря такому принципу происходит нагревание жидкости, находящейся в аппарате. Позже нагретую воду разрешено применять на бытовые нужды. Таким образом, можно отапливать помещение, использовать нагретую жидкость для душевых кабин как горячее водоснабжение.

Температуру воды можно контролировать разработанными датчиками. Если произошло слишком сильное охлаждение жидкости, ниже заданного уровня, то автоматически включится специальный резервный подогрев. Солнечный коллектор можно подключить к электрическому или газовому котлу.

Представлена схема работы, подходящая для всех солнечных водонагревателей. Такое устройство отлично подойдет для отопления небольшого частного дома. На сегодняшний момент разработано несколько устройств: плоские, вакуумные и воздушные приспособления. Принцип действия таких устройств очень схож. Происходит нагрев теплоносителя от солнечных лучей с дальнейшей отдачей энергии. Но в работе наблюдается очень много различий.

Видео о различных видах альтернативных источниках отопления

Плоский коллектор

Нагревание теплоносителя в таком устройстве происходит благодаря пластинчатому абсорберу. Он представляет собой плоскую пластину теплоемкого металла. Верхняя поверхность пластины в темный оттенок специально разработанной краской. К нижней части устройства приварена змеевидная трубка.

Сегодня вакуумные солнечные коллекторы можно встретить преимущественно в отоплении и горячем водоснабжении. Такие приборы по принципу работы напоминают обычные панельные конструкции – у тех и других изолированный корпус, сверху накрытый стеклом.

Основным отличием можно считать способ преобразования солнечной энергии – этот процесс происходит в стеклянных трубах с созданным внутри вакуумом. Собственно, именно поэтому такую конструкцию называют вакуумной. В каждой трубке имеется тепловой канал, выполненный в виде медного патрубка, наполненного теплоносителем. Для соединения трубок используются отдельные стыковочные элементы.

Именно эти особенности конструкции и предопределяют основные преимущества вакуумных коллекторов. Да, такие системы очень сложные, за ними нужен особый уход, а ввиду высокой стоимости многим такие коллекторы попросту не по карману. Но высокая производительнос ть с лихвой окупает все эти недостатки – панельные коллекторы, как известно, способны работать лишь в летнее время, а вакуумные используются даже зимой.

Основное достоинство таких систем – практически полное отсутствие теплопотерь , ведь что может быть лучшим изолятором, чем вакуум?

К другим преимуществам можно отнести следующее:

• простоту ремонта – каждый поврежденный узел можно с легкостью заменить;
• эффективность работы даже при минус 30°С;
• надежность – гелиосистема продолжит свою работу даже после того, как одна из трубок выйдет из строя;
• способность генерировать температуру более 300°С;
• возможность работы даже в облачную погоду и полное поглощение солнечной энергии , в том числе невидимых спектров;
• незначительную парусность коллектора.

Конструкцию гелиосистемы можно устанавливать под углом, не превышающим 20°. Более того, ее поверхность следует периодически очищать от грязи и снега.

В конструкции коллекторов используются два типа стеклянных трубок:

• коаксиальные;
• перьевые.

Ознакомимся подробнее с каждым из них.

Трубка коаксиальная

Это своего рода термос, который состоит из двойной колбы. Наружная колба покрывается специальным веществом, поглощающим тепло. Между двумя трубками создается вакуум. Это позволило добиться того, что тепло при работе передается непосредственно от стеклянных колб.

Обратите внимание! В вакуумных коллекторах используется специальное стекло, изготовленное из боросиликатов. Такой материал пропускает большее количество солнечной энергии.

Внутри каждой трубки находится еще одна – медная (ее заполняют эфирной жидкостью). При повышении температуры эта жидкость испаряется, передает накопленное тепло и стекает обратно в виде конденсата. Далее цикл повторяется снова и снова.

Трубка перьевая

Такого рода трубки состоят из одностенной колбы. К слову, по толщине стенок они существенно превышают коаксиальные аналоги. Медная трубка усиливается специальной гофрированной пластиной, обработанной влагопоглощающим веществом. Выходит, что воздух в данном случае выкачивается из всего теплового канала.

Такие каналы, к слову, тоже бывают разными:

• прямоточными;
• «Хит пайп».

Каналы типа «Хит пайп»

Другое их название – тепловые трубы. Они работают следующим образом: эфирная жидкость в закрытых трубах при повышении температуры поднимается вверх по каналу, после чего конденсируется там в специально оборудованном теплосборнике. В последнем жидкость передает тепловую энергию и опускается вниз по трубке. Из теплосборника тепло передается дальше в систему при помощи циркулирующего теплоносителя.

Коаксиальная вакуумная трубка heat-pipe с 2-трубным manifold’ом

Характерно, что металлические трубки здесь могут быть не только медными, но и алюминиевыми .

Прямоточные каналы

В каждом из таких каналов в стеклянной трубке находятся сразу два металлических патрубка. По одному из них жидкость попадает в колбу, нагревается там и выходит по второму.

Сооружаем вакуумный солнечный коллектор своими руками

В принципе, вакуумную гелиостанцию можно сделать и своими руками, но это крайне сложная и ответственная работа, ведь вам нужно не только создать вакуум в каждой из трубок, но и грамотно впаять абсорбер. Для всего этого требуется и специализированн ое оборудование, и соответствующие знания. Более того, во время монтажа следует соблюдать целый ряд условий.

1. Выбор правильного места установки (обязательно с юга), устранение всего, что может создавать тень.
2. Обеспечение движения теплоносителя исключительно снизу вверх.
3. Предотвращение перегрева коллектора – это выведет из строя всю систему.

Словом, вакуумная гелиостанция – это крайне сложная система , которую лучше приобретать уже в готовом виде. Действительно, можно ли создать самодельную модель такого устройства, если заводов, выпускающих такого рода продукцию, в мире не более двух десятков? Именно по этой причине в нашем случае можно говорить лишь о самостоятельной сборке конструкции из заводских колб.

Но и тут есть проблема. Для правильной установки нужно иметь слесарские навыки, чтобы не нарушить герметичность труб. Поэтому намного проще купить готовое, пусть и дорогое изделие, чем собрать самому и каждый раз, включая его, опасаться поломок.

Как собрать воздушный коллектор

Если же вы решились провести сборку гелиосистемы своими руками, для начала позаботьтесь обо всех необходимых инструментах.

Что потребуется в работе

1. Отвертка.

2. Разводной, трубный и торцевой ключи.

Технология сборки

Для сборки желательно обзавестись хотя бы одним помощником. Сам процесс можно разбить на несколько этапов.

Первый этап . Сначала соберите раму, желательно сразу в том месте, где она будет установлена. Оптимальный вариант – крыша, туда можно по отдельности передать все детали конструкции. Сама процедура монтажа рамы зависит от конкретной модели и прописывается в инструкции.

Второй этап. Прочно закрепите раму на крыше. Если крыша шиферная, то используйте брус обрешетки и толстые шурупы, если бетонная – то обычные анкера.

Обычно рамы рассчитаны на монтаж на ровные поверхности (максимум – под 20-градусным наклоном). Герметизируйте места крепления рамы к поверхности крыши, иначе они будут протекать.

Третий этап. Пожалуй, самый сложный, ведь вам предстоит поднять на крышу тяжелый и габаритный накопительный бак. Если нет возможности использовать спецтехнику, укутайте бак в плотную ткань (во избежание возможных повреждений) и поднимите его на тросе. Затем прикрепите бак к раме с помощью шурупов.

Четвертый этап . Далее вам предстоит смонтировать вспомогательные узлы. Сюда можно отнести:

• ТЭН;
• температурный датчик;
• автоматизированн ый воздуховод.

Каждую из деталей установите на специальную смягчающую прокладку (такие тоже идут в комплекте).

Обратите внимание! Температурный датчик закрепляется с помощью торцевого ключа!

Пятый этап . Подведите водопровод. Для этого можете использовать трубы из любого материала, главное, чтобы он выдерживал температуру в 95°С тепла. Кроме того, трубы должны быть устойчивыми к низким температурам. С этой точки зрения больше всего подходит полипропилен.

Шестой этап . После подключения водопровода заполните накопительный бак водой и проверьте на герметичность. Посмотрите, не протекает ли трубопровод – оставьте на несколько часов наполненный бак, после чего внимательно все осмотрите и, в случае необходимости, устраните неисправность.

Седьмой этап . Убедившись, что герметичность всех соединений в норме, приступите к установке нагревательных элементов. Для этого оберните медную трубку листом алюминия и поместите в стеклянную вакуумную трубку. На нижнюю часть стеклянной колбы наденьте чашку-фиксатор и резиновый пыльник. Медный наконечник на другом конце трубки вставьте до упора в латунный конденсатор.

Обратите внимание! На стеклянных трубках вы заметите вязкое вещество. Не удаляйте его ни в коем случае – это термоконтактная смазка.

Осталось лишь защелкнуть чашку-фиксатор на кронштейне. Аналогичным образом установите остальные трубки.

Восьмой этап . Установите на конструкции монтажный блок и подведите к нему питание в 220 вольт. Затем подсоедините к этому блоку три вспомогательных узла (их вы установили на четвертом этапе работы). Несмотря на то, что монтажный блок влагозащищен, постарайтесь накрыть его козырьком или какой-либо другой защитой от атмосферных осадков. Затем подсоедините к блоку контроллер – он позволит мониторить и регулировать работу системы. Установите контроллер в любом удобном месте.

На этом монтаж вакуумного коллектора закончен. Внесите все необходимые параметры в контроллер и запустите систему.

И последний (но не по значимости) важный совет: не забывайте о регулярном обслуживании установки – это не только повысит эффективность ее работы, но и продлит срок эксплуатации .

Видео – Вакуумный солнечный коллектор

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/(м 2 ·К 4) – постоянная Стефана-Больцмана;

F – площадь поверхности тепловосприятия, м 2 ;

С 2 – степень черноты поверхности тепловосприятия;

Т 1 – температура теплового излучателя, для поверхности Солнца принято считать, что она составляет Т 1 = 6000 К;

Т 2 – температура теплоприемника – это поверхность нагреваемая солнечным излучением, (T 2 = t 2 + 273), K;

где t 2 – 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/м 2 . 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.

Отопление частного дома можно организовать различными способами. Чаще всего это подключение к центральной системе теплоснабжения или установка индивидуальных отопительных приборов, которые нагревают теплоноситель путем сжигания газа, жидкого или твердого топлива. Реже владельцы небольших коттеджей для обогрева используют электрические котлы и различные типы тепловентиляторов, направляя воздушный поток в жилое помещение.

Сегодня существуют альтернативные методы отопления, например, устройства, которые превращают солнечное излучение в тепловую энергию. Солнечные коллекторы для отопления дома достаточно эффективны, полностью экологичны и не требуют особого ухода.

Почему использовать солнечное отопление выгодно

Система отопления от солнечных коллекторов имеет несколько очень значимых достоинств:

• солнечное тепло бесплатно и им можно пользоваться во всех уголках планеты, несмотря на климатические условия;
• использование энергии солнца предполагает затраты исключительно на приобретение установки, все остальное время солнечный коллектор работает полностью автономно;
• конструкция системы автономного отопления с солнечным коллектором достаточно проста, поэтому ее можно даже сделать своими руками.

Важно понимать, что самодельный коллектор и аккумулятор тепловой энергии будет иметь достаточно низкий КПД по сравнению с промышленными образцами, но все равно позволит значительно сэкономить средства на горячем водоснабжении дома.

Самый простой расчет показывает, что коллектора площадью 3 м2 достаточно не только для создания источника горячей воды в небольшом частном доме, но и для его отопления в период межсезонья. Это ощутимо снижает затраты на использование энергоресурсов, а следовательно, и ваш семейный бюджет.

Устройство гелиоустановки

Солнечные коллекторы для отопления и создания горячего водоснабжения дома состоят из следующих компонентов:

• устройство для нагрева воды или другого теплоносителя;
• аккумулятор тепловой энергии;
• контур для перемещения тепловой энергии теплоносителем.

Солнечный коллектор для обустройства отопления представляет собой систему трубок с теплоносителем, в качестве которого выступает воздух, вода, пропилен-гликоль или любая другая незамерзающая жидкость. В качестве аккумулятора тепловой энергии выступает емкость со змеевиком, по которому циркулирует поступивший из коллектора теплоноситель. Тепловой контур служит для объединения устройства нагрева воды, воздуха или антифриза с аккумулятором тепла.

Солнечная энергия попадает в коллектор, где нагревает теплоноситель, который циркулирует в гелиоустановке. После нагрева он попадает в аккумулятор тепла, где происходит теплообмен между змеевиком и водой. Нагретая вода из аккумулятора поступает в систему отопления или горячего водоснабжения дома.

Циркуляция воды в гелиосистеме происходит самотеком или при помощи циркуляционного насоса (в зависимости от назначения системы и способа установки бака-аккумулятора по отношению к коллектору).

Естественное движение воды или воздуха по контуру обусловлено принципом конвекции, когда после нагрева жидкость стремится вверх от коллектора к аккумулятору тепла.

Если брать в расчет, что гелиосистема будет использоваться только для горячего водоснабжения, то кроме солнечного коллектора и аккумулятора тепла больше ничего не нужно. Если систему планируется использовать для отопления дома, то для прокачки теплоносителя через радиаторы может потребоваться насос.

Типы поглотителей тепла

Современная промышленность освоила производство нескольких типов нагревательных теплообменников для солнечных отопительных систем:

• воздушный;
• плоский;
• вакуумный.

Все они работают по одному принципу, но имеют некоторые конструктивные особенности и разницу в КПД. Для правильного выбора того или иного типа гелиоустановки необходимо знание их особенностей и грамотный расчет. Рассмотрим каждый тип солнечного коллектора более подробно.

Плоский нагревательный теплообменник

Такой тип солнечного коллектора для отопления состоит из плоского, теплоизолированного с трех сторон короба, заполненного адсорбирующим тепло веществом. Внутри этого вещества находится теплообменник из тонкостенных металлических труб, по которому циркулирует вода или пропилен-гликоль.

Конструкция плоского поглотителя солнечной энергии и расчет необходимых его параметров достаточно просты, поэтому именно этот вид «нагревателя», используют для изготовления отопительной гелиосистемы своими руками.

Вакуумный поглотитель тепла состоит из стеклянных труб, внутри которых находятся трубки меньшего диаметра с адсорбентом, аккумулирующим солнечное тепло. Внутри трубок с адсорбентом проложены металлические трубочки, по которым движется теплоноситель.

Между стеклянной трубкой большого диаметра и трубкой с аккумулирующим тепло веществом создан вакуум, который препятствует утечке тепла из адсорбента в атмосферу.

КПД такой установки самый высокий среди всех типов солнечных коллекторов. Исходя из мощности устройства производят расчет его необходимой площади для нагрева теплоносителя.

Воздушный коллектор для обогрева дома

В таком устройстве в качестве теплоносителя используется воздух, циркуляция которого осуществляется как естественным способом, так и при помощи вентилятора. Как правило, воздушный коллектор используют исключительно для обогрева в период межсезонья небольших дачных построек, так как такая конструкция имеет достаточно низкий КПД. Кроме того, для нагрева воды и создания горячего водоснабжения дома эта установка не подходит, поэтому используется нашими соотечественниками крайне редко.

Несмотря на низкую эффективность воздушный поглотитель имеет два достоинства: простую конструкцию и отсутствие теплоносителя (воды), а вместе с ней и коррозии, течей, проблем с замерзанием и пр.

Создание солнечного коллектора своими руками

Для создания плоского поглотителя солнечного тепла потребуется достаточно сложный расчет необходимой площади теплообменника, объема емкости и длины контура. Самостоятельный расчет требует соответствующих знаний, опыта и исходных данных. Для упрощения задачи вам будет представлено три основных типоразмера гелиосистемы:

• объем аккумуляторного бака в 100-150 л длина трубы теплообменника 7 м, площадь коллектора 2 м2;
• объем аккумуляторного бака в 150-300 л длина трубы теплообменника 9 м, площадь коллектора 3 м2;
• объем аккумуляторного бака в 200-400 л длина трубы теплообменника 12 м, площадь коллектора 4 м2.

Инструкция по самостоятельной сборке.

Короб

Сделать его можно из фанерного или пластикового листа и деревянных реек, закрепленных по его периметру в качестве бортов.

Для его изготовления необходимо сварить решетку или согнуть из металлических труб, которые и будут использоваться для нагрева теплоносителя. Готовое изделие закрепить скобами на второй лист пластика или фанеры и окрасить черной матовой краской.

Приклеить утеплитель по всей площади короба.

Сборка

Установить теплообменник в подготовленный короб. Сверху поглотителя установить стекло, предварительно промазав места его соприкосновения с коробом герметиком на основе силикона. Самодельный поглотитель солнечного тепла готов.

Изготовление аккумулятора тепла

Из медной трубы следует сделать змеевик, после чего поместить его в подготовленную емкость, предварительно проделав отверстия для входа и выхода теплоносителя. Вывести через уплотнения из аккумулятора концы теплообменника.

Утепление

Необходимо тщательно утеплить бак-аккумулятор минеральной ватой.

Для сохранности утеплительного слоя закрыть его листом оцинкованного металла, создав своеобразный «чехол».

Монтаж

Следует изготовить опорную конструкцию под аккумулятор тепла и установить рядом с ним готовый солнечный коллектор. После чего все устройства соединить тепловым контуром.

Запуск системы

Для нагрева воды и подачи ее в здание следует заполнить систему антифризом, а аккумулятор тепла водой. Через 20-30 минут вода в баке начнет нагреваться, после чего ее можно использовать для отопления помещения или других нужд.

Уровень развития современных технологий и материалов настолько высок, что не использовать энергию солнца - это неразумно с финансовой стороны и преступно по отношению к окружающей среде. К сожалению, приобретение промышленных установок для получения электроэнергии и тепла иррационально ввиду их высокой стоимости. Тем не менее выход есть: сделать производительный гелиоколлектор собственноручно из материалов, которые можно найти в ближайшем строительном магазине.

Назначение гелиоколлектора, его достоинства и недостатки

Солнечный водонагреватель (жидкостной гелиоколлектор) - это устройство, которое с помощью энергии Солнца нагревает теплоноситель. Он применяется для отопления помещений, организации горячего водоснабжения, подогрева воды в бассейнах и т. д.

Солнечный коллектор обеспечит дом горячей водой и теплом

Предпосылками для использования экологичного водонагревателя является тот факт, что солнечное излучение падает на Землю круглый год, хоть и отличается интенсивностью зимой и летом. Так, для средних широт суточное количество энергии в холодное время года достигает 1–3 кВт*ч на 1 кв.м, тогда как в период с марта по октябрь эта величина варьируется от 4 до 8 кВт*ч/м 2 . Если же говорить о южных регионах, то цифры можно смело увеличивать на 20–40%.

Как видно, эффективность работы установки зависит от региона, но даже на севере нашей страны гелиоколлектор обеспечит потребность в горячей воде - главное, чтобы на небе было поменьше туч. Если же говорить о средней полосе и южных областях, то работающая от Солнца установка сможет заменить бойлер и перекрыть потребности теплоносителя отопительной системы в зимнее время. Разумеется, речь идёт о производительных водонагревателях в несколько десятков квадратных метров.

Экономить средства из семейного бюджета поможет солнечная батарея. Изготовить её самостоятельно поможет следующий материал:

Таблица: распределение солнечной энергии по регионам

Гелиоколлекторы, построенные в домашних условиях, не идут ни в какое сравнение с устройствами заводского изготовления, но и самодельная солнечная установка сократит расходы на подогрев воды в бытовых целях и сэкономит электричество при подключении к стиральной и посудомоечной машине.

Достоинства солнечных водонагревателей:

• относительно простая конструкция;
• высокая надёжность;
• эффективная эксплуатация независимо от времени года;
• длительный срок службы;
• возможность экономии газа и электроэнергии;
• не требуется разрешение на установку оборудования;
• небольшая масса;
• простота монтажа;
• полная автономность.

Что касается отрицательных моментов, то без них не обходится ни одна установка для получения альтернативной энергии. В нашем случае к минусам относятся:

• высокая стоимость заводского оборудования;
• зависимость КПД гелиоколлектора от времени года и географической широты;
• подверженность градобитию;
• дополнительные затраты на установку теплоаккумулирующей ёмкости;
• зависимость энергетической эффективности прибора от облачности.

Рассматривая плюсы и минусы солнечных водонагревателей, не стоит забывать и об экологической стороне вопроса - подобные установки безопасны для человека и не наносят вреда нашей планете.

Заводской гелиоколлектор напоминает конструктор, с помощью которого можно быстро собрать установку требуемой производительности

Виды солнечных водонагревателей: выбор конструкции для самостоятельного изготовления

В зависимости от температуры, которую развивают гелионагреватели, различают:

• низкотемпературные устройства - рассчитанные на подогрев жидкости до 50 °C;
• среднетемпературные гелиоколлекторы - повышают температуру воды на выходе до 80 °C;
• высокотемпературные установки - нагревают теплоноситель до температуры кипения.

В домашних условиях можно построить солнечный водонагреватель первого или второго типа. Для изготовления коллектора высоких температур понадобится промышленное оборудование, новые технологии и дорогостоящие материалы.

По конструкции все жидкостные гелиоколлекторы разделяются на три вида:

• плоские водонагреватели;
• вакуумные термосифонные устройства;
• гелиоконцентраторы.

Плоский солнечный коллектор представляет собой невысокий теплоизолированный короб. Внутри установлена светопоглощающая пластина и трубчатый контур. Поглощающая панель (абсорбер) имеет повышенную теплопроводность. За счёт этого удаётся достичь максимальной передачи энергии теплоносителю, циркулирующему по контуру водонагревателя. Простота и эффективность плоских установок нашла отражение в многочисленных конструкциях, разработанных народными умельцами.

Внутри плоского гелиоколлектора - светопоглощающая пластина и трубчатый контур

Принцип действия вакуумных солнечных водонагревателей основан на эффекте термоса. В основе конструкции лежат десятки двойных стеклянных колб. Внешняя трубка изготавливается из ударопрочного, закалённого стекла, которое противостоит граду и ветру. Внутренняя трубка имеет специальное напыление для увеличения светопоглощающей способности. Из пространства между элементами колбы откачан воздух, что позволяет избежать тепловых потерь. В центре конструкции проходит медный тепловой контур, заполненный легкокипящим теплоносителем (фреоном) – он и является нагревателем вакуумного гелиоколлектора. В процессе технологическая жидкость испаряется и передаёт тепловую энергию рабочей жидкости главного контура. В этом качестве чаще используется антифриз. Такая конструкция обеспечивает работоспособность системы при температурах до -50 °C. В домашних условиях построить подобную установку сложно, поэтому самодельных конструкций вакуумного типа насчитываются единицы.

В основе конструкции вакуумного гелиоколлектора - множество двойных стеклянных колб

Гелиоконцентратор в основе имеет сферическое зеркало, способное фокусировать солнечное излучение в точку. Нагрев жидкости происходит в спиральном металлическом контуре, который размещают в фокусе установки. Достоинством гелиоконцентраторов является способность развивать высокую температуру, но необходимость в системе слежения за Солнцем снижает их популярность у самодельщиков.

Построить производительный гелиоконцентратор в домашних условиях - задача непростая

Для изготовления в домашних условиях лучше всего подходят плоские солнечные нагреватели, построенные с использованием теплоизоляционных материалов, стекла с высокой пропускающей способностью и медных абсорберов.

Устройство и принцип действия плоского гелиоколлектора

Самодельный солнечный водонагреватель состоит из плоской деревянной рамы (короба) с глухой задней стенкой. На дне размещается главный элемент устройства - абсорбер. Чаще всего он изготавливается из металлического листа, присоединённого к трубчатому коллектору. От контакта пластины абсорбера с трубами теплообменника зависит эффективность передачи энергии, поэтому эти детали приваривают или припаивают непрерывным швом.

Сам жидкостной контур представляет собой массив из вертикально установленных трубок. В верхней и нижней части они присоединяются к горизонтальным трубам увеличенного диаметра, которые предназначаются для подачи и отбора теплоносителя. Входное и выходное отверстие для жидкости располагают диагонально - за счёт этого обеспечивается полный отъём тепла от элементов теплообменника. В качестве теплоносителя используется антифриз для систем отопления или другие незамерзающие растворы.

Абсорбер покрывается светопоглощающей краской, сверху кладут стекло, а короб защищают слоем теплоизоляции. Для упрощения задачи площадь остекления делят на части, а чтобы увеличить производительность, применяют стеклопакеты. Закрытая конструкция создаёт в гелиоколлекторе эффект термоса и одновременно предотвращает потери тепла из-за ветра, дождя и других внешних факторов.

Солнечный водонагреватель работает так:

1. Нагретая в гелиоколлекторе незамерзающая жидкость поднимается по трубкам и через ветку отбора теплоносителя попадает в теплоаккумулирующую ёмкость.
2. Перемещаясь по теплообменнику, установленному внутри бака-аккумулятора, антифриз отдаёт тепло воде.
3. Охлаждённая рабочая жидкость поступает в нижнюю часть контура солнечного водонагревателя.
4. Нагретая в баке вода поднимается и отбирается для нужд горячего водоснабжения. Пополнение жидкости в теплоаккумулирующей ёмкости происходит за счёт водопровода, подключённого к нижней части. Если же гелиоколлектор работает как нагреватель системы отопления, то для кругообращения воды в замкнутом вторичном контуре применяют циркуляционный насос.

Постоянное движение теплоносителя и наличие теплового аккумулятора позволяет накопить энергию за то время, пока светит солнце, и постепенно расходовать её даже тогда, когда светило скрывается за горизонтом.

Схема подключения солнечного коллектора к накопительной ёмкости не так сложна

Варианты самодельных солнечных установок

Особенностью солнечных водонагревателей, построенных своими руками, является то, что практически все устройства имеют одинаковую конструкцию теплоизолированного короба. Часто каркас собирается из пиломатериалов и покрывается минеральной ватой и теплоотражающей плёнкой. Что же касается абсорбера, то для его производства используют металлические и пластиковые трубы, а также готовые узлы от ненужного бытового оборудования.

Из садового шланга

Сложенный улиткой садовый шланг или водопроводная ПВХ-труба имеет большую площадь поверхности, что позволяет использовать подобный контур в качестве водонагревателя для нужд летнего душа, кухни или подогрева бассейна. Разумеется, для этих целей лучше брать материалы чёрного цвета и обязательно использовать накопительную ёмкость, иначе в пик летней жары абсорбер будет перегреваться.

Плоский коллектор из садового шланга - простейший способ подогревать воду в бассейне

Из конденсатора старого холодильника

Внешний теплообменник отслужившего свой срок холодильника или морозильной камеры является готовым абсорбером гелиоколлектора. Всё, что остаётся сделать - дооборудовать его теплопоглощающим листом и установить в корпус. Конечно, производительность такой системы будет маленькой, но в тёплое время года водонагреватель из деталей холодильного оборудования перекроет потребности в горячей воде небольшого загородного дома или дачи.

Теплообменник старого холодильника представляет собой практически готовый абсорбер для небольшого гелионагревателя

Из плоского радиатора системы отопления

Изготовление гелиоколлектора из стального радиатора не потребует даже монтажа абсорбирующей пластины. Достаточно покрыть устройство чёрной жаростойкой краской и смонтировать его в герметичный кожух. Производительности одной установки с лихвой хватит для системы горячего водоснабжения. Если же сделать несколько водонагревателей, то можно сэкономить на отоплении дома в холодную солнечную погоду. К слову, собранная из радиаторов гелиоустановка обогреет подсобные помещения, гараж или теплицу.

Стальной радиатор системы отопления послужит основой для постройки экологичного водонагревателя

Из полипропиленовых или полиэтиленовых труб

Трубы из металлопластика, полиэтилена и полипропилена, а также фитинги и приспособления для их монтажа позволяют строить контуры гелиосистем любой площади и конфигурации. Такие установки обладают хорошей производительностью и используются для обогрева помещений и получения горячей воды на хозяйственные нужды (кухня, ванная и т. д.).

Достоинство гелиоколлектора из пластиковых труб - невысокая стоимость и простота монтажа

Из медных трубок

Абсорберы, построенные из медных пластин и трубок, обладают самой высокой теплоотдачей, поэтому с успехом применяются для подогрева теплоносителя отопительных систем и в горячем водоснабжении. К недостаткам коллекторов из меди относятся большие трудозатраты и стоимость материалов.

Применение медных труб и пластин для изготовления абсорбера гарантирует высокую производительность гелиоустановки

Методика расчёта гелиоколлектора

Расчёт производительности солнечного гелиоколлектора ведут исходя из того, что на 1 кв.м установки в ясный день приходится от 800 до 1 тыс. Вт тепловой энергии. Потери этого тепла на обратной стороне и стенках сооружения рассчитываются по коэффициенту теплоизоляции используемого утеплителя. Если применять пенополистирол, то для него коэффициент теплопотерь равняется 0,05 Вт/м × °C. При толщине материала в 10 см и разности температур внутри и снаружи конструкции 50 °C потери тепловой энергии составляют 0,05/0,1 × 50 = 25 Вт. С учётом боковых стенок и труб эту величину удваивают. Таким образом, суммарное количество уходящей энергии составит 50 Вт с 1 кв.м поверхности солнечного нагревателя.

Для нагрева 1 л воды на один градус потребуется 1,16 Вт тепловой энергии, поэтому для нашей модели гелиоколлектора площадью 1 кв.м и температурного перепада 50 °C удастся получить условный коэффициент производительности 800/1,16 = 689,65/кг × °C. Эта величина показывает, что установка площадью 1 кв.м в течение часа подогреет 20 литров воды на 35 °C.

Расчёт необходимой производительности солнечного водонагревателя ведут по формуле W = Q × V × δT, где Q - теплоёмкость воды (1,16 Вт/кг × °C); V - объём, л; δT - разность температур на входе и выходе из установки.

Статистика говорит, что для одного взрослого человека требуется 50 л горячей воды в сутки. В среднем, для горячего водоснабжения достаточно поднять температуру воды на 40 °C, что при расчёте по этой формуле требует затрат энергии W = 1,16 × 50 × 40 = 2,3 кВт. Чтобы узнать площадь гелиоколлектора, это значение нужно разделить на количество солнечной энергии, приходящееся на 1 кв.м поверхности на данной географической широте.

Расчёт требуемых параметров гелиоустановки

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.

   

   Контур гелиоколлектора работает под давлением, поэтому особое внимание уделяют герметичности соединений

   Для сборки радиатора можно использовать специальные фитинги, но в таком случае значительно увеличится стоимость гелиосистемы. Кроме того, разборные соединения не гарантируют герметичность конструкции при переменных термодинамических нагрузках.

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.

   

   Компрессор присоединяют при помощи штуцера

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.
   

   Если подходящую ёмкость для проверки коллектора найти не удалось, то можно собрать её своими руками. Для этого из подручных средств (обрезки пиломатериалов, кирпич и т. д.) делают короб или простейшее заграждение и застилают его полиэтиленовой плёнкой.

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.

   

   Пайка полотна абсорбера выполняется сплошным швом

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).

   

   Чернение меди - один из наиболее ответственных этапов изготовления абсорбера

   В качестве жидкости для химического чернения можно использовать раствор едкого натра (60 г) и персульфата калия или надсернокислого аммония (16 г) в воде (1 л). Помните о том, что эти вещества представляют опасность для человека, а сам процесс окисления меди связан с выделением вредных газов. Поэтому обязательно применение защитных средств - респиратора, очков и резиновых перчаток, а сами работы лучше проводить на открытом воздухе или в хорошо вентилируемом помещении.

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.

    

    Отверстия необходимы 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.

    

    При сборке корпуса обязательно используют строительный угольник, иначе конструкция может получиться кособокой

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

    

    Лучше использовать минеральную вату с влагоотталкивающей пропиткой

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

    

    Схема внутреннего «пирога» гелиоколлектора

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.

    

    Для герметичности используют обычный оконный уплотнитель

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.

    

    В собранном виде тощина гелиоколлектора составляет около 17 см

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.

Особенности установки и эксплуатации жидкостных нагревательных коллекторов

Для размещения гелиоколлектора выбирают просторное место, которое не затеняется весь световой день. Монтажный кронштейн или подрамник изготавливают из деревянных реек или металла с таким расчётом, чтобы наклон водонагревателя регулировался в пределах от 45 до 60 градусов от вертикальной оси.

Схема подключения гелионагревателя в системе с принудительным движением теплоносителя

Накопительный бак для уменьшения тепловых потерь размещают как можно ближе к установке. В зависимости от условий организуют естественную или принудительную циркуляцию теплоносителя. В последнем случае используют контроллер с термодатчиком, врезанным в выходной патрубок. Прокачка рабочей жидкости по контуру будет включаться, когда её температура достигнет запрограммированного значения.

Сезонно-работающую систему заправляют водой, тогда как круглогодичное использование солнечного водонагревателя требует применения незамерзающей жидкости. Идеальный вариант -специальный антифриз для гелиосистем, но для экономии используют и жидкости, предназначенные для автомобильных радиаторов или бытовых отопительных систем.

Видео: солнечный водонагреватель своими руками

Постройка гелиоколлектора - не только интересное и захватывающее занятие. Солнечный водонагреватель будет экономить ваш семейный бюджет и станет доказательством того, что защищать окружающую среду можно не только на словах, но и реальными делами.

Благодаря разносторонним увлечениям пишу на разные темы, но самые любимые - техника, технологии и строительство. Возможно потому, что знаю множество нюансов в этих областях не только теоретически, вследствие учебы в техническом университете и аспирантуре, но и с практической стороны, так как стараюсь все делать своими руками.