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.
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
Рис. 2 Схема устройства гелиоколлектора
Внимание! На поверхность Земли поступает мощный поток теплового излучения. Основная часть его отражается и не поглощается поверхностью
Отличие солнечных батарей от коллекторов
Прежде чем продолжить описание основных характеристик и сферы применения гелиосистем для нагрева воды, нужно разобраться, чем отличаются солнечные батареи от коллекторов.
1) Солнечная батарея — устройство, которое генерирует электричество из энергии Солнца при помощи высокочувствительных фотоэлементов, объединенных в единую автономную систему. Поскольку фотоэлектрические преобразователи производят постоянный ток, дополнительно используется инвертор, который позволяет получить переменный ток, пригодный для бытовых нужд: электроснабжения и освещения.
2) Солнечный коллектор — функциональная сплит-система, главной задачей которой является поглощение ближнего инфракрасного излучения и видимого солнечного света. Батареи генерируют ток, а коллекторы нагревают жидкость внутри трубок. В этом их главное отличие.
Теплоноситель для солнечных коллекторов подбирается с учетом времени года, а также особенностей эксплуатации. Для многофункциональных конструкций обычно используют антифриз (незамерзающая жидкость), а системы сезонного типа заполняют водой. Сегодня можно купить и более универсальный вариант — гибридный солнечный коллектор. Это устройство привлекательно тем, что одновременно производит электроэнергию и нагревает воду. Преимущества его использования очевидны: фотоэлектрические модули охлаждаются активной системой отвода тепла, благодаря чему генерируется вдвое больше электроэнергии, а излишки теплоресурсов расходуются на нагрев воды.
https://youtube.com/watch?v=9eCJvdirj5s
Изготовление прибора из водосточных труб
Такой прибор уж точно лучше сделать на всю стену. Осенью и весной он поможет вам существенно сэкономить на отоплении. Материалы подбирайте, учитывая габариты будущей конструкции.
Что потребуется в работе
- Доска толщиной 3,5–4 см.
- Хомуты для крепления.
- Минвата для утепления.
- Влагоустойчивая фанера толщиной не более 1 см (на заднюю стенку).
- Лист алюминия небольшой толщины.
- Алюминиевые водосточные трубы (желательно с прямоугольным сечением – так будет удобнее).
- Пенополистирол – с его помощью вы изолируете торцевые поверхности.
Технология изготовления
Для создания коллектора выполните следующие процедуры.
Первый этап. Сначала сделайте небольшой деревянный короб в виде открытого ящика. Его глубина должна быть чуть больше высоты водопроводных труб.
Сначала сделайте небольшой деревянный короб в виде открытого ящика
Второй этап. Надежно изолируйте заднюю и торцевые стенки. Поверх минеральной ваты уложите алюминиевый лист, к которому, в свою очередь, хомутами прикрепите трубы.
Обратите внимание! Для улучшения циркуляции воздуха с одной стороны короба трубы должны отступать приблизительно на 15 см от торца. По краям трубы фиксируйте деревянной перегородкой, где предварительно проделайте крепежные отверстия в соответствующих местах. По краям трубы фиксируйте деревянной перегородкой, где предварительно проделайте крепежные отверстия в соответствующих местах
По краям трубы фиксируйте деревянной перегородкой, где предварительно проделайте крепежные отверстия в соответствующих местах.
Третий этап. Ввиду того что входное и выходное отверстия будут находиться с одной стороны конструкции, проделайте на противоположной стороне несколько деревянных перегородок для того, чтобы разделять потоки воздуха.
Четвертый этап. После монтажа окрасьте коллектор в черный цвет. Для передней панели отлично подойдет сотовый поликарбонат.
Помните: воздушный коллектор в собранном виде весит достаточно много. поэтому для монтажа вам понадобится несколько помощников. При установке используйте прочные и устойчивые опоры.
Затем подключите коллектор к вентиляции здания посредством утепленных воздуховодов. Также позаботьтесь о канальном вентиляторе, который будет нагнетать воздух в помещение.
Как изготовить и собрать солнечный водонагреватель из поликарбоната своими руками
Для изготовления основных элементов коллектора необходимо приобрести:
- листы сотового поликарбоната толщиной до 8мм, чтобы в сотах помещалось до 80л воды на кв.метр;
- полипропиленовые трубы 32мм диаметром с резьбой на обоих концах и подходящие фитинговые уголки с резьбой;
- накопительный бак емкостью до 200 литров;
- водостойкий герметик;
- черную термостойкую краску в аэрозольной упаковке для окрашивания поликарбоната;
- утеплитель на основе минеральной ваты или пенополистирола с подходящим клеем для укладки;
- заглушки для труб;
- алюминиевый лист и уголки в качестве основы, можно заменить металл фанерой и деревянными уголками.
На первом этапе изготовления коллектора в полипропиленовых трубах выполняют продольные разрезы длиной, равной ширине устройства. В пазах располагают поликарбонатные заготовки солнечного водяного коллектора, предварительно обработав их срезы наждачной бумагой. Заделку мест стыка труб и поликарбоната выполняют с применением герметика, который наносят на поверхность специальным пистолетом
Важно, чтобы в составе герметика не было силикона – при постоянном контакте с водой он быстро разрушается. Верхняя панель из поликарбоната также крепится на герметик и после высыхания окрашивается черной краской для более интенсивного поглощения солнечной энергии
Корпус коллектора изготавливают из фанерного или алюминиевого листа, установленного на каркас из уголков. При этом следят, чтобы размеры верхней и нижней поверхности устройства полностью совпадали. Готовую панель фиксируют на корпусе, полипропиленовые трубы закрывают заглушками и припоем соединяют с металлическими уголками, через которые коллектор будет подключен к накопительному баку. На завершающем этапе сборки заднюю поверхность коллектора утепляют для уменьшения теплопотерь.
Воздушный солнечный коллектор, сделанный своими руками
Воздушные коллекторы любой конструкции использовать как основное отопление не удастся: слишком низкая эффективность. А все потому, что теплоемкость воздуха во много раз меньше, чем воды. Но в качестве дополнительного источника тепла для снижения расходов за отопление — это вполне возможно.
Этот воздушный коллектор занимает всю южную стену. Благо, выходит она на задний двор и ничем не затенена. Скажем сразу: получилось неплохо по эффективности. При дневной температуре +2oC на выходе воздух был +65oC.
Итак, очищаем, ровняем, на всю поверхность стены прикрепляем черную плотную пленку (от 100 до 200 мк). Для лучшего эффекта можно под пленку теплоизоляцию набить, так будет нагрев еще более значительным. Но без изоляции стена будет служить теплоаккумулятором, так что можно и так.
Как сделать воздушный коллектор для отопления (для увеличения размера кликните по фото)
Вверху справа и слева делаем два отверстия, через которые будет происходить обмен воздуха. По контуру каждого из них набиваем бруски. Бруски (20*40 мм) крепим и по периметру стены, и на расстоянии примерно 80 см снизу и сверху поперек стены. По опыту эксплуатации можно уже сказать, что лучше поперечные промежуточные бруски не делать сплошными, а оставлять зазоры в 15-20 см. Получится своеобразный лабиринт. К нижним и верхним брускам крепим заглушки для выбранного профиля профнастила.
Теперь на собранную раму устанавливаем гофрированные листы, окрашенные в черный цвет. Цвет может стать проблемой — нет у нас в продаже такого. Но выйти из положения можно, покрасив поверхность черной термостойкой краской.
Для крепления листов профнастила и одновременно, для устройства лабиринта нужно в местах стыка листов прибивать вертикальные планки. Только они не должны доходить до поперечных перекладин. Так будет воздух свободнее двигаться и эффективность его нагрева повысится.
Это уже почти финал
Закрепив листы профнастила, все стыки хорошо нужно загерметизировать. С боков заложить кусками пенополистирола, плотно забить щели чем-то, все это замазать герметиком. Тоже проделать внизу и вверху. С местами стыка листов все чуть проще: заполняем герметиком. Черный герметик, больше подходит по цвету, но это жаростойкий, дорогой. А те, что дешевле — красного цвета. Наверное, можно все залить силиконом, но в данном случае использован черный.
Теперь поверх профнастила набиваем каркас для стекла. Чем больше будет лист стекла, тем большую его толщину нужно брать. Это не очень хорошо с финансовой точки зрения. К тому же светопропускание у толстого стекла меньше. Потому решетку собираем под не очень большие фрагменты стекол. Слишком маленькие куски — это тоже нехорошо: много стыков. Много стыков — значит, через них может утекать тепло, и к тому же швы отнимают полезную площадь, через которую попадает в наш воздушный коллектор солнце. Чтобы бруски не портили картину, и также служили общему делу собирания тепла, их красим в черный цвет.
На готовую и высохшую решетку крепим стекла (можно использовать прозрачный пластик, но нужно смотреть чтобы он хорошо пропускал свет). Нормальная толщина стекла 3-5 мм. Все стыки заделываем силиконовым герметиком. Герметик распределить ровно не получилось, потому все заклеено еще и черным скотчем. Хотя, наверное, зря. Зато получилось красиво. Осталось только собрать воздуховод. Сложного тут ничего нет: приделываете гофро-рукав или собираете конструкцию из жести, к ней крепите вентилятор. В этом варианте был использован канальный, а крепить его пришлось при помощи кусков от старой велосипедной камеры. Вот и все, воздушный коллектор для отопления своими руками собран.
Какие бывают солнечные коллекторы?
Классификация видов солнечных коллекторов осуществляется по нескольким принципам. Первый из них — это производительность. Определяющим критерием служит температура, которая может достигаться пластинами, извлекающими энергии. 
По этому принципу различают солнечные коллекторы:
- Высоких температур — это преимущественно промышленные коллекторы, которые собрать в домашних условиях не удастся.
- Средних температур. Такие приборы способны нагревать воду до 80С. Благодаря этому они вполне пригодны для использования в контурах отопления.
- Низких температур — компактные устройства, с помощью которых можно нагреть небольшой объем воды до 50С.
В зависимости от формы и функциональных возможностей, различают следующие варианты конструкционных решений:
- Плоский солнечный коллектор. Такой прибор представляет собой плоский ящик, чаще всего из металла. Внутри его размещается черная пластина, которая и притягивает солнечный свет. Ящик закрывается стеклянной крышкой, которое усиливает эффективность подачи энергии на саму пластину. Невысокий КПД всего в 10% можно повысить за счет использования дополнительного слоя из аморфного полупроводника.
- Вакуумный трубчатый солнечный коллектор. Основной конструктивный элемент таких систем — это стеклянные трубки с высокоселективным покрытием. Они предназначены для улавливания солнечной энергии, а также служат непосредственным проводником тепла. При конструировании трубки распределяются по площади — одни находятся снаружи, другие внутри. Между ними вакуум, который обеспечивает длительное сохранение полученного тепла. Высокая герметичность прибора достигается за счет установки многослойного стекла.
По типу теплоносителя различают такие приборы:
- Жидкостный (водяной) солнечный коллектор. В этих системах циркулирует жидкость. В зависимости от сложности конструкции и предъявляемых требований к эффективности КПД, оформляться они могут с разомкнутыми и замкнутыми контурами теплообмена, с остеклением и без него.
- Воздушный солнечный коллектор. Этот тип отличается тем, что нагревается не вода, а сам воздух. Используются они в основном для сушки с/х продукции. Для повышения качества результата могут оснащаться вентиляторами для принудительной конвекции, из-за чего в обслуживании становятся более дорогими. Главное достоинство воздушных коллекторов в том, что они не замерзают зимой.
Солнечный коллектор — водяной или воздушный
Каждый из нагревателей эффективен, отличается только основное предназначение и принцип работы:
- Водяной коллектор — применяется для обеспечения потребностей в ГВС и низкотемпературных систем теплых полов. Эффективность работы в зимний период существенно снижается. Вакуумные и панельные коллекторы косвенного нагрева, подсоединенные к буферной емкости, продолжают аккумулировать тепло в течение всего года. Главный недостаток, высокая стоимость гелиоколлектора, монтажа и обвязки.
- Воздушный вентиляционный коллектор — отличается простой конструкцией и устройством, которое при желании можно изготовить самостоятельно. Основное предназначение: обогрев помещений. Конечно, существуют схемы, позволяющие использовать полученное тепло для ГВС, но при этом эффективность воздушных коллекторов падает практически вдвое. Преимущества: низкая стоимость комплекта и установки.
Солнечные воздушные системы отопления работают только днем. Нагрев воздуха начинается даже в пасмурную погоду, при сильной облачности и во время дождя. Работа воздухонагревателей зимой не прекращается.
Энергия солнца – альтернативный источник тепла
Идея использования солнечной энергии для отопления не нова. Более того, целесообразность ее применения доказана американцами, китайцами, испанцами, израильтянами и японцами.
Рынок изобилует предложениями различных установок по преобразованию энергии солнца и дальнейшего ее использования для хозяйственных нужд.
Гелиосистемы активно используют в качестве основного источника теплп во многих странах мира. В наших широтах оно пока применяется в качестве дополнения к системе отопления
Стоимость систем зависит от их типа, площади, материала, применяемого при изготовлении. Из года в год наблюдается устойчивая тенденция к снижению цен на все виды солнечных установок – гелиосистем.
Это делает их более доступными широким слоям населения. Вот только пока не каждый желающий готов совершить такую покупку.
Зато, при желании, можно соорудить эффективную систему солнечного отопления своими руками, потратив ощутимо меньше средств.
Привычная система отопления, отлично выполняющая свои функции многие годы, становиться все дороже. Виной этому – глобальное подорожание энергоресурсов во всем мире. Естественное желание, возникающее у хозяина – сэкономить на отоплении, съедающим значительную долю семейного бюджета.
Так солнечная система отопления может полноценно заменить привычную твердотопливную, газовую или любую другую. Все зависит от типа и размера помещения, в котором она будет использоваться.
Вариант, подходящий для зернохранилища не подойдет для жилого дома, а система, удовлетворяющая потребности дачи, никак не справится с отоплением 2-этажного особняка.
Полная замена традиционного отопления солнечным иногда проблематична. Владелец опасается, что система может не справиться или физически не хватает места для монтажа нужного количества панелей.
Поэтому, часто используют комбинированную систему отопления, не отказываясь полностью от установленного газового (электрического или другого) оборудования. Уровень замещения привычного отопления солнечным может достигать 90%.
Также, важное значение имеет годовое количество солнечных дней местности, в которой располагается жилище. Причем, среднесуточная температура не столь важна
Многие установки эффективно поглощают свет в зимние морозные дни (солнечные коллекторы, использующие в качестве теплоносителя антифриз).
Кроме отопления солнечная установка способна обеспечить жилище теплой водой и электроэнергией
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
4 Расходники для создания
Самым простым и недорогим материалом для изготовления солнечного коллектора среди профессионалов всегда считалась древесина. В строительных магазинах в специальных отделах представлены различные брусья, доски, плиты, панели и другие товары. Что касается металла, то он стоит значительно дороже, но его отличает высокая прочность.
На каждый расходник у продавца в обязательном порядке должен быть сертификат качества, в котором есть отдельный пункт, посвященный требованиям к постройкам и конструкциям на улице. Обычно на продукцию дается гарантия сроком на 30 лет. Для того чтобы материалы прослужили это время, нужно смотреть на характеристики и по возможности приобрести средства защиты.
Если хозяин планирует изготовить деревянный корпус, то его стоит обработать специальными пропитками и антисептиками. Они помогут защитить древесину от насекомых, плесени и случайно проскочивших искр.
Главным принципом, которому нужно следовать при составлении проекта и практической части, считается доступность материалов в соотношении стоимости и финансовых возможностей владельцев. То есть, имеются ли они в свободном доступе или коллектор можно собрать из подручных средств.
Есть множество оптимальных для сборки, к примеру, ПВХ или же ПП труба с угловыми фитингами. Известны модели, изготовленные из пустых пивных банок. Для предотвращения утрат тепла на дно короба стелется изоляция. Как правило, это пенопластовые плиты или минеральная вата. Сегодня строительная индустрия выпускает довольно большое количество изолирующих материалов на любой вкус.
Если для изоляции применяется пенопластовая или пенополистирольная плита, то трубам и магистралям необходимо обеспечить канавки. Абсорбер помещается на защиту сверху и надежно крепится к днищу корпуса методом в зависимости от расходника.
Теплоприемник солнечного коллектора
Приемник тепла — абсорбирующая составляющая конструкции. Это целая система труб, где нагревается теплоноситель, и элементов, произведенных в большинстве из листов меди. Наилучшим материалом для создания теплоприемника являются трубы из меди. Мастера-самоучки придумали другой альтернативный вариант — спиральный теплообменник из полипропиленового шланга.
Любопытно и такое решение — абсорбер гелиосистемы из гибкой полимерной трубы. Чтобы соединить все детали между собой, требуется использовать фитинги нужных размеров.
Для солнечного коллектора в доме и гараже можно найти много полезных деталей от старой бытовой техники. В этот перечень входят теплообменник из ненужного холодильника, водопроводные трубы с основой из полиэтилена, старые батареи. Необходимым аспектом для производительности является теплопроводность.
Для сборки коллектора своими руками наилучшим вариантом считается медь. Она обладает теплопроводностью, которая равняется 394 Вт/м². У алюминия данный параметр может меняться – 202-236 Вт/м².
Трубы из меди давно зарекомендовали себя как наилучший материал для теплоприемника. Но это не означает, что другие отстают от них по всем параметрам.
Любую трубу, независимо от расходника, в обязательном порядке следует герметизировать. Они прокладываются в параллельном направлении, или же хозяева могут использовать принцип змеевика. Кстати, это самый надежный метод, потому что понижает риск возникновения дыр и гарантирует более равномерное перемещение воздуха.
