Высокоэффективный солнечный коллектор своими руками

Эффективность работы

Солнечные коллекторы, или гелиосистемы, способны работать круглый год без перерыва.

Даже в условиях облачности до поверхности земли доходит больше половины излучения. Кроме того, их эксплуатация абсолютно безопасна для человека и окружающей среды. Любой гелио комплект прост в обслуживании, выглядит эстетично, облагораживает внешний облик частного дома. К плюсам устройств также можно отнести:

• автономность горячего водоснабжения зимой, летом, при перебоях и ремонтных работах;
• срок службы до 30 лет, окупаемость с выгодой от трат на отопление через 3-5 лет;
• отсутствие тарификации, ежемесячный расчет независим от повышения цен на электричество;
• возможность одновременного использования для обогрева бассейнов, теплиц, хозяйственных помещений;
• легкая интеграция в существующий комплект отопления;
• отсутствие грязи, отходов;
• снижение суммарной нагрузки на электро- и теплосеть дома;
• оптимизация под собственные нужды.

Отрицательные моменты использования солнечных коллекторов не столь многочисленны:

• высокая стоимость первичной покупки и установки. В зависимости от производителя, масштабности и комплектации вся гелиосистема может обойтись до 10 тысяч долларов. Даже модели попроще обходятся в крупную сумму, которую необходимо заплатить единовременно;
• на эффективность работы коллекторов могут влиять не только климатические условия, но и особенности ландшафта, форма крыши, типичная длина светового дня и прочие факторы. От подобных показателей зависит период окупаемости.

Пассивная циркуляция внутри солнечного коллектора обусловит меньшую производную эффективность. При принудительном управлении вода и энергия расходуются более продуктивно. Второй вариант требует усложненного обслуживания, но больше подходит для условия средней полосы проживания. Для южных регионов введение в обиход гелиосистемы нередко сокращает расчет за электроэнергию вдвое.

КПД солнечного коллектора достигает 95%. Края с суровым климатом проявляют показатель пониже, но также оправдывают использование. Чтобы произвести расчет годовой эффективности коллектора, требуется перемножить величину инсоляции в регионе за год (существуют специальные таблицы), площадь поглощения системы и его КПД. Расчет дневной выгоды проводится таким же образом, но с учетом соответственного (дневного) показателя инсоляции.

Рассказ о коллекторе зимой

Плюсы и минусы

Как у любого технического устройства, так и у солнечного коллектора, есть свои плюсы и минусы, как по возможности использования и эксплуатации, так и по иным параметрам и показателям. В зависимости от конструкции устройства, плюсы и минусы, разнятся, поэтому необходимо их рассмотреть в отдельности друг от друга.

Плоские солнечные коллекторы.

1. При использовании в южных регионах с теплым климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
2. При осадках в виде снега, имеют способность к самоочищению;
3. Обладают высоким КПД, при использовании в летний период;
4. Относительно низкая стоимость, в сравнении с аналогами другой конструкции.

1. Значительные тепловые потери, вызванные конструктивными особенностями устройства;
2. Низкий КПД при работе в осенне-весенний период;
3. Сложность транспортировки и монтажа готовых изделий;
4. Высокая парусность конструкции, создает опасность повреждения ее элементов, в процессе эксплуатации;
5. Сложность и трудозатратность выполнения ремонтных работ.

Вакуумные солнечные коллекторы.

1. При использовании в регионах с холодным и умеренным климатом, наилучшие показатели в соотношении цена – производительность;
2. Незначительные тепловые потери, в процессе эксплуатации, в сравнении с аналогами другой конструкции;
3. Способность работать при низких и отрицательных температурах окружающего воздуха;
4. Способность работать при низкой солнечной активности в утренние и вечерние часы, а также при отсутствии прямых солнечных лучей (пасмурная погода);
5. Легкий и удобный монтаж, транспортабельность конструкций;
6. Надежность в процессе эксплуатации.

1. Относительно высокая стоимость;
2. Жесткие требования к монтажу, определяющие расположение коллектора в пространстве по отношению к поверхности земли.

Солнечный коллектор: виды и подвиды теплоносителей

В зависимости от того, какую температуру могут достигать пластины коллектора, их можно разделить на следующие виды:

• Коллектор низкой температуры;
• Коллектор средней температуры;
• Коллектор высокой температуры.

Солнечный коллектор низкой температуры не сможет дать энергию с большой мощностью. Он сможет нагреть воду не теплее 500 С.

Коллекторы средней температуры могут прогреть воду уже до 850-900 С. Такие солнечные коллекторы для отопления дома и помещений подходят наиболее оптимально.

А коллекторы высокой температуры пользуются большим спросом в индустриальных предприятиях и крупных заводах, поэтому своими силами их сделать просто не представляется возможным.

Вид солнечного коллектора

Все интегрированные солнечные энергоносители подразделяются на:

• Плоские солнечные коллекторы;
• Воздушные коллекторы;
• Жидкостные энергоносители;
• Накопительные интегрированные солнечные коллекторы.

Термосифонный солнечный теплоноситель

Накопительные интегрированные солнечные коллекторы по-другому называют термосифонными коллекторами. Его основное предназначение заключается не только в подогреве воды, но и для поддержания нужной температуры определённое время. Эти коллекторы не имеют насосов, поэтому они гораздо дешевле остальных разновидностей.

Термосифонный солнечный коллектор изготавливается в виде конструкции с одним баком, который заполнен водой и помещён в теплоизоляционный короб. Поверх бака находится стеклянная покрышка, через стекло которой проходит солнечная радиация и нагревает воду.

Единственным недостатком солнечного коллектора является то, что в зимнюю пору пользоваться в полную силу им вряд ли удастся.

Плоский теплоноситель

Схема нагрева воды в бойлере с помощью солнечного коллектора

Плоский солнечный коллектор внешне схож с обычным плоским металлическим ящиком, внутри которого находится чёрная пластинка, через которую проходит солнечная энергия.

Стеклянная покрышка ящика накапливает солнечную радиацию. Так как стекло обладает низким содержанием железа, вся скопившаяся энергия переходит на пластинку.

Ящик плоского коллектора теплоизолирован, а чёрная пластинка – термовоспринимающая, поэтому из такой конструкции и выделяется тепло. А так как КПД пластинки не больше 10-15%, её дополнительно покрывают аморфным полупроводником.

Плоские энергоносители предназначены для нагрева воды в саунах, бассейнах, а также для отопления жилых комнат и других бытовых нужд.

Жидкий солнечный коллектор

Жидкий солнечный коллектор может быть как остеклённым, так и неостеклённым. А также с замкнутой системой теплообмена или с разомкнутой. Но их всех объединяет принцип работы теплоносителя, в основе которого заложена жидкость.

Воздушный теплоноситель

Схема сушки зерна с помощью солнечного коллектора

Воздушный солнечный коллектор отдалённо напоминает работу жидкого коллектора. Но на его установку и приобретение уходит гораздо меньше денежных средств. Кроме того, воздушные теплоносители не замерзают при отрицательной температуре воздуха и не подтекают.

Воздушные солнечные коллекторы хороши при сушке сельскохозяйственной продукции.

Концентрат

Помимо всех вышеперечисленных видов и подвидом солнечных коллекторов выделяют также концентраторы. Главной отличительной чертой концентратов от коллекторов является концентрация солнечной радиации. Это представляется возможным за счёт зеркальной поверхности конструкции, благодаря которой солнечные лучи направляются на поглотители.

Наиболее существенным минусом такого типа коллектора является невозможность нормального функционирования в непогожие дни.

То есть концентраты подходят только для работы в странах, где постоянно поддерживается жаркий климат.

Солнечная печь и дистиллятор

И последней разновидностью солнечных коллекторов можно считать печи, работающие за счёт солнечной радиации и дистилляторы. Принцип работы дистилляторов заключается в испарении воды. Таким образом, они не только обеспечивают теплоэнергией, но и производят очистку воды. По такому же алгоритму работают и солнечные печи.

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:

1. Изготовить короб
2. Изготовить радиатор или теплообменник
3. Изготовить аванкамеру и накопитель
4. 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:

1. Необходимо подготовить 15 тонкостенных металлических трубок длиной 160 см и две дюймовые трубы длиной 70 см
2. 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
3. Следующий этап – все трубки нужно собрать в единую конструкцию и надежно сварить
4. Теплообменник монтируется на лист оцинковки (ранее прикрепленный к коробу) и фиксируется при помощи стальных хомутов (можно сделать металлические зажимы)
5. Днище короба рекомендуют покрасить в темный цвет (например, черный) – он будет лучше поглощать солнечное тепло, но чтобы снизить тепловые потери, внешние элементы красятся белым
6. Завершить монтаж коллектора необходимо установкой покровного стекла около стенок, при этом не забыв о надежной герметизации стыков
7. 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:

1. 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
2. Коллектор размещается на крыше дома. Исходя из практики, рекомендуется делать это на южной стороне, наклонив установку под углом 35-40 градусов к горизонту
3. Но нужно учитывать, что между накопителем и теплообменником расстояние не должно превышать 0.5-0.7 м, иначе потери будут слишком существенны
4. 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:

1. Установка заполняется водой посредством нижнего дренажного отверстия
2. Подсоединяется аванкамера и регулируются уровни жидкости
3. Необходимо пройтись вдоль системы и проверить, чтобы не было утечек
4. Все готово к повседневной эксплуатации

Устройство и виды

Условно данные системы можно классифицировать на два вида:

• жидкостные (о которых мы говорим в данном материале);
• воздушные солнечные коллекторы, в которых используется не жидкость, а нагретый воздух.

Также они разделяются по КПД, ведь обеспечивают различную теплоотдачу. Это зависит от материалов, используемых для изготовления батареи, ее площади. Оптимальным местом расположения абсорбера является крыша:

• попадает максимальное количество солнечного света,
• имеет большую площадь,
• установленная на крыше батарея не занимает полезное пространство, никому не мешает.

Воздушный солнечный коллектор

Конструкция солнечного коллектора может быть нескольких видов, основные:

• вакуумный отопительный коллектор, имеющий самую сложную конструкцию. Вакуумные солнечные коллекторы отлично подходят для обогрева помещений, нагрева воды в любое время года, они полностью обеспечат небольшой дом, коттедж;
• плоский солнечный коллектор может быть жидкостным и вакуумным. Это наиболее распространенный тип поскольку достаточно прост в монтаже, при этом эффективен, может обеспечивать дом необходимым количеством тепла для обогрева помещений, водой для хозяйственных нужд;
• термосифонный — в качестве абсорбера используются стеклянные или металлические трубки;
• трубчатый — самый простой тип, изготовить который можно для дачи, достаточно примитивный, не подходит для использования в зимнее время.

Нас интересует конструкция, которая обеспечивает наличие горячей воды и отопления в доме в любое время года, остановимся на двух оптимальных вариантах, рассмотрим устройство вакуумного солнечного коллектора и плоского.

Плоский коллектор

Это наиболее распространенный вид коллектора, который можно изготовить самостоятельно. Хорошо подходит для использования в теплое время года для подогрева воды, зимой коэффициент полезного действия снижается.

Особенность конструкции состоит в следующем:

• корпус имеет плоскую прямоугольную или квадратную форму, выполнен из металла или другого материала, имеющего высокий показатель теплопроводности, покрыт черной краской;
• внутри располагают пластину, в которой уложен змеевик из медной трубки небольшого сечения;
• по трубкам циркулирует теплоноситель: вода, пропилен-гликоль, антифриз, другие подходящие жидкости;
• также внутри корпуса укладывают теплоизоляционный материал, который минимизирует потери тепла;
• собирая коллектор такого типа, нужно запастись листом поликарбоната или стекла, который будет служить крышкой и выполнять две функции: препятствовать проникновению мусора, осадков, усиливать подогрев.

Составная часть плоского солнечного коллектора

Вакуумный коллектор

Для водяного отопления можно использовать солнечные коллекторы вакуумного типа. Благодаря конструкционным особенностям они являются более мощными: способны вырабатывать тепловую энергию, которой хватит на подогрев воды и отопление помещений.

• минимизировать потери позволяют трубки, которые помещаются в колбах с выкачанным воздухом;
• сверху трубки покрыты абсорбционным материалом, поглощающим световую энергию, внутри — наполнены антифризом (хладагентом);
• концы трубок соединены с трубой, по которой проходит теплоноситель;
• при нагреве антифриз закипает, преобразуется в пар, который, в свою очередь, поднимается вверх и нагревает теплоноситель;
• у данной конструкции есть недостаток: если хоть одна трубка выйдет из строя, ремонт становится довольно проблематичным, так как они соединены последовательно. Придется производить замену всех «внутренностей».

Воздушная солнечная система из вакуумных трубок

Такой воздушный солнечный коллектор для отопления будет более эффективен и пригоден для того, чтобы поддерживать температуру в системе в любой сезон. Хотя в холодное время КПД работающего коллектора может незначительно снижаться из-за короткого светового дня и малой световой активности.

Совет по уходу! Обратите внимание на внутреннюю поверхность накопительного бака для воды, она со временем покрывается накипью, нужна очистка. Периодичность зависит от качества воды в местности

Как и из чего сделать воздушный коллектор

Как сделать расчёты коллектора

• каждый м² от площади коллектора даст 1,5 кВт/час тепловой энергии, при условии, что будет солнечная погода;
• для полноценного обогрева помещения требуется 1 кВт тепловой энергии на 10 м².

Материалы для изготовления коллектора

• Внешний блок — собирается из фанеры, ДСП и деревянных брусков. По внешнему виду напоминает обыкновенный коробок.
• Дно — изготавливают из профнастила. Лист металла обрабатывают специальной черной краской с высоким коэффициентом светопоглащения. Абсорбирующую поверхность можно сделать из разрезанных алюминиевых банок. Дно обшивают изоляционным материалом, чтобы избежать тепловых потерь.
• Ребра радиатора — используются для лучшей абсорбции тепла. При изготовлении используют тонкие листы алюминия, меди. Можно установить уже готовый радиатор из старого холодильника.
• Крышка коллектора — делается из сотового поликарбоната, отличающегося хорошей светопропускной способностью и одновременно удерживающая тепло внутри коллектора. Чтобы сэкономить, в качестве покрытия можно использовать обычное стекло. Теплоэффективность при этом будет нижем чем у коллекторов, закрытых поликарбонатом.
• Теплоизоляция корпуса — по периметру каркас обшивают пенополистиролом.

Как работает зимой

В системах отопления, как правило, используются вакуумные коллекторы, это определяется их техническими характеристиками и условиями эксплуатации.

Основной элемент вакуумного солнечного коллектора – это вакуумная трубка, которая состоит из:

• Изоляционной трубки, выполненной из стекла или иного материала, пропускающего солнечные лучи с минимальными потерями их мощности;
• Медной, тепловой трубки, помещенной во внутреннее пространство изоляционной трубки;
• Алюминиевой фольги и поглощающего слоя, расположенных между трубками;
• Крышкой изоляционной трубки, являющейся уплотнительной прокладкой, обеспечивающей вакуум во внутреннем пространстве устройства.

Работа системы осуществляется следующим образом:

1. Под воздействием солнечной энергии, теплоноситель контура трубки, испаряется и поднимается вверх, где в теплообменнике коллектора конденсируется, передает свое тепло теплоносителю наружного контура, после чего стекает вниз, и процесс повторяется.
2. Теплоноситель наружного контура, из теплообменника солнечного коллектора, подается на бак-аккумулятор, где происходит передача полученной тепловой энергии теплоносителю системы отопления и горячего водоснабжения.
3. Циркуляция теплоносителя наружного контура осуществляется путем установки циркуляционного насоса и систем автоматики, обеспечивающей работу системы в автоматическом режиме.
4. В комплекс системы автоматики входит контроллер, датчики и элементы управления, обеспечивающие установленные параметры работы системы (температура, расход жидкости в системе ГВС и т. д.)

Для того, чтобы данная система была эффективна и справлялась с выполнением поставленных задач, в том числе и в зимний период, системой предусматривается установка дублирующих источников энергии. Это может быть дополнительная система нагрева, с использованием теплоносителя, как на приведенной схеме, когда теплоноситель дополнительного контура нагревается путем использования различных видов топлива (газ, биотопливо, электричество). Также, с подобную задачу можно выполнить путем установки электрических ТЭНов, непосредственно в бак-аккумулятор. Работу дублирующих источников энергии контролирует система автоматики, включая в работу данные устройства, по мере необходимости.

Принцип работы

На сегодняшний момент разработаны различные виды гелиоколлекторов.

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

Принцип работы солнечного коллектора

Если кратко описать принцип работы коллектора – он необходим для захвата солнечной тепловой энергии. В дальнейшем она концентрируется и используется человеком.

Коллекторная система состоит из следующих составляющих:

• Тепловой аккумулятор (обычная емкость под жидкость)
• Теплообменный контур
• Непосредственно коллектор

Жидкий или газообразный теплоноситель циркулирует по коллектору. Полученная энергия нагревает его и, посредством смонтированного бака-аккумулятора, передает тепло воде.

Нагретая жидкость хранится в баке до того, покуда она не будет использована. Сфера ее применения очень широка – от обычных хозяйственных нужд до отопления дома. Чтобы вода быстро не остывала, необходимо качественно тепло изолировать емкость.

Циркуляцию воды в коллекторе делают одним из двух способов: естественным или принудительным способом. В баке-аккумуляторе может монтироваться дополнительный элемент, нагревающий жидкость, который будет включаться при достижении низких температур окружающей среды и поддерживать температуру воды, например, зимой, когда солнцестояние непродолжительное.

Что такое солнечный коллектор

По своей сути, это климатическое оборудование, которое используется для производства горячей воды с ее последующим использованием в водопроводе и отопительной системе. Принцип функционирования такой системы заключается в изменении плотности воды во время ее нагревания, за счет чего происходит выталкивание горячей жидкости наверх.

Главное отличие таких систем заключается в том, что используются для нагрева природные ресурсы, в частности, солнечная энергия, которая абсолютно бесплатна. А правильно сконструированный солнечный коллектор позволяет извлекать эту энергию даже в морозный день или при пасмурной погоде. Поэтому применение такого устройства возможно не только летом, но даже осенью и зимой.

Устройство солнечного коллектора

Конструкция полной системы солнечного коллектора обязательно включает несколько основных элементов — это:

• прибор для извлечения солнечной энергии;
• емкость для накапливания горячей воды;
• теплообменник;
• теплоизоляционная конструкция, которая снижает скорость остывания теплоносителя.

Изготовление или покупка готового решения

Самодельные устройства, предназначенные для отопления и нагрева воды, обладают низким КПД. Поэтому такие конструкции рекомендовано использовать для обогрева теплицы, цветочной оранжереи, небольшого частного помещения. Воздушный, плоский или вакуумный аппарат может значительно повысить уровень комфорта на даче или в загородном доме. Аппараты снижают затраты на электроэнергию, потребляемую обычными источниками питания. Благодаря введению новых технологий, применение гелиосистем набирает все большие обороты. Но для холодных регионов страны следует приобретать фабричные конструкции.

Готовые солнечные батареи обладают наиболее высокой эффективностью по сравнению с самодельными аппаратами.