Как изготовить солнечный коллектор своими руками

Насколько целесообразно использовать альтернативные источники тепловой энергии для организации отопления? В настоящее время получили широкое распространение два типа теплоснабжения – геотермальная и гелиосистема. Последняя наиболее популярна. Как сделать солнечное отопление дома своими руками: коллекторы, батареи и схемы монтажа?

Что представляет собой солнечный коллектор из поликарбоната

Внешне устройство имеет вид плоского ящика с относительно большой площадью поверхности. Верхняя часть изготовлена из прозрачного материала, пропускающего солнечный свет к расположенным ниже поглотителям, или адсорберам солнечной энергии. Внутри адсорберы заполнены очищенной водой или антифризом, что обладает высокой теплоемкостью. Теплоизоляция внутренней поверхности коллектора обеспечивает сохранность тепла и его максимально эффективное использование.

Прозрачный материал на поверхности устройства – это ячеистые или монолитные полимеры, но чаще – сотовый поликарбонат. Выбор в его пользу продиктован соображениями экономической выгоды и безопасности. В отличие от хрупкого стекла, поликарбонат способен прослужить длительное время и обладает более низкой теплопроводностью, сохраняя тепло внутри коллектора.

Водонагреватель располагается частично на солнце, частично – в емкости с водой. Циркуляция нагретой на солнце жидкости внутри адсорбера обеспечивает быстрое нагревание воды в баке.

В зависимости от типа конструкции различают два вида устройств – воздушные, или вакуумные, и панельные. Относительно дорогостоящий первый вариант – вакуумная модель коллектора – демонстрирует высокую рабочую производительность и может применяться в любое время года независимо от погодных условий. Панельные конструкции проще и дешевле, но их использование возможно только в теплое время года при солнечной погоде.

Конструкция и принцип работы

Отопление дома с помощью преобразования солнечной энергии в электрическую используется, как правило, в качестве дополнительного источника тепла, а не основного. С другой стороны, если установить конструкцию большой мощности, а все приборы в доме переоборудовать под электричество, тогда можно обойтись только солнечным коллектором.

Но стоит помнить, что отопление с помощью солнечных коллекторов без дополнительных источников тепла возможно только в южных регионах. При этом панелей должно быть достаточно много. Их необходимо располагать таким образом, чтобы на них не падала тень (например, от деревьев). Размещать панели следует лицевой стороной в направлении, максимально освещаемом солнцем на протяжении всего дня.

Хоть сегодня существует много разновидностей таких устройств, принцип работы у всех одинаковый. Любая схема забирает солнечную энергию и передаёт её потребителю, представляя собой контур с последовательным расположением приборов. Комплектующими, производящими электроэнергию, являются солнечные батареи или коллекторы.

Коллектор состоит из трубок, которые последовательно соединены со входным и выходным отверстием. Также они могут располагаться в виде змеевика. Внутри трубок находится техническая вода или смесь воды и антифриза. Иногда они наполняются просто воздушным потоком. Циркуляция осуществляется благодаря физическим явлениям, таким как испарение, изменение агрегатного состояния, давление и плотность.

Абсорберы выполняют функцию сбора энергии солнца. Они имеют вид сплошной металлической пластины чёрного цвета либо конструкции из множества пластин, соединённых между собой трубками.

Конструкция и принцип работы

Для изготовления крышки корпуса используют материалы с высокой пропускной способностью света. Зачастую это либо оргстекло, либо закалённые виды обычного стекла. Иногда используются полимерные материалы, но изготовление коллекторов из пластика не рекомендуется. Связано это с его большим расширением от нагревания солнцем. В результате может произойти разгерметизация корпуса.

Если система будет эксплуатироваться только осенью и весной, то в качестве теплоносителя можно использовать воду. Но в зимнее время её необходимо заменить на смесь антифриза и воды. В классических конструкциях роль теплоносителя играет воздух, который движется по каналам. Их можно сделать из обычного профлиста.

Если коллектор необходимо устанавливать для обогрева небольшого здания, которое не подключено к автономной системе отопления частного дома или централизованным сетям, то подойдёт простая система с одним контуром и нагревательным элементом в её начале. Схема простая, но целесообразность её установки оспаривается, так как работать она будет только солнечным летом. Однако для её функционирования не потребуются циркуляционные насосы и дополнительные нагреватели.

При двух контурах всё гораздо сложнее, но количество дней, когда станет активно вырабатываться электроэнергия, увеличивается в несколько раз. При этом коллектор будет обрабатывать только один контур. Большая часть нагрузки возлагается на одно устройство, которое работает на электроэнергии или другом виде топлива.

Читайте также:  Газовая печь для обжига керамики своими руками

Хоть производительность устройства напрямую зависит от количества солнечных дней в году, а цена на него завышена, оно всё равно пользуется большой популярностью среди населения. Не менее распространённым является производство солнечных теплообменников своими руками.

Виды коллекторов

Всего есть несколько разновидностей солнечных коллекторов. Несмотря на то, что они все используют солнечную энергию в процессе своей работы, эти устройства будут отличаться друг от друга как техническими свойствами, так и внешним видом.

Разновидности коллекторов следующие:

  • Открытые;
  • Вакуумные.

По сути, открытые солнечные коллекторы – специальная поверхность, сделанная из специальной резины или термостойкого пластика, который характеризуется высоким коэффициентом поглощения лучей солнца, а также устойчивостью по отношению к ультрафиолетовому излучению. У этих систем теплопоглощающий слой не покрыт стеклом.

Данные системы используются только в открытых гелиосистемах для того, чтобы подогревать воду в бассейнах. Открытый коллектор обладает целым рядом положительных характеристик:

Виды коллекторов
  • Можно добиться довольно высокого показателя КПД;
  • Весит вся система не слишком много;
  • Устроена она достаточно просто;
  • Стоит дешево;
  • Устанавливать легко.

Несмотря на то, что преимуществ достаточно много, без недостатков тоже обойтись не удалось:

  • Коэффициент полезного действия сильно зависит от разности температуры;
  • Такая система весьма чувствительна к воздействию отрицательных температур;
  • Используется только для обогрева бассейнов;
  • Срок службы не слишком высокий;
  • Зависит от воздействия ветров и облачности.

Особенности солнечного коллектора, изготовленного своими руками

В нашей стране подобные устройства могут использоваться только в южных регионах. Для подогрева бассейна зачастую устанавливают дополнительно газовый котел, который выручает в зимние месяцы. Использование открытых солнечных коллекторов позволяет экономить расход газа примерно на 75-80%.

Вакуумный коллектор значительно более эффективен по сравнению с открытыми устройствами. Особенностью конструкции является то, что в ней в роли теплоизолятора выступает слой вакуум, который находится между наружным покрытием, сделанным из стекла, и теплопоглощающими элементами.

За счет использования вакуума тепловые потери сильно снижаются, а коэффициент полезного действия перестает напрямую зависеть от разности температур. С точки зрения устройства коллекторы бывают трубчатыми, каждая из которых является герметичной и плоской. Вакуум здесь нагнетается благодаря специальным насосам.

Подобные устройства обладают зеркальным эффектом, при котором теплоотдача находится в зависимости от того, насколько высоко оно стоит над горизонтом. Благодаря этому, тепловая мощность коллектора находится в довольно стабильном режиме.

Положительными характеристиками вакуумного коллектора являются следующие:

Виды коллекторов
  1. Высокий коэффициент полезного действия на протяжении всего времени работы;
  2. Наивысший КПД в зимние месяцы.

Вакуумные коллекторы имеют и некоторые недостатки, из-за чего они пока что не получили достаточно широкого распространения:

  • Он стоит значительно дороже по сравнению с открытым;
  • Конструкция весит намного больше, а также занимает больше места, если сравнивать этот коллектор с другими разновидностями;
  • Эффективность работы в условиях средней полосы в зимние периоды не слишком высокая. Это получается в результате выпадения снега, образования инея;
  • Надежность оставляет желать лучшего, так как вся система подвержена воздействию твердых осадков, типа града;
  • С течением времени вакуум из некоторых трубок начинает уходить.

Накопительный водонагреватель

Отличительная особенность – наличие накопительной емкости, где вода прогревается теплообменником, который может быть заполнен антифризом, так как это вещество не замерзает при минусовой температуре.

Вещество постоянно циркулирует по гелиосистеме. Наружный контур сооружен довольно протяженным, чтобы жидкость успевала прогреться, проходя через него. Нагретое вещество поступает во второй контур, расположенный внутри накопительного бака, отдает тепло воде, затем, охлажденное, возвращается обратно. При помощи такой циркуляции постоянно прогревается вода для отопления, системы горячего водоснабжения.

Накопительный водонагреватель

Объем резервуара варьируется в зависимости от нужд, требований. Также внутри бака может располагаться дополнительный электроТЭН, либо второй прогревающий контур (от электро-, газоснабжения). Предназначен для вспомогательного подключения в случаях, когда солнечного света недостаточно для отопления дома, прогрева воды до нужной температуры.

Как работает солнечный коллектор?

Прежде чем говорить о том, как сделать солнечный коллектор для отопления дома своими руками, нужно объяснить принцип его функционирования.

Как работает солнечный коллектор?

Принцип работы солнечного коллектора В любом солнечном коллекторе есть два рабочих узла – улавливатель солнечного излучения и теплообменный аккумулятор. Последний занимается преобразованием энергии излучения в тепловую. Эта энергия передаётся теплоносителю, роль которого в большинстве случаев выполняет вода.

Читайте также:  Как выбрать электрокотел для отопления дома

По конструкции солнечные коллекторы делят на трубные, плоские и вакуумные. Самая большая эффективность у вакуумных, которые имеют конструкцию типа термоса. Трубы вставлены одна в другую. Пространство между ними заполняет вакуум, что обеспечивает отличную теплоизоляцию. В роли теплоносителя выступает вода. Эта вода может направляться как на отопление дома, так и использоваться для технических нужд. Напрямую в качестве горячей воды для мытья она не используется. Она идёт в бойлер, где нагревает воду, циркулирующую в другом контуре.

Солнечный коллектор не потребляет топлива и не даёт выбросов в окружающую среду углекислого газа. При этом эффективность подобных коллекторов доходит до 80 процентов. Если говорить о России, то на её большей территории выработка солнечной энергии с начала весны и до середины осени составляет около пяти киловатт на квадратный метр. Такое количество солнечной энергии даёт возможность подогревать около ста литров воды в коллекторе площадью 2 на 2 метра.

Как работает солнечный коллектор?

Вакуумный солнечный коллектор Если вы собираетесь подогревать воду в коллекторе круглый год, придётся использовать солнечный коллектор большей площади. И лучше всего, если он будет вакуумный. Тогда можно будет получать подогретую воду круглый год, снимая нагрузку с основного котла и уменьшая потребление энергоресурсов.

Устройство плоского коллектора

Когда люди организуют солнечное отопление частного дома своими руками, то их чаще всего интересуют именно плоские коллекторы для нагрева воды. В таких устройствах теплоприёмник (металлическая пластина с медным змеевиком) находится в корпусе. Последний может быть как металлическим, так и выполненным из дерева. Теплоприёмник некоторые выполняют не в виде металлической пластины, а из жестяного профиля. Вместо медного змеевика используются чёрные трубы или ПВХ. Конечно, такие системы менее эффективны, но в домашних условиях годятся.

Теплоприёмник окрашивается в чёрный цвет, а между ним и задней стенкой коллектора прокладывается теплоизоляция. Сверху корпус коллектора накрывается поликарбонатом или прочным стеклом.

Как работает солнечный коллектор?

Плоский солнечный коллектор Приёмник преобразует солнечную энергию в тепловую и передаёт воде (или антифризу). Стекло или поликарбонат нужны обязательно, поскольку выступают защитой для теплообменника от внешней атмосферы. В то же время стекло должно беспрепятственно пропускать солнечный свет, а значит, нуждается в периодической чистке от грязи и пыли. Кроме того, нужно надёжно герметизировать все швы между стеклом и корпусом. От этого зависит эффективность работы солнечного коллектора. Иначе через щели будет улетучиваться тепло. С целью сохранения тепла выполняется теплоизоляция задней стенки корпуса. Так, что плоские коллекторы привлекают тех, кто делает отопление дома своими руками, своей несложной конструкцией и привлекательным соотношением цены и качества. Однако такой коллектор подойдёт для использования в регионах с высокой инсоляцией круглый год. Или в летний период в средней полосе России. Зимой эффективность такого устройства сильно падает из-за больших потерь тепла через элементы корпуса. Есть примеры, когда люди изготавливают солнечный воздушный коллектор своими руками для отопления дома, но такие устройства мы рассматривать не будем по причине их низкой эффективности.

Как это работает

Коллектор собирает энергию с помощью светонакопителя или, другим словами, солнцеприемной панели, которая пропускает свет к аккумулирующей металлической пластине, где солнечная энергия преобразуется в тепловую. Пластина передает тепло теплоносителю, которым может быть как жидкость, так и воздух. Вода отправляется по трубам к потребителю. С помощью такого коллектора можно отопить жилище, нагреть воду для различных домашних целей или бассейна.

Воздушные коллекторы используются, в основном для отопления помещения или подогрева воздуха внутри него. Экономия при использовании таких устройств очевидна. Во-первых, не нужно использовать какое-либо топливо, а во-вторых, снижается потребление электроэнергии.

Как это работает

Для того чтобы получить максимальный эффект от использования коллектора и бесплатно подогревать воду на протяжении семи месяцев в году, он должен иметь большую поверхность и дополнительные теплообменные устройства.

Преимущества и недостатки

Главный плюс коллекторов в качестве источника тепла – общедоступность солнечной энергии. Даже в хмурую погоду эти устройства улавливают и аккумулируют в себе лучи, обеспечивая нагрев теплоносителя. При этом полностью отсутствуют какие-либо выбросы вредных веществ в атмосферу. По сути это самый экологичный вид энергии.

Коллекторы не производят шума. Благодаря установке на крыше, не занимают площадь участков.

К преимуществам также относят:

Преимущества и недостатки
  1. Длительный срок эксплуатации оборудования. Качественные коллекторы выполняются из ударопрочного материала, которому не страшны осадки и порывы ветра.
  2. Независимость от внешних источников энергии. Коллекторы работают при длительном отключении электричества. Их обладателям не страшны перебои с горячим водоснабжением.
  3. Экономичность. Гелиоустановки даже при совместном использовании с газом или электричеством сокращают расходы на оплату ЖКУ на 30 – 60 %.
Читайте также:  Как сделать дымоход для газового котла

Однако использование солнца в качестве отопления заключается в непостоянности освещенности. Как раз тогда, когда тепло особенно необходимо, его подача уменьшается. Ночью она равна нулю.

Организация отопления солнечными коллекторами требует вложений на покупку оборудования. Окупается сумма за 3 – 5 лет и дольше. В Сибири и на Урале коллектор может выполнять исключительно вспомогательную роль в иной системе, обеспечивая частичную экономию топлива.

Особенности правильного расположения вакуумного солнечного коллектора

Для того, чтобы вакуумный солнечный коллектор работал с максимальной эффективностью необходимо правильно расположить его в пространстве. Для северного полушария плоскость внешнего блока должна быть обращена на юг. Также имеет значение угол его наклона к горизонту. Он должен равняться широте местности, на которой происходит установка агрегата.

При установке коллектора следует учитывать геометрию крыши и угол наклона к горизонту

Особенности правильного расположения вакуумного солнечного коллектора

Кроме географических особенностей необходимо учитывать геометрию крыши, где он устанавливается. Установить коллектор нужно таким образом, чтобы тень от надстроек крыши не падала на него ни при каких обстоятельствах.

Таким образом, солнечный коллектор вакуумного типа является эффективным решением для отопления и снабжения дома горячее водой. Однако его конструктивные особенности и зависимость от движения солнца, которое является для него источником энергии, требует соблюдения ряда особенностей при его монтаже.

Выбор конструкции абсорбера коллектора

Абсорбер предлагается сделать трубчатым, то есть состоящим из нескольких параллельных трубок, объединенных на входе и выходе распределительными гребенками.

В этом случае для изготовления данной части коллектора можно применить весьма доступный и удобный материал — алюминиевые банки для газированных напитков.

Для этой цели они подходят идеально, так как обладают целым рядом достоинств:

Выбор конструкции абсорбера коллектора
  1. Алюминий, как уже говорилось, обладает высокой теплопроводностью.
  2. Тонкую стенку банки легко можно разрезать обычным ножом.
  3. В подавляющем большинстве случаев банки для напитков имеют стандартизированный размер ( при объеме в 0,5 л — 168х66 мм).
  4. Ради удобства хранения и транспортировки банкам специально придают такую форму, чтобы они хорошо стыковались одна с другой (верхний край сужают до диаметра 59 мм, а днищу придают вогнутую форму).
  5. После употребления содержимого банку обычно выбрасывают в мусор, поэтому для будущего владельца коллектора этот материал является абсолютно бесплатным.

Иногда банки изготавливают из стали. Выявить такие емкости несложно, так как в отличие от алюминиевых, они притягиваются к магниту. Их следует отбраковывать.

Перед сборкой панели обязательно вымойте банки с применением моющего средства, иначе пропущенный через них воздух будет иметь неприятный запах.

Какой должна быть площадь коллектора? Формула расчета

Площадь солнечных коллекторов зависит от необходимой для нагрева воды или отопления мощности, интенсивности солнечного излучения для данной территории, КПД каждого коллектора, входящего в состав системы, доли энергии солнца в покрытии потребности в тепле, а также теплопотерь. Производители солнечных коллекторов рассчитывают их площадь и количество с помощью специальных программ, используя различные графики и диаграммы. Но для вычисления площади коллекторов небольшого для частного дома не обязательно углубляться в сложные и малопонятные расчеты, достаточно использовать формулу:

A=KFSF/(Gη), AW=1/(Gη), A=KFSFAW,

А – площадь коллекторов, м2;

AW – приведенная площадь, которая способна генерировать 1кВтчас за один день, м2день/(кВтчас);

Η – КПД одного коллектора, %;

G – полное излучение солнца за один день, характерное для данной местности, кВтчас/(м2день);

Какой должна быть площадь коллектора? Формула расчета

К – коэффициент, учитывающий величину угла наклона коллекторов и их ориентацию относительно сторон света (выбирается из таблицы);

F – энергия, необходимая для нагрева воды или отопления дома на одни сутки, кВтчас/день;

SF – доля энергии солнца в покрытии потребности в тепле, %.

Доля солнечной энергии – это та часть энергии, которую производит солярная установка, от общей энергии, затрачиваемой на обогрев или нагрев воды. Обычно ее значение составляет от 60 до 70% от годового потребления энергии. Солярные установки с большей долей солнечной энергии используются в паре с вспомогательными газовыми котлами, работающими на низком уровне.

Данные, необходимые для проведения расчета площади, могут значительно отличаться между собой в зависимости от типов коллекторов, их моделей и производителей.