Как сделать солнечный коллектор для нагрева воды своими руками

Изготовление и использование солнечного водогрея

Солнечный коллектор – данное устройство для изменения солнечной энергии в энергию тепла. Используется в отопительных системах, горячего водообеспечения, подогрева бассейнов и т.д. Солнечный коллектор чтобы нагреть воду можно собрать своими руками, чтобы создать экологичный и экономный бойлер. «Сантехник Портал» расскажет, как выполнить жидкостной гелиоколлектор собственными руками из обычных материалов.

Преимущества использования гелиоколлектора

Поскольку лучи Солнца освещают поверхность Земли круглый год в течение дня, хотя интенсивность излучения больше летом и зимой, то этот факт позволяет использовать энергию небесного светила все 365 дней в году.
Так, для средней полосы РФ суточное количество энергии зимой достигает 3 кВт*ч на 1 кв.м, а с марта по октябрь данная величина составляет от 4 до 8 кВт*ч/м2. Если же говорить о южных широтах, то показатели увеличиваются от 20% до 40%. Здесь использование солнечных установок наиболее рационально.
Поэтому эффективность гелиоколлектора зависит от региона проживания, однако даже в северных регионах РФ солнечный обогреватель способен обеспечить запасами горячей воды. Главное, чтобы тучи на небе появлялись не слишком часто. В южной и средней полосе мощная конструкция на 15-20 кв м, работающая от излучения Солнца, способна заменить бойлер и даже котел системы отопления.

Солнечный бойлер обладает следующими плюсами:

• относительная конструкционная простота;
• большая степень надежности;
• эффектный обогрев;
• продолжительный эксплуатационный срок;
• дает возможность экономить газ и электрическую энергию;
• не требуется разрешение для установки оборудования;
• маленький вес;
• обычный монтаж;
• безопасность для внешней среды;
• абсолютная независимость.

Касаемо негативных факторов необходимо подчеркнуть зависимость КПД от погоды, периода года и расположения, а еще высокую хрупкость панели, которую может разбить град. Еще одним недостатком является большая стоимость оборудования и компонентов для установки установки. Благодаря этому многие умельцы, чтобы сделать меньше стоимость изготовления конструкции, собирают ее сами из материалов, которые можно приобрести в обыкновенном строительном магазине.
Анализируя плюсы и минусы применения солнечных коллекторов чтобы нагреть воду, необходимо выделить, что работа похожих устройств являются чистой в экологическом плане и полностью неопасна для внешней среды и человеческого здоровья.

Разновидности жидкостных коллекторов

В зависимости от величины нагрева солнечные нагреватели разделяют на:

• низкотемпературные — для подогрева носителя тепла до 50 °C;
• среднетемпературные — для нагревания жидкости до 80 °C;
• высокотемпературные — подогрев воды до температуры кипения.

Собственными силами сделать можно лищь конструкции первого и второго типа. Для сборки установки больших температур потребуется оборудование для промышленности, использование передовых технологий и дорогих материалов.
По типу конструкции все жидкостные коллекторы разделяют на:

• плоские устройства;
• вакуумные термосифонные;
• гелиоконцентраторы.

Плоский гелиоколлектор состоит из низкого утепленного короба, в который вставлена светопоглощающая панель и трубчатый контур. Поглощающая свет пластина (абсорбер) обладает очень высокой теплопроводимостью, что дает возможность добиться самой большой энергопередачи тепловому носителю, который двигается по контуру водогрея. Выделяется конструктивной простотой, простотой монтажа и эффективностью.
Рабочий принцип вакуумных приборов построен на эффекте термоса. Конструкция собой представляет большое количество сдвоенных колб из стекла. Внешняя колба изготовлена из стойкого к ударам, закалённого стекла, противостоящего граду. На внутреннюю колбу нанесено специализированное напыление, которое увеличивает светопоглощение. Из пространства между 2-мя колбами воздух выкачивается, чтобы уменьшить потери тепла.
По самому центру вакуумной установки проходит тепловой контур из медных трубок, заполненных фреоном или антифризом. Во время эксплуатации тепловой носитель выветривается, передавая тепловую энергию жидкости для работы основного контура. Система функционирует даже при низкой температуре – до -50 °C. Собственными силами собрать подобную конструкцию хоть и может быть, но довольно трудно.
В основе конструкции гелиоконцентратора — сферическое зеркало, которое фокусирует энергию солнца в одной точке. Нагрев носителя тепла выполняется в спиралевидном металлическом контуре, расположенному в фокусе устройства. Важное преимущество гелиоконцентраторов – способность нагрева до больших температур. Впрочем необходимость оснащения системой слежения за Солнцем ее сделало менее востребованной для производства собственными руками.

Для домашнего изготовления лучше всего подходит сборка плоского солнечного водонагревателя своими руками из термоизоляционных материалов, оконного стекла и медных абсорберов.

Конструкция и принцип действия плоского нагревателя

Самодельный плоский гелиоколлектор состоит из деревянного короба с глухой задней стенкой. На дне рамы расположено сердце установки — абсорбер. Обычно его изготавливают из листа металла, который прикрепляется к трубчатому контуру. От контакта абсорбера с теплообменными трубками зависит эффективность передачи энергии, поэтому данные элементы привариваются непрерывным швом.

Сам жидкостный контур собой представляет большое количество вертикально расположенных трубок. Сверху и снизу они соединяются с горизонтальными трубами большего размера, которые применяются для подачи и забора носителя тепла. Входное и отверстие для выхода размещены один от одного диагонально, вследствие чего происходит полный теплообмен. В виде теплоносителя применяется антифриз и иные незамерзающие жидкости для отопительных систем.
Абсорбер покрывают светопоглощающей краской, сверху укладывают прозрачное стекло, а короб оберегают тепловой изоляцией. Чтобы было легче устанавливать, можно разделить площадь остекления на части и установить стеклопакеты, которые также увеличивают продуктивность установки. Закрытый стеклопакет выполняет эффект термоса и предохраняет потери тепла из-за дождя, большого ветра и других внешних факторов.
Солнечный бойлер плоского типа работает так:

1. Нагретый незамерзающий раствор, поднимаясь трубкам через ветку забора носителя тепла, оказывается в теплоаккумулирующем резервуаре.
2. Циркулируя по теплообменному аппарату, который поставлен в середине бака-аккумулятора, антифриз передает тепло воде.
3. Охлажденный рабочий реагент попадает в нижнюю часть контура солнечной установки.
4. Вода, нагретая в баке, подымается для забора потребителем. Заполняется резервуар из водомерного узла, который подключен к нижней части конструкции.
5. Если коллектор применяется в качестве нагревателя системы обогрева, то для циркулирования воды в замкнутом вторичном контуре применяется насос.

Постоянное перемещение жидкости и наличие аккумулятора тепла дают возможность собирать энергию солнца днем, когда светит Солнце, и понемногу тратить ее ночью.

Как высчитать продуктивность гелиоколлектора?

Высчитать продуктивность солнечного нагревателя можно, учитывая то, что на 1 кв. м. прибора в ясный день приходится от 800 до 1 000 Вт энергии тепла. Теплопотери с обратной стороны и стенках конструкции рассчитывают по коэффициенту тепловой изоляции используемого материала для утепления.
Если применен вспененный полистирол, то его показатель потерь тепла составляет 0,05 Вт/м ? °C. При толщине материала в 10 см и разности температур снаружи и внутри конструкции 50 °C теплопотери равняются 0,05/0,1 ? 50 = 25 Вт. Учтя стенки по бокам и трубы, эта величина удваивается.
Выходит, что кол-во потерь энергии тепла в сумме будет составлять 50 Вт с 1 кв.м. поверхности гелиоколлектора.

Для подогрева 1 л воды на один градус понадобится 1,16 Вт тепловой энергии, поэтому для солнечной панели площадью 1 кв.м и температурного перепада 50 °C получится условный коэффициент производительности 800/1,16 = 689,65/кг ? °C. Данный показатель демонстрирует, что конструкция площадью 1 кв.м в течение часа нагреет 20 литров воды на 35 °C.
Расчёт производительности солнечного водонагревателя вычисляется по формуле:
Q — теплоёмкость воды (1,16 Вт/кг ? °C); V — объём, л; ?T — разность температур на входе и выходе из установки.
В среднем один взрослый человек расходует 50 л горячей воды в течение суток. Так для обеспечения горячего водоснабжения достаточно повысить температуру воды на 40 °C. Используя формулу, получается, что потребуются затраты энергии W = 1,16 ? 50 ? 40 = 2,3 кВт. Чтобы узнать площадь установки, данное значение необходимо разделить на количество солнечной энергии, которая приходится на 1 кв.м поверхности в данной географической широте.

Способы изготовления солнечного коллектора

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.

1. Из садового шланга. Сложенный улиткой садовый шланг или водопроводная ПВХ-труба имеет большую площадь поверхности, что позволяет применять такой контур в качестве водонагревателя для летнего душа, кухни или подогрева бассейна. Лучше выбрать шланг черного цвета и обязательно использовать накопительный резервуар, иначе в пик летней жары абсорбер будет перегреваться.

1. Из конденсатора старого холодильника. Внешний теплообменный аппарат отслужившего собственный срок холодильного оборудования считается готовым абсорбером. Остается лишь дооборудовать его теплопоглощающим листом и поместить в корпус. Продуктивность подобной конструкции низкая, однако в тёплое время года перекроет потребности в горячей воде маленького коттеджа или дачи.
2. Из плоского отопительного прибора системы обогрева. Тут не требуется даже монтажа абсорбирующего полотна. Достаточно покрывать отопительный прибор чёрной огнеупорной краской и установить его в герметичный кожух. Продуктивности достаточно для системы горячего водообеспечения. Если собрать несколько контуров, то можно сэкономить на домашнем отоплении, гаража, теплицы в холодную солнечную погоду.
3. Из полипропиленовых или pex труб. Полипропиленовые трубы, фитинги и устройства для их монтажа дают возможность строить контуры гелиосистем разной площади и формы. Данные установки обладают хорошей работоспособностью и применяются для обогрева помещений и получения горячей воды для кухонной комнаты, душа и др.
4. Из медных трубок. Такие абсорберы выделяются очень большой отдачей тепла, благодаря этому успешно применяются для подогрева носителя тепла систем отопления и в горячем водоснабжении. К минусам коллекторов из меди относятся большие затраты труда и цена материалов.

На варианте который был последним подробно нужно остановиться.

Гелиоустановка из медных трубок собственными руками

Редакция сайта santehnikportal.ru предлагает собрать гелиоколлектор собственными руками, который в солнечный день в зимний период способен подогреть воду до температуры выше 90 °C, а в пасмурный день — до 40 °С. Этого достаточно для систем с горячим водоснабжением дома, в котором проживают 3-4 человека. Если Вы запланировали задействовать энергию солнца для обогрева дома, то площадь коллектора нужно расширить в пару раз.
Для сборки солнечного водогрея понадобятся:

• листовая медь толщиной не менее 0,2 мм размерами 0,98?2 м;
• медная трубка Oдесять миллиметров длиной 20 м;
• медная трубка O22 мм длиной 2,5 м;
• резьба ?? — 2 шт;
• заглушка ?? — 2 шт;
• припой мягкий SANHA или ПОС-40 — 0,5 кг;
• флюс;
• химреактивы для чернения абсорбера;
• ориентированно стружечная плита толщиной 10 мм;
• уголки мебельные — 32 шт;
• базальтовая теплоизоляция толщиной 50 мм;
• листовой теплоотражающий теплоизолятор толщиной 20 мм;
• планка 20?30 — 10м;
• дверной или оконный уплотнитель — 6 м;
• оконное стекло толщиной 4 мм или стеклопакет 0,98?2,01 м;
• самосверлящие шурупы;
• респиратор;
• кисть для малярных работ;
• краска.

Помимо прочего, потребуются некоторые инструменты: дрель, свёрла по металлу, фреза для дерева на O20 мм, труборез, атмосферная горелка, отвёртки или шуруповёрт и электролобзик. Для опрессовки контура также потребуется нагнетатель воздуха и прибор для определения величины давления с давлением до 10 атмосфер.

Инструкция по ходу работ:

1. С помощью трубореза нарежьте на отрезки медную трубку, чтобы получилось два куска O22 мм длиной 1,25 м и 10 частей O10 мм длиной 2 м.
2. В толстых трубках, отступив от края 150 мм, проделайте по 10 сверлений O10 мм через каждые 100 мм. В полученные отверстия вставьте тонкие трубки так, чтобы они выступали внутрь не более чем на 1-2 мм. Иначе образуется лишнее гидравлическое сопротивление.
3. При помощи газовой горелки, термофена и припоя, все части соедините. По диагоналям к трубам ?? попарно припаяйте заглушки и резьбы. Закрыв выходную резьбу заглушкой, на вход собранного коллектора навинтите штуцер и подсоедините компрессор.
4. Поместите конструкцию в резервуар с водой и компрессором создайте давление 7–8 атм. Так проверяется герметичность. Обсушите и обезжирьте установку.
5. Затем припаяйте медный лист к трубкам сплошным швом по всей длине каждого элемента медного контура.
6. Поскольку абсорбер сделан из меди, то вместо покраски можно сделать химическое чернение. Для этого в резервуар с водой добавьте нагретый химический раствор (едкого натрий 60 г и персульфат калия или надсернокислый аммоний 16 г растворите в 1 литре воды) и опустите полотно абсорбера лицевой стороной вниз. В процессе реакции поддерживайте температуру реактивов, к примеру, с помощью кипятильника.
7. Обязательно используйте средства защиты — респиратор, очки и резиновые перчатки, а сами работы проводите на открытом воздухе или в хорошо вентилируемом помещении.
8. Далее из листа OSB вырежьте детали для сборки корпуса — днище 1?2 м, боковые стороны 0,16?2 м, верхнюю 0,18?1 м и нижнюю 0,17?1 м панели, а также 2 опорные перегородки 0,13?0,98 м. Рейку 20?30 мм нарежьте на части: 1,94 м — 4 шт. и 0,98 м — 2 шт.
9. В боковых стенках проделайте отверстия O20 мм для входного и выходного патрубков, а в нижней части коллектора сделайте 3–4 сверления O8 мм для микровентиляции.
10. В перегородках сделайте вырезы под трубки абсорбера. Из реек 20?30 мм соберите опорную раму. Воспользовавшись мебельными уголками и саморезами, раму обшейте панелями OSB. При этом боковые стенки должны опираться на днище — это позволит предотвратить прогиб корпуса.
11. Нижнюю панель опустите на 10 мм ниже от остальных, чтобы перекрыть ее стеклом. Это не даст осадкам попадать внутрь рамы. Установите внутренние перегородки.
12. Днище и бока корпуса утеплите минеральной ватой с влагоотталкивающей пропиткой и укройте рулонным теплоотражающим материалом.
13. Абсорбер уложите на подготовленное пространство. Для этого демонтируйте одну из боковых панелей, которую затем поставьте на место.
14. На расстоянии 1 см от верхнего края короба внутренний периметр сооружения обшейте деревянной рейкой 20?30 мм так, чтобы стенок касалась ее широкая сторона. По периметру проклейте уплотнительную резинку.
15. Уложите стекло или стеклопакет, контур которого также обклейте оконным уплотнителем. Прижмите конструкцию алюминиевым уголком, в котором предварительно просверлите отверстия для саморезов. На этом этапе сборка коллектора считается завершенной.

В собранном виде толщина солнечного водонагревателя составляет примерно 17 см. Чтобы не допустить проникновения влаги и утечку тепла, на всех этапах стыки и места соединения элементов обрабатывайте силиконовым герметиком. Чтобы защитить конструкцию от влияния осадков, деревянные детали покройте специальным составом и покрасьте эмалью.

Монтаж и эксплуатация

Для установки гелиоколлектора выберите просторное место, которое не затеняется весь световой день. Монтажный кронштейн или подрамник сделайте из деревянных реек или металла так, чтобы наклон изделия регулировался в пределах от 45 до 60 градусов от вертикальной оси.
Используя резьбовые фитинги и медные, металлопластиковые или многослойные полипропиленовые трубы, подключите конструкцию к тепловому аккумулятору. Покройте магистрали теплоизоляцией.

Чтобы сделать меньше теплопотери, поместите накопительный бак достаточно близко к устройству. В зависимости от условий устройте естественную или циркуляцию принудительного типа носителя тепла. В последнем варианте применяйте контроллер с термодатчиком, врезав его в выходной отрезок трубы. Прокачка жидкости для работы по контуру включаться будет, когда её температура достигнет запрограммированного значения.
Сезонно-работающую систему заправьте водой, в то время как для круглогодичного применения гелио водогрея контур заправьте незамерзающей жидкостью. Достойный вариант –использование специализированного антифриза для гелиосистем, однако для экономии можно залить незамерзайку для автомобильных отопительных приборов или системы обогрева.
Аналогичным образом, солнечный коллектор чтобы нагреть воду во время эксплуатации существенно сбережет бюджет. Собрать установку, работающую на солнечной энергии, можно собственными руками, однако важно исполнять производственную технологию и правильно расположить конструкцию, чтобы КПД гелиоколлектора был высоким. Среди фабричных изделий необходимо подчеркнуть продукцию от фирм DUALEX, SSI Solar, SUNRAIN.