Солнечный коллектор для нагрева воды своими руками — делаем водонагреватель из подручных материалов

Структура солнечного коллектора

Рис. Структура солнечного коллектора

1 – бак для воды; 2 – наружный слой бака; 3 – внутренний слой бака; 4 – вакуумные трубки; 5 – медные тепловые трубки, установленные внутри вакуумной стеклянной трубки; 6 – подпорная рама, материал – сталь с гальваническим покрытием; 7 – отражающая пластина – дополнительная опция; 8 – резиновое уплотнение; 9 – предохранительный клапан; 10 – датчик контроллера; 11 – выход горячей воды; 12 – крепеж для установки вакуумных трубок на раме.

Как работает система ГВС от гелиосистемы

Солнечные водонагревательные установки способны компенсировать около 50% затрат тепла на нагрев воды. Экономия в года составляет около 300 м³ газа или 4 м³ дров. Даже несмотря на необходимость первоначальных вложений, накопительный водонагреватель, работающий от солнечных батарей крайне выгоден. При коммерческом применении окупаемость наступает спустя 2-3 года интенсивной эксплуатации, а срок службы коллекторов составляет от 30-50 лет.

Чтобы понять насколько горячее водоснабжение на солнечных коллекторах выгодно, стоит рассмотреть, несколько важных вопросов:

• как работает гелиосистема;
• сколько воды сможет нагреть гелиоколлектор в течение дня.

Хорошее понимание перечисленных моментов поможет выбрать наиболее подходящую гелиосистему в каждом конкретном случае.

Принцип нагрева воды солнцем

Существует несколько разновидностей коллекторов, отличающихся по принципу абсорбции или аккумуляции тепла. Все оборудование делится на две группы:

• Трубчатые вакуумные коллекторы — аккумуляция тепла осуществляется благодаря особым колбам. В процессе производства из стеклянных трубок выкачивают воздух, что приводит к созданию вакуума, играющего роль своеобразного теплоизолятора. Внутри колба покрыта высокоселективным слоем. Там же находится алюминиевая или медная пластина, контактирующая с трубками теплообменника, которые для солнечного водонагревателя изготавливаются из меди.
  Принцип действия трубчатых коллекторов следующий:
  1. в трубках, благодаря высокоселективному покрытию и внутреннему устройству (напоминает колбу термоса) воздух нагревается до 280-300°С;
  2. тепло передается через пластину к циркулирующей жидкости;
  3. теплоноситель поступает в отдельно стоящий или моноблочный накопительный бак, происходит нагрев воды.

  По своему устройству трубчатые вакуумные коллекторы делятся еще на несколько групп: с U-образными (коаксиальными) или прямоточными трубками.

  

• Панельные коллекторы — нагреватели используют парниковый эффект. Солнечные лучи проходят сквозь прозрачную поверхность, попадают на абсорбер, аккумулирующий тепло. Солнечный водонагреватель устроен так:
  1. обычное или закаленное стекло, с различными дополнительными функциями (антивандальное, противоградовое, самоочищающееся и т.д.)
  2. корпус, изготовленный из адонированного алюминия;
  3. абсорбер — роль теплообменника выполняет медная пластина, помещенная между двух стекол. Селективная поверхность состоит из металла, обработанного специальной теплопоглощающей краской. К теплообменнику припаян проточный трубопровод, по которому вовнутрь панели подается жидкость, отбирающая излишки тепла.
     Абсорбер, важнейшая часть солнечного водонагревателя. От качества абсорбирующего покрытия зависит теплоэффективность панельного коллектора.

  

Принцип работы солнечных водогрейных коллекторов трубчатого и панельного типа основан на обычных физических законах. Ультрафиолетовое излучение проходит сквозь атмосферу земли практически не теряя тепла. При попадании на твердую поверхность солнечные лучи прогревают ее. В свою очередь нагретые предметы отдают тепло окружающей среде. Подобным образом происходит нагрев и в гелиосистеме.

Солнечные лучи попадают на абсорбирующую поверхность, которая сильно разогревается благодаря тому, что окрашена в темный цвет. Тепло, аккумулируется при помощи абсорбера и направляется в накопительный бак. Описанный принцип работы остается одинаковым для всех гелиоколлекторов, независимо от внутреннего устройства.

Виды и способы аккумулирования солнечной тепловой энергии влияют на особенности эксплуатации солнечных водогрейных систем. Трубчатые водонагреватели отличаются большей теплоотдачей, способны работать при температуре до –50°. Хотя вакуумные колбы стоят дороже, их теплотехнические параметры: скорость и интенсивность нагрева лучше, по сравнению с панельными коллекторами.

Сколько воды может нагреть солнечный коллектор

Все зависит от нескольких факторов: способа нагрева и аккумуляции тепла, времени года, погоды. Отдельно учитывается то, какая система рециркуляции используется. Средним значением для гелиосистемы на 1 м² принято считать следующие возможности нагрева в час:

• 100 литров на 7 °C;
• 50 литров на 14 °C;
• 25 литров на 28 °C;
• 15 литров на 46 °C;
• 10 литров на 70 °C.

Если пасмурная погода солнечный коллектор может снизить скорость нагрева ГВС, в ясную солнечную наоборот, увеличить, поэтому в списке приводятся средние значения.

При теплой летней погоде, при отсутствии облачности водонагреватель всего за час подогревает около ведра воды, что достаточно для экономного душа. В течение светового дня собирается около 200 л. горячей воды с температурой около 40°, при условии, что используется коллектор, имеющий более 1,5 м² абсорбирующей площади.

Зимой потребитель столкнется с тем, что получаемого тепла будет недостаточно, чтобы произвести необходимое количество горячей воды. Проблема решается установкой накопительной емкости.

Принцип работы коллектора при низких температурах окружающей среды несколько изменяется. Если летом можно было подключить бойлер и периодически, раз в час «сбрасывать» в него горячую воду, то зимой водонагреватель будет нормально функционировать только в системе косвенного нагрева. Суть такого подключения в следующем:

• зимой, вода в солнечных коллекторах нагревается до температуры 30°С, чего будет недостаточно для мытья;
• в систему ГВС подключают буферную емкость с двумя теплообменниками, для котла и гелиоколлектора;
• водонагреватели от солнечной энергии подогревают воду до температуры 25-30°С;
• основной нагрев осуществляет газовый, электрический или твердотопливный котел, доводя температуру до 60-70°;
• при открытии крана ГВС пользователю подается горячая вода.

Солнечный водонагреватель работает зимой на компенсацию энергоресурсов, необходимых для работы системы ГВС. Автономное горячее водоснабжение при помощи одних только гелиоколлекторов невозможно. Требуется, чтобы в системе ГВС присутствовал водонагреватель, способный удовлетворить потребности водоснабжения на 100%.

Чем заправляют гелиосистемы

Теплоноситель для коллекторов выбирают в зависимости от условий эксплуатации. Так, для всесезонных систем используют специальный антифриз, не замерзающий в зимнее время года. Летом, водогрейный контур заправляют дистиллированной водой.

В связи с выбором теплоносителя существует несколько общих рекомендаций:

• Эксплуатация зимой — состав незамерзающих жидкостей для солнечных водонагревателей — это смесь пропиленгликоля с водой и добавлением антикоррозионных веществ. Пропорции подбираются в зависимости от средней температуры промерзания окружающей среды:
  1. –20°С нужен 40% раствор: на 10 л теплоносителя / 6 л. пропиленгликоля;
  2. –30°С потребуется 50% раствор, пополам дистиллированная вода и пропиленгликоль.

  В готовый теплоноситель необходимо добавить щелочь NaOH. Пропиленгликоль под длительным воздействием перепадов температур превращается в кислоту. После добавления щелочи, кислотный баланс рН не должен превышать 7. В готовых антифризах все компоненты добавлены в оптимальных пропорциях.

• Сезонная эксплуатация — коллектор будет использоваться с весны до ранней осени. В качестве теплоносителя следует применять дистиллированную воду, предотвращающую образование накипи внутри труб.

Целесообразность использования готовых незамерзающих жидкостей (стоящих приблизительно в 3 раза больше, чем подобный состав, приготовленный в домашних условиях), ставится под сомнение. Приобретать заводские антифризы следует в тех случаях, когда сделать их самостоятельно не представляется возможным.

Плюсы водонагревательной солнечной системы

Солнечные нагреватели обладают такими достоинствами:

1. Относительно несложная конструкция.
2. Уровень надежности довольно высокий.
3. Эксплуатировать такую систему можно в течение года.
4. Период использования составляет не один десяток лет.
5. Введение в эксплуатацию такой системы способствует сокращению затрат электрической энергии, теплоносителей.
6. Монтаж агрегата проводят без предварительного оформления разрешения. Установка занимает минимум времени и отличается простотой.
7. Вес конструкции относительно небольшой.
8. Автономный режим функционирования.

Недостатки

Перед тем как использовать солнечные водонагреватели для дома, изучаются и минусы:

1. Сконструированное на заводе оборудование отличается повышенной стоимостью.
2. Уровень КПД зависит от различных показателей: климатический район, время года, прочее.
3. Град, мокрый снег пагубно влияет на состояние установки и ее работоспособность.
4. Монтаж емкости, в которой аккумулируется тепло, занимает определенное время. На этот процесс требуются дополнительные расходы.

При всех недостатках популярность водонагревательной солнечной установки ее популярность возрастает. Ведь она считается экологически чистой.

Типы солнечных водонагревателей и их характеристики

Солнечные водонагреватели представляют собой комплект оборудования для нагрева воды с помощью солнечной энергии. Другое название этих устройств — солнечные коллекторы. В отличие от фотоэлектрических панелей, использующих для производства электроэнергии солнечный свет, солнечные нагреватели сразу получают тепловую энергию, которую передают теплоносителю (воде, антифризу и т.п.).

Они образуют целую систему, состоящую из следующих элементов:

• Коллектор. Панель, принимающая тепловую энергию и передающая ее теплоносителю.
• Накопительный бак. Емкость, в которой аккумулируется нагретая вода и происходит замещение остывшего теплоносителя только что нагретым потоком.
• Отопительный контур. Обычная радиаторная система или теплый пол, реализующие энергию теплоносителя. В некоторых типах системы отопительный контур не входит в объем системы коллектора, получая энергию в накопительном баке, который в данном случае является теплообменником.

По типу циркуляции

Циркуляция теплоносителя позволяет получать тепловую энергию взамен отданной во внутреннюю атмосферу дома. Существует два вида:

1. Естественная. Используется перемещение нагретых слоев жидкости вверх с замещением их более холодными слоями. Не требует никаких устройств или использования электроэнергии, но зависит от множества факторов — взаимного расположения коллектора, накопителя и остальных элементов системы, температуры и т.д. Перемещение жидкости нестабильное, способное усиливаться и ослабляться.
2. Принудительная. Потоки направляются с помощью циркуляционного насоса. Возникает стабильный режим с постоянной скоростью потока, что позволяет обеспечить устойчивый режим обогрева дома.

Принудительная циркуляция более эффективна и позволяет располагать узлы системы в наиболее удобном порядке, не обращая внимание на перепады высот и объемов.

По типу коллектора

Существуют конструкции коллекторов, обладающие разной эффективностью, возможностями и способом передачи тепла. В их числе:

1. Открытые. Плоские длинные лотки или желоба из черного пластика, в которых циркулирует вода. КПД открытых коллекторов очень низок, но простота и дешевизна способствуют их популярности. Используются для нагрева воды для летнего душа или бассейна.
2. Трубчатые (термосифонные). Основной элемент — коаксиальная трубка с вакуумной прослойкой между внешними слоями, которая надежно теплоизолирует содержимое трубок. Конструкция эффективная, но дорогая и не поддающаяся ремонту.
3. Плоские. Это закрытые емкости с прозрачной верхней панелью. Внутренняя поверхность покрыта слоем приемника тепловой энергии, отдающего ее воде, которая перемещается внутри припаянных к приемнику трубок. Простая и эффективная конструкция, в которой для большего эффекта иногда создают вакуум для теплоизоляции.

От того, какой коллектор установлен в системе, и насколько он удачно вписывается во внешние условия региона — климат, погода, количество и продолжительность солнечных дней — зависит, насколько эффективной будет система нагрева воды от солнца.

По типу контура циркуляции

1. Разомкнутый – применяется для обеспечения горячей водой жилого помещения. Теплоносителем в этом случае выступает вода, которую используют для различных бытовых нужд и, соответственно, она уже не попадает обратно в контур.
2. Система с одним контуром – используют для отопления дома. Нагретый таким способом теплоноситель используют как добавку к теплоносителю, который подогрели традиционным методом. В этом случае нагретый теплоноситель переходит в отопительную систему, после которой опять переносится в приемный резервуар и в коллектор.
3. Двухконтурнаянагревательная система – самая универсальная. Есть возможность использования таковой для отопления зимой или для водоснабжения.

Двухконтурная система водоснабжения и отопления

Также можно выбрать один из возможных теплоносителей – вода, масло или антифриз. После коллектора теплоноситель проходит теплообменник, в котором происходит теплоотдача на второй контур. Второй используемый теплоноситель уже идет по назначению – для отопления или водоснабжения.

Теплоноситель

Для таких водонагревателей используют различные теплоносители: антифриз, смазочная жидкость и вода.

Применение

Солнечные системы постепенно приобретают популярность. С их помощью решают множество задач:

• Подогрев жидкости до требуемой температуры.
• Повышение производительности отопительной системы.
• Водонагреватель для бассейна, для летнего душа.
• Подогрев жидкости для иных потребностей.

Коллекторы из подручных материалов

Собрать солнечный коллектор для отопления дома своими руками и дешевле и интереснее, ведь изготовить его можно из различных подручных материалов.

Из металлических труб

Этот вариант сборки походит на коллектор Станилова. При сборке солнечного коллектора из медных труб своими руками, из труб варится радиатор и помешается в деревянный короб, проложенный изнутри теплоизоляцией.

Наиболее эффективными будут медные трубы, алюминиевые тоже можно использовать, но их тяжело варить, а вот стальные – наиболее удачный вариант.

Такой самодельный коллектор не должен быть чересчур большим, чтобы его было легко собрать и монтировать. Диаметр труб на солнечные коллектора для сварки радиатора должен быть меньше, чем у труб для ввода и вывода теплоносителя.

Из пластиковых и металлопластиковых труб

Как сделать солнечный коллектор своими руками, имея в домашнем арсенале пластиковые трубы? Они менее эффективны в качестве теплонакопителя, однако в разы дешевле меди и не коррозируют как сталь.

Трубы выкладываются в короб по спирали и закрепляются хомутами. Их можно покрыть черной или селективной краской для большей эффективности.

С укладкой труб можно экспериментировать. Так как трубы плохо гнутся, их можно укладывать не только по спирали, а и зигзагом. Среди преимуществ, пластиковые трубы легко и быстро поддаются пайке.

Из шланга

Чтобы сделать солнечный коллектор для душа своими руками понадобится резиновый шланг. Вода в нем нагревается очень быстро, поэтому его тоже можно использовать в качестве теплообменника. Это самый экономичный вариант при изготовлении коллектора своими руками. Шланг или полиэтиленовая труба укладывается в короб и прикрепляется хомутами.

Так как шланг скручен по спирали, в нем не будет происходить естественная циркуляция воды. Чтобы использовать в данной системе ёмкость для накопления воды, необходимо оснастить её циркуляционным насосом. Если это дачный участок и горячей воды уходит немного, то того её количества, которое буде поступать в трубу, может оказаться достаточно.

Из банок

Теплоносителем солнечного коллектора из алюминиевых банок выступает воздух. Банки соединяются между собой, образуя трубу. Чтобы сделать солнечный коллектор из пивных банок нужно обрезать днище и верх каждой банки, состыковать их между собой и склеить герметиком. Готовые трубы помещаются в деревянный короб и накрываются стеклом.

В основном, воздушный солнечный коллектор из пивных банок используют для устранения сырости в подвале или для обогрева теплицы. В качестве теплонакопителя можно использовать не только пивные банки, а и пластиковые бутылки.

Из холодильника

Солнечные водогрейные панели своими руками можно соорудить из непригодного холодильника или радиатора старого авто. Конденсатор, извлеченный из холодильника, надо хорошо промыть. Горячую воду, полученную таким способом, лучше использовать только для технических целей.

На дно короба расстилается фольга и резиновый коврик, потом на них укладывается конденсатор и закрепляется. Для этого можно применить ремни, хомуты, либо то крепление, которым он был прикреплен в холодильнике. Для создания давления в системе не помешает установить над баком насос или аквакамеру.

Конструирование простых солнечных водонагревательных систем

С экономической стороны выгоднее сконструировать солнечный водонагреватель своими руками.

Простая конструкция

Для этих целей требуются баки, которые покрыты черной краской. К ним присоединяется водопроводная магистраль из дома. Из такой тары вода поступает в душ.

Водонагреватель для бассейна своими руками конструируется из корыта, труб для холодной воды и перелива, выпуска и вентиля. Для прикрытия тары используется прозрачная крышка.

Простые конструкции отличаются такими недостатками:

• В облачную погоду емкость с водой не нагревается.
• Ежедневно тару заполняют жидкостью. Нагретую воду аккуратно сливают.
• Такое устройство располагают только в горизонтальном положении. Поэтому в определенное время КПД снижается.

Использование коллектора

Монтаж сконструированного собственными силами коллектора выгоднее с практической и экономической стороны. Но для достижения положительного результата требуется подготовка.

Конструирование приемника тепла

Дабы нагрев воды осуществлялся круглогодично, требуются:

• Аккумулирующая тара.
• Емкость для подпитки.
• Коллектор.

Монтаж насосного оборудования выполнять необязательно. Для циркуляции теплоносителя теплоприемник устанавливают ниже бака. Тара подпиточная располагается выше, чем аккумулирующая. Емкость, в которую перемещается подогретая жидкость, уплотняют.

Вторая емкость комплектуется поплавковым клапаном, дабы система функционировала. К отведенному патрубку подводят трубу, через которую будет поступать холодная жидкость.

Дабы сконструировать нагреватель воды своими руками, используют:

• Медные трубки.
• Трубки из полимерных составов или пластика.
• Плоские радиаторы из прочной стали.
• Алюминиевые трубки.

Дабы сконструировать корпус для нагревателя, нередко применяют древесину, фанеру. Мастера конструируют солнечный коллектор из поликарбоната своими руками.

Если все сделано правильно, то можно получить такие преимущества:

• Пользоваться такой системой можно даже при максимальной загрузке.
• Период окупаемости сконструированного нагревателя минимальный.
• Снижение затрат горючего.
• Такая система быстро подготавливается к эксплуатации.

Коллектор Станилова

Инженер Станислав Станилов представил миру самую универсальную конструкцию солнечного коллектора. Основной идеей использования разработанного им устройства является получение тепловой энергии за счет создания парникового эффекта внутри коллектора.

Конструкция коллектора

Конструкция этого коллектора очень проста. По сути, это солнечный коллектор из стальных труб, сваренных в радиатор, который помещён в деревянный контейнер, защищённый теплоизоляцией. В качестве теплоизоляционного материала могут выступать минеральная вата, пенопласт, понополистирол.

На дно коробки кладется оцинкованный металлический лист, на который монтируется радиатор. И лист, и радиатор окрашиваются в чёрный, а сама коробка покрывается белой краской. Разумеется, контейнер накрывается стеклянной крышкой, которая хорошо герметизируется.

Материалы и детали для изготовления

Для сооружения такого самодельного солнечного коллектора для отопления дома понадобится:

• стекло, которые будет служить в качестве крышки. Размер его будет зависеть от габаритов короба. Для хорошей эффективности лучше подбирать стекло размером 1700 мм на 700 мм;
• рама под стекло – её можно сварить самостоятельно из уголков или сколотить из деревянных планок;
• доска для короба. Тут можно использовать любые доски, даже с разборки старой мебели или дощатого пола;
• прокатный уголок;
• соединительная муфта;
• трубы для сборки радиатора;
• хомуты для крепления радиатора;
• лист оцинкованного железа;
• приёмная и выпускная труба радиатора;
• бак объемом 200−300 литров;
• аквакамера;
• теплоизоляция (листы пенопласта, пенополистирола, мин. вата, эковата).

Этапы работ

Этапы изготовления коллектора Станилова своими руками:

1. Из досок сколачивается контейнер, дно которого укрепляется брусьями.
2. На дно укладывается теплоизолятор. Основание должно быть особенно тщательно утеплено, чтобы избежать утечки тепла у теплообменника.
3. После на дно короба устраивают оцинкованную пластину и устанавливают радиатор, который сваривается из труб, и закрепляют его стальными хомутами.
4. Радиатор и лист под ним окрашиваются в черный цвет, а короб – в белый или серебристый.
5. Бак с водой должен быть установлен под коллектором в теплом помещении. Между ёмкостью для воды и коллектором нужно устроить теплоизоляцию, чтобы трубы находились в тепле. Бак можно поместить в большую бочку, в которую можно засыпать керамзит, песок, опилки и т.д. и таким образом утеплить.
6. Над баком нужно установить аквакамеру для того чтобы в сети создавалось давление.
7. Монтаж солнечного коллектора своими руками нужно осуществлять на южной стороне кровли.
8. После того как все элементы системы готовы и установлены, нужно соединить их в сеть полудюймовыми трубами, которые должны быть хорошо утеплены, дабы уменьшить теплопотери.
9. Неплохо будет соорудить и контроллер для солнечного коллектора своими руками, так как заводские устройства эксплуатируются недолго.

Установка

Поскольку оборудование работает от солнечной энергии, то, соответственно, установка обогревателя будет проводиться на открытом воздухе. Монтаж рекомендуют проводить на крышах зданий, на балконах или других архитектурных выступах.

Экран водонагревателя должен быть направлен на юг. Установку проводят под определенным углом к горизонту, который эквивалентен географической широте местности.

Водонагреватель постоянно поглощает энергию и по понятным причинам источник энергии выключить нельзя, поэтому, в случае малого потребления воды, температура застоя может достигать до 300°С.

По этой причине не допускается использование пластиковых и стальных труб с цинковым покрытием. Оптимальными в эксплуатации станут трубопроводы, изготовленные из меди или нержавеющей стали.

Горячий контур солнечного водонагревателя должен иметь теплоизоляцию, это позволит избежать ожогов и возгораний. Следует учесть температурный режим работы оборудования при выборе теплоизоляции и крепежей.

Производители солнечных водонагревателей на корпусе своей продукции указывают точную температуру застоя.
Панели коллектора должны находиться на открытом пространстве, чтобы был открытый доступ к солнечному свету. Необходимо исключить наличие возможных преград.

Чаще всего углом наклона коллектора будет наклон ската крыши. Для того, чтобы эффективность работы водонагревателя приблизить к максимальной, лучше придерживаться рекомендаций и использовать специальный стеллаж, на который будет крепиться коллектор.

Т.е. залогом правильной и эффективной работы оборудования являются всего несколько правил:

• направление на юг;
• правильный угол наклона;
• беспрепятственный доступ к солнечному свету;

Некорректная установка снизит качество работы водонагревателя, а вложенные средства не будут оправданы. Тип нагревателя также может играть роль в способе его установки. При монтаже учитывают тип используемого оборудования.

Пассивная

Подразумевает само собой протекающую абсорбцию и аккумулирование энергии. Солнечная энергия попадает на объект нагрева без контроля этого процесса, т.е. отсутствуют какие-либо механизмы и контролирующие элементы. Это простая система, которая не требует особых затрат. Однако недостатки в том, что водонагреватель работает неравномерно и не на полную мощность.

Самый наглядный пример – это затемненный бак, который размещен над летним душем. В таком пассивном режиме работают одноконтурные системы, в которых применяется процесс естественной циркуляции. Для полноценной работы системы приемный бак размещают выше коллектора, но такой способ установки не всегда удобен. Решить вопрос можно с помощью другого способа работы системы.

Активная

Лишена недостатков пассивной системы. Ее функционирование основано на том, что солнечные лучи благодаря специальным устройствам переходят в тепловую энергию, которая систематически передается нагревательному баку и потребителю. Функционирование такого нагревателя достигается благодаря принудительной циркуляции, которая может поддерживаться в одно- и двухконтурных системах. Также применяют и дополнительно устанавливают двигатели, которые поворачивают панели и насосы, измерительную аппаратуру, а также устройства контроля и управления работой системы.

Заключение

Солнечный коллектор, для обогрева дачи или дома, вполне можно сделать своими руками. Однако он не всегда будет эффективен именно в обогреве домашних помещений, так как водный теплоноситель в холодное время года может замерзать. Поэтому для этих целей все же рекомендуется отдавать предпочтение более технологичным покупным моделям, которые самостоятельно изготовить будет очень трудно.