Как сделать селективное покрытие
Высокоэффективный коллектор имеет высокую степень поглощения солнечной энергии. Лучи попадают на темную поверхность, после чего нагревают ее. Чем меньше излучения отталкивается от абсорбера солнечного коллектора, тем больше тепла остается в гелиосистеме.
Чтобы обеспечить достаточную аккумуляцию тепла требуется создать селективное покрытие. Вариантов производства несколько:
- Самодельное селективное покрытие коллектора — используют любые черные краски, которые после высыхания оставляют матовую поверхность. Есть решения, когда в качестве абсорбера коллектора применяют непрозрачную темную клеенку. На трубы теплообменника, поверхность банок и бутылок наносят черную эмаль, с матовым эффектом.
- Специальные абсорбирующие покрытия — можно пойти другим путем, приобретя для коллектора специальную селективную краску. В состав селективных ЛКМ входят полимерные пластификаторы и присадки, обеспечивающие хорошую адгезию, теплостойкость и высокую степень поглощения солнечных лучей.
Гелиосистемы, используемые исключительно для нагрева воды летом, вполне могут обойтись окрашиванием абсорбера в черный цвет при помощи обычной краски. Самодельные солнечные коллекторы для отопления дома зимой должны иметь качественное селективное покрытие. Экономить на краске нельзя.
Самодельная или заводская гелиосистема — что лучше
Изготовить в домашних условиях солнечный коллектор, способный по техническим характеристикам и показателям сравниться с заводской продукцией нереально. С другой стороны, если требуется просто обеспечить достаточным количество воды для летнего душа, солнечной энергии будет достаточно для работы простейшего самодельного водонагревателя.
Что касается жидкостных коллекторов, работающих зимой — то даже не все заводские гелиосистемы могут работать при низких температурах. Всесезонные системы, это чаще всего устройства с вакуумными тепловыми трубками, с повышенным КПД, способные работать до температуры –50°С.
Заводские гелиоколлекторы часто укомплектовываются поворотным механизмом, автоматически подстраивающим угол наклона и направленность панели по сторонам света, в зависимости от расположения Солнца.
Эффективный солнечный водонагреватель тот, что полностью соответствует поставленным перед ним задачам. Для подогрева воды на 2-3 человек летом, можно обойтись обычным гелиоколлектором, изготовленным своими руками из подручных средств. Для отопления зимой, несмотря на первоначальные затраты, лучше установить заводскую гелиосистему.
Видеокурс по изготовлению панельного солнечного водонагревателя
В последнее время альтернативные источники энергии вызывают все более живой интерес со стороны наших соотечественников.
Наиболее простыми из них в устройстве являются солнечные коллекторы, благодаря чему их доля в нетрадиционной энергетике, особенно бытовой, чрезвычайно велика.
Данная статья познакомит читателя с их разновидностями, а также поможет найти ответ на вопрос: насколько эффективным является солнечный коллектор зимой?
Характеристика вакуумного солнечного коллектора для отопления дома зимой
Вакуумный солнечный коллектор является довольно сложным устройством. Главный рабочий элемент представлен дорогостоящей светопоглощающей колбой с прозрачной поверхностью, в которой располагается трубка. В основу работы положен принцип термоса. Вакуумная колба пропускает солнечный свет во внутреннюю трубку, где отсутствует воздух, что позволяет сохранить до 95% тепла.
Вакуумные солнечные коллекторы. Дороже, но работают даже зимой
Нижнюю часть внутренней вакуумной трубки для солнечного коллектора занимает антифриз, который переходит в газообразное состояние при нагревании. В верхней ее части выполняется передача тепла коллектору с теплоносителем. Антифриз при этом охлаждается и конденсирует, возвращаясь в первоначальное состояние.
Вакуумный солнечный коллектор характеризуется высоким значением КПД при плохой освещенности и температуре ниже -37 °С. Он был специально разработан для северных широт и может функционировать при отсутствии прямого солнечного излучения. Для эффективной работы конструкция нуждается в постоянном уходе, который заключается в очищении ее поверхности от загрязнения.
Главным недостатком является высокая стоимость конструкции. При выходе из строя хотя бы одной трубки ремонт будет проблематичным, поскольку все изделия смонтированы последовательно.
Общее понятие о гелиоколлекторах
Для кустарного солнечного коллектора можно использовать любые трубы, шланги, б/у или ненужные радиаторы с внутренними полостями и даже секции отопительных батарей.
Преимущество самоделки в том, что она чрезвычайно слабо подвержена поломкам, в ней ничего не перегорает, все детали можно набрать даже со свалок.
Что такое гелиоколлектор
Солнечные коллекторы — это секции с системой трубок, секций нагревающихся солнцем, аккумулирующие его тепловую энергию и передающие ее воде. Заводские приборы данного типа могут быть сложными — специальные вакуумные трубки или плоские вакуумные блоки, наполненные особой жидкостью — теплоносителем.
Вверху (наконечники) — медные колбы теплообменники, указанное нагретое вещество поднимается из полости трубок/секций в них, концентрирует там тепло. Эти элементы объединяются частью (строго говоря — коллектором), в которую поступает обрабатываемая вода, она омывает их, происходи передача ей тепла. Сверху секция может накрываться материалом (характерно для плоских моделей), способствующим притяжению и концентрированию солнечных лучей или же трубки могут оставаться не накрытыми (достаточно свойств их материала).
Не только летний душ обеспечит солнечный коллектор, для душа повседневного, хорошо теплого он тоже подойдет.
Заводская продукция, конечно же, сложнее, но в основе всех таких систем аналогичный принцип: циркуляция воды по солнечному абсорберу или его теплообменнику.
Есть более простые конструкции: вода движется в системе трубок (змеевике) в секции, накрытой притягивающем солнечные лучи материалом. Внутри обычно устанавливают черный материал, часто используют зеркальное покрытие (фольгу) — лучи будут отражаться и еще раз нагревать внутреннее пространство. Такой блок имеет определенную степень герметичности — кроме того, что нагреваются трубки, в самой среде там концентрируется тепло (как в духовке).
В самом элементарном виде солнечный коллектор — это горизонтальная плоская спираль из черного резинового шланга, накрытая притягивающем солнце темным прозрачным матовым полотном. Часто добавляют небольшой насос и фильтр. Модификаций может быть много: система ПВХ трубок, небольших пластиковых/резиновых секций — но принцип аналогичный.
Принцип работы самодельного солнечного коллектора с душем
Циркуляция основывается на естественной конвекции: более теплое вещество внутри змеевика коллектора расширяясь, приобретая меньшую плотность, поднимается, через выходной патрубок поступает в верхнюю часть цистерны-аккумулятора. Более холодный слой у днища вытесняется, перемещается по другой трубе в нижний сегмент змеевика, нагревается, снова поднимается.
Пока солнце светит, жидкость постоянно движется по описанному контуру, причем с каждым циклом внутрь змеевика она попадает уже не совсем холодная, таким образом, все более нагреваясь. Бак приподнят над солнечным абсорбером, поэтому циркуляции при ночном охлаждении теплоносителя не опрокидывается — холодный слой просто скапливается на нижней точке схемы (дно коллектора), а теплая — остается в бочке.
В среднем коллекторы выдают +50…+60° C, особо удачные конструкции — +70, качественные изделия из металла в южных районах (ниже рассмотрен медный абсорбер) могут обеспечить температуру кипения.
Как располагаются трубы, необходимость насоса
Расположение труб:
- горячая труба от коллектора — присоединяется на верхнюю часть цистерны, холодный сброс в него — внизу;
- питающая труба на случай, если бочка будет наполняться помпой, дворовым или домашним краном — с противоположной стороны вверху;
- внутри бака для подачи на душевую лейку устанавливают вертикальный отрезок трубы верхний конец оканчивается вначале верхней трети бака, чтобы забирать поступающую горячую воду, которая на верхних слоях. Можно его заменить более эффективным гибким шлангом с поплавком. Приспособить его так, чтобы конец всегда был погруженным, но сам шланг находился около поверхности — так при снижении уровня жидкости он всегда будет ее отбирать.
В систему можно добавить небольшой маломощный насос, он обязательный, если элементы расположены так, что не обеспечивают естественную циркуляцию. Если есть помпа, то бочку и коллектор по отношению друг к другу можно ставить на любой высоте.
Устройство и принцип действия плоского гелиоколлектора
Самодельный солнечный водонагреватель состоит из плоской деревянной рамы (короба) с глухой задней стенкой. На дне размещается главный элемент устройства — абсорбер. Чаще всего он изготавливается из металлического листа, присоединённого к трубчатому коллектору. От контакта пластины абсорбера с трубами теплообменника зависит эффективность передачи энергии, поэтому эти детали приваривают или припаивают непрерывным швом.
Сам жидкостной контур представляет собой массив из вертикально установленных трубок. В верхней и нижней части они присоединяются к горизонтальным трубам увеличенного диаметра, которые предназначаются для подачи и отбора теплоносителя. Входное и выходное отверстие для жидкости располагают диагонально — за счёт этого обеспечивается полный отъём тепла от элементов теплообменника. В качестве теплоносителя используется антифриз для систем отопления или другие незамерзающие растворы.
Абсорбер покрывается светопоглощающей краской, сверху кладут стекло, а короб защищают слоем теплоизоляции. Для упрощения задачи площадь остекления делят на части, а чтобы увеличить производительность, применяют стеклопакеты. Закрытая конструкция создаёт в гелиоколлекторе эффект термоса и одновременно предотвращает потери тепла из-за ветра, дождя и других внешних факторов.
Солнечный водонагреватель работает так:
- Нагретая в гелиоколлекторе незамерзающая жидкость поднимается по трубкам и через ветку отбора теплоносителя попадает в теплоаккумулирующую ёмкость.
- Перемещаясь по теплообменнику, установленному внутри бака-аккумулятора, антифриз отдаёт тепло воде.
- Охлаждённая рабочая жидкость поступает в нижнюю часть контура солнечного водонагревателя.
- Нагретая в баке вода поднимается и отбирается для нужд горячего водоснабжения. Пополнение жидкости в теплоаккумулирующей ёмкости происходит за счёт водопровода, подключённого к нижней части. Если же гелиоколлектор работает как нагреватель системы отопления, то для кругообращения воды в замкнутом вторичном контуре применяют циркуляционный насос.
Постоянное движение теплоносителя и наличие теплового аккумулятора позволяет накопить энергию за то время, пока светит солнце, и постепенно расходовать её даже тогда, когда светило скрывается за горизонтом.
Схема подключения солнечного коллектора к накопительной ёмкости не так сложна
Из медных трубок
Коллектор с медным змеевиком, оббитый изнутри листами из этого же материала чрезвычайно эффективный. Пожалуй, самый эффективных из найденных нами в сети. Трубки и полосы спаиваются специальным паяльником-автогеном на швах, стыках, поэтому медный абсорбер — это был самый трудоемкий этап, занявший 2 дня.
Медь почернили, поместив ее в ванну с персульфатом калия:
Корпус утеплили, на заднюю стенку прикрепили фольгу для отражения тепла. Все зазоры тщательно уплотнили:
Конструкцию перенесли на место, для этого ее обернули обычной пищевой пленкой, и только после транспортировки и подключения установили стекло:
Результат: в жарком южном климате под прямыми лучами медь раскалилась, вода нагрелась до кипения, были даже заметные следы плавления полимерных элементов конструкции. Целесообразно в душ с солнечным абсорбером такого типа подмешивать холодную жидкость, для чего предусмотреть отдельную бочку с ней или подачу от крана.
Что собой представляет солнечный коллектор и принцип его действия
Солнечный тепловой коллектор является техническим устройством, которое способно преобразовывать солнечную энергию в тепловую. Его применяют для получения горячей воды, которая в дальнейшем может быть использована для различных нужд. Главное отличие солнечных коллекторов от других вариантов аналогичной техники заключается в принципе изменения во время нагрева плотности воды. Холодные массы вытесняют наверх нагретый водяной поток, благодаря чему нет необходимости в использовании дополнительного насосного оборудования.
Принцип работы устройства состоит в следующем. Солнечная энергия абсорбируется в приемном устройстве, в качестве которого можно использовать медные или стеклянные поверхности темного или черного цвета. Такие материалы характеризуются хорошей способностью поглощения энергии.
Солнечные нагреватели воды удобно располагать на крыше, где много места и куда попадает максимальное количество солнечного света. Здесь такие устройства не занимают полезное пространство и никому не мешают. Далее тепло из накопителя переносится в бак с теплоносителем. Это может быть вода, антифриз или другая жидкость, которая используется в системе отопления.
Принцип действия солнечного коллектора
В большинстве случаев применяется смесь, состоящая из 40% гликоля и 60% дистиллированной воды. Теплоноситель, который нагревается до определенной температуры, подается к радиаторам посредством системы трубопроводов.
Направление движения воды в системе может меняться благодаря смесителю. Остывшая и теплая вода постоянно сменяют друг друга. Такая естественная циркуляция происходит благодаря расширению теплой воды, которая поднимается, вытесняя холодную в нагревательный бак.
Эта система отопления должна быть оснащена теплоизоляционным слоем толщиной не менее 25-30 см, что обеспечит ее эффективную и стабильную работу. В качестве накопительной емкости для теплоносителя лучше использовать резервуар прямоугольной формы. Здесь может быть расположен дублирующий нагревательный элемент. Он будет автоматически включаться в работу, когда создаются погодные условия, которые не способствуют нагреву теплоносителя до необходимой температуры.
Солнечный коллектор – это устройство для преобразования солнечной энергии в тепловую
Способы подключения к системе отопления
Поскольку устройства на солнечной энергии не могут обеспечить стабильное и круглосуточное снабжение энергией, необходима система устойчивая к этим недостаткам.
Для средней полосы России солнечные устройства не могут гарантировать стабильный приток энергии, поэтому используются как дополнительная система. Интегрирование в существующую систему отопления и горячего водоснабжения отличается для солнечного коллектора и солнечной батареи.
Схема с водяным коллектором
В зависимости от целей использования теплового коллектора применяются разные системы подключения. Вариантов может быть несколько:
- Летний вариант для горячего водоснабжения
- Зимний вариант для отопления и горячего водоснабжения
Летний вариант наиболее простой и может обходится даже без циркуляционного насоса, используя естественную циркуляцию воды.
Вода нагревается в солнечном коллекторе и за счет теплового расширения поступает в бак-аккумулятор или бойлер. При этом происходит естественная циркуляция: на место горячей воды из бака засасывается холодная.
Зимой при отрицательных температурах прямой нагрев воды не возможен. По закрытому контуру циркулирует специальный антифриз, обеспечивая перенос тепла от коллектора к теплообменнику в баке
Как любая система основанная на естественной циркуляции работает не очень эффективно, требуя соблюдения необходимых уклонов. Кроме того, аккумулирующий бак должен быть выше чем солнечный коллектор. Чтобы вода оставалась как можно дольше горячей бак необходимо тщательно утеплить.
Если Вы хотите действительно добиться максимально эффективной работы солнечного коллектора, схема подключения усложниться.
Чтобы ночью коллектор не превратился в радиатор охлаждения необходимо прекращать циркуляцию воды принудительно
По системе солнечного коллектора циркулирует незамерзающий теплоноситель. Принудительную циркуляцию обеспечивает насос под управлением контроллера.
Контроллер управляет работой циркуляционного насоса основываясь на показаниях как минимум двух температурных датчиков. Первый датчик измеряет температуру в накопительном баке, второй – на трубе подачи горячего теплоносителя солнечного коллектора.
Как только температура в баке превысит температуру теплоносителя, в коллекторе контроллер отключает циркуляционный насос, прекращая циркуляцию теплоносителя по системе. В свою очередь при понижении температуры в накопительном баке ниже заданной включается отопительный котел.
Новым словом и эффективной альтернативой солнечным коллекторам с теплоносителем стали системы с вакуумными трубками, с принципом действия и устройства которых мы предлагаем ознакомиться.
Схема с солнечной батареей
Было бы заманчиво применить схожую схему подключения солнечной батареи к электросети, как это реализовано в случае солнечного коллектора, накапливая поступившую за день энергию. К сожалению для системы электроснабжения частного дома создать блок аккумуляторов достаточной емкости очень дорого. Поэтому схема подключения выглядит следующим образом.
При снижении мощности электрического тока от солнечной батареи блок АВР (автоматическое включение резерва) обеспечивает подключение потребителей к общей элетросети
С солнечных панелей заряд поступает на контроллер заряда, который выполняет несколько функций: обеспечивает постоянную подзарядку аккумуляторов и стабилизирует напряжение. Далее электрический ток поступает на инвертор, где происходит преобразование постоянного тока 12В или 24В в переменный однофазный ток 220В.
Увы, наши электросети не приспособлены для получения энергии, могут работать только в одном направлении от источника к потребителю. По этой причине вы не сможете продавать добытую электроэнергию или хотя бы заставить счетчик крутиться в обратную сторону.
Использование солнечных батарей выгодно тем, что они предоставляют более универсальный вид энергии, но при этом не могут сравнится по эффективности с солнечными коллекторами. Однако последние не обладают возможностью накапливать энергию в отличие от солнечных фотоэлектрических батарей.
Солнечные водонагреватели для дома
Гелиосистема нагрева воды состоит из:
- Коллектор. Представляет собой совокупность труб небольшого диаметра. Проходя по ним, вода успевает прогреться солнечным светом.
- Электронасос, создающий давление воды в системе. Некоторые модели работают за счет естественных сил гравитации.
- Система трубопроводов.
- Накопительный бак для прогретой воды. Целесообразно устанавливать, когда велика вероятность частой смены погодных условий. Бак сохранит горячую воду на следующий (пасмурный) день Предусмотрен не во всех моделях. Кроме того, внутри накопительной емкости может устанавливаться электроТЭН, чтобы подогревать воду до нужной температуры в пасмурные дни. Даже в этом случае наблюдается значительная экономия электричества.
Типы водонагревательных систем:
1.По подаче воды:
- активные – вода подается электронасосом;
- пассивные – подается естественным путем.
2.Структура контура (у активных модификаций):
- с открытым контуром, в котором непосредственно циркулирует жидкость, использующаяся для горячего водоснабжения;
- с закрытым контуром (заполняются антифризом, другой жидкостью, позволяющей использовать водонагреватель при минусовой температуре. Циркулирует внутри змеевика, прогревая жидкость внутри накопительного резервуара).
3.Способ прогревания воды:
- накопительные (вода прогревается в емкости);
- проточные (течет по протяженной системе труб теплообменника, прогреваясь солнечным теплом).
Особенности эксплуатации солнечного коллектора из ПНД
С помощью нескольких секций гелиоколлектора можно быстро нагреть воду в бассейне среднего размера. Конструкции из ПНД не только проще в изготовлении. Их обслуживание также не вызывает особых трудностей. Достаточно не допускать перегрева элементов в жаркие дни, защищать компоненты модуля от механических повреждений, своевременно подкрашивать детали из древесины, периодически удалять загрязнения с поверхности труб. При соблюдении этих нехитрых правил солнечный коллектор запросто прослужит 20 лет и больше.
Эффективность работы системы зависит от многих факторов. Значение имеют интенсивность солнечного излучения, температура окружающей среды, направление и сила ветра, количество модулей. Чтобы повысить автономность установки, вместе с ней можно использовать насос на солнечных батареях. Если подготовить агрегат нужной мощности, гелиоколлектор сможет функционировать без подключения к центральной электросети.
Расчёт мощности солнечного коллектора
По фактическим расходам считается, что для удовлетворения потребности одного человека в горячей воде требуется от двух до четырёх киловатт тепловой энергии.
Для примера произведём расчёт мощности для реальных условий Подмосковья.
Исходные данные:
- Основываясь на данных, приведённых в таблице поступления солнечной энергии в различных регионах России, площадь поглощения составит 2,35 м2.
- Показатель инсоляции для Подмосковья составляет 1173,7 киловатта в час с квадратного метра.
- Коэффициент полезного действия коллекторов составляет 0,67–0,8. Целесообразно использовать первый показатель, характерный для самодельных конструкций и устаревших моделей.
- Величина угла наклона будет использована оптимальная для региона. В первом приближении он должен быть равён величине географической широты места нахождения преобразователя.
Показатель инсоляции зависит от региона
Расчёт площади поглощения солнечной энергии для одной трубки, учитывая, что приведённая величина соответствует коллектору из 15 элементов: 2,35 м2 / 15 шт. = 0,15 м2. Соответственно, приведённая величина для 1 м2 составит: 1 / 0,15 = 6,67 (штук), то есть регистр коллектора указанной площади будет состоять из 7 трубок.
Рассчитываем тепловую мощность одной трубки, что позволит определить необходимое их количество для удовлетворения средней потребности в энергии. Получаемая от одного нагревателя мощность из расчёта потребления на день рассчитывается из соотношения: N = S * I * K, где:
- N — мощность одной трубки;
- S — площадь поглощения одной трубки;
- I — показатель величины инсоляции для Подмосковья;
- K — коэффициент полезного действия в минимальном размере.
N = 0,15 * 1173,7 * 0,67 = 117,95 киловатта в час на метр квадратный.
Средний показатель выработки энергии за сутки составит (с учётом продолжительности светового дня) для Подмосковья 0,325 киловатта в час. А годовая экономия с одного квадратного метра составит: 117,95 * 7 = 825,6 киловатта в час.
Таким образом, выработка тепловой энергии солнечным коллектором в 2,35 квадрата достигает 8 киловатт в день. Обратившись к началу, можно убедиться, что коллектор приведённой величины полностью отвечает потребностям в горячей воде для семьи из трёх человек.
Приведённая методика весьма условна, однако, как показывает практика, вполне достоверна для определения основных параметров коллектора.
Мощности одного коллектора достаточно для семьи из трёх человек
