Солнечный водонагреватель для частного дома

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.

Водонагреватели от солнечной энергии: правила выбора

Если вы решили купить водонагреватель от солнца, на что обратить в первую очередь? Конечно, важно отдать предпочтение надежному производителю, поэтому лучше присматриваться как минимум к средней ценовой категории, но что на счет технических и прочих особенностей?

На что обратить внимание при выборе:

1. Устойчивость к окружающей среде. Продолжительность работы системы напрямую зависит от того, насколько она готова к воздействию дождя, пыли, града и пр. Именно поэтому дешевые системы брать весьма рискованно.
2. Устойчивость к перепадам температуры. К сожалению, перепады в нашем климате реальность, с которой нужно мириться. Буквально за сутки температура иногда меняется на 20 градусов, особенно весной, когда за один день может наступить сильное потепление.
3. Простота в монтаже. Это тоже важный пункт, так как некоторые системы оказываются крайне сложными и при установке, и при эксплуатации.
4. Эффективность работы. На самом деле это самый важный параметр, однако предыдущие пункты в случае несоблюдения могут свести его на нет. Именно поэтому лучше сразу позаботиться о надежности и долговечности, а затем о КПД. Летом у качественных приборов он на уровне 100%, а в другую пору года может составлять 40-60%.

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.

3 Устройство и принцип действия

Жидкостный контур состоит из вертикально расположенных трубок. Они присоединяются к горизонтальному контуру с большим диаметром. Входные и выходные отверстия располагаются диагонально. Такая схема позволяет максимально эффективно отбирать тепло с теплообменника. Зачастую антифриз выступает основным теплоносителем. Но можно выбирать и другие незамерзающие вещества.

Короб утепляется изоляционными материалами

Такая конструкция создаёт эффект термоса, что позволяет уменьшить теплопотери от ветра, дождя и других погодных явлений.

Принцип работы следующий:

1. 1. Нагретый антифриз от солнечных лучей движется по трубкам и через ветку отбора попадает в аккумулирующую ёмкость.
2. 2. Когда жидкость движется по теплообменнику, она передаёт тепло воде.
3. 3. После охлаждения антифриз снова попадает в нижнюю часть контура для повторного нагрева.
4. 4. Горячая вода поднимается в верхнюю часть ёмкости и отбирается для использования в различных направлениях (отопление дома, горячее водоснабжение и тому подобное). В ёмкости теплообмена пополнение количества воды происходит за счёт подключённого водопровода.
5. 5. Если система используется для отопления дома, то для движения воды в замкнутом контуре применяется циркуляционный насос.

Как установить солнечную систему нагрева воды

Гелиосистема устанавливается на скатной кровле, специальных наклонных площадках или стенах здания. Место для водогрейной установки с солнечными коллекторами выбирается индивидуально с учетом следующих рекомендаций:

• южная сторона здания;
• отсутствие видимых препятствий, загораживающих солнечные лучи: деревьев, близлежащих домов и т.д.;
• место должно быть удобным для дальнейшего обслуживания и ремонта системы.

Перед монтажом и регулировкой трубчатых или панельных водонагревателей определяют оптимальный угол наклона установки. В этом отношении руководствуются следующей формулой:

• для лета — (широта + (широта — 22,5 градуса)) ÷ 2;
• для зимы — (широта + (широта + 22,5 градуса)) ÷ 2.

Угол наклона будет меняться в зависимости от времени года. В связи с этим перед началом зимнего или летнего сезона будет необходимо заново отрегулировать гелиостанцию. Набирает популярность автоматика слежения за солнцем, самостоятельно подстраивающая угол наклона и расположение гелиопанели. В движение конструкцию приводит электромотор, подключенный к бытовой сети на 220 В. {banner_downtext} Подключение солнечного коллектора к системе горячего водоснабжения осуществляется следующим образом:

• Установка водонагревателя — коллектор монтируется с помощью специальной рамы, при необходимости меняющей угол наклона. Можно встроить гелиопанель в кровлю или поставить на ровной площадке. Допускается одновременное подключение нескольких модулей в единую сеть, посредством гидравлических переходников. При установке моноблока учитывают, что вес наполненного бака достигает 300 кг. В месте монтажа потребуется укрепить конструкцию крыши.
• БКН — бойлер косвенного нагрева необходим для всесезонных гелиосистем. В баке присутствует отдельный змеевик (располагается внизу) к которому, с помощью труб, подсоединяется солнечный коллектор. Ко второму теплообменнику подключается котел.Системы безопасности — в схеме монтажа солнечного водонагревателя трубчатого и панельного типа предусматривается:
  • Устройство для сброса давления — узел, предназначенный защитить от закипания систему ГВС. Модуль подключен к канализации, через трубопровод. При перегреве теплоносителя срабатывает датчик, сбрасывающий горячую воду. Открывается клапан подпитки. В систему ГВС добавляется холодная вода.
  • Защитить солнечную систему от закипания можно при помощи шторок, автоматически закрывающих абсорбер при достижении определенной температуры теплоносителя.
  • Устройство для сброса давления входит в принципиальную схему монтажа солнечного водонагревателя трубчатого типа. Особенность работы этой гелиосистемы в высокотемпературном режиме нагрева. Вода греется до рекордных 60-80°C и может быстро достигнуть точки кипения. Чтобы не допустить перегрева используют группу безопасности.
• Насосное оборудование — необходимо системам горячего водоснабжения на солнечных коллекторах с принудительным движением теплоносителя. Циркуляционный узел включает: группу безопасности и насос. Оборудование подключается к автоматике солнечного коллектора.

Основные правила техники безопасности при эксплуатации гелиоустановок описаны в СниП III-4-80. Отдельные рекомендации указываются производителями оборудования:

• монтаж на высоте свыше 5 м выполняет персонал, имеющий допуск к высотным работам;
• во время составления проектной документации, производят расчет опорных конструкций с учетом возможных ветровых и других нагрузок.
• для компенсации тепловой нагрузки, расширительный бак выбирается с вместительностью не менее 15% от общего объема теплоносителя.
• используется предохранительный клапан, с пограничным значением не более 3 атм.

Применение правил техники безопасности и рекомендаций по подключению гелиоколлекторов, непременное условие для ввода системы в эксплуатацию. При нарушении условий подключения стабильная работа солнечных водонагревателей не гарантируется.

Оцениваем покупку

Номинальные параметры, приведенные в таблицах для солнечных батарей, измеряются в нормальных условиях. Таковыми считаются:

• температура окружающей среды 25 ºС;
• поток света 1000 Вт/м2;
• спектр АМ1.5.

Указанная в последнем элементе списка аббревиатура введет в заблуждение даже опытного инженера. На деле сложного нет. Номинальные параметры солнечных батарей принято испытывать спектром светила, наблюдаемым на средней континентальной широте США. Это южнее Москвы, соответствует положению Волгограда либо Ростова-на-Дону.

Стандарт, характеризующий состояние атмосферы испытательного спектра, на официальном сайте стоит 80 швейцарских франков, предлагается удовольствоваться тем, что получим по поводу условий измерения в открытых источниках:

• оценка параметров воздуха проводится в 30 слоях, согласно платному стандарту;
• угол положения Солнца в зените составляет 48,19 градусов;
• мутность атмосферного воздуха на частоте 500 нм (голубой цвет) — 0,084;
• эквивалентный столбик водяного пара — 1,42 см;
• эквивалентная толщина озонового слоя — 0,34 см.

Мутность на длине волны 500 нм выбирается исходя из условия голубизны неба. Этот цвет преобладает в видимом с поверхности Земли спектре.

Научное изложение предостерегает от вопроса, отчего питание обогревателя солнечными батареями идет вразрез с документацией. Похожи условия из списка на местность, где установлена батарея?

Как ситуация выглядит зимой

Номинальная мощность солнечной батареи составляет 1000 Вт, точное значение напряжения не важно, останется преобразовано инвертором. Итак, температура перешла в минус

Специальная поправка на номинал напряжения учитывается при отклонении условий от нормы. Ниже 25 ºС вольтаж на выходе батареи растёт. При этом плотность потока мощности зимой не составит 1000 Вт/м2 в Химках. Измерения также предусматривают, что Солнце отбрасывает лучи на поверхность солнечной батареи под прямым углом. Отклонение от условия закономерно понижает выходную мощность.

Эти аспекты учитывают, выбирая солнечную батарею для дома.

Конструкции солнечного водонагревателя

Теперь, когда понятна идея солнечного водонагревателя, попробуем сконструировать своими руками. Бак грузовика не нуждается в доработке. Черный, сверху горлышко для наполнения водой, снизу – чаще выходное отверстие. Остается водрузить на душевую, заполнить водой, подождать Солнце, делающего работу. Разумеется, утром вода будет прохладная, после полудня можно мыться. Достоинство устройства в простоте. Придется очистить бак от бензина и масла, чтобы не облысеть. Купить солнечный водонагреватель заводского типа не каждому по карману.

Необходимо залить бак горячей водой, моющим средством, дать отстояться, слить. Повторить процесс, полоскать чистой водой, добиваясь кристальной чистоту стока. Большая часть ерунды из бака удалится. В дальнейшем можно поставить агрегат на недельку на солнце, воду слить, не мыться. После процедуры бак можно использовать для душа.

Что касается вопроса, где взять, сегодня электронные доски объявлений полны предложениями продать бэушную емкость. Современные чаще из алюминия, старые попадаются стальные. Цена вопроса 2000 рублей. Считаем использование сложных конструкций нецелесообразным. Если завалялись стальные (не чугунные) радиаторы наподобие показанного рисунком, попробуйте собрать стоящее приспособление, только на летний период. Не будем использовать стекла или бензобаки, понадобятся черная краска, трубы. Полагаем, конструкция должна содержать емкость для горячей воды, расположенную в доме, достаточно большого объема.

Понадобится проточный насос небольшой мощности с посадочными размерами на стандартный трубопровод. Предлагаем самодельные солнечные водонагреватели делать по образу и подобию заводских. Положим на скат крыши последовательно соединенные радиаторы числом не менее трех, покрашенные черным цветом.

Трубы самодельного солнечного водонагревателя окрашиваем аналогично. Домашний бак утепляем жидкой резиной. Пенополиуретан забудьте, другой напыляемой термоизоляции в голову не приходит. В баке самодельного солнечного водонагревателя четыре отверстия:

Три в верхней части:

1. Забора воды.
2. Пополнения запаса воды.
3. Выхода на батареи.

Внизу горячая вода из батарей будет входить в бак.

Конвекционные потоки в баке примут естественный характер. Теплая вода заходит снизу, начинает подниматься вверх. Необходимо установить напротив входа горизонтальную пластину-отражатель, воспрепятствующую образованию вертикального течения над входом. Проточный насос устанавливаем на вытяжку возле соответствующего верхнего отверстия. Скат крыши для расположения радиаторов самодельного солнечного водонагревателя выбираем южный. Это может быть и горизонтальная кровля. Снизу радиаторы отделываем отражающей изоляцией наподобие Пенофол. Красить черной краской можно только солнечную сторону.

Конструкция готова. Нецелесообразно закрывать сборку стеклом, желательно оградить от ветра. Будет получен выигрыш. Пойдут населению солнечные водонагреватели для дачи. Ночью насос выключим, на зиму конструкцию с крыши демонтируем. Заводские солнечные водонагреватели для отопления дадут сто очков форы эффективностью, мы задавим ценой. Дешевый заводской коллектор стоит 15000 рублей. Хочется деньги потратить – за солидную сумму присмотрим и тепловой насос для отопления.

Водонагреватели на солнечных батареях оставим Германии, подобным странам. В Европе существует программа государственной поддержки энергосберегающих технологий, электричество можно обратно в сеть закачивать (без шуток). Солнечный водонагреватель для бассейна соберем по рассмотренной технологии. Радиаторы допускается разложить на помосте, баком будет искусственный водоем, не забудьте продезинфицировать воду. Неплохо использовать зеркала, устланные алюминиевой фольгой. Можно наклеивать пленку на тонкие фанерные щиты, собирать энергию в нужное место. Получится дешево, сердито. Появится защита против ветра, нагрев радиаторов пойдет быстрее. Место установки – севернее коллекторов.

Теперь читатели знают, как сделать солнечный водонагреватель.

Устройство и принцип работы панельного коллектора

Ультрафиолетовые лучи попадая в атмосферу прогревают твердые поверхности, которые разогреваясь отдают тепло окружающей среде: воздуху, воде. Принцип работы и устройство плоского коллектора основан на этом физическом свойстве. Фактически панель представляет небольшой парник с прозрачной поверхностью и абсорбирующим основанием. Лучи солнца разогревают поверхность до 250-300°С.

Тепло аккумулируется и направляется в накопительную емкость. В обвязке гелиопанелей предусмотрен небольшой бак, эффективно борющийся против закипания теплоносителя.

Внутренняя конструкция солнечной панели

В устройстве панельного солнечного коллектора присутствует несколько важных компонентов, увеличивающих эффективность преобразования ультрафиолетового излучения в тепловую мощность. Солнечные водонагревательные панели состоят из:

• Верхнее покрытие — в зависимости от модели используется обычное или закаленное стекло, либо поликарбонат. Коэффициент спектрального интервала находится в пределах 0,4-1, 8 мкм.Чтобы обеспечить необходимый нагрев, проницаемость солнечных лучей должна достигать 95%. С этой целью используют матовые стекла. Глянцевая поверхность пропускает ультрафиолет хуже на 10-15%. В зависимости от стоимости изделия верхний слой изготавливают из:
  1. обычного или закаленного стекла;
• антирефлексного стекла, с слоем, элиминирующим отражение солнечного света;

полярного или самоочищающегося стекла.

Корпус — конструкция коллектора изготавливается из металла устойчивого к нагреву и воздействию внешних факторов. В модулях европейских и российских производителей обычно используется анодированный алюминий.

Абсорбер коллектора — это медная пластина с селективным покрытием. Для отвода тепла к теплообменнику припаян проточный трубопровод, располагаемый внутри конструкции двумя схемами «арфа» и «меандр».Сам абсорбер для увеличения теплопоглощения вмонтирован между двух стекол. На верхнюю поверхность наносится специальное высокоселективное покрытие. Нижняя часть защищается слоем теплоизоляционного материала.

Комплектующие, тип раскладки медного теплообменника абсорбера могут отличаться в зависимости от производителя, стоимости гелиоколлектора и необходимых дополнительных функций.

Чем покрывают солнечные коллекторы

От эффективности работы абсорбера зависит КПД гелиопанели. Чтобы увеличить аккумуляцию тепла, медный или алюминиевый сердечник покрывается теплопоглощающей краской для солнечных коллекторов. ЛКМ обычно темного или черного цвета. Основу составляет:

• черный никель;

оксид титана.

К селективной краске для солнечных коллекторов предъявляются высокие требования: стойкость к выгоранию, устойчивость к высоким температурам. Нанесенный слой должен иметь хорошую адгезию к медной или алюминиевой пластине. Селективное поглощающее покрытие для солнечного коллектора на основе цинка в большей мере соответствует предъявляемым требованиям.

Как аккумулируется и хранится тепло

Плоский солнечный водонагреватель устроен как парник, только с тем различием, что накопленная тепловая энергия не остается во внутреннем пространстве, а перенаправляется в накопительную емкость. Коллекторы не работают самостоятельно и требуют обязательного подключения к накопительному баку косвенного нагрева.

Процесс аккумуляции и перенаправления тепловой энергии происходит следующим образом:

• абсорбер для солнечного коллектора накапливает тепло;

металлический сердечник подсоединен к проточному трубопроводу;

жидкий теплоноситель снимает излишки тепла и направляет его в бойлер косвенного нагрева.

По принципу хранения тепла различают несколько типов плоских коллекторов:

• моноблочный солнечный водонагреватель — накопительная емкость присоединена к панелям;

блок косвенного нагрева — предусмотрено подключение к отдельно стоящему бойлеру, установленному внутри здания.

Моноблочные системы эффективны в летнее время года, на нагрев ГВС. Один м² панели обеспечит приблизительно 50 л воды, с температурой 60°С. С коллектором панельного типа, работающим по принципу косвенного нагрева можно компенсировать часть тепла необходимого для отопления здания в зимнее время года. Вместо воды в проточном трубопроводе циркулирует антифриз. Гелиоколлекторы продолжают работать до температуры –50°С.

Методика расчёта гелиоколлектора

Расчёт производительности солнечного гелиоколлектора ведут исходя из того, что на 1 кв.м установки в ясный день приходится от 800 до 1 тыс. Вт тепловой энергии. Потери этого тепла на обратной стороне и стенках сооружения рассчитываются по коэффициенту теплоизоляции используемого утеплителя. Если применять пенополистирол, то для него коэффициент теплопотерь равняется 0,05 Вт/м × °C. При толщине материала в 10 см и разности температур внутри и снаружи конструкции 50 °C потери тепловой энергии составляют 0,05/0,1 × 50 = 25 Вт. С учётом боковых стенок и труб эту величину удваивают. Таким образом, суммарное количество уходящей энергии составит 50 Вт с 1 кв.м поверхности солнечного нагревателя.

Для нагрева 1 л воды на один градус потребуется 1,16 Вт тепловой энергии, поэтому для нашей модели гелиоколлектора площадью 1 кв.м и температурного перепада 50 °C удастся получить условный коэффициент производительности 800/1,16 = 689,65/кг × °C. Эта величина показывает, что установка площадью 1 кв.м в течение часа подогреет 20 литров воды на 35 °C.

Расчёт необходимой производительности солнечного водонагревателя ведут по формуле W = Q × V × δT, где Q — теплоёмкость воды (1,16 Вт/кг × °C); V — объём, л; δT — разность температур на входе и выходе из установки.

Статистика говорит, что для одного взрослого человека требуется 50 л горячей воды в сутки. В среднем, для горячего водоснабжения достаточно поднять температуру воды на 40 °C, что при расчёте по этой формуле требует затрат энергии W = 1,16 × 50 × 40 = 2,3 кВт. Чтобы узнать площадь гелиоколлектора, это значение нужно разделить на количество солнечной энергии, приходящееся на 1 кв.м поверхности на данной географической широте.

Расчёт требуемых параметров гелиоустановки