Солнечный коллектор для отопления своими руками: как сделать

Солнечный коллектор представляет собой устройство, основным функциональным назначением которого является преобразование солнечной энергии в тепловую. В техническом плане он довольно прост.

Поэтому с определенным уровнем знаний сделать солнечный коллектор для отопления своими руками не составит большого труда.

Принцип работы и конструкционные особенности

Современные гелиосистемы применяются в качестве вспомогательного отопительного оборудования, перерабатывающего солнечное излучение в полезную владельцам дома энергию. Они способны полностью обеспечить горячее водоснабжение и отопление в холодное время года только в южных регионах. И то, если занимают достаточно большую площадь и установлены на открытых, не затененных деревьями площадках.

Несмотря на большое количество разновидностей, принцип работы у них одинаковый. Любая гелиосистема представляет собой контур с последовательным расположением приборов, и поставляющих тепловую энергию, и передающих ее потребителю. Основными рабочими органами являются солнечные батареи на фотоэлементах или солнечные коллекторы, об изготовлении которых речь пойдет в этой статье.

Солнечные коллекторы пока служат вспомогательными поставщиками энергии. Полностью переключать отопление дома на гелиосистему опасно из-за невозможности прогнозировать четкое количество солнечных дней

Коллекторы представляют собой систему трубок, соединенных последовательно с выходной и входной магистралью или выложенных в виде змеевика. По трубкам циркулирует техническая вода, воздушный поток или смесь воды с какой-либо незамерзающей жидкостью. Циркуляцию стимулируют физические явления: испарение, изменение давления и плотности от перехода из одного агрегатного состояния в другое и др.

Принцип действия солнечных коллекторов основан на получении и накапливании солнечной энергии, сообщаемой теплоносителю (+)

Сбор и аккумуляция солнечной энергии производится абсорберами. Это либо сплошная металлическая пластина с зачерненной наружной поверхностью, либо система отдельных пластин, присоединенных к трубкам.

Для изготовления верхней части корпуса, крышки, используются материалы с высокой способностью к пропусканию светового потока. Это может быть оргстекло, подобные полимерные материалы, закаленные виды традиционного стекла.

Для того чтобы исключить потери энергии с тыльной стороны прибора в короб укладывается теплоизоляция

Надо сказать, что полимерные материалы довольно плохо переносят влияние ультрафиолетовых лучей. Все виды пластика имеют достаточно высокий коэффициент теплового расширения, что часто приводит к разгерметизации корпуса. Поэтому использование подобных материалов для изготовления корпуса коллектора стоит ограничить.

Вода в качестве теплоносителя может применяться только в системах, предназначенных для поставки дополнительного тепла в осенне/весенний период. Если планируется круглогодичное использование гелиосистемы перед первым похолоданием техническую воду меняют на смесь ее с антифризом.

В воздушных гелиосистемах в качестве теплоносителя используется воздух. Каналы для его движения можно сделать из обычного профлиста (+)

Если солнечный коллектор устанавливается для обогрева небольшого строения, не имеющего связи с автономным отоплением коттеджа или с централизованными сетями, сооружается простейшая одноконтурная система с нагревательным прибором в начале ее. В цепочку не включают циркуляционные насосы и нагревательные устройства. Схема предельно проста, но работать она может лишь солнечным летом.

При включении коллектора в двухконтурное техническое сооружение все гораздо сложнее, но и диапазон пригодных для применения дней существенно увеличен. Коллектор обрабатывает только один контур. Преобладающая нагрузка возлагается на основной отопительный агрегат, работающий на электроэнергии или любом виде топлива.

Для изготовления солнечного коллектора можно воспользоваться готовой схемой, можно построить собственную пилотную модель и опробовать ее на практике (+)

Несмотря на прямую зависимость производительности солнечных приборов от количества солнечных дней, они востребованы, и спрос на солнечные устройства стабильно повышается. Популярны они среди народных умельцев, стремящихся направить все виды природной энергии в полезное русло.

Классификация по температурным критериям

Существует достаточно большое количество критериев, по которым классифицируют те или иные конструкции гелиосистем. Однако для приборов которые можно сделать своими руками и использовать для горячего водоснабжения и отопления, наиболее рациональным будет разделение по виду теплоносителя. Так, системы могут быть жидкостными и воздушными. Первый вид чаще применим.

Галерея изображений

Фото из

Элементарный воздушный коллектор можно сделать из гофрированной трубы. Еще понадобится фольгированный жесткий утеплитель и фанера или ОСП для корпуса

На дно ящика, сколоченного по размерам примерно 0,9 х 0,9 м, укладывается теплоизоляция фольгой вверх. Затем вся система покрывается черной краской из балончика

В торцевых стенках ящика выпиливаются отверстия для выхода отводов для воздуха. Трубу можно уложить с любым количеством витков, понадобится ее около 10 м

Конструкцию надо защитить от атмосферной пыли и воды: для изготовления крышки подойдет обычное стекло, поликарбонат, оргстекло или другой подобный материал

Шаг 1: Сборка коллектора из гофрированной трубы

Шаг 2: Окрашивание солнечного прибора в черный цвет

Шаг 3: Установка подводов для воздуха

Шаг 4: Изготовление крышки для солнечного прибора

Кроме этого часто используется классификация по температуре, до которой могут нагреваться рабочие органы коллектора:

• Низкотемпературные. Варианты, способные нагревать теплоноситель до 50ºС. Применяются для подогрева воды в емкостях для полива, в ванных и душевых в летнее время и для повышения комфортных условий в прохладные весенне-осенние вечера.
• Среднетемпературные. Обеспечивают температуру теплоносителя в 80ºС. Их можно использовать для обогрева помещений. Эти варианты наиболее подходят для обустройства частных домов.
• Высокотемпературные. Температура теплоносителя в таких установках может доходить до 200-300ºС. Используются в промышленных масштабах, устанавливаются для обогрева производственных цехов, коммерческих зданий и др.

В высокотемпературных гелиосистемах используется довольно сложный процесс передачи тепловой энергии. К тому же они занимают внушительное пространство, чего не может позволить себе большинство наших любителей загородной жизни. Процесс изготовления их трудоемок, реализация требует специализированного оборудования. Самостоятельно сделать подобный вариант гелиосистемы практически невозможно.

Высокотемпературные солнечные батареи на фотоэлектрических преобразователях в домашних условиях сделать довольно сложно

Собственноручное изготовление коллектора

Изготовление солнечного прибора собственными руками — увлекательный процесс, приносящий массу выгод. Благодаря ему можно рационально применять бесплатное солнечное излучение, решить несколько важных хозяйственных задач. Разберем специфику создания плоского коллектора, поставляющего в отопительную систему нагретую воду.

Галерея изображений

Фото из

Поглощающая панель сделана из сотового поликарбоната, покрытого черной краской. Верхний и нижний края панели, т.е. отрытые торцы каналов поликарбонатного листа, вставлены в разрезанные вдоль канализационные трубы

К краям труб приклеены уголки, необходимые для подключения трубопровода. В идеале их лучше приварить утюгом – сварочным аппаратом для полимерных труб. Продольные разрезы по трубам залиты клеевым пистолетом

Аккумулирующие трубки, выполненные из канализационных труб, оснащаются теплоизоляцией. Перед этим клей по швам и вокруг уголков разравнивается либо паяльником, либо строительным феном

Поглощающая панель вместе с приклеенными к ней трубками укладывается на пенопласт или другой жесткий утеплитель. Сверху конструкция перекрыта поликарбонатом, загнутым по краю

Для сборки рамы закупается металлический профиль подходящего размера. При расчете ширины учитывается толщина жесткой теплоизоляции

В заготовках для сборки рамы, раскроенных из профиля по размеру поглощающей панели, прорезаются отверстия для вывода точек подключения коллектора

Сборка деталей рамы производится шурупами, предназначенными для работы с этим профилем

Для того чтобы коллектор был направлен под оптимальным углом к солнцу, сооружается стойка из пиломатериалов или металлопроката

Шаг 1: Поглощающая панель самодельного солнечного коллектора

Шаг 2: Способ подключения к аккумулирующей трубке

Шаг 3: Теплоизоляция для аккумулирующих трубок коллектора

Шаг 4: Сборка прибора для использования солнечной энергии

Шаг 5: Металлический профиль для устройства рамы

Шаг 6: Отверстия для выхода точек подключения к водопроводу

Шаг 7: Соединение элементов рамы солнечного коллектора

Шаг 8: Изготовление стойки для собранного солнечного коллектора

Материалы для самостоятельной сборки

Наиболее простой и доступный материал для самостоятельной сборки корпуса солнечного коллектора — деревянный брусок с доской, фанерой, плитами ОСП или подобными вариантами. В качестве альтернативы можно применить стальной или алюминиевый профиль с аналогичными листами. Металлический корпус обойдется несколько дороже.

Материалы должны соответствовать требованиям, которые предъявляются к конструкциям, используемым на открытом воздухе. Срок эксплуатации солнечного коллектора варьируется от 20 до 30 лет. Соответственно, материалы должны обладать определенным набором эксплуатационных характеристик, которые позволят использовать конструкцию в течении всего срока.

Самый недорогой и простой вариант материалов для изготовления корпуса — применение пиломатериалов и стружечных плит

Если корпус выполнять из дерева, то долговечность материала можно обеспечить путем пропитки водно-полимерными эмульсиями и покрытием лакокрасочными материалами.

Основным принципом, которым следует руководствоваться при проектировании и сборке солнечного коллектора, является доступность материалов в отношении цены и возможности приобрести. То есть, их можно либо найти в свободной продаже, либо самостоятельно изготовить из доступных подручных средств.

Галерея изображений

Фото из

Существует масса подручных средств, подходящих для изготовления змеевика солнечного коллектора, например, ПВХ или ПП труба с угловыми фитингами

В приоритете гибкие сантехнические трубы ПНД или ПВХ, из которых можно собрать приемник солнечной энергии без применения фитингов

Оригинальное и весьма экономное решение — теплообменник от вышедшего из строя старого холодильника

Медная трубка — недешевый, но эффективный выбор. Согнуть ее нужно так, чтобы не создавать лишнее гидравлическое сопротивление в коленях

Практически бесплатный и достаточно действенный воздушный коллектор выйдет из использованных металлических банок

Классика жанра для экономных хозяев — пластиковые бутылки, в изобилии появляющиеся в любом загородном доме

Если в устройстве солнечного коллектора использовать темные пластиковые бутылки, нагревать теплоноситель они будут гораздо лучше

Самый трудоемкий и материалоемкий вариант — змеевик из алюминиевой или стальной трубы, нуждающейся в аккуратной гибке и сварке

Жесткая ПВХ труба с фитингами в изготовлении

Приемник солнечной энергии из гибкой ПНД трубы

Теплоприемник из теплообменника старого холодильника

Гнутая медная трубка в солнечном коллекторе

Нетривиальное использование алюминиевых банок

Пластиковые бутылки в деле сооружения коллектора

Притягивающий лучи прибор из темных пластиковых бутылок

Приемник тепла из гнутой металлической трубы

Нюансы устройства теплоизоляции

Для предотвращения потерь тепловой энергии на дно короба монтируется изоляционный материал. Это может быть пенопласт либо минеральная вата. Современная промышленность выпускает достаточно обширную номенклатуры изоляционных материалов.

Для утепления короба можно использовать фольгированные варианты утеплителей. Таким образом можно обеспечить и теплоизоляцию и отражение солнечных лучей от фольгированной поверхности.

Если в качестве изоляционного материала используется жесткая плита пенопласта или пенополистирола, для укладки змеевика или системы труб можно вырезать канавки. Обычно абсорбер коллектора укладывается на теплоизоляцию сверху и накрепко фиксируется к днищу корпуса способом, зависящим от использованного в изготовлении корпуса материала.

Теплоизоляция служит для уменьшения потерь тепловой энергии через дно корпуса. Прибор в металлическом корпусе изготавливать без теплоизоляции нерационально (+)

Теплоприемник солнечного коллектора

Это абсорбирующий элемент. Он представляет собой систему труб, в которых происходит нагрев теплоносителя, и деталей, выполненных чаще всего из листовой меди. Оптимальным материалов для изготовления теплоприемника считаются медные трубы. Домашние мастера изобрели более дешевый вариант — спиральный теплообменник из полипропиленового шланга.

Интересное бюджетное решение — абсорбер гелиосистемы из гибкой полимерной трубы. Для соединения с устройствами на входе и выходе применяются подходящие фитинги

Выбор подручных средств, из которых можно изготовить теплообменник солнечного коллектора, достаточно широк. Это может быть теплообменник старого холодильника, полиэтиленовые трубы, которые используются для водопровода, стальные панельные радиаторы и пр. Важным критерием для эффективности  является теплопроводность материала, из которого изготовлен теплообменник.

Для самостоятельного изготовления оптимальным вариантом является медь. Она обладает теплопроводностью, которая составляет 394 Вт/м². У алюминия этот параметр варьируется от 202 до 236 Вт/м².

Медные трубы считаются наиболее оптимальным вариантом для изготовления теплоприемника по теплотехническим качествам и износоустойчивости

Однако большая разница в параметрах теплопроводности между медными и полипропиленовыми трубами вовсе не означает, что теплообменник с медными трубами будет выдавать в сотни раз большие объемы горячей воды.

При равных условиях производительность теплообменника из медных труб будет на 20% эффективнее, нежели производительность металлопластиковых вариантов. Так что теплообменники, изготовленные из полимерных труб, имеют право на жизнь. К тому же такие варианты обойдутся гораздо дешевле.

Вне зависимости от материала труб, все соединения как сварные, так и резьбовые, должны быть герметичны. Трубы можно располагать как параллельно друг к другу, так и в виде змеевика. Расположение труб в виде змеевика уменьшает количество соединений, что снижает вероятность протечек и обеспечивает более равномерное движение потока теплоносителя.

Верх короба, в котором находится теплообменник, закрывается стеклом. В качестве альтернативы можно использовать современные материалы, типа акрилового аналога или монолитного поликарбоната. Светопрозрачный материал может быть не гладким, а рифленым или матовым.

В классическом варианте короб с коллектором закрывается закаленным стеклом, оргстеклом, поликарбонатом или подобным материалом. Народные умельцы приноровились вместо стекла использовать полиэтилен

Такая обработка снижает отражающие способности материала. Кроме того, этот материал должен выдерживать значительные механические нагрузки. В промышленных образцах подобных гелиосистем используется специальное солярное стекло. Такое стекло характеризуется низким содержанием железа, что обеспечивает меньшие потери тепловой энергии.

Накопительный бак или аванкамера

В качестве накопительного бака можно использовать любую емкость с объемом от 20 до 40 литров. Подойдет ряд несколько меньших по объему резервуаров, соединенных трубами в последовательную цепочку. Накопительный бак рекомендовано утеплять, т.к. нагретая на солнце вода в емкости без изоляции будет быстро терять тепловую энергию.

По сути, теплоноситель в отопительной гелиосистеме должен циркулировать без аккумуляции, т.к. полученную от него тепловую энергию нужно расходовать в период получения. Накопительная емкость скорее выполняет функцию распределителя нагретой воды и аванкамеры, поддерживающей стабильность давления в системе.

Накопительная емкость в гелиосистемах работает в качестве распределителя воды и резервуара, поддерживающего давление

Этапы сборки гелиосистемы

После изготовления коллектора и подготовки всех составляющих конструкционных элементов системы можно приступать к непосредственному монтажу.

Один из вариантов устройства змеевика из полипропиленовых труб с фитингами и тройниками поможет быстро собрать солнечный коллектор (+)

Работа начинается с установки аванкамеры, которую, как правило, размещают в самой высокой из возможных точке: на чердаке, отдельно стоящей вышке, эстакаде и т.д. При установке следует учесть, что после заполнения жидким теплоносителем системы, эта часть конструкции будет иметь достаточно большой вес. Поэтому следует убедиться в надежности перекрытия или усилить его.

После установки емкости приступают к установке коллектора. Этот конструкционный элемент системы располагают на южной стороне. Угол наклона относительно линии горизонта должен составлять от 35 до 45 градусов.

После установки всех элементов их обвязывают трубами, соединяя в единую гидравлическую систему. Герметичность гидравлической системы является важным критерием, от которого зависит эффективная работа солнечного коллектора.

По схеме сборки гелиосистемы для поставки воды в летний душ можно соорудить конструкцию, чтобы подогревать воду для полива или создавать комфортные условия прохладными вечерами (+)

Для соединения конструктивных элементов в единую гидравлическую систему используются трубы с диаметром дюйм и полдюйма. Меньший диаметр используется для устройства напорной части системы. Под напорной частью системы понимается ввод воды в аванкамеру и вывод нагретого теплоносителя в систему отопления и горячего водоснабжения. Остальная часть монтируется при помощи труб большего диаметра.

Для предотвращения потерь тепловой энергии трубы следует тщательно изолировать. Для этой цели можно использовать пенопласт, базальтовую вату либо фольгированные варианты современных изоляционных материалов. Накопительная емкость и аванкамера также подлежат процедуре утепления.

Наиболее простым и доступным вариантом теплоизоляции накопительной емкости является сооружение вокруг нее короба из фанеры или досок. Пространство между коробом и емкостью следует заполнить утепляющим материалом. Это может быть шлаковата, смесь соломы с глиной, сухие опилки и пр.

Гелисистема устанавливается так, чтобы солнечные коллекторы были расположены на самой освещенной стороне дома или участка (+)

Испытание перед вводом в эксплуатацию

После монтажа всех элементов системы и утепления части конструкций можно приступать к заполнению системы жидким теплоносителем. Первоначальное наполнение системы следует производить через патрубок, расположенный в нижней части коллектора. То есть, наполнение происходит снизу в верх. Благодаря таким действиям можно избежать возможного образования воздушных пробок.

Вода или другой жидкий теплоноситель поступает в аванкамеру. Процесс наполнения системы заканчивается тогда, когда из дренажной трубы аванкамеры начинает литься вода. При помощи поплавкового клапана можно отрегулировать оптимального уровня жидкости в аванкамере. После наполнения системы теплоносителем он начинает нагреваться в коллекторе.

Процесс повышения температуры происходит даже в пасмурную погоду. Нагретый теплоноситель начинает подниматься в верхнюю часть накопительного бака. Процесс естественной циркуляции происходит до тех пор, пока температура теплоносителя, который поступает в радиатор, не выровняется с температурой носителя, выходящего из коллектора.

При расходе воды в гидравлической системе будет срабатывать поплавковый клапан, находящийся в аванкамере. Таким образом, будет поддерживаться постоянный уровень. При этом холодная вода, поступающая в систему, будет находится в нижней части емкости накопителя. Процесс перемешивания холодной и горячей воды практически не происходит.

В гидравлической системе следует предусмотреть установку запорной арматуры, которая будет препятствовать обратной циркуляции теплоносителя из коллектора в накопитель. Это происходит в том случае когда температура окружающей среды опускается ниже, чем температура теплоносителя. Такую запорную арматуру, как правило, используют в ночное и вечернее время.

Подводка к местам потребления горячей воды осуществляется при помощи стандартных смесителей. Обычные одинарные краны лучше не использовать. В солнечную погоду температура воды может доходить до 80 градусов. Пользоваться такой водой, текущей из обычного крана, довольно неудобно. Таким образом смесители позволят существенно сэкономить горячую воду.

Производительность такого солнечного водонагревателя можно повысить путем добавления дополнительных секций коллекторов. Конструкция вполне позволяет монтировать от двух до неограниченного количества штук.

Производительность гелиосистемы увеличивается путем установки большего количества солнечных коллекторов

В основе такого солнечного коллектора для отопления и горячего водоснабжения лежит принцип парникового эффекта и так называемый термосифонный эффект. Парниковый эффект используется в конструкции нагревательного элемента. Солнечные лучи беспрепятственно проходят через прозрачный материал верхней части коллектора и преобразуются в тепловую энергию.

Тепловая энергия оказывается в замкнутом пространстве благодаря герметичности короба секции коллектора. Термосифонный эффект используется в гидравлической системе, когда нагретый теплоноситель поднимается вверх, при этом вытесняя холодный теплоноситель и заставляя его двигаться в зону нагрева.

Благодаря термосифонному эффекту в системе происходит стабильная и непрерывная естественная циркуляция теплоносителя

Производительность солнечного коллектора

Основным критерием, который влияет на производительность гелиосистем, является интенсивность солнечного излучения. Количество падающего на определенную территорию потенциально полезного солнечного излучения называется инсоляцией.

Величина инсоляции в разных точках земного шара варьируется в достаточно широких пределах. Для определения средних показателей этой величины существуют специальные таблицы. Они отображают среднюю величину солнечной инсоляции для того или иного региона.

Данные по солнечной инсоляции в определенном регионе можно получить из специальных карт и таблиц (+)

Кроме величины инсоляции на производительность системы влияет площадь и материал теплообменника. Еще одним фактором, влияющим на производительность системы, является объем накопительного бака. Оптимальная емкость бака рассчитывается, исходя из площади адсорберов коллектора.

В случае с плоским коллектором это общая площадь труб, которые находятся в коробке коллектора. Эта величина, в среднем значении, равняется 75 литрам объема бака, на один м² площади трубок коллектора. Накопительная емкость является своеобразным тепловым аккумулятором.

Цены на заводские приборы

Львиная доля финансовых затрат на сооружение подобной системы приходится на изготовление коллекторов. Это не удивительно, даже в промышленных образцах гелиосистем около 60% стоимости приходится на этот конструкционный элемент. Финансовые затраты будут зависеть от выбора того или иного материала.

Надо отметить, что подобная система не в состоянии отопить помещение, она лишь поможет сэкономить на затратах, помогая подогреть воду в системе отопления. Она сможет как минимум полностью обеспечить горячей водой в течении 6-7 месяцев. Учитывая довольно большие затраты энергии, которые расходуются на нагрев воды, солнечный коллектор, интегрированный в систему отопления, существенно снижает подобные затраты.

Солнечный коллектор довольно просто интегрируется в систему отопления и горячего водоснабжения (+)

Для ее изготовления используются довольно простые и доступные материалы. К тому же подобная конструкция является полностью энергонезависимой и не нуждается в техническом уходе. Уход за системой сводится к периодическому осмотру и очистке стекла коллектора от загрязнений.

Выводы и полезное видео по теме

Процесс изготовления элементарного солнечного коллектора:

Как собрать и ввести в эксплуатацию гелиосистему:

Естественно, самостоятельно сделанный солнечный коллектор не сможет конкурировать с промышленными моделями. Использую подручные материалы, довольно сложно добиться высокого КПД, которым обладают промышленные образцы. Но и финансовые затраты будут гораздо меньше по сравнению с приобретением промышленных установок. Тем не менее, сделанный самостоятельно солнечный коллектор существенно повысит уровень комфорта и сократит расходы на энергию, которая вырабатывается классическими источниками.