Солнечные коллекторы превращают солнечную энергию в тепло. Они являются составной частью термической солнечной установки, применяемой для нагрева хозяйственно-питьевой воды и отопления.
Строение солнечного коллектора
Коллектор поглощает солнечное излучение и превращает его благодаря поглотителю (например, темный листовой металл) в тепло.
Тепло поглощается жидкостью-теплоносителем (солнечной жидкостью), которая течет по медным трубам в поглотитель. Затем тепло по теплообменнику передается хозяйственно-питьевой воде.
 |
 |
Виды солнечных коллекторов.
Двумя самыми распространенными видами солнечных коллекторов являются плоский коллектор и коллектор, состоящий из вакуумных труб. Плоский коллектор состоит из плоского слоя поглотителя, стеклянного покрытия, рамы и изоляционного материала.В коллекторе, состоящем из вакуумных труб, поглотитель располагается в вакуумной стеклянной трубке, что сокращает потерю тепла. Коллекторы, состоящие из вакуумных труб, более мощные, но и стоят дороже, чем плоские коллекторы. Коллекторы, состоящие из вакуумных труб, особенно хорошо подходят, если место для установки небольшое.Другим видом являются воздушные коллекторы, которые размещаются в помещениях и нагревают поступающий воздух. Так как в большинстве случаев для производства тепла используется циркуляция воды, то воздушные коллекторы до сих пор не получили широкого распространения.
Жидкость – теплоноситель.
Жидкости, которые применяются для теплопереноса, называются жидкостью – теплоносителем. Они являются основной составной частью солнечных тепловых установок.
В солнечных тепловых установках в качестве жидкости-теплоносителя используется морозоустойчивая смесь воды и пропиленгликоля, которая протекает по коллектору и отдает полученное солнечное тепло по теплообменнику хозяйственно-питьевой воде. Используемая в солнечных тепловых установках жидкость должна быть, с одной стороны, морозоустойчивой зимой, чтобы не нанести вред обледенением коллектору или трубопроводу, а, с другой стороны, она не должна испаряться при высокой температуре. Кроме того, следует обратить внимание на то, что эта жидкость биологически расщепляема.Согласно DIN 4757 T1 жидкость помимо этого не должна быть токсичной, едкой или раздражающей. Между тем, в большинстве случаев применяется смесь из 60% воды и 40% пропиленгликоля. Она является морозоустойчивой до температуры -23 градуса и ее температура кипения составляет150градусов.
Теплообменник.
Теплообменник перемещает тепло из одной среды в другую.Теплообменники используются в солнечных тепловых установках для того, чтобы перемещать тепло из солнечной установки в содержащуюся в аккумуляторе хозяйственно-питьевую воду и поддерживать ее температуру.Внутренние теплообменники располагаются непосредственно в солнечном аккумуляторе, внешние теплообменники, напротив, расположены не в аккумуляторе, а встроены в систему управления. Внутренние теплообменники делятся на состоящие из гладких труб, которые обычно поставляются уже вмонтированными в систему, и из ребристых труб, которые устанавливаются непосредственно у потребителя.Внешние теплообменники используются чаще всего в больших установках. У них есть преимущество: от одного теплообменника можно зарядить несколько аккумуляторов, их пропускная мощность выше и они почти не покрываются известью. Но они дороже, чем внутренние теплообменники, и требуют дополнительного насоса.
Плоский коллектор.
Одним из самых распространенных видов солнечного коллектора является плоский коллектор.
о производство стоит недорого, но в сравнении с коллекторами, состоящими из вакуумных труб, плоские коллекторы теряют больше тепла.Плоские коллекторы состоят из плоскостного поглотителя, прозрачного не дающего бликов стеклянного покрытия, теплоизоляции с оборотной стороны и рамы (чаще всего из алюминия или листовой стали).
Поглотитель чаще всего представляет собой покрытый темной краской стальной лист (например, медь, алюминий), который соединен с теплопроводящими трубами. Слой поглотителя «собирает» солнечные лучи и превращает их в тепло, которое потом передается жидкой среде (жидкости-теплоносителю, чаще всего смесь воды и гликоля). А она уже передает тепло в солнечный аккумулятор.Стеклянное покрытие коллектора защищает его поглотитель от влияния окружающей среды и должно минимизировать потерю тепла (парниковый эффект). Подавление бликов защищает от отражения солнечных лучей и увеличивает, таким образом, получение тепла коллектором. Теплоизоляция (чаще всего изоляционный материал из минерального волокна) минимизирует потерю тепла боковыми и задней стенкой коллектора.
Коллектор, состоящий из вакуумных труб.
Коллектор, состоящий из вакуумных труб, также как плоский коллектор, собирает солнечные лучи и превращает их в тепло.В коллекторе, состоящем из вакуумных труб, множество труб соединено в один коллектор.
Трубы сделаны из стекла и эвакуированы, чтобы предотвратить потерю тепла, то есть, в них содержится вакуум.Поглотитель в виде полосы стального листа вставляется в каждую трубу. В большинстве случаев он легко вращается, что позволяет идеально выровнять его по солнцу. Это увеличивает поступление тепла в коллектор.
Виды.
Существует два вида коллекторов, состоящих из вакуумных труб, которые отличаются по принципу действия: вакуумные трубы, по которым жидкость протекает напрямую, и так называемые «жаротрубные».В вакуумных трубах, по которым жидкость протекает напрямую, жидкость-теплоноситель течет по тепловой трубе (которая располагается в стеклянной трубе) и при этом забирает тепло из поглотителя. Этот вид коллектора монтируется на южной стороне под углом, либо горизонтально на плоской крыше.В «жаротрубной» системе тепловая труба при помощи вакуума заполняется водой или спиртом. Он испаряется уже при низкой температура (около 25 градусов). Возникший пар конденсируется в верхнем конце тепловой трубы и по конденсатору передается жидкости-теплоносителю. Конденсат стекает обратно в трубу. В это м случае «жаротрубные» коллекторы должны располагаться под углом 25градусов.
При помощи коллектора, состоящего из вакуумных труб, можно достичь более высоких температур, чем при помощи плоского коллектора. Минусом коллектора, состоящего из вакуумных труб, является более высокая цена в сравнении с плоским коллектором. Кроме того, большинство коллекторов, состоящих из вакуумных труб, нельзя монтировать в крышу. Однако, они очень удобны, если место для установки небольшое.
Монтаж в крышу.
При монтаже в крышу солнечной установки солнечный коллектор или солнечный модуль встраивается в крышу. Этот вид монтажа больше всего подходит для наклонных крыш.Тем временем некоторые фирмы предлагают коллекторы и модули, которые механически и оптически монтируются в крыши. «Солнечная» черепица соответствует последнему слову техники, она покрывает всю площадь крыши коллекторами и модулями.Монтаж в крышу с оптической точки зрения является самым привлекательным вариантом. Минусом является плохое проветривание задней стенки солнечных модулей, что может привести к плохой производительности модуля (Чем выше КПД модуля, тем он холоднее).
При установке солнечной системы на здание с наклонной крышей установка модулей на крыше обойдется дешевле, чем их монтаж в крышу, так как в этом случае кровля нарушается только в нескольких местах и это не нарушает герметичность крыши.
«Солнечная» черепица.
«Солнечная» черепица – это оптически очень хорошее решение установки солнечной системы на крыше. Преимуществом этого вида монтажа является простота управления. Однако, в сравнении с обычными системами его цена выше.
Существуют различные виды «солнечной» черепицы для установок, производящих электричество из солнечной энергии, и для установок, производящих тепло из солнечной энергии. Для установок, производящих электричество, солнечные модули могут быть встроены в черепицу, специальной формы. При этом солнечные модули будут крепиться на крыше так, что не потребуется дополнительная система монтажа, а благодаря специальным штекерным соединениям они будут прочно крепиться друг к другу.
В будущем эту систему можно будет легко расширить. Другой вариант, который подходит также для установок, производящих тепло, – это специальное кровельное покрытие, в которое встроены солнечные коллекторы или модули, что оптически и технически дополняет традиционную крышу. Сейчас существует множество производителей данного продукта. «Солнечную» черепицу сейчас предпочитают использовать и на зданиях, которые являются памятниками архитектуры.
Солнечный накопитель.
Солнечный накопитель хранит подогретую солнечной системой воду для дальнейшего использования. Он является основной составной частью солнечной нагревательной установки.В верхней части накопителя находится самая теплая вода, а в нижней – самая холодная.
Расслоение обеспечивается природным принципом: теплая вода легче, поэтому она поднимается наверх. В этой системе теплая вода берется из верхней части, а в нижнюю добавляется холодная вода.Хорошие солнечные накопители отличаются низкой потерей тепла, хорошим температурным расслоением и коррозионной стойкостью.Солнечный накопитель может подключаться как к солнечному коллектору, так еще и к системе дополнительного подогрева (например, к газовому бойлеру), что позволяет в случае необходимости подогреть воду. Поэтому традиционные накопители хозяйственно-питьевой воды нельзя использовать как солнечные накопители.
Установка солнечной системы.
Оптимально расположить солнечную установку так, чтобы коллектор или модуль находились на южной стороне. Но даже при отклонении от оптимального расположения производительность установки падает минимально. Отклонения на юго-запад / юго-восток не более чем на 50 градусов не влекут за собой потерю производительности.
При отклонении на юго-запад /юго-восток потери производительности составляют лишь 5%. А расположение установки на восток или запад сокращает производительность лишь на 20% в сравнении с оптимальным расположением. В обоих случаях потерю производительности можно сократить приподняв коллектор или модуль.
Угол наклона, под которым солнечная система устанавливается на крышу или фасад, играет важную роль для потери производительности. Угол наклона для установок, производящих тепло, должен составлять 45 градусов, для установок, производящих электричество, – 30 градусов.
Азимутальный угол.
Азимутальный угол позволяет расположить солнечный коллектор или солнечный модуль строго на юг.Наряду с азимутальным углом важную роль играет угол наклона и сезонное положение солнца.
Угол наклона указывает, на сколько градусов от горизонтальной поверхности должен быть отклонен солнечный коллектор или солнечный модуль.
Монтаж на плоской крыше.
Солнечные коллекторы и солнечные модули располагаются на плоской крыше под углом. При установке солнечных коллекторов и солнечных модулей следует обратить внимание на некоторые моменты.Чтобы произвести установку на плоскую крышу сначала надо выяснить, допускает ли статика крыши монтаж, то есть, способна ли площадь крыши, сама крыша и стены нести дополнительную нагрузку.Это не само собой разумеется, так как плоская крыша должна выдерживать собственный вес, а также ветровую и снеговую нагрузку.
Специалист должен проверить не только нагрузочную способность крыши, но и дополнительную нагрузку от ветра и снега на солнечный коллектор или модуль. Кроме того, площадь крыши должна быть достаточно большой и не должна быть сильно разделена (каминными трубами, надстройками на крыше и тому подобным), чтобы необходимая для коллектора или модуля площадь была по возможности большой и элементы установки не были бы затемнены.
Так как работы по ремонту крыши после установки солнечной системы требуют больших затрат труда, и в зависимости от обстоятельств, демонтажа установки, то следует уплотнить крышу во время монтажных работ, чтобы во время эксплуатации солнечного коллектора или модуля (срок их эксплуатации 20 лет и больше) свести ремонтные работы к минимуму. Исключением являются коллектор, состоящий из вакуумных труб. Обычно модули располагаются под углом так, чтобы получить максимальную производительность. Но их можно располагать на крыше и горизонтально. Поглотитель в них можно повернуть так, чтобы он находился под оптимальным углом к солнцу.
Затемнение.
Затемнение играет особо важную роль для солнечных установок, так как самый слабый элемент солнечной батареи определяет общую производительность всего модуля. В тепловых солнечных установках влияние частичного затемнения коллектора является менее существенным, однако, все же сокращает его производительность.
Существуют различные виды затемнения солнечных установок. Временное затемнение из-за зелени, снега, экскрементов птиц, пыли и тому подобное, обычно устраняются благодаря самоочистке коллектора или модуля (смываются дождевой водой). Чем больше наклон установки, тем лучше работает самоочистка. Проблематичным является затемнение, вызванное местоположением, особенно тенью от дымовых труб, соседних зданий, деревьев или антенн. При монтаже следует обратить внимание на то, чтобы на установку не падала тень. Сама по себе маленькая тень может повлечь серьезные потери производительности, так как самый слабый элемент солнечной батареи задает силу тока. Если он затемнен, то общая производительность установки заметно падает. Так тень от антенны может снизить производительность системы на 10-50%. При оптимальном расположении модуля можно сократить потери производительности, вызванные затемнением. Поэтому прежде, чем монтировать установку, имеет смысл провести исследование зон затемнения. Так же следует обратить внимание на то, что модули должны располагаться на расстоянии, чтобы не мешать работе друг друга.
Элемент солнечной батареи.
| |
|
Солнечные модули установки, производящей энергию, состоят из элементов солнечной батареи. Существуют следующие виды элементов: монокристаллические, мультикристаллические и тонкослойные. Элементы состоят из полупроводников, чаще всего из кремния. Они бывают круглой или квадратной формы.
Множество элементов составляют модуль, в котором элементы солнечной батареи соединены таким образом, что по ним может течь постоянный ток. Для этого физического процесса не требуется никакого материала, то есть, элементы солнечной батареи почти производят ток.В монокристаллических элементах материал (кремний) на атомном уровне размещается в обычных кристаллах. Эти элементы долговечны и имеют высокий КПД.
В мультикристаллических элементах материал при изготовлении состоит из множества отдельных кристаллов, которые выглядят как ледяной узор. В тонкослойных элементах тонкий слой полупроводника наносится непосредственно на стекло или фольгу их высококачественной стали. Для этого используется совсем мало материала, таким образом, их стоимость изготовления ниже, чем при других методах изготовления. Но и КПД и срок эксплуатации тонкослойных элементов ниже и меньше. В качестве материала используются, например, аморфный кремний, арсенид галлия, кадмий-теллурид, медь-индий-селенид.
Кремний (обзор).
Кремний является вторым после кислорода самым распространенным элементом на земле. Путем химической очистки его добывают из кварцевого песка. Очищенный он используется как в электронной промышленности, так и для производства элементов солнечных батарей.
В технике, работающей на энергии солнца, большая часть элементов производится на основе монокристаллического и поликристаллического кремния. также солнечная индустрия использует отходы электронной промышленности. Используемый там материал имеет высокую степень очистки, а для производства элементов солнечной батареи напротив достаточно кремния низкого качества. При производстве элемента солнечной батареи готовые слитки кремния режутся на пластинки. Эти пластинки должны быть очень тонкими, и в зависимости от формы исходного материала напоминают облатки. Так как производство монокристаллической пластинки кремния очень дорого, то при производстве в больших масштабах чаще всего прибегают к использованию поликристаллического кремния, чей энергетический КПД однако является ниже. Произведенные таким образом тонкие полосы полупроводников являются основой для производства элемента солнечной батареи. Чтобы избежать возможных проблем, связанных с нехваткой материала, и связанного с этим повышения цены, солнечная индустрия намеревается сейчас открыть свое производство кремния. В последние годы исследуется использование так называемого «грязного» кремния. Расходы на изготовление пластинок кремния составляют небольшую часть расходов на использование кремния высокой чистоты.
Аморфный кремний.
Элементы солнечной батареи из аморфного кремния не требуют больших затрат при производстве, так как оно является безотходным. Но его КПД составляет, однако, лишь 6-8% где-то у половины кристаллических элементов солнечной батареи.
С другой стороны, аморфные элементы используют рассеянный солнечный свет эффективней и выход энергии при повышении температуры элементов больше. Аморфный кремний не обладает кристаллической структурой (если сравнивать с монокристаллическим или поликристаллическим кремнием). Исходным материалом для производства фотоэлемента является силан (кремневодород), который наносится на материал основания (например, стекло или металлическую фольгу). Возникший подобным образом кремневый слой в 100 раз тоньше кристаллического кремневого фотоэлемента. Поэтому он и называется тонкослойный.
Система установки (обзор).
Для различных вариантов установки солнечных систем на зданиях или открытых площадях существуют различные фиксирующие конструкции. Важную роль при выборе фиксирующей системы играет вид коллектора или модуля (например, обрамленный и необрамленный). Сначала следует решить, будет ли солнечная система установлена на крыше или фасаде здания, либо она будет вмонтирована в крышу или фасад.При установке на крышах солнечных систем в случае, если крыша наклонная, используются множество крепежных систем, которые предназначены специально для установки солнечного коллектора или модуля. При этом речь идет, например, о системе реек из алюминия или высококачественной стали.Для вмонтирования в крышу, в случае, если крыша имеет наклон, существуют профили или специальная черепица, к которым уже прикрепляются маленькие солнечные модули. При этом виде установки важно не повредить саму крышу. При установке модуля или коллектора на плоской крыше используются, так же как и в случае наклонной крыши, металлические конструкции, бетонное основание или заполненные синтетическим материалом или цементом формы, которые под углом прикрепляются к кровле. При этом следует обратить внимание на статистическую характеристику плоской крыши. Система реек крепится либо на крышу, чтобы противостоять силе ветра, либо бетонными плитками (если конструкция металлическая), либо утяжеляется гравием (в случае использования форм), но не прилегает непосредственно к кровле. Крыша должна выдержать подобную нагрузку. При вмонтировании солнечных элементов в крышу, если она плоская, используются специальные полотнища, благодаря которым можно разматывать гибкие элементы солнечной системы.Солнечные системы при установке на фасады зданий различаются по своим функциям. Они могут размещаться перед фасадом, в этом случае они служат как производители энергии, оформление фасада и защита от ветра. Для этого существуют специальные рейки и скобы. В случае если солнечные модули или коллекторы интегрируются в фасад здания, то они берут на себя дополнительную функцию в качестве чехла для здания.
Монтаж на фасад
Интегрирование солнечных систем в фасад используется прежде всего если это большое офисное здание, либо большой многоквартирный дом.Некоторые производители солнечных модулей предлагают сделанные специально на заказ светопроницаемые модули, однако, они довольно дорого стоят.При использование этого метода различаются холодный и теплый фасады. Если фасад холодный, солнечные модули или коллекторы устанавливаются аддитивно, то есть, дополнительно перед фасадом и служат как производители энергии, отделка фасада и защита от ветра.Если фасад теплый, то солнечная система берет на себя дополнительную функцию в качестве чехла для здания. Существуют специальные модули из изоляционного стекла, которые также обладают звукоглушительным качеством.
Планирование солнечных систем при помощи компьютера.
Солнечные системы очень часто создаются при помощи симулирующих программ. Эти компьютерные программы дают сведения о размере всей установки и ее отдельных компонентов, о ее эффективности и экономичности.
При конструировании и дополнительном анализе эти программы могут сыграть важную роль. В то время как при конструировании стандартных систем используются обычные компьютерные программы, то в случае поиска ошибок в расчетах или при планировании или конструировании индивидуальных систем используются специальные программы – симуляторы. При этом данные программы используются в разных сферах, начиная с планирования больших солнечных систем, систем поддержания отопления, воздушных коллекторов до установок для бассейнов и даже солнечных электростанций. С их помощью также можно рассчитать влияние затемнения.
Большинство производителей элементов солнечных систем имеют в своем распоряжении компьютерные программы, которые настроены на их продукцию. Существуют также производители независимых программ – симуляторов.Преимущество симуляторов заключается в том, что покупатель получает солнечную систему, соответствующую его потребностям, и может рассчитать оптимальное сочетание цены и пользы.
Как солнечная система устанавливается на крышу?
При установке солнечной системы на крыше солнечный коллектор или модуль монтируется при помощи специальных комплектов для монтажа в 5-15см от кровли. Комплекты для монтажа делаются по большей части из оцинкованного железа, алюминия и высококачественной стали.Монтажные рейки цепляют за стропила. Особенно легко устанавливать системы, где коллекторы и модули вставлены непосредственно в рейки. Этот метод не требует дополнительных соединений. При установке солнечной системы на здание с наклонной крышей монтаж на крыше дешевле, нежели встраивание солнечной системы в крышу, так как черепица будет проломана лишь в нескольких местах, что не нанесет вреда герметичности крыши. Но встраивание модулей и коллекторов в крышу является самым оптически симпатичным вариантом, так как на крыше не будет никаких дополнительных конструкций.
«Островная» солнечная система.
| |
|
|
«Островными» солнечными системами называются системы, которые не связаны с общей электросетью, и которые сохраняют в аккумуляторах электричество, произведенное солнечной установкой. Электричество, произведенное при помощи солнечной системы, сохраняется либо в виде постоянного тока, либо при помощи инвертора преобразуется в переменный ток. Эта система применяется в тех случаях, когда нет доступа к электричеству, соответственно, когда подключение к общей системе будет стоить столько же или дороже, чем использование «островной» солнечной системы, как, например, электричество для беседки или отдельно стоящего здания (хижина пастуха). «Островными» системами также считаются системы освещения дорог, строительных площадок, счетчики времени на платных стоянках, карманные калькуляторы, если они работают на солнечной энергии. В малозаселенных развивающихся странах «островные» солнечные системы зачастую являются единственной возможностью провести электричество в захолустные деревни (так называемые «сельские домашние системы). При хранении электричества, полученного из солнечной энергии, теряется от 10% до 30% произведенной энергии. «Островные» солнечные системы должны отвечать поставленным требованиям, так как расширение этих систем, как раз в области сохранения энергии, как правило проблематично.
Постоянный ток.
Постоянным током называется электрический ток, который постоянно течет в одном направлении. В отличие от переменного тока, постоянный ток изображается графически как прямая линия, а не как синус (смотри рисунок). Электричество течет от плюса к минусу (техническое направление тока).
Солнечные установки производят постоянный ток, который затем преобразуется при помощи инвертора в переменный ток и подается в общую электросеть. Проводка для постоянного тока имеет больший диаметр, чем для переменного тока. Если солнечная система установлена, то ее уже тяжело перенести, и это влечет дополнительные затраты. Поэтому проводку для постоянного тока делают на сколько это возможно короче. Именно поэтому в солнечной системе инвертор располагают рядом с модулем. Постоянный ток используется по большей части в приборах с небольшой мощностью, например, в карманных фонарях или автомобильных аккумуляторных батареях.
Инвертор.
Произведенный солнечными модулями ток преобразуется при помощи инвертора из постоянного в переменный. Инвертор является связующим звеном между модулями, которые производят постоянный ток, и общей электросетью. Кроме того, этот прибор хранит эксплуатационные параметры и следит за подключением к сети солнечных систем. Размер инвертора зависит от мощности солнечной установки. Также инверторы отличаются по методу установки.
Модульные инверторы прикрепляются к модулю, производящему солнечное электричество, и непосредственно в нем и преобразуют постоянный ток в переменный. Это обеспечит работу модулей на максимальной мощности. Если несколько модулей соединено между собой (параллельно или в ряд), то самый слабый модуль определяет общую мощность установки. Использование модульных инверторов предпочтительно тогда, когда отдельные модули в течение дня находятся в тени или мощность постоянного тока должна накопляться. Если несколько солнечных систем связано в линию и ток подается в инвертор от всей системы, то этот инвертор называется линейным. Минусом этого метода является то, что проводка постоянного тока, связывающая модуль и инвертор, достаточно длинна. Проводка для постоянного тока из-за величины диаметра жесткая и поэтому ее очень тяжело прокладывать. К тому же, в сравнении с проводкой для переменного тока проводка для постоянного тока стоит дороже.
Солнечное электричество.
При генерировании солнечного тока солнечное излучение преобразуется при помощи солнечных модулей в электрическую энергию. Этот вид производства энергии называется фотоэлектричество. Солнечный модуль состоит из множества элементов. Эти элементы производят постоянный ток из солнечного света. Постоянный ток можно использовать, например, для зарядки батарей (аккумуляторов) и, таким образом, хранить ток. В этом случае речь идет о так называемой «островной» установке. Однако можно преобразовать постоянный ток в переменный и подключиться к общей электросети.
Источник: www.ppu21.ru
Высокоэффективный солнечный коллектор своими руками
Введение.
Жаль, что в интернете практически нет ни одной нормальной статьи, о том, как сделать высокоэффективный солнечный коллектор своими руками. В основном, интернет завален всякой ерундой, типа того, как сделать коллектор из радиатора холодильника или из пластикового мусора. Возможно, это будет неплохим решением для дачи, но для нормальной работы такой солнечный водонагреватель нам не подойдет, так как я планирую использовать свои коллекторы для поддержания отопления и ГВС в своем доме. Что из этого получится, вы обязательно узнаете в будущих статьях!
На сегодня, могу с уверенностью сказать, что мой коллектор весьма неплох. Во-первых, он полностью медный. Во-вторых – он покрыт самодельным селективным покрытием, пусть далеко не самым эффективным, но лучше чем черная матовая краска.
В пасмурную погоду, в феврале он нагревался до +40С, а при наличии солнца кипятил воду. Недавние испытания на нагрев показали, что коллектор, в сухом состоянии, при уличной температуре +35С (летом) нагревался до +156С, под прямым солнечным излучением и одинарном остеклении.
Очень жаль, что статья пока «туго» выдается поисковиками. По запросу «солнечный коллектор своими руками» я далеко не на первых страницах. Если вам действительно понравилась эта статья, и вы почерпнули что-то полезное и интересное – не поленитесь поделиться ссылкой на мою статью где-нибудь на просторах интернета. Пусть люди знают, что сделать хороший солнечный коллектор своими руками под силу каждому любителю! Я все очень подробно описал, а если у вас остались вопросы – задавайте их на форуме, с радостью отвечу.
Начнем…
Идея использовать солнечную энергию «на шару» волновала меня давно. Когда я начал искать коммерческие предложения различных фирм, занимающихся солнечными коллекторами – то понял, что шара бесплатной не бывает! Все фирмы, увы, озвучивали весьма нескромные цифры…
Человек я со средним достатком, и такую сумму «выложить» за солнечную установку, наверное пока не в состоянии. Поскольку, с детства любил мастерить, начал обдумывать идею сделать солнечный коллектор своими руками. Но не такой примитивный, который бы только летом работал, для душа, а такой что б и зимой мог воду согреть – при наличии солнца, разумеется!
Много я форумов перечитал, видео в YouTube пересмотрел, даже книжки читал 🙂 И вот решился. Сразу скажу, что коллектор мой хоть и самодельный, но не очень прям бесплатный – цветной метал, он всегда был не дешевым.
Изготовление медного абсорбера
Абсорбер – поглощающая панель, которая воспринимает на себя солнечное излучение и нагревается! Ни один солнечный коллектор не будет без нее работать – это его основа! Было решено делать медный абсорбер по трем причинам. Первая – это легкость работы с этим материалом. Легко гнется и паяется в домашних условиях. Вторая – высокая теплопроводность, что важно для эффективного коллектора. Третья – из меди можно непосредственно получить селективное покрытие, черный оксид меди II – CuO. Был существенный недостаток – это цена. Просмотрев все предложения в интернете я нашел цену около 110 грн за кг. Это была медная лента, толщиной 0.2 мм и шириной 30 см. Длина ее как бы не ограничена. Я заказал себе 8 метров ленты, что составило около 4.4 кг и обошлось мне почти в 500 грн с доставкой!
Радиатор я спаял из двух труб, длиной по 125 см диаметром 22мм и 10 труб длиной 2м и диаметром 9.5 мм (продается как 10мм). Трубы эти мне удалось найти недорого 🙂 Спасибо добрым людям!
Медный абсорбер.
Общий вид радиатора. Толстые трубы – 22мм. Тонкие – 10мм.
В толстых трубах, я через каждые 10 см просверлил отверстия диаметром 9.5мм. Далее вставил тонкие трубы в полученные отверстия так, чтобы они не сильно глубоко торчали внутри толстой трубы (иначе будет сильное гидравлическое сопротивление). Трубы торчали максимум на 5- 10 мм. Затем я это все дело припаял. Паял трубы первый раз в жизни. Использовал мягкий припой SANHA и флюс той же фирмы. Паялся он очень легко. Использовал самую недорогую газовую горелку TOPEX. Хотя нет! Были дешевле, без пьезоэлемента – я решил купить с пьезо!
Стыки труб.
Использовать специальные переходники оказалось дороговато.
Солнеыный коллектор не должен протекать!!!
Когда весь радиатор был спаян, на концы припаял две заглушки и две резьбы на 3/4 дюйма. Припаял по диагонали. После этого, с одной стороны вкрутил заглушку, а с другой – штуцер, чтобы на него можно было надеть шланг от компрессора. Залил водой и начал опрессовывать. Накачал в него около 7 бар. Радиатор нигде не тек – исключения составили только резьбовые соединения – видимо мало фумленты намотал. Лучше конечно без воды, а просто воздухом, и помещать спаянные соединения в емкость с водой – тогда пузырьки воздуха сразу дадут знать о плохой пайке. Не было у меня такой емкости – поэтому я залил воду внутрь радиатора.
Абсорбера и резьба на 3/4.
Резьба на 3/4 дюйма. С другой стороны, по диагонали точна такая же.
После удачной опрессовки я приступил к припаиванию медной ленты. Если на пайку радиатора у меня ушло 3-4 часа, то следующий процесс занял у меня три долгих и мучительных дня! Я нарезал ленту полосками по 1м. Всего нарезал 7 полосок. И далее спаял их в одно общее полотно. Паял внахлест по 5 – 10 мм. В итоге, я получил полотно размером примерно 1мх2.07м – на это ушел целый день.
Медная лента.
Две полоски чистой медной ленты. Длина 1м. Ширина 30см.
Медная лента спаяна.
Все полосы воедино. Слева – 4 жертвы экспериментов с чернением. Отмытые ортофосфорной кислотой. Далее 3 “чистых” полоски.
После этого, набравшись сил, я приступил к припаиванию полотна к ранее изготовленному радиатору. Для хорошего теплообмена припаивать надо не тяп-ляп и там-сям а нормально, по всей длине трубы! Итого мы получили задачу в припайке 20 метров труб. Паял я феном, пока не кончился дорогой мягкий припой SANHA. Далее вход пошла газовая горелка и базарный (самопальный) припой аля «ПОС 40», который паялся очень тяжело. В ход пошел и отцовский припой, часть которого паялась нормально, а часть еле-еле. В общем, припоя ушло наверное грамм 500 – 700, а он весьма не дешевый. Например, 250г хорошего припоя SANHA мне обошлись в 160 грн. Базарный – значительно дешевле, а отцовский – бесплатно 🙂
Пайка абсорбера.
Прижмал трубы стопкой кирпичей. Также аккуратно, без фанатизма, ровнял резиновым молотком. Придерживал рукой…
Отдельно хочу сказать про место стыка медной ленты и тонких медных труб. Ленту, от температурных расширений ведет очень сильно, она становится вся волнистая и бугристая. Поэтому трубу надо хорошо прижимать к ленте, чтобы зазор был минимальным! И как раз в этот зазор должен попасть припой. Этот важный процесс занял у меня 2 полных дня, прерываясь на обед.
Зазор между трубой и медной лентой.
Видны припаяная трубка и еще свободная. Такие зазоры в свободной трубе не допустимы. Она должна максимально плотно прижиматься к ленте.
Все, пайка была завершена! До сих пор у меня есть опасения по поводу использования мягкого припоя. Температура плавления которого составляет 180С. Но по идее – должен выдержать. Практика и жаркое лето Одессы покажет.
Собраный медный абсорбер.
3 дня работы. Припаял!
Баллада о чернении – селективное покрытие своими руками.
Понятно, что абсорбер оставлять как есть – т.е медного цвета не очень хорошо. Сама по себе медь (а точнее ее оксидная пленка Cu2O) является неплохим теплоприемником (да-да, обычная рыжая медь, по идее – даже лучше чем обычная термостойкая краска), но эта пленка не очень стабильная и может дальше разрушаться – окисляться. В итоге вы можете получить сине-зеленый абсорбер. Я не буду здесь вдаваться в теорию о высокоселективных покрытиях. Проще всего медь просто покрасить черной термостойкой краской. Видел в YouTube видео:
где у человека такие коллекторы тоже кипятили воду (покрытые именно обычной термостойкой краской), но по погоде – было либо лето, либо хорошая весна. Да и количествео коллекторов просто обязаны ее кипятить 🙂 Чтобы получить более эффективный коллектор – лучше покрыть медь оксидом меди 2 – CuO – во первых, это покрытие черное и имеет неплохой коэффициент поглощения (от 70 до 90%), а во вторых имеет довольно низкий коэффициент эмиссии (излучения). Если верить – то это от 5% до 20% в зависимости от толщины самой пленки. Т.е является неплохим селективным покрытием, которое можно получить в домашних условиях. Естественно – с заводским покрытием оно тягаться не может, но по идее – это должно быть лучше, чем черная краска (которая имеет хороший коэффициент поглощения и высокий коэффициент излучения около 80% – что плохо для солнечного коллектора). Есть специальные селективные краски – но купить их, наверное, будет дороже, чем покрыть медь CuO. Хотя процесс нанесения CuO значительно труднее, чем просто покрасить. Где-то так…
Я остановился именно на чернении меди, т.е получении CuO на поверхности своего абсорбера. Сразу скажу, что провозился я с ним около 3-х дней, не считая предварительных тестовых опытов.
Немного химии.
Получать CuO надо окисляя саму медь, из которой изготовлен (спаян) наш абсорбер. Наносить кисточкой или валиком его не надо 🙂 И так, какие для этого нужны отравы:
Первый способ:
Каустическая сода (едкий натр NaOH)–50-60 г
Персульфат калия (K2S2O8)————14-16 г
Вода 1л
Второй способ:
Точно такой же, но вместо K2S2O8 применяется (NH4)2S2O8 (аммоний надсернокислый)
Третий способ:
Каустическая сода (едкий натр NaOH)—100г
Хлорит натрия NaClO2 —————— 50-60г
1 л. воды
Для все трех способов еще 2 обязательных условия – чистые обезжиренные поверхности и температура раствора и поверхности около 60-65С. И еще – раствор должен быть свежеприготовленный, так как кислород, который выделяется в результате реакции довольно быстро улетучивается. Воду брать лучше дистиллированную.
Не забудьте о технике безопасности.
Едкий натр или NaOH – очень любит органику – т.е вас!!! Разъедает кожу, глаза. Ни в коем случае не берите его и его растворы голыми руками и берегите глаза защитными очками. Пользуйтесь резиновыми перчатками. Когда NaOH разбавляешь в горячей воде – он очень бурно «вскипает».
Вот такие вот можно получить химические ожоги. Будьте осторожны!!! Рука не моя.
Аммоний надсернокислый или (NH4)2S2O8 при нагревании выделяет аммиак. Даже не думайте пользоваться этим методом в закрытом помещении без средств газовой защиты. Мне пришлось покупать газопылевой респиратор, на котором было написано «защита от аммиака», так как я пользовался именно этим методом. Без респиратора я бы наверное коллектор свой не доделал 🙂 Летом, скорее всего, можно и на открытом воздухе без противогаза, но надо все равно поддерживать температуру? А она, поверьте нужна. Без нагрева химичиские реакции проходят очень медлено.
Респиратор пылевой и газопылевой.
Слева обычный пылевой респиратор – он вам не поможет. Справа газопылевой – то что надо!
Хлорит натрия (не путать с хлоридом натрия – это обычная поваренная соль) или NaClO2. Вроде ничего опасного, но если честно – я не уверен. Голыми руками лучше не брать, выделяется немного хлора. Мне удалось его достать именно для первоначальных опытов. Вещи правда потом все воняют хлором, но жить можно.
Персульфат калия он же калий надсернокислый или K2S2O8 – наверное, самый безопасный метод. Но его достать было дорого и по почте. Так что этот метод я не испытывал и ничего сказать не могу. В целом, все реактивы можно найти (заказать) в интернете. Я покупал в Одессе – есть фирма ТОР. Там можно купить практически любую химию… Неудачные результаты экспериментов я смывал ортофосфорной кислотой (часто применяют ее как флюс для пайки меди, является также одним из основных составов напитков Coca-Cola). Эта кислота легко смывает наш хваленный CuO!
Как же я чернил?
Изначально идея была такой. После спайки абсорбера я загнул его края и получил такое здоровое блюдце. Нижние стыки, на всякий случай промазал герметиком для каминов. Ведро с кипятильником, в него опущены две трубы – подача и обратка. Насос (я купил циркуляционный), должен был гонять горячую воду из ведра по нашему коллектору, нагревая его. Далее я хотел вылить в это разогретое «блюдце» свежеприготовленный раствор и вуаля! Но ничего не получилось. Во первых, циркуляционный насос может гонять воду только в замкнутом контуре. Поднять воду из открытой емкости – ведра, хоть на 10 см он не способен. Во вторых, листы я пропаял не очень герметично (именно поэтому я промазал все стыки герметиком), но вот засада – герметик оказался водорастворимым!!! Короче, блюдце мое надо было правильнее называть дуршлагом для макарон. Во!
Абсорбер с загнутыми краями – блюдце
Рабочаю поверхность абсорбера. Видны загнуте бортики.
Абсорбер – вид сбоку.
Вид сбоку. Черное пятно – тот самы герметик.
Вид снизу.
Поэтому я пошел по самому трудному пути – это забабахать ванну, в которую я бы смог поместить полностью весь абсорбер и там его протравить. Для таких размеров, понадобилось мне около 30 литров протравы. Нагреть такое количество воды в холодном, не отапливаемом подвале было довольно «улвекательным».
Почему я не чернил полоски отдельно? Ведь на первый взгляд это намного проще. А затем можно уже собирать из черненой меди абсорбер. Во-первых – медь черниться сразу с двух сторон, поэтому с обратной стороны, где нужна пайка, пришлось бы эту черноту смывать. Ортофосфорная кислота могла легко попасть на рабочую сторону и смыть CuO. Во-вторых, и это более важный момент, CuO не выдерживает температуру пайки. Он относительно хорошо выдерживает температуры в области 300С, а пайка газовой горелкой дает большую температуру. Т.е мы бы получили разрушение CuO в местах пайки. Поэтому, было решено паять абсорбер, а затем его уже полностью чернить.
Так я и поступил. На ровной плоскости выложил из того что валялось под рукой (это бруски и кирпичи) ванну нужных размеров и застелил ее пленкой. Положил в нее абсорбер вверх ногами (т.е тыльной стороной вверх). Иначе понадобилось бы 90 литров раствора. Да и во время опытов я заметил – что тыльная сторона пластин чернилась как-то лучше. Возможно, это связано с тем, что кислород поднимался вверх и натыкался на медь, окисляя ее.
Ванна для абсорбера.
Ванна из брусков, кирпичей и досок. Клеенкой пока не застелена – примерял абсорбер 🙂
Залил я все это раствором и продержал час, при этом периодически шатал-качал абсорбер, чтобы из-под него удалялись пузырьки воздуха. Где-то через час я сделал контрольный осмотр – в целом он был весь черный, но кое-где по-прежнему были медные пятная солидного размера. Я оставил все так на ночь…
Чернение меди
Процесс пошел. Чтобы было меньше испарений я накрыл все кусками пенопласта и полиэтилена.
Утром пришел, проветрил подвал – так как находится в нем, без газозащитного респиратора, до сих пор было невозможно. Потом поднял абсорбер – и О облом! Медные пятна не только не исчезли, но и еще стали больше.
Черный абсорбер.
Обратная сторона. Фото лицевой стороны сделать не удалось. Когда я его приподнял – то стекла черная водичка, и медные пятна стали значительно больше!
Дальше пришлось разработать методику локального чернения меди. Способ нашелся, который, к счастью, позволил мне залатать все мои пятна. Во-первых, вместо циркуляционного насоса я одолжил у мамы насосик от фонтанчика – он прекрасно справился с поставленной задачей – гонял кипяточек по моему абсорберу (надеюсь, фонтанчик у мамы в этом году будет ничуть не хуже, чем в прошлом. На насосике внятно написано max 35C). Абсорбер разогрелся где-то до 55С. Чтобы получить большую температуру надо было 2 кипятильника, а в наличии было только один. В подвале было +6С +7С – поэтому абсорбер мой очень интенсивно охлаждался. На такой подогретый абсорбер я выливал малые порции свежего раствора. Это позволило зачернить некоторые области. Но все равно остались бугорки, где раствор не мог задерживаться – он скатывался вниз, в углубления. Далее я брал газовую горелку, разогревал нужную область, затем губкой смачивал ее – при этом издавался характерный звук «пшшшыыы». Опять разогревал и опять губкой. Именно со второго раза медь чернела.
Чернения процесс.
Вот такая вот банька у меня была.
На фото видно ведро, термометр. Не видно – насосик и кипятильник. Таким способом я грел асборебр.
Вот такие вот мучения! Затем оставил абсорбер еще раз на ночь, обильно полив его растворчиком. Утром пришел, вымыл его. Покрытие оказалось прочным, не слазило и не стиралось.
В таком состоянии я его оставил на ночь.
И немного фоток промытого и высушенного асборбера, без комментариев.
Сборка корпуса.
В перерывах между пайкой (к примеру радиатор я спаял сразу, а вот медную ленту искал полторы недели) я начал собирать корпус своего будущего солнечного коллектора. Решил использовать плиты OCБ 10мм. Легкие, прочные, недорогие, влагостойкие. Раскроил фанерку по размерам и собрал короб. Для соединений использовал такие вот уголки.
Уголки для корпуса солнечного коллектора.
Уголки для соединения фанеры.
Корпус коллектора.
Предварительно собранный короб. Потом пришлось разобрать!
Затем уложил теплоизоляцию – базальтовую вату, толщиной 5 см. По бокам те же 5 см. Всю вату опрыскивал гидрофобизатором (водоотталкивающая жидкость) и укрыл кухонной фольгой. Зачем фольга? Точно не знаю, но предполагаю… Когда я смотрел картинки солнечных коллекторов в разрезе, я везде обращал внимание, что абсорбер просто лежит на вате (утеплителе). Т.е абсорбер непосредственно контактирует с ватой! Ну и что??? Насколько я знаю – излучение это 70% из всех возможных теплопотерь (излучение, теплопередача и конвекция). Конвекция и теплопередача берут на себя лишь по 15% каждая. Поэтому я решил не облучать вату тепловым излучением от абсорбера, а отражать его обратно на поглощающую панель (абсорбер). Фольга отражает до 97% излучения. Для этого сделал воздушный зазор в 2 см между ватой и абсорбером чтобы дать возможность работать фольге, как отражателю. Если бы зазора не было – то фольга бесполезна.
Теплоизоляция коллектора.
Cначала я собрал 3 стенки, затем завел абсорбер, уложил тепловую изоляцию четвертой боковой стены, и затем прикрутил саму боковую стенку. Именно такая последовательность – иначе не представляю, как это можно сделать!
Готовый корпус коллектора.
Все готово к установке поглащающей поверхности.
Завел абсорбер в короб. Затем выложил теплоизоляцию. Четвертая боковая стенка не прикручена.
Далее проще – прикрутил по периметру кантик из нарезанных реек и проклеил их уплотнительными резинками (продаются такие для окон и дверей).
Деревяный бортик для стекла.
Уплотнительная резинка.
Мне удалось достать бесплатные стеклопакеты (опять же, спасибо добрым людям!). А 1м2 стеклопакета весит 20 кг. Итого, вес стекла получился весьма внушительным – 46 кг!!! Поэтому было решено нести коллектор в место установки без стекла, а стекло ставить потом, отдельно. Чтобы коллектор не запылился, я обернул его кухонной пищевой пленкой. Так его и оставил на пару дней, пока не появилась хорошая погода и помощник. Один, вытащить такую байду я бы не смог!
Коллектор в сборе!
Все! Готов к установке.
Первые испытания.
27 Февраля, +6С. Было тихо, безветренно. Сплошные легкие тучки, но солнце не светило ярко. Мы с помощником вынесли мой коллектор к месту установки – сам коллектор очень легкий (вата, фанера и медь), но весьма габаритный! Размер его 1.08м х 2.17м. Там мы его установили, и пошли в гараж протереть стеклопакеты перед их установкой в коллектор. Когда вынесли первый стеклопакет, я взялся за патрубок – а он был уже приятно теплым! Когда вынесли второй стеклопакет – патрубок стал еще горячее. Когда вынесли третий стеклопакет – держаться за патрубок более 2 – 3 сек было уже проблематично. Нет, мы не мыли и не обмывали стекла 3 часа! Весь процесс остекления занял максимум пол часа.
Потом мы начали заливать в него воду, чтобы замерять температуру. Ведь было же интересно – столько потрачено сил и средств – а какой же результат?!?!?! К этому моменту как раз наступил полдень, и солнце наконец-то вышло из-за туч! После первой порции воды из коллектора начал выходить пар! Я на радостях сказал на матерном языке, что мол вот неплохой самовар получился! В общем, испытания прошли успешно. Коллектор легко кипятил каждую новую порцию воды – около 200 г. После доливки новой порции воды, через секунд 10 из патрубка выходил кипяток – термометр показывал 96С-98С. Понятно, что это не много – но помоему, весьма не плохо как для самоделки?
И на последок, еще фотографии с комментариями + видео.
Коллектор во весь рост.
Видно, как с утра часть коллектора затеняется домом.
В режиме стагнации (простоя) теплоизоляция не выдерживает – плавится.
Температура на выходном патрубке в режиме стагнации. Покрытие 2 стекла (стеклопакет).
Видео в первый день испытаний. Хорошо видно кипение воды.
Видео, которое я снял через 10 месяцев. Так как скоро буду демонтировать и переделывать – решил снять как оно все было.
Источник: www.house4u.com.ua
Источник: eurosamodelki.ru