Как самостоятельно собрать солнечный коллектор для отопления: подробное руководство

Растущие цены на традиционные источники энергии заставляют владельцев частных домов искать альтернативные способы обогрева своего жилья и нагрева воды. Роль стоимости в этом вопросе трудно переоценить при выборе системы отопления.

Одним из самых эффективных методов получения энергии является использование солнечной энергии. Для этого создаются гелиосистемы. Познав основные принципы их работы и конструкционные особенности, сделать солнечный коллектор для отопления своими руками можно довольно просто.

В этой статье мы представим ключевые аспекты конструкций гелиосистем, предложим простую схему для сборки и перечислим необходимые материалы. Каждый этап будет проиллюстрирован фотографиями, а также дополнен видео о процессе создания и запуске самодельного коллектора.

Как работает солнечный коллектор: принципы и особенности конструкции

Гелиосистемы современных технологий — один из видов альтернативных источников теплоснабжения. Они служат вспомогательными системами, которые преобразовывают солнечное излучение в энергию, полезную для владельцев домов.

Только в южных районах солнечные коллекторы могут полноценно обеспечить горячее водоснабжение и обогрев в холодные сезоны. Это возможно лишь при наличии значительной площади для установки и отсутствии затеняющих объектов, таких как деревья.

Несмотря на разнообразие моделей, их принцип действия одинаков. Гелиосистема состоит из соединенных в контур устройств, которые генерируют и передают тепловую энергию конечному потребителю.

Ключевыми компонентами являются солнечные панели, работающие на основе фотоэлементов, или солнечные коллекторы. Построить солнечный генератор на фотоэлементах сложнее, чем собрать трубчатый коллектор.

В рамках этой статьи мы сосредоточимся на второй модели — коллекторной гелиосистеме.

На данный момент солнечные коллекторы часто используются как вспомогательные источники энергии. Полностью полагаться только на гелиосистему для отопления нецелесообразно из-за непредсказуемого количества солнечных дней.

Коллекторы представляют собой систему труб, соединённых в последовательный контур, через который проходит техническая вода, воздух или смесь воды с незамерзающей жидкостью.

Циркуляция жидкости происходит благодаря естественным физическим процессам, таким как испарение или изменение давления и плотности при переходе между агрегатными состояниями.

Принцип действия солнечных коллекторов заключается в поглощении и накоплении солнечной энергии, которая передается теплоносителю.

Для сборки используются абсорберы, которые могут быть представляют собой цельную металлическую пластину с черной поверхностью или систему отдельных пластин, соединённых с трубами.

Для верхней части корпуса и крышки подбираются материалы с высокой прозрачностью, такие как оргстекло, различные полимерные материалы или закаленное стекло.

Чтобы предотвратить потери энергии с задней стороны устройства, корпус утепляется.

Следует заметить, что полимерные материалы не очень устойчивы к ультрафиолетовому излучению. Пластик имеет высокий коэффициент теплового расширения, что может привести к повреждению герметичности корпуса. Поэтому использование таких материалов для корпуса солнечного коллектора желательно ограничить.

В качестве теплоносителя вода может использоваться только в системах для дополнительного обогрева весной или осенью. Если планируется круглогодичное использование гелиосистемы, техническая вода заменяется на смесь с антифризом перед началом холодов.

В воздушных коллекторах теплоносителем выступает воздух. Каналы для его движения могут быть изготовлены из обычного профлиста.

Если коллектор устанавливается для обогрева небольшого строения без связи с центральными тепловыми сетями, можно создать простую одноконтурную систему с нагревателем в начале контуров.

В таком случае не используются насосы и дополнительные обогревательные устройства, но система может работать только в солнечные дни лета.

Подключение коллектора к более сложной двухконтурной системе требует больше усилий, но значительно расширяет диапазон применимых дней. В этом случае коллектор будет работать с одним контуром, а основная нагрузка ложится на главные обогревательные установки, работающие на электричестве или любом виде топлива.

При создании солнечного коллектора можно либо использовать готовую схему, либо попробовать разработать свою собственную модель.

Несмотря на прямое влияние количества солнечных дней на продуктивность солнечных устройств, они все равно востребованы, и интерес к ним растет. Особенно популярны эти устройства среди умельцев, стремящихся использовать природные ресурсы в полезных целях.

Классификация по температуре работы

Существует множество критериев классификации гелиосистем, но для самодельных устройств, которые применяются для нагрева воды и отопления, наиболее подходящим является деление по типу теплоносителя.

Системы могут быть жидкостными и воздушными, при этом первый тип встречается чаще.

Простой воздушный коллектор можно создать из гофрированной трубы, фольгированного жесткого утеплителя и фанеры или ОСП для корпуса.

На дно ящика размером приблизительно 0,9 х 0,9 м укладывается теплоизоляция с фольгированной стороной вверх, а затем все покрывается черной краской из баллончика.

В торцах ящика вырезаются отверстия для выхода воздуха. Для труда потребуется около 10 м трубы, которую можно укладывать в любом количестве витков.

Конструкцию необходимо защитить от дождя и пыли: для крыши можно использовать обыкновенное стекло, поликарбонат или оргстекло.

Этапы сборки коллекторов

Шаг 1: Сборка коллекторов из гофрированной трубы.

Шаг 2: Окраска в черный цвет.

Шаг 3: Установка воздухозаборников.

Шаг 4: Изготовление покрытия для солнечного прибора.

Кроме того, существует и классификация по максимальной температуре, которую может достигать рабочая среда:

1. Низкотемпературные коллектора. Способны нагревать теплоноситель до 50°C. Используются для подогрева воды в резервуарах для полива, в ванных и душевых в теплый сезон, а также для повышения комфорта в прохладные вечера весной и осенью.
2. Среднетемпературные коллектора. Позволяют нагревать теплоноситель до 80°C. Они подходят для обогрева помещений и являются оптимальным выбором для частных домов.
3. Высокотемпературные коллекторы. Температура теплоносителя может достигать 200-300°C. Применяются в промышленных условиях для обогрева производственных помещений и коммерческих зданий.

Высокотемпературные гелиосистемы используют сложные механизмы передачи тепловой энергии и занимают много пространства, что делает их неудобными для большинства владельцев загородных участков.

Процесс их производства сложен, а реализация требует специализированного оборудования, поэтому в домашних условиях создать такое устройство практически невозможно.

Высокотемпературные солнечные батареи на фотоэлектрических преобразователях также сложно сделать самостоятельно.

Самостоятельное создание солнечного коллектора

Изготовление солнечного прибора своими руками — это интересное занятие, приносящее множество преимуществ. Оно позволяет эффективно использовать бесплатную солнечную энергию и решать разные практические задачи. Рассмотрим, как создать плоский коллектор для нагрева воды в системе отопления.

Поглощающая панель изготавливается из сотового поликарбоната, который окрашивается в черный цвет. Верхние и нижние края панели вставляются в разрезанные вдоль канализационные трубы.

На края труб приклеиваются уголки для подключения к системе, при этом лучше использовать сварочные аппараты для полимерных труб. Продольные швы труб должны быть также проклеены с помощью клеевого пистолета.

Аккумуляционные трубки, сделанные из канализационных труб, изолируются. Для этого клей по швам и вокруг уголков выравнивается строительным феном или паяльником.

Поглощающая панель с прикрепленными трубками укладывается на жесткий утеплитель, такой как пенопласт. Сверху конструкция накрывается поликарбонатом, загнутым по краям.

Для создания рамы нужно приобрести металлический профиль необходимого размера, при этом учитывается толщина теплоизоляции.

В заготовках для рамы, вырезанных из профиля, делаются отверстия для подключения коллектора.

Сборка выполняется с использованием специальных шурупов, подходящих для данного профиля.

Чтобы добиться оптимального угла наклона к солнцу, стоит соорудить подставки из пиломатериалов или металлопроката.

Шаг 1: Создание поглощающей панели собственного солнечного коллектора.

Шаг 2: Подключение к аккумуляционным трубкам.

Шаг 3: Теплоизоляция аккумуляционных труб.

Шаг 4: Сборка устройства для использования солнечной энергии.

Шаг 5: Выбор металлического профиля для рамы.

Шаг 6: Прорезка отверстий для подключения к водопроводу.

Шаг 7: Сборка компонентов конструкции солнечного коллектора

Шаг 8: Создание опорной стойки для установленного солнечного коллектора

Материалы для самостоятельной сборки

Наиболее распространённым и экономичным выбором для конструкции корпуса солнечного коллектора служит древесина в виде брусков, а также доски, фанера, плитные материалы ОСП или их аналогичные варианты. В качестве другого подхода можно использовать металлические профили, выполненные из стали или алюминия, в комбинации с подобными листами. Однако металлический корпус будет стоить дороже.

Важно, чтобы используемые материалы соответствовали требованиям, предъявляемым к конструкциям для уличного применения. Срок службы солнечного коллектора составляет от 20 до 30 лет.

Это означает, что материалы должны обладать определёнными эксплуатационными свойствами, которые обеспечат надёжную работу на протяжении всего указанного срока.

Наиболее дешёвый и простой вариант для корпуса — использование древесных материалов и стружечных плит.

Если выбрать дерево, его долговечность можно повысить, применив защитные водоэмульсионные растворы и покрытия, используя лак или краску.

Главным принципом, которым следует руководствоваться при создании и сборке солнечного коллектора, является доступность материалов как в плане стоимости, так и возможности их приобретения. Их можно либо легко найти в магазинах, либо изготовить самостоятельно из находящихся в наличии материалов.

Галерея изображений

Существует множество подручных средств, подходящих для формирования змеевика солнечного коллектора. Например, трубы из ПВХ или ПП с угловыми фитингами.

Оптимальным вариантом являются гибкие сантехнические трубы из ПНД или ПВХ, из которых можно собрать солнечный энергоприёмник без дополнительных фитингов.

Неординарным и недорогим решением станет теплообменник от сломавшегося холодильника.

Медные трубки — хоть и дорогой, но очень эффективный выбор. Их нужно изгибать так, чтобы минимизировать гидравлическое сопротивление.

Дешёвый и весьма практичный вариант воздушного коллектора можно создать из использованных металлических банок.

Классический выбор для экономных — пластиковые бутылки, которые достаточно легко найти на загородном участке.

Если в солнечном коллекторе использовать тёмные пластиковые бутылки, они будут гораздо эффективнее нагревать теплоноситель.

Наиболее трудоёмкий и материалоёмкий вариант — это змеевик, сделанный из алюминиевых или стальных труб, который требует аккуратной гибки и сварки.

Жёсткие ПВХ трубы с фитингами создаются достаточно просто.

Приёмник солнечной энергии из гибкой ПНД трубы.

Теплоприёмник из теплообменника старого холодильника.

Изогнутая медная трубка в солнечном коллекторе.

Необычное использование алюминиевых банок.

Пластиковые бутылки в процессе создания коллектора.

Прибор, аккуратно собирающий солнечные лучи из тёмных пластиковых бутылок.

Приёмник тепла из гнутой металлической трубы.

Нюансы в организации теплоизоляции

Для предотвращения потерь тепла на дно короба устанавливается изоляционный материал. Это может быть либо пенопласт, либо минеральная вата. Современная промышленность предлагает широкий ассортимент теплоизоляционных решений.

Можно использовать фольгированные утеплители для повышения как теплоизоляционных свойств, так и отражения солнечных лучей, благодаря фольгированной поверхности.

При использовании жесткой плиты пенопласта или пенополистирола можно вырезать канавки для прокладки змеевика или трубной системы. Обычно абсорбер коллектора укладывается на теплоизоляцию сверху и прочно фиксируется к дну корпуса в зависимости от материала, использованного для его изготовления.

Теплоизоляция помогает минимизировать теплопотери через дно корпуса. Изготавливать прибор в металлическом корпусе без теплоизоляции нецелесообразно.

Теплоприёмник солнечного коллектора

Это элемент, отвечающий за абсорбцию. Он состоит из системы труб, где происходит нагрев теплоносителя, и деталей, обычно выполненных из листовой меди. Оптимальным материалом для теплоприёмника считаются медные трубы.

Некоторые умельцы предлагают более экономичный вариант — спиральный теплообменник из полипропиленовых труб.

Интересным и недорогим решением является абсорбер солнечной системы, изготовленный из гибкой полимерной трубы. Для соединения с подводкой и отводом используются подходящие фитинги. Варианты изготовления теплообменника солнечного коллектора из подручных материалов довольно разнообразны — это может быть теплообменник от сломанного холодильника, полиэтиленовые трубы для водопровода, панели стальных радиаторов и другие материалы.

Главным критерием эффективности является теплопроводность материала, из которого изготовлен теплообменник.

Для самодельного теплоприёмника лучшим вариантом является медь, обладающая теплопроводностью 394 Вт/м². Для алюминия показатель находится в диапазоне от 202 до 236 Вт/м².

Медные трубы — наиболее подходящий выбор для создания теплоприёмника с точки зрения теплотехнических характеристик и износостойкости.

Однако разница в теплопроводности между медными и полипропиленовыми трубами не означает, что теплообменник с медными трубами будет давать значительно больше горячей воды.

При равных условиях эффективность теплообменника из меди на 20% выше, чем у металлопластиковых аналогов. Поэтому полипропиленовые теплообменники тоже имеют право на существование, и их стоимость будет явно ниже.

Независимо от материалов труб, все соединения, как сварные, так и с резьбой, должны быть полностью герметичными. Трубы могут располагаться как параллельно, так и в виде змеевика.

Система, выполненная в виде змеевика, уменьшает количество соединений, снижая вероятность утечек и обеспечивая равномерное движение теплоносителя.

Верняя часть короба, где размещён теплообменник, закрывается стеклянной панелью. В качестве альтернативы можно использовать современные материалы, такие как акрил или монолитный поликарбонат. Прозрачные материалы могут быть как гладкими, так и рифлёными или матовыми.

В традиционном исполнении короб с коллектором накрывается закалённым стеклом, оргстеклом, поликарбонатом или аналогичными материалами. Некоторые умельцы вместо стекла применяют полиэтилен.

Такой способ монтажа может снизить отражение солнечных лучей. Также этот материал должен выдерживать большие механические нагрузки.

На промышленных образцах подобных солнечных систем применяют специальное стекло, которое обладает низким содержанием железа, что позволяет уменьшить потери теплопроводности.

Накопительный бак и аванкамера

В качестве накопительного контейнера можно использовать любую ёмкость объёмом от 20 до 40 литров. Также подойдут несколько меньших по размеру резервуаров, объединённых трубами в последовательную цепь. Накопительный бак желательно утеплять, так как нагретая солнечным светом вода в ёмкости без изоляции быстро теряет теплоту.

Фактически теплоноситель в системе отопления, работающей на солнечной энергии, должен циркулировать без накопления, так как полученное тепло нужно использовать в момент его производства. Накопительная ёмкость играет больше роль распределителя горячей воды и аванкамеры для поддержания стабильного давления в системе.

Таким образом, накопительный бак в гелиосистеме выступает объединителем воды и резервуаром для поддержания давления.

Этапы установки гелиосистемы

После создания солнечного коллектора и подготовки всех его компонентов можно переходить к сборке системы.

Одним из вариантов монтажа змеевика из полипропиленовых труб с фитингами и тройниками позволит быстро собрать солнечный коллектор.

Работы нужно начинать с установки аванкамеры, которую обычно размещают на самой верхней точке: на чердаке, отдельно стоящей вышке или эстакаде.

При монтаже следует учитывать, что после заполнения системы теплоносителем, эта часть конструкции будет иметь довольно большой вес. Поэтому полезно убедиться в прочности перекрытий или усилить их при необходимости.

Затем устанавливают коллектор. Этот элемент размещён на южной стороне здания. Угол наклона относительно горизонта должен составлять от 35 до 45 градусов.

После установки всех компонентов необходимо обвязать их трубопроводами, создавая единую гидравлическую систему, герметичность которой крайне важна для эффективной работы солнечного коллектора.

Согласно схеме сборки гелиосистемы, можно создать конструкцию для нагрева воды для летнего душа или для удобного полива, добавляя комфорт в прохладные вечера.

Для соединения конструктивных элементов в единую систему используются трубы диаметром один дюйм и полдюйма. Меньший диаметр предназначен для создания напорной части системы.

Под напорной частью подразумевается подвод воды в аванкамеру и вывод нагретого теплоносителя в систему отопления и горячего водоснабжения. Остальные части собраны с использованием труб большего диаметра.

Для минимизации потерь тепла трубы следует тщательно изолировать. Для этой цели можно применять пенопласт, базальтовую вату или фольгированные варианты современных изоляционных материалов. Накопительный бак и аванкамера также необходимо утеплить.

Одним из самых простых и доступных способов теплоизоляции накопительного резервуара является строительство вокруг него каркаса из фанеры либо деревянных досок. Пустое пространство между каркасом и емкостью необходимо заполнить утеплителем. В качестве утепляющего материала можно использовать шлаковату, смесь соломы с глиной, сухие опилки и другие подобные материалы.

Гелиосистема оснащается таким образом, чтобы солнечные коллекторы находились на самой солнечной стороне здания или участка (+)

Тестирование перед вводом в эксплуатацию

Сразу после установки всех компонентов системы и утепления определенных элементов конструкции можно начинать заполнять систему теплоносителем. Первоначальное наполнение следует производить через патрубок, находящийся внизу коллектора.

Таким образом, заполнение осуществляется снизу вверх. Этот метод предотвратит возникновение воздушных пробок.

Жидкость или другой теплоноситель попадает в аванкамеру. Заполнение системы заканчивается, когда из дренажной трубы аванкамеры начинает вытекать вода.

Регулировка оптимального уровня жидкости в аванкамере осуществляется с помощью поплавкового клапана. После заполнения системы теплоноситель нагревается в коллекторе.

Нагревание происходит даже в облачную погоду. Подогретый теплоноситель начинает подниматься в верхнюю часть накопительного бака. Процесс естественной циркуляции продолжается до тех пор, пока температура теплоносителя, поступающего в радиатор, не выровняется с температурой теплоносителя, выходящего из коллектора.

При водоотборе из гидравлической системы поплавковый клапан в аванкамере срабатывает, поддерживая постоянный уровень воды. Холодная вода, поступающая в систему, расположена в нижней части накопительного резервуара. Процесс смешивания холодной и горячей воды происходит минимально.

В гидравлической системе нужно предусмотреть установку запорной арматуры, предотвращающей обратную циркуляцию теплоносителя из коллектора в накопитель, особенно когда температура окружающего воздуха оказывается ниже температуры теплоносителя.

Такую запорную арматуру, как правило, применяют в вечернее и ночное время.

Подводка к точкам потребления горячей воды производится с помощью стандартных смесителей. Регулярные одиночные краны лучше не использовать, так как в теплую погоду температура воды может достигать 80°C, и пользоваться такой водой без дополнений неудобно. Смесители помогут существенно экономить горячую воду.

Эффективность этого солнечного водонагревателя может быть увеличена за счет добавления дополнительных секций коллекторов. Конструкция позволяет установить от двух до неограниченного количества таких секций.

Производительность гелиосистемы можно повысить, увеличив количество установленных солнечных коллекторов.

Основой для солнечного коллектора, предназначенного для отопления и горячего водоснабжения, является принцип парникового эффекта и так называемый термосифонный эффект. Парниковый эффект реализуется в конструкции нагревающего элемента.

Солнечные лучи свободно проходят сквозь прозрачный материал верхней части коллектора и преобразуются в тепловую энергию.

Тепловая энергия оказывается в закрытом пространстве благодаря герметичности коробки секции коллектора. Термосифонный эффект применяется в гидравлической системе, когда нагретый теплоноситель поднимается вверх, вытесняя холодный теплоноситель и вызывая его движение в зону нагрева.

Этот термосифонный эффект обеспечивает стабильную и непрерывную естественную циркуляцию теплоносителя в системе.

Эффективность солнечного коллектора

Главным фактором, влияющим на производительность гелиосистем, является интенсивность солнечного излучения. Количество солнечного излучения, падающего на определенную территорию и потенциально полезного, называется инсоляцией.

Показатели инсоляции в различных регионах Земли могут значительно различаться. Для определения средних значений этой величины существуют специальные таблицы, которые показывают средние значения солнечной инсоляции для конкретного региона.

Данные по солнечной инсоляции в конкретных регионах можно найти в специальных картах и таблицах (+)

На карту производительности системы также влияет площадь и материал теплообменника. Другим важным фактором, влияющим на эффективность работы системы, является объем накопительного бака. Оптимальный размер бака рассчитывается на основе площади адсорберов коллектора.

Для плоского коллектора эта площадь представляет собой общую площадь труб, которые расположены в коробке коллектора. В среднем, этот показатель составляет 75 литров объема бака на один м² площади трубок коллектора. Накопительная емкость функционирует как тепловой аккумулятор.

Цены на заводские устройства

Большая часть расходов на создание подобной системы связана с производством коллекторов. Это вполне объяснимо, так как даже на промышленные образцы гелиосистем около 60% стоимости приходится на этот элемент конструкции. Затраты будут зависеть от выбора того или иного материала.

Следует отметить, что подобная система не предназначена для полноценного отопления помещения, а лишь помогает снизить затраты, подогревая воду в системе отопления. Учитывая высокие затраты энергии на нагрев воды, солнечный коллектор в интегрированной системе отопления значительно сокращает такие расходы.

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

Для его производства используются достаточно простые и доступные материалы. Кроме того, такая конструкция полностью энергонезависима и не требует сложного технического обслуживания. Уход за системой сводится к периодическому осмотру и очистке стекла коллектора от загрязнений.

Дополнительные сведения об организации солнечного отопления в доме можно найти в данной статье.

Выводы и полезные видеоматериалы

Процесс создания простейшего солнечного коллектора:

Как собрать и настроить на работу гелиосистему:

Разумеется, самодельный солнечный коллектор не сможет сравниться с промышленными изделиями. С использованием подручных материалов трудно добиться такого высокоэффективного КПД, как у промышленных образцов. В то же время затраты будут значительно ниже по сравнению с покупкой готовых систем.

Тем не менее, самодельная солнечная система отопления значительно повысит уровень комфорта и уменьшит расходы на энергию, производимую традиционными источниками.

Есть ли у вас опыт создания солнечного коллектора? Или остались вопросы по материалу? Пожалуйста, делитесь своими знаниями с нашими читателями. Оставить комментарий можно в форме, расположенной внизу.