Солнечный воздушный коллектор своими руками: пошаговый процесс изготовления

Среди разновидностей альтернативной энергетики воздушное солнечное отопление индивидуального жилья занимает особое место. Вам не потребуются сложные монтажные работы или разрешение региональной энергетической инспекции. Всё, что нужно — это как можно больше солнца и неиспользуемой площади кровли/стен. Остальное доступно для изготовления своими руками.

Общие принципы нагрева воздуха ультрафиолетовыми солнечными лучами

Солнечное отопление относится к возобновляемой энергетической системе, которая собирает энергию от солнца в форме тепла, а не использует её для производства электроэнергии, например, при помощи солнечных фотоэлектрических элементов.

Такие нагревательные системы используются для местного подогрева воды и воздуха. Технологии обогрева обеспечивают циркуляцию нагретого воздуха или жидкости в системе лучистого отопления через трубопроводы в стенах или полах, чтобы тепло могло естественным образом обогреть внутренние помещения.

Известны два типа систем, использующих энергию ультрафиолетовых солнечных лучей:

• Активные нагреватели. Здесь энергия Солнца используется для привода тепловых насосов, которые, в свою очередь, обеспечивают циркуляцию воды или иного теплоносителя. Такие нагреватели конструктивно более сложные, поскольку предполагают наличие механических подвижных узлов;
• Пассивные нагреватели. Нагревая наружный воздух, который затем циркулирует в помещениях, эти системы обеспечивают обогрев комнат дома с использованием возобновляемых источников энергии. В пассивных солнечных отопительных системах механических частей нет.

Пассивные нагреватели могут иметь два варианта исполнений — коллекторы и пластины. Пластины генерируют энергию при помощи фотополупроводниковых элементов, которая используется для привода насоса, обеспечивающего циркуляцию теплоносителя. Воздушный солнечный коллектор нагревает воздух в трубах, откуда он за счёт разницы в объёмах перемещается в теплообменник и бак. Далее нагретый воздух естественным или принудительным путём поступает в помещения.

Прочитайте о том как устроен обогрев бассейны, солнечные коллекторы, которые можно для этого использовать и как собрать всю конструкцию.

Подключение

Коллектор закрепляется на крыше посредством кронштейна и подключается к двум воздуховодам, ведущим внутрь помещения. На входном воздуховоде следует установить вентилятор производительностью около 150 куб. м/ч.

Заводские солнечные батареи стоят очень дорого, и окупятся они не скоро. Солнечные батареи своими руками гораздо дешевле в изготовлении, к тому же собрать конструкцию не так уж и сложно.

Виды солнечных батарей для отопления дома представлены в этом обзоре. А также о плюсах и минусах каждого варианта.

Как рассчитать тепловую эффективность солнечного воздушного коллектора

Очевидно, что блок из воздушных солнечных коллекторов компактнее солнечных панелей, и характеризуется меньшими потерями, которые возникают при конвертации одного вида энергии в другой.

Рентабельным данный вид «зелёной» энергетики становится тогда, когда отношение собираемой солнечной энергии к доступной в данной местности максимально.

Общее количество энергии выражается в кВт×ч / (м²×день). Считается, что в ясный солнечный день среднее количество прямой солнечной энергии, доступной на 1 м² площади в час, должно быть не менее 1 кВт. Но коллектор — это тонкая труба, изготовленная из металла с высокой теплопроводностью, поэтому тепловые потери в самом коллекторе минимальны. Следовательно, эффективность воздушного коллектора будет зависеть от:

1. Активной площади коллектора (той, которая подвергается воздействию солнечных лучей).
2. Количества коллекторных труб.
3. Расположения коллекторов относительно главного направления лучей.
4. Длины и сложности трассы транспортирования нагретого воздуха.

В случае самостоятельного обустройства воздушного коллекторного отопления измерить эффективность коллектора можно только при помощи высокотемпературного термометра. Далее (поскольку рискованно надеяться на самопроизвольное вытеснение разогретого воздуха с увеличенным объёмом в помещения) потребуется вентилятор. Поскольку система будет иметь разомкнутый контур, то собираемое коллектором в единицу тепло будет прямо пропорционально разнице температур и теплоёмкости воздуха времени. Умножив это значение на продолжительность работы коллектора и пренебрегая потерями излучения от скользящего действия лучей, получим суммарное значение плотности теплового потока. Сравнив его с номинальным (1 кВт), выясним эффективность работы коллектора.

Теперь всё, что нам нужно – это пиранометр для проверки интенсивности солнечного света. Наличие этого прибора избавит от трудоёмких измерений эффективности коллектора в различных погодных условиях. Наиболее удобны пиранометры типа ICB200-03, которые можно приобрести или арендовать.

Революционное изобретение

Инженерная мысль не стоит на месте. Недавно разработчики предложили революционный вариант солнечного воздушного коллектора, который из-за простоты изготовления и высокой эффективности кажется несуразным.

Однако эта система продуктивно работает, утилизируя солнечное тепло даже зимой.

• SolarWall даже не имеет покрытия, а цена на солнечный воздушный коллектор минимальна.
• Поглотитель тепла выполнен в виде рифлёного металлического листа с тысячами мелких отверстий.
• Изнутри эти отверстия открываются в систему воздушных каналов. Мельчайшие отверстия принимают солнечный свет и отражённые от снега лучи, а дополнительный подогрев происходит за счёт нагретой стены.

Эффективность системы почти игрушечной SolarWall такова, что она причислена к числу величайших творений индустриальной эпохи. В Канаде с помощью этих коллекторов обогревается более половины инфраструктурных объектов и коммерческих сооружений.

Из чего состоит солнечный коллектор

Разработано и запатентовано ряд конструкций:

1. Плоские.
2. Трубчатые.
3. Вакуумные трубки.
4. Термосифоны.

Солнечный коллектор своими руками проще всего изготовить в плоском или трубчатом исполнении.

Рекомендуем к прочтению: что такое вакуумные солнечные коллекторы, принципы их работы и разновидности.

Как собрать установку? Один коллекторный блок (их количество уже примерно известно из расчётов, выполненных по вышеприведенной методике) состоит из следующих элементов:

• Набора медных или алюминиевых трубчатых элементов;
• Абсорбирующей пластины;
• Герметичного термоизолированного корпуса;
• Крышки, которую можно изготовить из прозрачного термостойкого полимера или закалённого стекла.

Эффективность изоляции определяет КПД коллектора. Его можно повысить, если предусмотреть в схеме накопительный контур, который сможет обеспечивать тепло в пасмурные дни или для работы систем охлаждения.

Процесс изготовления и последующего монтажа солнечных коллекторов возможен не только для крыши, но и для южных стен здания. В этом случае корпуса снабжают перфорационными отверстиями, облегчающими поступление воздуха. Когда нагретый воздух поднимется к верхней части стены, он направится в вентиляционные каналы здания для последующего распределения.

Видео описание

Видео-пример прикладного использования солнечного коллектора для дачного дома:

• На светопоглощающую панель не должна падать тень от рядом расположенных объектов – домов, деревьев, труб, забора и проч.
• При размещении прибора на крыше дома требуется заранее спроектировать для него крепление.
• Во избежание скопления осадков на рабочей поверхности прибор необходимо установить как можно ближе к вертикальной плоскости, но с минимальным ущербом для улавливания солнечного света.
• Для оптимальной работы на протяжении всего года прибор нужно установить на южную сторону с углом, равным географической широте местности.

Справка! Создать абсолютно автономную систему отопления на базе гелео-коллектора не удастся. Так как для обеспечения максимальной эффективности потребуется оснащение схемы циркуляционным насосом, автоматикой и другим оборудованием, работающим на электричестве. Однако существенно снизить расход основного энергоресурса – газа, электротока, угля – с его помощью вполне посильная задача.

Изготовление и монтаж

Ниже рассматривается бюджетный вариант получения солнечного нагревательного коллектора, с применением микровентилятора, пустых банок от пепси-колы, металлических корпусов отработанных осветительных приборов (лучше всего от люминесцентных ламп), закалённого стекла и чёрной краски. Потребуются также стеклорез, силиконовый герметик (с пистолетом), алюминиевая лента, термометр с температурным датчиком, ножницы по металлу, саморезы, электродрель, молоток, отвёртка и маркёр. Собирать и изготавливать узлы надо в защитных перчатках. Потребуется всего 7 этапов:

1. Изготовление корпуса: коробку светильника разрезаем по предварительно установленному размеру и обматываем её алюминиевой лентой.
2. Герметизация корпуса: скрепляем углы саморезами и тщательно герметизируем силиконом все щели, пазы и возможные трещины. Всю конструкцию окрашиваем в чёрный цвет.
3. Размечаем маркёром и вырезаем предохранительные стёкла (можно вместо стекла использовать подходящий по прозрачности полимерный листовой материал).
4. Обрезаем и устанавливаем банки в корпус, соединяем между собой и герметизируем. Торцы труб выводим за герметизированный корпус, согласовав при этом способ подключения входных отверстий микровентилятора. Окрашиваем банки чёрной краской.
5. С противоположной стороны корпуса получаем вентиляционные отверстия. Предусматриваем возможность сделать дополнительные отверстия, если тестировании коллектора покажет недоработку. Расположение отверстий должно учитывать габаритные размеры вентилятора.
6. Герметизируем щели между защитным стеклом и корпусом.
7. Присоединяем микровентилятор к задним отверстиям корпуса. Перед этим необходимо убедиться в том, что подключение вентилятора правильное, и он будет работать на всасывание.
8. Проверяем эффективность собранного коллектора. Для этого располагаем незакреплённый блок на выбранном участке стены или на крыше, включаем (через некоторое время) вентилятор и, используя термометр, выясняем температуру нагреваемого солнцем воздуха.

Испытания проводят на протяжении всего светового дня, через равные промежутки времени (летом, например, от 9.00 до 17.00, через каждый час). Если регистрируемые датчиком температуры воздуха составляют от 45 °С до 70 °С, то коллектор изготовлен верно, в противном случае количество блоков следует увеличить. Готовую конструкцию устанавливают вблизи вентиляционных отверстий дома.

Варианты увеличения КПД печи

Увеличение КПД за счет воздушного контура

Для увеличения КПД печки в течение всей истории придумано немало ухищрений. Одним из них является обустройство дополнительного воздушного контура вокруг печи. Для этого стены печи обкладывают дополнительным слоем.

Для этих целей, кстати, можно использовать не огнеупорный, а обычный двойной силикатный кирпич М 150. Но при обкладке печки следует выполнить зазор между кладками достаточный для циркуляции воздуха. Обычно это расстояние составляет приблизительно 5 см.

Воздушный контур печи

Для циркуляции воздуха в воздушном пространстве между топкой и наружным слоем в верхней и нижней частях наружной кладки кирпичной печи-камина предусматривают отверстия. Они необходимы для циркуляции воздуха. Создаются они путем неплотного прилегания кирпичей между собой.

Их выполняют, начиная со второго ряда кладки. При этом инструкция предписывает делать их не более чем в трех рядах, как вверху, так и внизу. В верхней части, а точнее в последних двух рядах кладки не должно быть отверстий.

Начальный процесс кладки печи

Стоит отметить, что при кладке наружного слоя следует быть внимательным, чтобы случайно не замазать эти отверстия раствором.

За счет естественной циркуляции воздуха в промежутки контура происходит теплообмен между воздухом и кладкой первого слоя. От этого площадь нагрева печки увеличивается практически в два раза, что значительно повышает ее КПД.

Увеличение КПД печи за счет дополнительных ходов дымохода

Еще одним достаточно распространенным способов увеличения КПД котлов является создание дополнительных ходов газохода. Но выполнять данное действие необходимо только после тщательного расчета. Так как увеличение количества ходов приводит к снижению тяги, а это обстоятельство может привести к невозможности процесса горения.

Кирпичные отопительные печи для дачи обычно выполняют с числом ходов газохода не более трех. Это позволяет максимально обогреть помещение при естественной тяге. Большее число ходов может потребовать установки принудительного удаления дымовых газов.