Как самостоятельно изготовить солнечный коллектор для отопления: пошаговая инструкция

Рост цен на привычные источники энергии заставляет владельцев загородных домов искать альтернативные решения для обогрева своих домов и подогрева воды. Финансовый аспект — один из ключевых факторов выбора отопительной системы.

Одним из наиболее многообещающих методов обеспечения энергии является использование солнечных лучей. Это можно реализовать с помощью гелиосистем. Поняв, как они устроены и функционируют, вы легко сможете сделать солнечный коллектор для отопления самостоятельно.

В этой статье мы подробно расскажем о конструктивных характеристиках гелиосистем, предложим простую инструкцию по их сборке и перечислим материалы, необходимые для работы. Каждая стадия процесса будет проиллюстрирована фотографиями, а также видео роликами, показывающими этапы создания и работы самодельного коллектора.

Принцип действия и конструктивные особенности

Современные гелиосистемы представляют собой один из типов альтернативных источников тепла. Они часто используются как вспомогательное отопительное оборудование, превращающее солнечное излучение в полезную энергию для владельцев домов.

Им удается полностью обеспечить горячую воду и отопление в холодный период лишь в южных районах. Для этого требуется достаточно большая площадь и расположение на открытых, не затенённых участках.

Несмотря на разнообразие конструкций, принцип их работы остается неизменным. Каждая гелиосистема состоит из системы, в которой приборы последовательно обмениваются теплом с потребителем.

Основными элементами являются солнечные панели на основе фотоэлементов или солнечные коллекторы. Технология сборки солнечного генератора на фотоэлементах несколько сложнее, чем у трубчатого коллектора.

В данной статье акцент будет сделан на второй вариант — коллекторную гелиосистему.

Солнечные коллекторы на сегодняшний день выступают в роли дополнительных источников энергии. Полное переключение отопления на гелиосистему опасно из-за непредсказуемости солнечных дней.

Коллекторы обычно состоят из трубок, соединённых последовательно с выхлопной и входной магистралью или расположенных в форме змеевика. Через эти трубки может циркулировать техническая вода, воздух или водно-антифризная смесь.

Циркуляция достигается благодаря физическим процессам: испарению, изменению давления и плотности во время перехода между агрегатными состояниями и др.

Суть работы солнечных коллекторов заключается в сборе и накоплении солнечной энергии, которую теплоноситель передает в отопительную систему (+).

Процесс сбора солнечной энергии осуществляется с помощью абсорберов. Это может быть сплошная металлическая панель с черной окраской или система отдельных панелей, соединённых с трубками.

Для создания верхней части корпуса коллекторов используются материалы, хорошо пропускающие свет. К ним относятся акрил, специальные полимерные структуры, а также закалённое стекло.

Чтобы минимизировать потери энергии на задней стороне прибора, применяется теплоизоляция.

Стоит отметить, что полимерные материалы плохо переносят воздействие ультрафиолетовых лучей. Все пластики обладают высоким коэффициентом теплового расширения, что может привести к разгерметизации корпуса. Поэтому следует осторожно использовать такие материалы для изготовления корпуса коллектора.

Вода в качестве теплоносителя может использоваться только в системах, предназначенных для сезонного обогрева. Если гелиосистема будет работать круглогодично, то перед наступлением холодов техническая вода заменяется на смесь с антифризом.

В воздушных гелиосистемах применяется воздух в качестве теплоносителя. Для его движения можно изготовить каналы из обычного профлиста (+).

Если солнечный коллектор планируется для обогрева небольшого строения, не имеющего связи с централизованным отоплением или автономным котлом, то ставится простейшая одноконтурная система с нагревателем в начале.

В такую систему не подключают циркуляционные насосы или дополнительные нагреvatели. Эта схема довольно проста, но будет эффективна только в летний сезон.

При подключении коллектора к двухконтурной системе дела обстоят сложнее, но и количество дней, когда система может работать, значительно увеличивается. Коллектор обрабатывает только один контур, основная нагрузка ложится на главный отопительный агрегат, который может работать на электричестве или любом другом виде топлива.

Для сборки солнечного коллектора можно воспользоваться готовыми схемами или разработать собственную модель и протестировать ее (+).

Несмотря на то, что производительность солнечных устройств напрямую зависит от количества солнечных дней, они по-прежнему востребованы, и интерес к солнечным системам продолжает расти. Особенно они популярны среди тех, кто стремится использовать натуральные источники энергии с максимальной пользой.

Классификация по температурным характеристикам

Существует множество критериев, по которым классифицируются различные конструкции гелиосистем. Однако для самодельных приборов, использующихся для горячего водоснабжения и отопления, наиболее логично разделить их по типу теплоносителя.

К таким системам относятся жидкостные и воздушные. Первый тип применяется гораздо чаще.

Простой воздушный коллектор можно создать из гофрированной трубы. Вам также понадобятся фольгированный жесткий утеплитель и фанера или ОСП для создания корпуса.

На дно коробки, собранной размером примерно 0,9 на 0,9 метра, укладывается теплоизоляция с фольгой вверх. Вся конструкция затем окрашивается черной краской.

В торцевых частях коробки вырезаются отверстия для вытяжных труб. Потребуется около 10 метров трубы, чтобы получить нужное число витков.

Чтобы защитить конструкцию от дождя и пыли, можно использовать стекло, поликарбонат или акрил для изготовления крышки.

Шаг 1: Сборка коллектора из гофрированной трубы

Шаг 2: Окрашивание солнечного устройства в черный цвет

Шаг 3: Установка труб для воздуха

Шаг 4: Изготовление крышки для солнечного устройства

Кроме того, существует классификация по максимальной температуре, до которой могут нагреваться рабочие элементы коллектора:

1. Низкотемпературные. Эти модели могут поднимать температуру теплоносителя до 50°C и применяются для подогрева воды в емкостях для полива, ваннах и душевых в летний сезон, а также для улучшения комфорта в прохладные весенние и осенние вечера.
2. Среднетемпературные. Эти устройства обеспечивают температуру теплоносителя до 80°C и могут использоваться для отопления помещений, что особенно актуально для частных домов.
3. Высокотемпературные. В таких системах температура теплоносителя может достигать 200-300°C и используются в промышленных масштабах для обогрева производственных помещений и различных коммерческих объектов.

Высокотемпературные солнечные устройства требуют сложных процессов передачи тепловой энергии. Кроме того, они занимают значительную площадь, что не всегда доступно для большинства дачников.

Процесс их производства трудоемок и требует специального оборудования. Практически невозможно самостоятельно создать такой вариант гелиосистемы.

Изготовление высокотемпературных солнечных батарей с фотоэлектрическими преобразователями в домашних условиях весьма затруднительно.

Самостоятельное изготовление коллектора

Процесс создания солнечного устройства своими руками — это увлекательное занятие, которое приносит много преимуществ. Оно позволяет эффективно использовать бесплатную солнечную энергию, а также решать несколько важных хозяйственных задач. Рассмотрим специфику изготовления плоского коллектора, который будет supplying горячую воду в отопительную систему.

Поглощающая панель изготавливается из сотового поликарбоната, окрашенного в черный цвет. Верхние и нижние края панели, то есть открытые торцы каналов поликарбонатного листа, вставлены в разрезанные вдоль канализационные трубы.

К краям труб приклеиваются уголки для соединения с трубопроводом. Оптимальный способ соединения — это сварка с помощью утюга, предназначенного для полимерных труб. Продольные разрезы по трубам заполняются клеем с помощью клеевого пистолета.

Аккумулирующие трубки, изготовленные из канализационных труб, дополнительно обрабатываются теплоизоляцией. Перед этим клей на швах и вокруг уголков аккуратно разравнивается утюгом или строительным феном.

Поглощающая панель вместе с приклеенными к ней трубками укладывается на жесткий утеплитель, например, пенопласт. Сверху конструкция накрывается поликарбонатом, который загибается по краям.

Для сборки рамы потребуется металлический профиль нужного размера, принимая во внимание толщину жесткого утеплителя.

В заготовках для рамы, вырезанных из профиля по размерам поглощающей панели, вырезаются отверстия для подключения коллектора.

Сборка рамки выполняется с помощью шурупов, предназначенных для работы с этим профилем.

Чтобы коллектор имел правильный угол наклона к солнцу, необходимо соорудить подставку из дерева или металлопроката.

Шаг 1: Создание поглощающей панели самодельного солнечного коллектора

Шаг 2: Подключение к аккумулирующей трубке

Шаг 3: Утепление аккумулирующих трубок коллектора

Шаг 4: Сборка устройства для использования солнечного тепла

Шаг 5: Использование металлического профиля для рамки

Шаг 6: Изготовление отверстий для подключения к водопроводу

Шаг 7: Сборка элементов каркаса солнечного коллектора

Шаг 8: Создание опоры для собранного солнечного коллектора

Материалы для самостоятельного изготовления

Наиболее простым и бюджетным вариантом для создания корпуса солнечного коллектора служит деревянный брус или доска, но также можно использовать фанеру, ориентированные стружечные плиты (ОСП) и аналогичные материалы. В качестве другой опции можно взять металлический профиль из стали или алюминия в сочетании с листовыми материалами. Стоимость металлического корпуса будет выше.

Выбираемые материалы должны отвечать требованиям, предъявляемым к конструкциям, предназначенным для использования на улице. Ожидаемый срок службы солнечного коллектора составляет от 20 до 30 лет.

Таким образом, необходимо, чтобы материалы имели определенные эксплуатационные характеристики, обеспечивающие долговечность конструкции на протяжении всего срока службы.

Самым доступным и экономичным вариантом для сборки корпуса являются пиломатериалы и стружечные плиты.

Если корпус будет выполнен из древесины, то для увеличения устойчивости материала к воздействию окружающей среды следует использовать водоотталкивающие полимерные эмульсии и защитные лакокрасочные составы.

Основной принцип, которому следует следовать при проектировании и сборке солнечного коллектора, заключается в доступности материалов по их стоимости и легкости приобретения. Это означает, что материалы могут быть либо куплены в магазине, либо изготовлены самостоятельно из имеющихся подручных средств.

Особенности теплоизоляции

Чтобы предотвратить тепловые потери, на дно корпуса необходимо установить изоляционный материал. Это может быть как пенопласт, так и минеральная вата. Современная промышленность предлагает широкий ассортимент изоляционных материалов.

Для утепления корпуса можно выбрать фольгированные утеплители, которые обеспечивают как термоизоляцию, так и отражают солнечные лучи от своего покрытия.

Если используется жесткая плита из пенопласта или пенополистирола, можно вырезать канавки для укладки змеевика или труб. Обычно абсорбер коллектора располагается на теплоизоляционном материале сверху и надежно фиксируется к основанию корпуса, в зависимости от материала, из которого он изготовлен.

Теплоизоляция необходима для снижения потерь тепловой энергии через дно корпуса. Спроектировать металлический корпус без теплоизоляции нецелесообразно.

Теплоприемник солнечного коллектора

Теплоприемник — это элемент, который отвечает за абсорбцию тепла. Он состоит из труб, в которых нагревается теплоноситель, и часто изготавливается из листовой меди. Наилучшим материалом для создания этого элемента являются медные трубы.

Некоторые домашние умельцы придумали более дешевый вариант — спиральный теплообменник из полипропиленовых труб.

Бюджетным и интересным решением является абсорбер из гибкой полимерной трубы. Для подключения к системе используются соответствующие фитинги. С выбором материалов для изготовления теплообменника солнечного коллектора можно найти массу альтернатив, например, старый холодильник, полиэтиленовые водопроводные трубы, стальные панельные радиаторы и другие.

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

Для самостоятельного производства оптимальным вариантом будет медь, обладающая теплопроводностью 394 Вт/м². Для алюминия этот показатель колеблется между 202 и 236 Вт/м².

Медные трубы признаны наиболее подходящими для производства теплоприемника благодаря высокому уровню теплотехнических характеристик и долговечности.

Однако большая разница в теплопроводности медных и полипропиленовых труб не означает, что теплообменник с медными трубами будет давать многократные объемы горячей воды.

При одинаковых условиях эффективность теплообменника из медных труб будет примерно на 20% выше, чем у устройств, изготовленных из металлопластиковых труб. Следовательно, теплообменники из полимеров тоже имеют право на существование. К тому же они стоят значительно дешевле.

Независимо от материала труб, все соединения — как сварные, так и резьбовые — должны быть герметичными. Трубы можно располагать параллельно или в виде змеевиков.

Схема в виде змеевика уменьшает количество соединений, что, в свою очередь, снижает риск утечек и обеспечивает более равномерный поток теплоносителя.

Верхняя часть корпуса, где расположен теплообменник, закрывается стеклом. Вместо него можно использовать современные материалы, такие как акрил или монолитный поликарбонат. Прозрачный материал может иметь как гладкую, так и рифленую или матовую поверхность.

В традиционном варианте корпус коллектор закрывается закаленным стеклом, оргстеклом, поликарбонатом или сходными по качеству материалами. Умельцы также нашли альтернативу стеклу, используя полиэтилен.

Однако такая обработка снижает отражающую способность материала, а сам материал должен выдерживать значительные механические нагрузки.

В промышленных моделях подобных систем используются особые солярные стекла, отличающиеся низким содержанием железа, что способствует минимальным потерям тепла.

Накопительная емкость или аванкамера

Для накопительной емкости подойдет любая тара объемом от 20 до 40 литров. Также можно использовать несколько резервуаров меньшего объема, соединенных трубами в последовательной цепочке. Накопитель рекомендуется утеплять, так как нагретая под воздействием солнца вода в неутепленной емкости быстро теряет тепло.

По сути, теплоноситель в системе отопления, использующей солнечную энергию, должен циркулировать без накопления, так как полученное от него тепло должно использоваться в процессе его получения. Накопительная емкость в данном случае играет роль распределителя тепла и аванкамеры, поддерживающей стабильное давление в системе.

Таким образом, накопительная емкость в солнечных системах служит распределителем горячей воды и резервуаром, поддерживающим давление.

Этапы монтажных работ гелиосистемы

Когда коллектор готов, и все конструктивные элементы собраны, можно приступать к монтажу.

Один из способов создания змеевика из полипропиленовых труб с фитингами и тройниками позволит быстро сконструировать солнечный коллектор.

Работа начинается с установки аванкамеры, которую обычно размещают в самой высокой точке: на чердаке, отдельно стоящей вышке, эстакаде и так далее.

При установке необходимо учесть, что после заполнения системы теплоносителем эта часть конструкции будет обладать значительным весом. Поэтому нужно проверить прочность перекрытия или, при необходимости, усилить его.

После установки емкости переходят к монтажу коллектора. Этот элемент системы размещается на южной стороне. Угол наклона относительно горизонтали должен составлять от 35 до 45 градусов.

После установки всех компонентов их соединяют трубами, формируя единую гидравлическую систему. Герметичность данной системы крайне важна для эффективной работы солнечного коллектора.

С применением схемы сборки гелиосистемы можно создать конструкцию для подачи воды в летний душ или подогрева воды для полива, а также для создания комфортных условий в прохладные вечера.

Для соединения компонентов в единую гидравлическую систему используются трубы диаметром один дюйм и полдюйма. Меньший диаметр применяется в напорной части системы.

Напорная часть включает в себя ввод воды в аванкамеру и вывод нагретого теплоносителя в систему отопления и горячего водоснабжения. Остальные части монтируются с использованием труб большего диаметра.

Чтобы минимизировать тепловые потери, трубы должны быть тщательно утеплены. Для этих целей можно использовать пенопласт, базальтовую вату или современные фольгированные утеплители. Накопительная емкость и аванкамера также подлежат утеплению.

Одним из самых простых и недорогих способов теплоизоляции накопительного резервуара является построение вокруг него каркаса из фанеры или деревянных досок. Важно заполнить пространство между каркасом и резервуаром теплоизоляционным материалом, таким как шлаковата, смесь соломы с глиной, сухие опилки и прочее.

Гелиосистема должна устанавливаться таким образом, чтобы солнечные коллекторы находились на наиболее освещённой стороне здания или участка (+)

Проверка перед запуском системы

После завершения установки всех компонентов системы и утепления конструктивных элементов, можно начинать заполнять систему жидким теплоносителем. Первоначальное заполнение следует выполнять через патрубок, расположенный в нижней части коллектора.

Таким образом, система наполняется снизу вверх. Это позволит избежать образования воздушных пробок.

Жидкость либо другой теплоноситель входит в аванкамеру, и процесс наполнения завершится, когда из дренажной трубы аванкамеры начнёт вытекать вода.

С помощью поплавкового клапана можно установить нужный уровень жидкости в аванкамере. После завершения заполнения система начинает нагревать теплоноситель в коллекторе.

Процесс повышения температуры будет происходить даже в облачные дни. Нагретый теплоноситель движется в верхнюю часть накопительного бака. Естественная циркуляция продолжается до тех пор, пока температура теплоносителя, поступающего в радиатор, не сравняется с температурой воды, выходящей из коллектора.

При необходимости расхода воды в гидравлической системе срабатывает поплавковый клапан в аванкамере, поддерживая постоянный уровень. В это время холодная вода будет находиться в нижней части накопителя, что минимизирует смешивание холодной и горячей воды.

В гидравлической системе важно установить запорную арматуру, которая предотвратит обратное движение теплоносителя из коллектора в накопитель. Это происходит, когда температура окружающей среды ниже температуры самого теплоносителя.

Такую арматуру обычно используют в ночное и вечернее время.

Подводку к точкам потребления горячей воды выполняют с помощью стандартных смесителей. Обычные одинарные краны использовать нежелательно, так как в солнечные дни температура воды может достигать 80°C — пользоваться такой горячей водой напрямую неудобно. Смесители помогут значительно сэкономить на горячей воде.

Эффективность солнечного водонагревателя можно увеличить, добавив дополнительные секции коллекторов. Конструкция позволяет устанавливать от двух до неограниченного количества таких секций.

Производительность гелиосистемы возрастает за счёт установки большего количества солнечных коллекторов.

Основной принцип работы солнечного коллектора для отопления и обеспечения горячим водоснабжением основан на парниковом эффекте и термосифонном эффекте. Парниковый эффект реализован в конструкции нагревательного элемента.

Солнечные лучи беспрепятственно проходят через прозрачный верх коллектора и превращаются в тепловую энергию.

Тепловая энергия удерживается в замкнутом пространстве за счёт герметичности секции коллектора. Термосифонный эффект активно работает в гидравлической системе, когда нагретый теплоноситель поднимается вверх, вытесняя холодный, что заставляет его продвигаться в зону нагрева.

Благодаря термосифонному эффекту в системе обеспечивается стабильная и непрерывная естественная циркуляция теплоносителя.

Эффективность солнечного коллектора

Ключевым параметром, влияющим на производительность гелиосистем, является интенсивность солнечного излучения. Количество солнечной энергии, падающей на определённую территорию, называется инсоляцией.

Уровень инсоляции варьируется в значительных пределах в зависимости от местоположения на земле. Чтобы определить средние показатели инсоляции, существуют специальные таблицы, отображающие средние значения для различных регионов.

Данные о солнечной инсоляции для конкретного региона можно найти в специальных картах и таблицах (+)

Кроме величины инсоляции, на эффективность системы также влияют площадь и материал теплообменника. Ещё одним важным фактором является объем накопительного бака. Оптимальная емкость рассчитывается в зависимости от площади адсорберов коллектора.

Для плоского коллектора это общая площадь труб, находящихся внутри коллектора. В среднем эта величина составляет 75 литров объёма бака на каждый м² площади трубок коллектора. Накопительный бак работает как тепловой аккумулятор.

Цены на заводские устройства

Основная часть затрат на создание подобной системы приходится на производство коллекторов. Это неудивительно, так как даже в промышленных гелиосистемах около 60% стоимости связано с этим элементом конструкции. Стоимость будет зависеть от выбора материалов.

Стоит отметить, что такая система не предназначена для обогрева помещений, она лишь способствует экономии за счёт подогрева воды в системе отопления. Учитывая довольно большие энергетические расходы на нагрев воды, солнечный коллектор, интегрированный в систему отопления, значительно снижает такие затраты.

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

Для его создания используются простые и доступные материалы. Кроме того, данная конструкция полностью автономна и не требует особого технического обслуживания. Уход сводится лишь к регулярному осмотру и очистке стекла коллектора.

Дополнительную информацию о внедрении солнечного отопления в вашем доме можно найти в этой статье.

Заключение и полезное видео на тему

Процесс создания простейшего солнечного коллектора:

Как собрать и запустить в эксплуатацию гелиосистему:

Разумеется, самодельный солнечный коллектор не способен конкурировать с промышленными аналогами. Используя подручные материалы, трудно достичь такого же высокого КПД, как у серийных моделей. Однако и затраты будут значительно ниже, чем при покупке готовых установок.

Тем не менее, самодельная система отопления на солнечных батареях будет способствовать повышению уровня комфорта и снижению расходов на энергию, получаемую от традиционных источников.

Есть ли у вас опыт в строительстве солнечного коллектора? Или остались вопросы по представленному материалу? Будем рады вашим комментариям, которые можно оставить в форме ниже.