Альтернативная нагревательная установка для воды от солнца

Солнечный водонагреватель – коллектор

Такое устройство считается наиболее эффективным. Здесь всё дело – в материале, из которого изготавливается коллектор. Чаще всего это:

• сталь
• медь
• латунь.

Но сборка с применением металла трудоёмка (пайка, сварка, уплотнения и т.п.), поэтому используют другие материалы. Есть вариант применения полипропиленовых труб, – они стоят дешевле. Однако их соединение также может вызвать трудности, связанные с уплотнением стыков.

Другой минус – значительная деформация при нагреве, у металлопластиковых труб это не так заметно, но полипропилен имеет высокий коэффициент теплового расширения. Этот недостаток может вызвать протечки в системе.

Есть оригинальное и простое решение, заключающееся в использовании садового шланга, как солнечного коллектора. Весь процесс сборки ограничивается скручиванием его в спираль и помещением в подходящий ящик.

Отличная гибкость, отсутствие соединений гарантируют отсутствие протечек, а длина шланга позволяет подсоединять его непосредственно к сантехническим приборам без промежуточных соединений.

Производительность такой системы зависит от длины шланга. При его диаметре в 2,5 см и температуре воздуха не менее +25С, один метр шланга нагревает 3,5 литра воды до +45С.

Выходит, что в солнечный день к вечеру 10 метров «выдадут» вам 280 литров горячей воды. Система работает при понижении температуры до +8С.

Как происходит процесс нагрева воды

Солнечные лучи попадают на спираль через стекло и нагревают спираль. Нагретая вода становится источником длинноволнового излучения, которое отражается от стекла. Т.е., солнечные лучи оказываются в своеобразной тепловой «ловушке».

1. Для создания этого обогревательного устройства понадобится ящик, куда будет помещаться спираль из шланга чёрного цвета, использование других оттенков приведет к потере 5% тепла. Он может быть резиновым или из ПВХ. Диаметр – не менее 1,9 см, толщина стенок не более 2,5 мм.
2. Шланг присоединятся к бойлеру, который должен быть выше спирали. Дно ящика необходимо утеплить пенопластом, окрашенным в чёрный цвет.
3. Сам ящик сверху закрывается оконным стеклом (органическое не подойдёт из-за того, что плохо удерживает солнечное излучение).
4. Между стеклом и ящиком необходимо установить резиновую прокладку.

Оцениваем покупку

Номинальные параметры, приведенные в таблицах для солнечных батарей, измеряются в нормальных условиях. Таковыми считаются:

• температура окружающей среды 25 ºС;
• поток света 1000 Вт/м2;
• спектр АМ1.5.

Указанная в последнем элементе списка аббревиатура введет в заблуждение даже опытного инженера. На деле сложного нет. Номинальные параметры солнечных батарей принято испытывать спектром светила, наблюдаемым на средней континентальной широте США. Это южнее Москвы, соответствует положению Волгограда либо Ростова-на-Дону.

Стандарт, характеризующий состояние атмосферы испытательного спектра, на официальном сайте стоит 80 швейцарских франков, предлагается удовольствоваться тем, что получим по поводу условий измерения в открытых источниках:

• оценка параметров воздуха проводится в 30 слоях, согласно платному стандарту;
• угол положения Солнца в зените составляет 48,19 градусов;
• мутность атмосферного воздуха на частоте 500 нм (голубой цвет) — 0,084;
• эквивалентный столбик водяного пара — 1,42 см;
• эквивалентная толщина озонового слоя — 0,34 см.

Мутность на длине волны 500 нм выбирается исходя из условия голубизны неба. Этот цвет преобладает в видимом с поверхности Земли спектре.

Научное изложение предостерегает от вопроса, отчего питание обогревателя солнечными батареями идет вразрез с документацией. Похожи условия из списка на местность, где установлена батарея?

Как ситуация выглядит зимой

Номинальная мощность солнечной батареи составляет 1000 Вт, точное значение напряжения не важно, останется преобразовано инвертором. Итак, температура перешла в минус

Специальная поправка на номинал напряжения учитывается при отклонении условий от нормы. Ниже 25 ºС вольтаж на выходе батареи растёт. При этом плотность потока мощности зимой не составит 1000 Вт/м2 в Химках. Измерения также предусматривают, что Солнце отбрасывает лучи на поверхность солнечной батареи под прямым углом. Отклонение от условия закономерно понижает выходную мощность.

Эти аспекты учитывают, выбирая солнечную батарею для дома.

Какие существуют

В зависимости от температуры, которую могут достигать пластины, коллекторы бывают:

• низких температур — не дают энергии большой мощности, они нагревают воду не более 50 градусов по Цельсию;
• средних температур — прогревают воду уже до 80 градусов, поэтому их можно использовать для обогрева помещений;
• высоких температур — используются в основном на промышленных предприятиях, и в домашних условиях их сделать невозможно.

Интегрированные коллекторы делятся на:

• накопительные интегрированные;
• плоские;
• жидкостные;
• воздушные.

Накопительный интегрированный или по-другому термосифонный коллектор. Он может не только нагревать воду, но и какое-то время поддерживать некоторое время нужную температуру. В нем нет насосов, поэтому он гораздо экономичнее остальных вариантов. Устройство-накопитель представляет собой конструкцию из одного или нескольких баков, заполненный водой и помещённых в теплоизоляционный ящик. Сверху на баках лежит стеклянная крышка, которая проходит через стекло и нагревает воду. Это недорогой, лёгкий в обслуживании и простой в эксплуатации вариант. Однако зимой его применение весьма затруднительно.

Плоский коллектор внешне напоминает обычный плоский металлический ящик, внутри которого помещена чёрная пластина, поглощающая солнечный свет. Стеклянная крышка ящика усиливает его, стекло имеет низкое содержание железа, такие образом способствуя поглощению всех лучей. Сам ящик термоизолирован, а чёрная пластина тепловоспринимающая, благодаря чему и выделяется тепло. Однако КПД пластины всего 10%, поэтому она дополнительно покрывается слоем аморфного полупроводника. Плоские коллекторы используются для подогрева воды в бассейнах, отопления помещений и иных бутовых нужд.

В жидкостных накопителях основным теплоносителем становится жидкость.Они бывают остеклёнными и неостеклёнными, с замкнутой и разомкнутой системой теплообмена.

Воздушные коллекторы гораздо дешевле своих водных собратьев. Они не замерзают зимой, не подтекают. Их используют для сушки сельскохозяйственных продуктов.

Существует еще один вид — концентраторы, они отличаются концентрацией солнечных лучей. Это происходит благодаря зеркальной поверхности, которая направляет свет на поглотители. Главный их недостаток — это невозможность работы в пасмурные дни, поэтому их используют в странах с жарким климатом.

Солнечные печи и дистилляторы. Дистилляторы работают на принципе испарения воды, тем самым не только дают теплоэнергию, но и очищают воду. Печи также используют как для обогрева, так и для стерилизации воды.

Установка

Поскольку оборудование работает от солнечной энергии, то, соответственно, установка обогревателя будет проводиться на открытом воздухе. Монтаж рекомендуют проводить на крышах зданий, на балконах или других архитектурных выступах.

Экран водонагревателя должен быть направлен на юг. Установку проводят под определенным углом к горизонту, который эквивалентен географической широте местности.

Водонагреватель постоянно поглощает энергию и по понятным причинам источник энергии выключить нельзя, поэтому, в случае малого потребления воды, температура застоя может достигать до 300°С.

По этой причине не допускается использование пластиковых и стальных труб с цинковым покрытием. Оптимальными в эксплуатации станут трубопроводы, изготовленные из меди или нержавеющей стали.

Горячий контур солнечного водонагревателя должен иметь теплоизоляцию, это позволит избежать ожогов и возгораний. Следует учесть температурный режим работы оборудования при выборе теплоизоляции и крепежей.

Производители солнечных водонагревателей на корпусе своей продукции указывают точную температуру застоя. Панели коллектора должны находиться на открытом пространстве, чтобы был открытый доступ к солнечному свету. Необходимо исключить наличие возможных преград.

Чаще всего углом наклона коллектора будет наклон ската крыши. Для того, чтобы эффективность работы водонагревателя приблизить к максимальной, лучше придерживаться рекомендаций и использовать специальный стеллаж, на который будет крепиться коллектор.

Т.е. залогом правильной и эффективной работы оборудования являются всего несколько правил:

• направление на юг;
• правильный угол наклона;
• беспрепятственный доступ к солнечному свету;

Некорректная установка снизит качество работы водонагревателя, а вложенные средства не будут оправданы. Тип нагревателя также может играть роль в способе его установки. При монтаже учитывают тип используемого оборудования.

Пассивная

Подразумевает само собой протекающую абсорбцию и аккумулирование энергии. Солнечная энергия попадает на объект нагрева без контроля этого процесса, т.е. отсутствуют какие-либо механизмы и контролирующие элементы. Это простая система, которая не требует особых затрат. Однако недостатки в том, что водонагреватель работает неравномерно и не на полную мощность.

Самый наглядный пример – это затемненный бак, который размещен над летним душем. В таком пассивном режиме работают одноконтурные системы, в которых применяется процесс естественной циркуляции. Для полноценной работы системы приемный бак размещают выше коллектора, но такой способ установки не всегда удобен. Решить вопрос можно с помощью другого способа работы системы.

Активная

Лишена недостатков пассивной системы. Ее функционирование основано на том, что солнечные лучи благодаря специальным устройствам переходят в тепловую энергию, которая систематически передается нагревательному баку и потребителю. Функционирование такого нагревателя достигается благодаря принудительной циркуляции, которая может поддерживаться в одно- и двухконтурных системах. Также применяют и дополнительно устанавливают двигатели, которые поворачивают панели и насосы, измерительную аппаратуру, а также устройства контроля и управления работой системы.

Устройство

Трубки водонагревателя

Солнечный водонагреватель с вакуумным коллектором, наиболее эффективный, хотя и самый дорогой, состоит из двух основных элементов:

• наружного блока — солнечных вакуумных коллекторов;
• внутреннего блока — резервуара-теплообменника.

Наружный блок состоит из вакуумных трубок, с нанесенным с внутренней стороны селективным покрытием в несколько слоев и отражающего слоя.
Данное покрытие имеет самое важное значение в работе солнечных коллекторов.
Эффективность селективного покрытия измеряется коэффициентом поглощения (α) солнечной энергии, относительной излучающей способностью (ε) длинноволновой тепловой радиации и отношением поглощательной способности к излучательной (α/ε).
Основные виды селективных покрытий, используемых для вакуумных коллекторов: Al-N-Al, Al-N/SS/CU

Солнечный вакуумный коллектор обеспечивает сбор солнечного излучения в любую погоду, ослабляя зависимость от внешней температуры. Коэффициент поглощения энергии коллекторов достигает 98 %, но из-за потерь, связанных с отражением света стеклянными трубками и их неполной светопроницаемостью, он ниже.

КПД солнечных коллекторов в первом приближении может быть рассчитан по следующей формуле:

η=η−k⋅ΔTE{\displaystyle \eta ={\eta }_{0}-{\frac {k\cdot \Delta T}{E}}},

где η{\displaystyle \eta } — расчётное значение КПД, η{\displaystyle {\eta }_{0}} — номинальный (оптический) КПД установки при нормальных условиях, k1{\displaystyle {k}_{1}} — коэффициент, зависящий от типа и теплоизоляции коллектора, ΔT{\displaystyle \Delta T} — разность температур теплоносителя и окружающего воздуха(гр. С), E — инсоляция (Вт/кв.м.).

Данные для некоторых типов коллекторов приведены ниже.

Солнечные коллекторы преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Инфракрасное излучение, которое проходит сквозь облака, также поглощается и преобразуется в тепло.

Резервуар-теплообменник представляет собой систему преобразования, поддержания и сохранения тепла, полученного от энергии солнца, а также и от других источников энергии (например, традиционный отопитель, работающий на электричестве, газе или дизтопливе), которые страхуют систему при недостаточном количестве солнечной энергии. Нагретая вода поступает из теплообменника внутреннего блока в радиаторы системы отопления, а вода из резервуара используется для горячего водоснабжения.

Подогреватель газовый или электрический должен ставиться не параллельно солнечному нагревателю (в этом случае он будет греть холодную воду), а обязательно последовательно, после солнечного нагревателя. Тогда его вклад в нагрев будет минимальным, поскольку он будет только догревать воду, уже нагретую солнцем.

Принцип работы солнечных коллекторов

Принцип работы солнечных коллекторов является относительно простым.

Абсорбер

Первым элементом, «захватывающим» солнечные лучи является коллектор, а если точнее, то установленный в нем абсорбер.

Устройство поглощает излучение и преобразует его в тепло. Производительность системы зависит, главным образом, от типа абсорбера.

Часто используются батареи, оборудованные следующими типами поглотителей или абсорберов:

• Нормальный – мы его узнаем по характерному черному цвету. Этот тип поглотителя является не самым эффективным и имеет не очень хорошую обратную связь. Он может поглощать до 80% солнечного света.
• Селективный – устройство гораздо лучшего качества, которое гарантирует более высокую эффективность. Эффективно принимает лучи, его эффективность может достигать 95%.

Теплоноситель

Затем абсорбер нагревает теплоноситель, протекающий через батареи или панели. Чаще всего это обычная вода, которая может быть использована с весны до поздней осени. В зимнее время теплоносителем может быть только незамерзающая жидкость, которая защищает всю систему от возможного повреждения.

Теплоноситель работает в замкнутой системе и при нагревании поступает в бак. В баке он отдает свое тепло воде. Охлажденный теплоноситель снова проходит через поглотитель и нагревается вновь с помощью солнечного света.

Виды солнечных водонагревателей: выбор конструкции для самостоятельного изготовления

В зависимости от температуры, которую развивают гелионагреватели, различают:

• низкотемпературные устройства — рассчитанные на подогрев жидкости до 50 °C;
• среднетемпературные гелиоколлекторы — повышают температуру воды на выходе до 80 °C;
• высокотемпературные установки — нагревают теплоноситель до температуры кипения.

В домашних условиях можно построить солнечный водонагреватель первого или второго типа. Для изготовления коллектора высоких температур понадобится промышленное оборудование, новые технологии и дорогостоящие материалы.

По конструкции все жидкостные гелиоколлекторы разделяются на три вида:

• плоские водонагреватели;
• вакуумные термосифонные устройства;
• гелиоконцентраторы.

Плоский солнечный коллектор представляет собой невысокий теплоизолированный короб. Внутри установлена светопоглощающая пластина и трубчатый контур. Поглощающая панель (абсорбер) имеет повышенную теплопроводность. За счёт этого удаётся достичь максимальной передачи энергии теплоносителю, циркулирующему по контуру водонагревателя. Простота и эффективность плоских установок нашла отражение в многочисленных конструкциях, разработанных народными умельцами.

Внутри плоского гелиоколлектора — светопоглощающая пластина и трубчатый контур

Принцип действия вакуумных солнечных водонагревателей основан на эффекте термоса. В основе конструкции лежат десятки двойных стеклянных колб. Внешняя трубка изготавливается из ударопрочного, закалённого стекла, которое противостоит граду и ветру. Внутренняя трубка имеет специальное напыление для увеличения светопоглощающей способности. Из пространства между элементами колбы откачан воздух, что позволяет избежать тепловых потерь. В центре конструкции проходит медный тепловой контур, заполненный легкокипящим теплоносителем (фреоном) – он и является нагревателем вакуумного гелиоколлектора. В процессе технологическая жидкость испаряется и передаёт тепловую энергию рабочей жидкости главного контура. В этом качестве чаще используется антифриз. Такая конструкция обеспечивает работоспособность системы при температурах до -50 °C. В домашних условиях построить подобную установку сложно, поэтому самодельных конструкций вакуумного типа насчитываются единицы.

В основе конструкции вакуумного гелиоколлектора — множество двойных стеклянных колб

Гелиоконцентратор в основе имеет сферическое зеркало, способное фокусировать солнечное излучение в точку. Нагрев жидкости происходит в спиральном металлическом контуре, который размещают в фокусе установки. Достоинством гелиоконцентраторов является способность развивать высокую температуру, но необходимость в системе слежения за Солнцем снижает их популярность у самодельщиков.

Построить производительный гелиоконцентратор в домашних условиях — задача непростая

Для изготовления в домашних условиях лучше всего подходят плоские солнечные нагреватели, построенные с использованием теплоизоляционных материалов, стекла с высокой пропускающей способностью и медных абсорберов.

Модули для гелиосистем бывают двух видов:

• с каркасом;
• без каркаса.

В любом случае нужно будет соединить несколько модулей в определенной последовательности, чтобы получить технические параметры, необходимые для их безопасной эксплуатации. Дополнительную прочность каркасной солнечной батарее придает специальная подложка. Материалом для ее изготовления служит прочное закаленное стекло. Оно хорошо пропускает солнечные лучи и надежно защищает кремниевые панели от осадков и механических воздействий.

На внутренней стороне каркасной конструкции стоит защита из ламината, а для дополнительной изоляции элементы помещают в плёнку, напоминающую полиэтиленовую. Торцы каркаса отделаны профилем из алюминия, приклеенным с помощью клея-герметика. Задача профиля — поддержка конструкции над кровлей таким образом, чтобы между элементами и крышей оставалось определенное расстояние.

Бескаркасные солнечные обогреватели выпускают на текстолитовой подложке. Бывают модели без подложки, покрытые с обеих сторон пленкой из лавсана, с тщательной герметизацией всех фотоэлементов.

Устройство и принцип действия плоского гелиоколлектора

Самодельный солнечный водонагреватель состоит из плоской деревянной рамы (короба) с глухой задней стенкой. На дне размещается главный элемент устройства — абсорбер. Чаще всего он изготавливается из металлического листа, присоединённого к трубчатому коллектору. От контакта пластины абсорбера с трубами теплообменника зависит эффективность передачи энергии, поэтому эти детали приваривают или припаивают непрерывным швом.

Сам жидкостной контур представляет собой массив из вертикально установленных трубок. В верхней и нижней части они присоединяются к горизонтальным трубам увеличенного диаметра, которые предназначаются для подачи и отбора теплоносителя. Входное и выходное отверстие для жидкости располагают диагонально — за счёт этого обеспечивается полный отъём тепла от элементов теплообменника. В качестве теплоносителя используется антифриз для систем отопления или другие незамерзающие растворы.

Абсорбер покрывается светопоглощающей краской, сверху кладут стекло, а короб защищают слоем теплоизоляции. Для упрощения задачи площадь остекления делят на части, а чтобы увеличить производительность, применяют стеклопакеты. Закрытая конструкция создаёт в гелиоколлекторе эффект термоса и одновременно предотвращает потери тепла из-за ветра, дождя и других внешних факторов.

Солнечный водонагреватель работает так:

1. Нагретая в гелиоколлекторе незамерзающая жидкость поднимается по трубкам и через ветку отбора теплоносителя попадает в теплоаккумулирующую ёмкость.
2. Перемещаясь по теплообменнику, установленному внутри бака-аккумулятора, антифриз отдаёт тепло воде.
3. Охлаждённая рабочая жидкость поступает в нижнюю часть контура солнечного водонагревателя.
4. Нагретая в баке вода поднимается и отбирается для нужд горячего водоснабжения. Пополнение жидкости в теплоаккумулирующей ёмкости происходит за счёт водопровода, подключённого к нижней части. Если же гелиоколлектор работает как нагреватель системы отопления, то для кругообращения воды в замкнутом вторичном контуре применяют циркуляционный насос.

Постоянное движение теплоносителя и наличие теплового аккумулятора позволяет накопить энергию за то время, пока светит солнце, и постепенно расходовать её даже тогда, когда светило скрывается за горизонтом.

Схема подключения солнечного коллектора к накопительной ёмкости не так сложна

Безопасность и контроль микроклимата

Чтобы следить за безопасностью загородного участка, стоит установить систему наружного видеонаблюдения. Мы уже писали о таких устройствах, но они могут питаться не только от сети, но и благодаря солнечной энергии – это также удобно в том случае, если камеры установлены достаточно далеко от дома и розетки.

От солнца может работать IP-камера Link Solar Y9-S, которая записывает информацию на карту памяти или передает ее в облако по Wi-Fi. Гаджет снимает с разрешением Full HD и обладает углом обзора 100 градусов. Расстояние, на котором работает инфракрасный датчик при ночной съемке, составляет 10 метров.

Солнечная панель расположена на «спинке» камеры

Дополнить систему охраны можно датчиком движения, который срабатывает на движущиеся объекты весом от 25 кг (чтобы не тратить энергию на уведомления о мелких собаках и кошках). Одно из таких устройств – Dinsafer DOP01B, способный обнаружить движение на расстоянии до 35 м и передать сигнал пульту управления охранной сигнализацией на 100-200 м. Покупка такого гаджета вряд ли будет оправданной для установки на маленькой даче, но на большом участке такое решение позволит обойтись без постоянной замены аккумуляторов или подключения прибора к электросети.

Защитив участок от посторонних, можно приобрести защиту и от вредителей. Например, от мышей и кротов, которые подкапывают и едят корнеплоды. Устройство марки Solar позволит отпугивать грызунов, способных серьезно уменьшить объемы собранного урожая. Отпугиватели напоминают на вид газонные фонари на солнечной батарее и действуют на расстоянии до 15-20 метров.

Отпугиватель кротов выглядит как небольшой гриб с солнечной панелью на шляпке

Еще один интересный прибор, который может работать с помощью солнечной энергии – это домашняя метеостанция. Такие устройства, как правило, можно устанавливать на улице – они защищены от воды и выдерживают перепады температур.

Метеостанция на солнечной батарее

Например, модель Z-Wave POPP-POPE005206 способна с достаточно высокой точностью предсказывать изменения микроклимата – влажности, скорости ветра, температуры. Для работы станция использует солнечные батареи, а для экономии энергии периодически отключается.