Подорожчання традиційних джерел енергії спонукає власників приватних будинків підшукувати альтернативні варіанти обігріву житла і нагріву води. Погодьтеся, фінансова складова питання відіграє не останню роль при виборі опалювальної системи.
Один з найбільш перспективних способів енергозабезпечення - перетворення сонячного випромінювання. Для цього задіють геліосистеми. Розуміючи принцип їх пристрою і механізм роботи, зробити сонячний колектор для опалення своїми руками не складе великих труднощів.
Ми розповімо вам про конструктивні особливості геліосистем, запропонуємо просту схему зборки і опишемо матеріали, які можна задіяти. Етапи робіт супроводжуються наочними фотографіями, матеріал доповнений відео-роликами про створення і введення в експлуатацію саморобного колектора.
Принцип роботи та конструкційні особливості
Сучасні геліосистеми - один з видів альтернативних джерел отримання тепла. Вони застосовуються в якості допоміжного опалювального обладнання, переробного сонячне випромінювання в корисну власникам будинку енергію.
Вони здатні повністю забезпечити гаряче водопостачання і опалення в холодну пору року тільки в південних регіонах. І то, якщо займають досить велику площу і встановлені на відкритих, що не затінених деревами майданчиках.
Незважаючи на велику кількість різновидів, принцип роботи у них однаковий. Будь-яка гелиосистема є контур з послідовним розташуванням приладів, і постачають теплову енергію, і передають її споживачеві.
Основними робочими елементами є сонячні батареї на фотоелементах або сонячні колектори. Технологія складання сонячного генератора на фотопластиной дещо складніше, ніж трубчастого колектора.
У цій статті ми розглянемо другий варіант - колекторну геліосистему.
Сонячні колектори поки служать допоміжними постачальниками енергії. Повністю перемикати опалення будинку на геліосистему небезпечно через неможливість прогнозувати точну кількість сонячних днів
Колектори являють собою систему трубок, з'єднаних послідовно з вихідний і вхідний магістраллю або викладених у вигляді змійовика. По трубках циркулює технічна вода, повітряний потік або суміш води з будь-якої незамерзаючої рідиною.
Циркуляцію стимулюють фізичні явища: випаровування, зміна тиску і щільності від переходу з одного агрегатного стану в інше і ін.
Принцип дії сонячних колекторів заснований на отриманні та накопичення сонячної енергії, що повідомляється теплоносія (+)
Збір і акумуляція сонячної енергії виробляється абсорберами. Це або суцільна металева пластина з зачерненной зовнішньою поверхнею, або система окремих пластин, приєднаних до трубок.
Для виготовлення верхній частині корпусу, кришки, використовуються матеріали з високою здатністю до пропускання світлового потоку. Це може бути оргскло, подібні полімерні матеріали, загартовані види традиційного скла.
Для того щоб виключити втрати енергії з тильного боку приладу в короб укладається теплоізоляція
Треба сказати, що полімерні матеріали досить погано переносять вплив ультрафіолетових променів. Всі види пластика мають досить високий коефіцієнт теплового розширення, що часто призводить до розгерметизації корпусу. Тому використання подібних матеріалів для виготовлення корпусу колектора варто обмежити.
Вода як теплоносій може застосовуватися тільки в системах, призначених для постачання додаткового тепла в осінньо / весняний період. Якщо планується цілорічне використання геліосистеми перед першим похолоданням технічну воду міняють на суміш її з антифризом.
У повітряних геліосистемах в якості теплоносія використовується повітря. Канали для його руху можна зробити зі звичайного профлиста (+)
Якщо сонячний колектор встановлюється для обігріву невеликого будови, що не має зв'язку з автономним опаленням котеджу або з централізованими мережами, споруджується найпростіша одноконтурна система з нагрівальним приладом на початку її.
У ланцюжок не включають циркуляційні насоси і нагрівальні пристрої. Схема дуже проста, але працювати вона може лише сонячним літом.
При включенні колектора в двоконтурне технічна споруда все набагато складніше, але і діапазон придатних для застосування днів істотно збільшений. Колектор обробляє тільки один контур. Переважна навантаження покладається на основний опалювальний агрегат, який працює на електроенергії або будь-якому виді палива.
Для виготовлення сонячного колектора можна скористатися готовою схемою, можна побудувати власну пілотну модель і випробувати її на практиці (+)
Незважаючи на пряму залежність продуктивності сонячних приладів від кількості сонячних днів, вони затребувані, і попит на сонячні пристрої стабільно підвищується. Популярні вони серед народних умільців, які прагнуть спрямувати всі види природної енергії в корисне русло.
Класифікація за температурним критеріям
Існує досить велика кількість критеріїв, за якими класифікують ті чи інші конструкції геліосистем. Однак для приладів які можна зробити своїми руками і використовувати для гарячого водопостачання та опалення, найбільш раціональним буде поділ по виду теплоносія.
Так, системи можуть бути рідинними і повітряними. Перший вид частіше застосуємо.
Елементарний повітряний колектор можна зробити з гофрованої труби. Ще знадобиться фольгований жорсткий утеплювач і фанера або ОСП для корпуса 
На дно ящика, збитого за розмірами приблизно 0, 9 х 0, 9 м, укладається теплоізоляція фольгою вгору. Потім вся система покривається чорною фарбою з балончика 
У торцевих стінках ящика випіліваются отвори для виходу відводів для повітря. Трубу можна укласти з будь-якою кількістю витків, знадобиться її близько 10 м 
Конструкцію треба захистити від атмосферного пилу та води: для виготовлення кришки підійде звичайне скло, полікарбонат, оргскло або інший подібний матеріал
Крім цього часто використовують класифікацію за температури, до якої можуть нагріватися робочі вузли колектора:
- Низькотемпературні. Варіанти, здатні нагрівати теплоносій до 50ºС. Застосовуються для підігріву води в ємностях для поливу, в ванних і душових в літню пору і для підвищення комфортних умов в прохолодні весняно-осінні вечори.
- Середньотемпературні. Забезпечують температуру теплоносія в 80ºС. Їх можна використовувати для обігріву приміщень. Ці варіанти найбільш підходять для облаштування приватних будинків.
- Високотемпературні. Температура теплоносія в таких установках може доходити до 200-300ºС. Використовуються в промислових масштабах, встановлюються для обігріву виробничих цехів, комерційних будівель і ін.
У високотемпературних геліосистемах використовується досить складний процес передачі теплової енергії. До того ж вони займають значний простір, чого не може дозволити собі більшість наших любителів заміського життя.
Процес виготовлення їх трудомісткий, реалізація вимагає спеціалізованого обладнання. Самостійно зробити подібний варіант геліосистеми практично неможливо.
Високотемпературні сонячні батареї на фотоелектричних перетворювачів в домашніх умовах зробити досить складно
Власноручне виготовлення колектора
Виготовлення сонячного приладу власними руками - захоплюючий процес, який приносить самі масу вигод. Завдяки йому можна раціонально застосовувати безкоштовне сонячне випромінювання, вирішити кілька важливих господарських завдань. Розберемо специфіку створення плоского колектора, яке постачає в опалювальну систему нагріту воду.
Поглинаюча панель зроблена з стільникового полікарбонату, покритого чорною фарбою. Верхній і нижній краї панелі, тобто відриті торці каналів полікарбонатного листа, вставлені в розрізані вздовж каналізаційні труби 
До країв труб приклеєні куточки, необхідні для підключення трубопроводу. В ідеалі їх краще приварити праскою - зварювальним апаратом для полімерних труб. Поздовжні розрізи по трубах залиті клейовим пістолетом 
Акумулюють трубки, виконані з каналізаційних труб, оснащуються теплоізоляцією. Перед цим клей по швах і навколо куточків розрівнюється або паяльником, або будівельним феном 
Поглинаюча панель разом з приклеєними до неї трубками укладається на пінопласт або інший жорсткий утеплювач. Зверху конструкція перекрита полікарбонатом, загнутим по краю 
Для складання рами закуповується металевий профіль відповідного розміру. При розрахунку ширини враховується товщина жорсткої теплоізоляції 
У заготовках для збірки рами, розкроєних з профілю за розміром поглинаючої панелі, прорізаються отвори для виведення точок підключення колектора 
Складання деталей рами проводиться шурупами, призначеними для роботи з цим профілем 
Для того щоб колектор був направлений під оптимальним кутом до сонця, споруджується стійка з пиломатеріалів або металопрокату
Матеріали для самостійної збірки
Найбільш простий і доступний матеріал для самостійної збірки корпусу сонячного колектора - дерев'яний брусок з дошкою, фанерою, плитами ОСП або подібними варіантами. В якості альтернативи можна застосувати сталевий або алюмінієвий профіль з аналогічними листами. Металевий корпус обійдеться трохи дорожче.
Матеріали повинні відповідати вимогам, які пред'являються до конструкцій, що використовуються на відкритому повітрі. Термін експлуатації сонячного колектора варіюється від 20 до 30 років.
А значить, матеріали повинні володіти певним набором експлуатаційних характеристик, які дозволять використовувати конструкцію на протязі всього терміну.
Найдешевший і простий варіант матеріалів для виготовлення корпусу - застосування пиломатеріалів і стружкових плит
Якщо корпус виконувати з дерева, то довговічність матеріалу можна забезпечити шляхом просочення водно-полімерними емульсіями і покриттям лакофарбовими матеріалами.
Основним принципом, яким слід керуватися при проектуванні і збірці сонячного колектора, є доступність матеріалів щодо ціни і можливості придбати. Тобто, їх можна або знайти у вільному продажу, або самостійно виготовити з доступних підручних засобів.
Існує маса підручних засобів, придатних для виготовлення змійовика сонячного колектора, наприклад, ПВХ або ПП труба з кутовими фітингами 
У пріоритеті гнучкі сантехнічні труби ПНД або ПВХ, з яких можна зібрати приймач сонячної енергії без застосування фітингів 
Оригінальна і дуже економне рішення - теплообмінник від вийшов з ладу старого холодильника 
Мідна трубка - недешевий, але ефективний вибір. Зігнути її потрібно так, щоб не створювати зайвий гідравлічний опір в колінах 
Практично безкоштовний і досить дієвий повітряний колектор вийде з використаних металевих банок 
Класика жанру для економних господарів - пластикові пляшки, в достатку з'являються в будь-якому заміському будинку 
Якщо в пристрої сонячного колектора використовувати темні пластикові пляшки, нагрівати теплоносій вони будуть набагато краще 
Самий трудомісткий і материалоемкий варіант - змійовик з алюмінієвої або сталевої труби, яка потребує акуратної згинанні і зварюванні
Нюанси пристрою теплоізоляції
Для запобігання втрат теплової енергії на дно короба монтується ізоляційний матеріал. Це може бути пінопласт або мінеральна вата. Сучасна промисловість випускає досить велику номенклатури ізоляційних матеріалів.
Для утеплення короба можна використовувати фольговані варіанти утеплювачів. Таким чином можна забезпечити і теплоізоляцію і відображення сонячних променів від фольгованої поверхні.
Якщо в якості ізоляційного матеріалу використовується жорстка плита пінопласту або пінополістиролу, для укладання змійовика або системи труб можна вирізати канавки. Зазвичай абсорбер колектора укладається на теплоізоляцію зверху і міцно фіксується до днища корпусу способом, що залежить від використаного у виготовленні корпусу матеріалу.
Теплоізоляція служить для зменшення втрат теплової енергії через дно корпуса. Прилад в металевому корпусі виготовляти без теплоізоляції нераціонально (+)
Теплоприемник сонячного колектора
Це абсорбуючий елемент. Він являє собою систему труб, в яких відбувається нагрів теплоносія, і деталей, виконаних найчастіше з листової міді. Оптимальним матеріалів для виготовлення теплоприемника вважаються мідні труби.
Домашні майстри винайшли більш дешевий варіант - спіральний теплообмінник з поліпропіленових труб.
Цікаве бюджетне рішення - абсорбер геліосистеми з гнучкою полімерної труби. Для з'єднання з пристроями на вході і виході застосовуються відповідні фітінгіВибор підручних засобів, з яких можна виготовити теплообмінник сонячного колектора, досить широкий. Це може бути теплообмінник старого холодильника, поліетиленові водопровідні труби, сталеві панельні радіатори та ін.
Важливим критерієм ефективності виступає теплопровідність матеріалу, з якого виготовлений теплообмінник.
Для самостійного виготовлення оптимальним варіантом є мідь. Вона має теплопровідність, яка становить 394 Вт / м². У алюмінію цей параметр варіюється від 202 до 236 Вт / м².
Мідні труби вважаються найбільш оптимальним варіантом для виготовлення теплоприемника по теплотехнічних якостям і зносостійкості
Однак велика різниця в параметрах теплопровідності між мідними і поліпропіленовими трубами зовсім не означає, що теплообмінник з мідними трубами буде видавати в сотні разів більші обсяги гарячої води.
При рівних умовах продуктивності теплообмінника з мідних труб буде на 20% ефективніше, ніж продуктивність металопластикових варіантів. Так що теплообмінники, виготовлені з полімерних труб, мають право на життя. До того ж такі варіанти обійдуться набагато дешевше.
Незалежно від матеріалу труб, всі з'єднання як зварні, так і нарізні, повинні бути герметичні. Труби можна розташовувати як паралельно один до одного, так і у вигляді змійовика.
Схема по типу змійовика зменшує кількість з'єднань - це знижує ймовірність протікання і забезпечує більш рівномірне рух потоку теплоносія.
Верх короба, в якому знаходиться теплообмінник, закривається склом. В якості альтернативи можна використовувати сучасні матеріали, типу акрилового аналога або монолітного полікарбонату. Світлопрозорий матеріал може бути не гладким, а рифленим або матовим.
У класичному варіанті короб з колектором закривається загартованим склом, оргстеклом, полікарбонатом або подібним матеріалом. Народні умільці пристосувалися замість скла використовувати поліетилен
Така обробка знижує відображають здатності матеріалу. Крім того, цей матеріал повинен витримувати значні механічні навантаження.
У промислових зразках подібних геліосистем використовується спеціальне солярне скло. Таке скло характеризується низьким вмістом заліза, що забезпечує менші втрати теплової енергії.
Накопичувальний бак або Аванкамера
Як накопичувального бака можна використовувати будь-яку ємність з об'ємом від 20 до 40 літрів. Підійде ряд кілька менших за обсягом резервуарів, з'єднаних трубами в послідовний ланцюжок. Накопичувальний бак рекомендовано утеплювати, тому що нагріта на сонці вода в ємності без ізоляції буде швидко втрачати теплову енергію.
По суті, теплоносій в опалювальній геліосистемі повинен циркулювати без акумуляції, тому що отриману від нього теплову енергію потрібно витрачати в період отримання. Накопичувальна ємність скоріше виконує функцію розподільника нагрітої води і аванкамери, що підтримує стабільність тиску в системі.
Накопичувальна ємність в геліосистемах працює в якості розподільника води і резервуара, що підтримує тиск (+)
Етапи складання геліосистеми
Після виготовлення колектора і підготовки всіх складових конструкційних елементів системи можна приступати до безпосереднього монтажу.
Один з варіантів пристрою змійовика з поліпропіленових труб з фітингами і трійниками допоможе швидко зібрати сонячний колектор (+)
Робота починається з установки аванкамери, яку, як правило, розміщують в найвищій з можливих точці: на горищі, що стоїть окремо вишці, естакаді і т.д.
При монтажі слід врахувати, що після заповнення рідким теплоносієм системи, ця частина конструкції буде мати значну вагу. Тому слід переконатися в надійності перекриття або посилити його.
Після установки ємності приступають до установки колектора. Цей конструкційний елемент системи мають у своєму розпорядженні на південній стороні. Кут нахилу щодо лінії горизонту повинен складати від 35 до 45 градусів.
Після установки всіх елементів їх обв'язують трубами, поєднуючи в єдину гідравлічну систему. Герметичність гідравлічної системи є важливим критерієм, від якого залежить ефективна робота сонячного колектора.
По схеме сборки гелиосистемы для поставки воды в летний душ можно соорудить конструкцию, чтобы подогревать воду для полива или создавать комфортные условия прохладными вечерами (+)
Для соединения конструктивных элементов в единую гидравлическую систему используются трубы с диаметром дюйм и полдюйма. Меньший диаметр используется для устройства напорной части системы.
Под напорной частью системы понимается ввод воды в аванкамеру и вывод нагретого теплоносителя в систему отопления и горячего водоснабжения. Остальная часть монтируется при помощи труб большего диаметра.
Для предотвращения потерь тепловой энергии трубы следует тщательно изолировать. Для этой цели можно использовать пенопласт, базальтовую вату либо фольгированные варианты современных изоляционных материалов. Накопительная емкость и аванкамера также подлежат процедуре утепления.
Наиболее простым и доступным вариантом теплоизоляции накопительной емкости является сооружение вокруг нее короба из фанеры или досок. Пространство между коробом и емкостью следует заполнить утепляющим материалом. Это может быть шлаковата, смесь соломы с глиной, сухие опилки и пр.
Гелисистема устанавливается так, чтобы солнечные коллекторы были расположены на самой освещенной стороне дома или участка (+)
Испытание перед вводом в эксплуатацию
После монтажа всех элементов системы и утепления части конструкций можно приступать к заполнению системы жидким теплоносителем. Первоначальное наполнение системы следует производить через патрубок, расположенный в нижней части коллектора.
То есть, наполнение осуществляют снизу в верх. Благодаря таким действиям можно избежать вероятного образования воздушных пробок.
Вода или другой жидкий теплоноситель поступает в аванкамеру. Процесс наполнения системы заканчивается тогда, когда из дренажной трубы аванкамеры начинает литься вода.
При помощи поплавкового клапана можно отрегулировать оптимальный уровня жидкости в аванкамере. После наполнения системы теплоносителем он начинает нагреваться в коллекторе.
Процесс повышения температуры происходит даже в пасмурную погоду. Нагретый теплоноситель начинает подниматься в верхнюю часть накопительного бака. Процесс естественной циркуляции происходит до тех пор, пока температура теплоносителя, который поступает в радиатор, не выровняется с температурой носителя, выходящего из коллектора.
При расходе воды в гидравлической системе будет срабатывать поплавковый клапан, находящийся в аванкамере. Таким образом, будет поддерживаться постоянный уровень. При этом холодная вода, поступающая в систему, будет находится в нижней части емкости накопителя. Процесс перемешивания холодной и горячей воды практически не происходит.
В гидравлической системе надо предусмотреть установку запорной арматуры, которая будет препятствовать обратной циркуляции теплоносителя из коллектора в накопитель. Это происходит в том случае когда температура окружающей среды опускается ниже, чем температура теплоносителя.
Такую запорную арматуру, как правило, используют в ночное и вечернее время.
Подводку к местам потребления горячей воды осуществляют при помощи стандартных смесителей. Обычные одинарные краны лучше не использовать. В солнечную погоду температура воды может доходить до 80°С – пользоваться такой водой напрямую неудобно. Таким образом, смесители позволят существенно сэкономить горячую воду.
Производительность такого солнечного водонагревателя можно повысить путем добавления дополнительных секций коллекторов. Конструкция вполне позволяет монтировать от двух до неограниченного количества штук.
Производительность гелиосистемы увеличивается путем установки большего количества солнечных коллекторов
В основе такого солнечного коллектора для отопления и горячего водоснабжения лежит принцип парникового эффекта и так называемый термосифонный эффект. Парниковый эффект используется в конструкции нагревательного элемента.
Солнечные лучи беспрепятственно проходят через прозрачный материал верхней части коллектора и преобразуются в тепловую энергию.
Тепловая энергия оказывается в замкнутом пространстве благодаря герметичности короба секции коллектора. Термосифонный эффект используется в гидравлической системе, когда нагретый теплоноситель поднимается вверх, при этом вытесняя холодный теплоноситель и заставляя его двигаться в зону нагрева.
Благодаря термосифонному эффекту в системе происходит стабильная и непрерывная естественная циркуляция теплоносителя
Производительность солнечного коллектора
Основным критерием, который влияет на производительность гелиосистем, является интенсивность солнечного излучения. Количество падающего на определенную территорию потенциально полезного солнечного излучения называется инсоляцией.
Величина инсоляции в разных точках земного шара варьируется в достаточно широких пределах. Для определения средних показателей этой величины существуют специальные таблицы. Они отображают среднюю величину солнечной инсоляции для того или иного региона.
Данные по солнечной инсоляции в определенном регионе можно получить из специальных карт и таблиц (+)
Кроме величины инсоляции на производительность системы влияет площадь и материал теплообменника. Еще одним фактором, влияющим на производительность системы, является объем накопительного бака. Оптимальная емкость бака рассчитывается, исходя из площади адсорберов коллектора.
В случае с плоским коллектором это общая площадь труб, которые находятся в коробке коллектора. Эта величина, в среднем значении, равняется 75 литрам объема бака, на один м² площади трубок коллектора. Накопительная емкость является своеобразным тепловым аккумулятором.
Цены на заводские приборы
Львиная доля финансовых затрат на сооружение подобной системы приходится на изготовление коллекторов. Это не удивительно, даже в промышленных образцах гелиосистем около 60% стоимости приходится на этот конструкционный элемент. Финансовые затраты будут зависеть от выбора того или иного материала.
Надо отметить, что подобная система не в состоянии отопить помещение, она лишь поможет сэкономить на затратах, помогая подогреть воду в системе отопления. Учитывая довольно большие затраты энергии, которые расходуются на нагрев воды, солнечный коллектор, интегрированный в систему отопления, существенно снижает подобные издержки.
Солнечный коллектор довольно просто интегрируется в систему отопления и горячего водоснабжения (+)
Для ее изготовления используются довольно простые и доступные материалы. К тому же подобная конструкция является полностью энергонезависимой и не нуждается в техническом уходе. Уход за системой сводится к периодическому осмотру и очистке стекла коллектора от загрязнений.
Дополнительная информация по организации солнечного отопления в доме представлена в этой статье.
Висновки і корисне відео по темі
Процесс изготовления элементарного солнечного коллектора:
Как собрать и ввести в эксплуатацию гелиосистему:
Естественно, самостоятельно сделанный солнечный коллектор не сможет конкурировать с промышленными моделями. Используя подручные материалы, довольно сложно добиться высокого КПД, которым обладают промышленные образцы. Но и финансовые затраты будут гораздо меньше по сравнению с приобретением готовых установок.
Тем не менее, самодельная солнечная система отопления существенно повысит уровень комфорта и сократит расходы на энергию, которая вырабатывается традиционными источниками.
Имеете опыт в сооружении солнечного коллектора? Или остались вопросы по изложенному материалу? Будь ласка, поділіться інформацією з нашими читачами. Залишати коментарі можна в формі, розташованої нижче.