Кольцевой концентратор солнечной энергии чертежи. Солнечные батареи и коллекторы: теория, области применения, рабочие самоделки
Проблема использования солнечной энергии с древних времен занимала лучшие умы человечества. Было понятно, что Солнце – это мощнейший источник даровой энергии, но как эту энергию использовать, не понимал никто. Если верить античным писателям Плутарху и Полибию, то первым человеком, практически использовавшим солнечную энергию, был Архимед, который с помощью изобретенных им неких оптических устройств сумел собрать солнечные лучи в мощный пучок и сжечь римский флот.
В сущности, устройство, изобретенное великим греком, представляло собой первый концентратор солнечного излучения, который собрал солнечные лучи в один энергетический пучок. И в фокусе этого концентратора температура могла достигать 300°С - 400°С, что вполне достаточно для того, чтобы воспламенить деревянные суда римского флота. Можно только догадываться, какое именно устройство изобрел Архимед, хотя, по современным представлениям, вариантов у него было всего два.
Уже само наименование устройства – солнечный концентратор – говорит само за себя. Этот прибор принимает солнечные лучи и собирает их в единый энергетический пучок. Самый простой концентратор всем знаком из детства. Это обычная двояковыпуклая линза, которой можно было выжигать различные фигурки, надписи, даже целые картинки, когда солнечные лучи собирались такой линзой в маленькую точку на деревянной доске, листе бумаги.
Эта линза относится к так называемым рефракторным концентраторам. Кроме выпуклых линз к этому классу концентраторов относятся также линзы Френеля, призмы. Длиннофокусные концентраторы, построенные на основе линейных линз Френеля, несмотря на свою дешевизну, практически используются очень мало, так как обладают большими размерами. Их применение оправдано там, где габариты концентратора не являются критичными.
Рефракторный солнечный концентратор
Этого недостатка лишен призменный концентратор солнечного излучения. Более того, такое устройство способно концентрировать также и часть диффузного излучения, что значительно повышает мощность светового пучка. Трехгранная призма, на основе которой построен такой концентратор, является и приемником излучения и источником энергетического пучка. При этом передняя грань призмы принимает излучение, задняя грань – отражает, а из боковой грани уже выходит излучение. В основу работы такого устройства заложен принцип полного внутреннего отражения лучей до того, как они попадут на боковую грань призмы.
В отличие от рефракторных, рефлекторные концентраторы работают по принципу сбора в энергетический пучок отраженного солнечного света. По своей конструкции они подразделяются на плоские, параболические и параболоцилиндрические концентраторы. Если говорить об эффективности каждого из этих типов, то наивысшую степень концентрации – до 10000 – дают параболические концентраторы. Но для построения систем солнечного теплоснабжения используются в основном плоские или параболоцилиндрические системы.
Параболические (рефлекторные) солнечные концентраторы
Практическое применение солнечных концентраторов
Собственно, основная задача любого солнечного концентратора – собрать излучение солнца в единый энергетический пучок. А уж воспользоваться этой энергией можно различными путями. Можно даровой энергией нагревать воду, причем, количество нагретой воды будет определяться размерами и конструкцией концентратора. Небольшие параболические устройства можно использовать в качестве солнечной печи для приготовления пищи.
Параболический концентратор в качестве солнечной печи
Можно использовать их для дополнительного освещения солнечных батарей, чтобы повысить выходную мощность. А можно использовать в качестве внешнего источника тепла для двигателей Стирлинга. Параболический концентратор обеспечивает в фокусе температуру порядка 300°С – 400°С. Если в фокусе такого сравнительно небольшого зеркала поместить, например, подставку для чайника, сковороды, то получится солнечная печь, на которой очень быстро можно приготовить пищу, вскипятить воду. Помещенный в фокусе нагреватель с теплоносителем позволит достаточно быстро нагревать даже проточную воду, которую затем можно использовать в хозяйственных целях, например, для душа, мытья посуды.
Простейшая схем нагрева воды солнечным концентратором
Если в фокусе параболического зеркала поместить подходящий по мощности двигатель Стирлинга, то можно получить небольшую тепловую электростанцию. Например, фирма Qnergy разработала и пустила в серию двигатели Стирлинга QB-3500, которые предназначены для работы с солнечными концентраторами. В сущности, правильнее было бы их назвать генераторами электрического тока на базе двигателей Стирлинга. Этот агрегат вырабатывает электрический ток мощностью 3500 ватт. На выходе инвертора – стандартное напряжение 220 вольт 50 герц. Этого вполне достаточно, чтобы обеспечить электричеством дом для семьи из 4 человек, дачу.
Кстати, используя принцип работы двигателей Стирлинга, многие умельцы своими руками делают устройства, в которых используется вращательное или возвратно-поступательное движение. Например, водяные насосы для дачи.
Основной недостаток параболического концентратора заключается в том, что он должен быть постоянно ориентирован на солнце. В промышленных гелиевых установках применяются специальные системы слежения, которые поворачивают зеркала или рефракторы вслед за движением солнца, обеспечивая тем самым прием и концентрацию максимального количества солнечной энергии. Для индивидуального использования вряд ли будет целесообразным применять подобные следящие устройства, так как их стоимость может значительно превышать стоимость простого рефлектора на обычной треноге.
Как сделать самому солнечный концентратор
Самый простой способ для изготовления самодельного солнечного концентратора – это использовать старую тарелку от спутниковой антенны. Вначале нужно определиться, для каких целей будет использоваться этот концентратор, а затем, исходя из этого, выбрать место установки и подготовить соответствующим образом основание и крепления. Тщательно вымыть антенну, высушить, на приемную сторону тарелки наклеить зеркальную пленку.
Для того, чтобы пленка легла ровно, без морщин и складок, ее следует разрезать на полоски шириной не более 3 – 5 сантиметров. Если предполагается использовать концентратор в качестве солнечной печи, то рекомендуется в центре тарелки вырезать отверстие диаметром примерно в 5 – 7 сантиметров. Через это отверстие будет пропущен кронштейн с подставкой для посуды (конфоркой). Это обеспечит неподвижность емкости с приготовляемой едой при повороте рефлектора на солнце.
Если тарелка небольшого диаметра, то рекомендуется еще и полоски разрезать на кусочки длиной примерно по 10 см. Наклеивать каждый кусочек отдельно, тщательно подгоняя стыки. Когда отражатель будет готов, его следует установить на опору. После этого нужно будет определить точку фокуса, так как точка оптического фокуса у тарелки спутниковой антенны не всегда совпадает с позицией приемной головки.
Самодельный солнечный концентратор – печь
Чтобы определить точку фокуса, необходимо вооружиться темными очками, деревянной дощечкой и толстыми перчатками. Затем нужно направить зеркало прямо на солнце, поймать на дощечку солнечный зайчик и, приближая или удаляя дощечку относительно зеркала, найти точку, где этот зайчик будет иметь минимальные размеры – небольшую точку. Перчатки нужны для того, чтобы уберечь руки от ожога, если они случайно попадут в зону действия луча. Ну, а когда точка фокуса будет найдена, ее останется только зафиксировать и монтировать необходимое оборудование.
Вариантов самостоятельного изготовления солнечных концентратором существует множество. Точно так же самому из подручных материалов можно смастерить и двигатель Стирлинга. А уж использовать этот двигатель можно для самых различных целей. На сколько хватит фантазии, желания и терпения.
Огромное количество свободной энергии солнца, воды и ветра и многого другого из того, что может дать природа, люди используют давно. Для кого-то это хобби, а кто-то не может выжить без приспособлений, которые могут извлекать энергию “из воздуха”. Например в африканских странах солнечные батареи давно стали спасительным спутником для людей, в засушливых деревнях внедряются системы орошения на солнечных батареях, устанавливаются “солнечные” насосы на колодцы и др.
В европейских странах солнце не светит столь ярко, но лето довольно жаркое, и очень жаль, когда дармовая энергия природы пропадает зря. Существуют удачные разработки печей на солнечной энергии, но в них используются цельные или сборные зеркала. Это во-первых дорого, во-вторых утяжеляет конструкцию и поэтому не всегда удобно в эксплуатации, например, когда требуется малый вес готового концентратора.
Интересную модель самодельного параболического солнечного концентратора создал талантливый изобретатель.
Для ее изготовления не нужны зеркала, поэтому она очень легкая и не будет тяжелым грузом в походе.
Для создания самодельного солнечного концентратора на основе пленки требуется совсем немного вещей. Все они продаются на любом вещевом рынке.
1. Самоклеющаяся зеркальная пленка. Она имеет ровную блестящую поверхность и поэтому является прекрасным материалом для зеркальной части солнечной печи.
2. Лист ДСП и такой же по размеру лист оргалита.
3. Тонкий шланг и герметик.
Как сделать солнечную печь?
Сначала из древесно-стружечной плиты нужного вам размера электролобзиком вырезаются два кольца, которые надо приклеить друг к другу. На фото и видео фигурирует одно кольцо, но автор указывает, что позднее он добавил второе кольцо. По его словам, можно было бы ограничиться одним, но пришлось увеличить пространство для формирования достаточной вогнутости параболического зеркала. В противном случае фокус луча будет располагаться слишком далеко. Под размер кольца вырезается круг из оргалита для формирования задней стенки солнечного концентратора.
Кольцо следует приклеить к оргалиту. Обязательно хорошо все промажьте герметиком. Конструкция должна быть полностью герметичной.
Сбоку аккуратно, чтобы были ровные края, проделайте небольшое отверстие, в которое плотно вставьте тонкий шланг. Для герметичности соединение шланга и кольца также можно обработать герметиком.
Поверх кольца натяните зеркальную пленку.
Откачайте воздух из корпуса установки и таким образом сформируйте сферическое зеркало. Шланг загните и зажмите прищепкой.
Сделайте удобную подставку для готового концентратора. Энергии данной установки достаточно, чтобы расплавить алюминиевую банку.
Внимание
! Параболические солнечные отражатели могут быть опасными и могут при неосторожном обращении привести к ожогам и повреждениям глаз!
Посмотрите процесс изготовления солнечной печки на видео.
Использован материал с сайта забацай.ру. Как сделать солнечную батарею – .
По принципу работы солнечные концентраторы сильно отличаются от . Мало того, солнечные электростанции теплового типа намного эффективней фотоэлектрических в силу ряда особенностей.
Задача солнечного концентратора – сфокусировать солнечные лучи на емкости с теплоносителем , которым могут выступать, например, масло или вода, хорошо поглощающие солнечную энергию. Методы концентрации бывают разными: параболоцилиндрические концентраторы, параболические зеркала, или гелиоцентрические установки башенного типа.
В одних концентраторах излучение солнца фокусируется вдоль фокальной линии, в других – в фокусной точке, где и расположен приемник. Когда солнечное излучение отражается с большей поверхности на меньшую поверхность (на поверхность приемника), достигается высокая температура, теплоноситель поглощает тепло, двигаясь через приемник. Система в целом содержит также аккумулирующую часть и систему передачи энергии.
Эффективность концентраторов сильно снижается в период облачности, поскольку фокусируется лишь прямое солнечное излучение. Именно по этой причине такие системы достигают самого высокого КПД в регионах, где уровень инсоляции особенно высок: в пустынях, в районе экватора. Для повышения эффективности использования солнечного излучения, концентраторы оснащаются специальными трекерами, следящими системами, обеспечивающими максимально точную ориентацию концентраторов в направлении солнца.
Поскольку стоимость солнечных концентраторов высока, а следящие системы требуют периодического обслуживания, их применение в основном ограничено промышленными системами генерации электроэнергии.
Такие установки могут использоваться в гибридных системах в совокупности, например, с углеводородным топливом, тогда аккумулирующая система обеспечит снижение себестоимости получаемого электричества. Это станет возможным, так как генерация будет происходить круглосуточно.
Параболоцилиндрические солнечные концентраторы бывают в длину до 50 метров, они имеют вид вытянутой зеркальной параболы. Такой концентратор состоит из массива вогнутых зеркал, каждое из которых собирает параллельные солнечные лучи, и фокусирует их в конкретной точке. Вдоль такой параболы, располагается труба с теплоносителем так, что на нее и фокусируются все отраженные зеркалами лучи. Чтобы снизить потери тепла, трубу окружают стеклянной трубкой, которая протянута вдоль линии фокуса цилиндра.
Такие концентраторы располагаются рядами в направлении север-юг, и они, безусловно, оснащаются системами слежения за солнцем. Сфокусированное в линию излучение, нагревает теплоноситель почти до 400 градусов, он проходит через теплообменники, вырабатывая пар, который и вращает турбину генератора.
Справедливости ради стоит отметить, что на месте трубы может быть расположен и фотоэлемент. Однако, несмотря на то, что с фотоэлементами, размеры концентраторов могут быть меньшими, это чревато уменьшением КПД и проблемой перегрева, для решения которой требуется разработка качественной системы охлаждения.
В пустыне штата Калифорния в 80-е было сооружено 9 электростанций на параболоцилиндрических концентраторах, суммарной мощностью 354 МВт. Затем эта же компания (Luz International) возвела еще и гибридную станцию SEGS I в Деггетте, мощностью 13,8 МВт, которая включала в себя дополнительно печи на природном газе. В общем, по состоянию на 1990 год, компанией было построено гибридных электростанций на суммарную мощность 80 МВт.
Развитие солнечной генерации на параболоцилиндрических электростанциях ведется в Марокко, Мексике, Алжире и других развивающихся странах при финансировании Всемирного банка.
Специалисты в итоге заключают, что сегодня параболоцилиндрические электростанции уступают как по рентабельности, так и по эффективности солнечным электростанциям башенного и тарельчатого типа.
– это, похожие на спутниковые тарелки, параболические зеркала, которыми солнечные лучи фокусируются на приемник, расположенный в фокусе каждой такой тарелки. При этом температура теплоносителя при данной технологии нагрева достигает 1000 градусов. Жидкий теплоноситель сразу подается к генератору или двигателю, который совмещен с приемником. Здесь используются, например, двигатели Стирлинга и Брайтона, что позволяет значительно повысить производительность таких систем, поскольку оптическая эффективность высока, а начальные затраты невысоки.
Мировым рекордом по эффективности гелиоустановки параболического тарельчатого типа является 29% КПД, достигнутый при преобразовании тепловой энергии в электрическую, на тарельчатой установке, совмещенной с двигателем Стирлинга на Ранчо Мираж.
Благодаря модульному проектированию, солнечные системы тарельчатого типа очень перспективны, они позволяют легко добиваться требуемых уровней мощности как для гибридных потребителей, подключенных к коммунальным электросетям, так и для автономных. Примером может служить проект «STEP», состоящий из 114 зеркал параболической формы, имеющих диаметр 7 метров, расположенный в штате Джорджия.
Система производит пар среднего, низкого и высокого давления. Пар низкого давления подается в систему кондиционирования трикотажной фабрики, пар среднего давления – для самого трикотажного производства, а пар высокого давления – непосредственно для генерации электричества.
Безусловно, тарельчатые солнечные концентраторы, объединенные с двигателем Стирлинга, интересуют владельцев крупных энергетических компаний. Так корпорация "Science Applications International Corporation", в сотрудничестве с тройкой энергетических компаний, разрабатывает систему с использованием двигателя Стирлинга и параболических зеркал, которая сможет производить 25 кВт электроэнергии.
В солнечных электростанциях башенного типа с центральным приемником, солнечное излучение фокусируется на приемник, который расположен в верхней части башни . Вокруг башни в большом количестве расставлены отражатели-гелиостаты . Гелиостаты снабжены двуосной системе слежения за солнцем, благодаря которой они всегда повернуты так, что лучи неподвижно сконцентрированы на теплоприемнике.
Приемник поглощает тепловую энергию, которая потом вращает турбину генератора.
Жидкий теплоноситель циркулируя в приемнике, передает пар тепловому аккумулятору. Обычно работает водяной пар с температурой 550 градусов, воздух и другое газообразное вещество с температурой до 1000 градусов, органические жидкости обладающие низкой температурой кипения – ниже 100 градусов, а также жидкий металл – до 800 градусов.
В зависимости от назначения станции, пар может вращать турбину для выработки электроэнергии, или непосредственно использоваться на каком–нибудь производстве. Температура в приемнике варьируется в диапазоне от 538 до 1482 градусов.
Башенная электростанция "Solar One" в Южной Калифорнии, одна из первых станций такого типа, изначально производила электроэнергию посредством водно-паровой системы, выдавая 10 МВт. Затем она претерпела модернизацию, и усовершенствованный приемник, работающий теперь на расплавленных солях и теплоаккумулирующая система стали значительно эффективней.
Это привело к тому, что башенные электростанции с теплоаккумулятором ознаменовали прорыв в технологиях солнечных концентраторов: электроэнергия в такой электростанции может производиться по мере надобности, так как теплоаккумулирующая система может хранить тепло до 13 часов.
Технология расплавленной соли дает возможность сохранять солнечное тепло при температуре 550 градусов, и электроэнергия теперь может производиться в любое время суток и при любой погоде. Башенная станция "Solar Two" мощностью 10 МВт, стала прототипом промышленных электростанций такого типа. В перспективе – строительство промышленных станций мощностями от 30 до 200 МВт для крупных промышленных предприятий.
Перспективы открываются колоссальные, однако развитие тормозится из-за потребности в больших площадях, и немалой стоимости возведения башенных станций промышленных масштабов. Например, для того, чтобы разместить 100 мегаваттную башенную станцию, нужно 200 га, в то время как для атомной электростанции могущей производить 1000 мегаватт электроэнергии, нужно всего 50 га. Параболоцилиндрические станции (модульного типа) на небольшие мощности, в свою очередь, рентабельней башенных.
Таким образом, башенные и параболоцилиндрические концентраторы подходят для электростанций мощностью от 30 МВт до 200МВт, которые соединены с сетью. Модульные тарельчатые концентраторы подойдут для автономного электроснабжения сетей, которым требуется всего несколько мегаватт. Как башенные, так и тарельчатые системы дороги в производстве, однако дают весьма высокий КПД.
Как видим, параболоцилиндрические концентраторы занимают оптимальное положение в качестве наиболее перспективной из технологий солнечных концентраторов на ближайшие годы.
Основной задачей солнечного коллектора является преобразование полученной от солнца энергии в электричество. Принцип работы и конструкция оборудования несложные, поэтому технически сделать его легко. Как правило, полученную энергию используют для обогрева зданий. Изготовление солнечного коллектора для отопления дома своими руками необходимо начинать с подбора всех комплектующих.
- использование различных жидкостей;
- воздушные конструкции.
- поддержания давления в системе;
- замены аванкамеры;
- распределения нагретой воды.
Показать всё
Конструкция и принцип работы
Отопление дома с помощью преобразования солнечной энергии в электрическую используется, как правило, в качестве дополнительного источника тепла, а не основного. С другой стороны, если установить конструкцию большой мощности, а все приборы в доме переоборудовать под электричество, тогда можно обойтись только солнечным коллектором.
Но стоит помнить, что отопление с помощью солнечных коллекторов без дополнительных источников тепла возможно только в южных регионах. При этом панелей должно быть достаточно много. Их необходимо располагать таким образом, чтобы на них не падала тень (например, от деревьев). Размещать панели следует лицевой стороной в направлении, максимально освещаемом солнцем на протяжении всего дня.
Концентраторы солнечной энергии
Хоть сегодня существует много разновидностей таких устройств, принцип работы у всех одинаковый. Любая схема забирает солнечную энергию и передаёт её потребителю, представляя собой контур с последовательным расположением приборов. Комплектующими, производящими электроэнергию, являются солнечные батареи или коллекторы.
Коллектор состоит из трубок, которые последовательно соединены со входным и выходным отверстием. Также они могут располагаться в виде змеевика. Внутри трубок находится техническая вода или смесь воды и антифриза. Иногда они наполняются просто воздушным потоком. Циркуляция осуществляется благодаря физическим явлениям, таким как испарение, изменение агрегатного состояния, давление и плотность.
Абсорберы выполняют функцию сбора энергии солнца. Они имеют вид сплошной металлической пластины чёрного цвета либо конструкции из множества пластин, соединённых между собой трубками.
Для изготовления крышки корпуса используют материалы с высокой пропускной способностью света. Зачастую это либо оргстекло, либо закалённые виды обычного стекла. Иногда используются полимерные материалы, но изготовление коллекторов из пластика не рекомендуется. Связано это с его большим расширением от нагревания солнцем. В результате может произойти разгерметизация корпуса.
Если система будет эксплуатироваться только осенью и весной, то в качестве теплоносителя можно использовать воду. Но в зимнее время её необходимо заменить на смесь антифриза и воды . В классических конструкциях роль теплоносителя играет воздух, который движется по каналам. Их можно сделать из обычного профлиста.
Опыт эксплуатации солнечной батареи изготовленной самостоятельно (солнечная батарея часть 3).
Если коллектор необходимо устанавливать для обогрева небольшого здания, которое не подключено к автономной системе отопления частного дома или централизованным сетям, то подойдёт простая система с одним контуром и нагревательным элементом в её начале. Схема простая, но целесообразность её установки оспаривается, так как работать она будет только солнечным летом. Однако для её функционирования не потребуются циркуляционные насосы и дополнительные нагреватели.
При двух контурах всё гораздо сложнее, но количество дней, когда станет активно вырабатываться электроэнергия, увеличивается в несколько раз. При этом коллектор будет обрабатывать только один контур. Большая часть нагрузки возлагается на одно устройство, которое работает на электроэнергии или другом виде топлива.
Хоть производительность устройства напрямую зависит от количества солнечных дней в году, а цена на него завышена, оно всё равно пользуется большой популярностью среди населения. Не менее распространённым является производство солнечных теплообменников своими руками.
Классификация по температурным показателям
Гелиосистемы классифицируются по различным критериям. Но в приборах, которые можно изготовить самостоятельно, следует обратить внимание на вид теплоносителя. Такие системы можно разделить на два типа:
Первые применяются чаще всего. Они более производительные и позволяют напрямую подключить коллектор к отопительной системе. Также распространена классификация по температуре, в пределах которой может работать устройство:
Солнечная батарея своими руками Part11
Последний вид гелиосистем работает благодаря очень сложному принципу передачи солнечной энергии. Оборудованию требуется много места. Если разместить его на загородной даче, тогда оно займет преобладающую часть участка. Для производства энергии понадобится специальное оборудование, поэтому сделать такую солнечную систему самостоятельно будет практически невозможно.
Изготовление своими руками
Процесс изготовления солнечного обогревателя своими руками довольно увлекательный, а готовая конструкция принесёт много пользы хозяину. Благодаря такому устройству можно решить проблему обогрева помещений, нагрева воды и других важных хозяйственных задач.
Материалы для самостоятельного производства
В качестве примера можно привести процесс создания отопительного устройства, которое будет поставлять нагретую воду в систему. Самым дешёвым вариантом производства солнечного коллектора является использование в качестве основных материалов деревянного бруска и фанеры, а также плит ДСП. Как альтернативу можно использовать алюминиевые профили и металлические листы, но они обойдутся дороже.
Все материалы должны быть влагоустойчивыми, то есть отвечать требованиям использования на открытом воздухе. Качественно изготовленный и установленный солнечный коллектор может служить от 20 до 30 лет. В связи с этим материалы должны иметь необходимые характеристики эксплуатации для применения на протяжении всего срока. Если корпус создан из дерева или плит ДСП, тогда для продления срока службы его пропитывают водно-полимерными эмульсиями и лаком.
Обзор: Самодельная солнечная панель (батарея).
Необходимые материалы для изготовления можно либо купить на рынке в свободном доступе, либо сделать конструкцию из подручных материалов, которые найдутся в любом хозяйстве. Поэтому основное, на что нужно обращать внимание, - это цена материалов и комплектующих.
Обустройство теплоизоляции
Чтобы уменьшить потери тепла, на дно короба укладывается изоляционный материал. Для него можно использовать пенопласт, минеральную вату и т. п. Современная промышленность предоставляет большой выбор различных утеплителей. Например, хорошим вариантом станет использование фольги. Она не только предотвратит потерю тепла, но и будет отражать солнечные лучи, а значит, увеличит нагрев теплоносителя.
В случае использования пенопласта или полистирола для утепления можно вырезать для трубок канавки и монтировать их таким образом. Как правило, абсорбер фиксируется к днищу корпуса и укладывается по изоляционному материалу.
Теплоприемник коллектора
Теплоприемником солнечного коллектора выступает абсорбирующий элемент. Он представляет собой систему, состоящую из трубок, по которым движется теплоноситель, и других деталей, производящихся обычно из листов меди.
Лучшим материалом для трубчатой части является медь. Но домашние умельцы изобрели более дешёвый вариант - полипропиленовые шланги , которые скручиваются в спиральную форму. Для подсоединения к системе на входе и выходе применяются фитинги.
Подручные материалы и средства разрешается использовать различные, то есть практически любые, которые есть в хозяйстве. Тепловой коллектор своими руками можно изготовить из старого холодильника, полипропиленовых и полиэтиленовых труб, панельных радиаторов из стали и других подручных средств. Важным фактором при выборе теплообменника является теплопроводность материала, из которого он изготовлен.
Идеальным вариантом для создания самодельного водяного коллектора является медь. Она имеет самую высокую теплопроводность. Но использование медных трубок вместо полипропиленовых не означает, что устройство будет выдавать намного больше тёплой воды. На равных условиях медные трубки будут на 15-25% эффективнее, чем установка полипропиленовых аналогов. Поэтому применение пластика тоже является целесообразным, к тому же он намного дешевле меди.
При использовании меди или полипропилена необходимо делать все соединения (резьбовые и сварные) герметичными. Возможное расположение труб - параллельное или в виде змеевика. Верх основной конструкции с трубками закрывается стеклом. При форме в виде змеевика уменьшается количество соединений и, соответственно, возможное образование утечек, а также обеспечивается равномерное движение теплоносителя по трубкам.
Для покрытия короба можно использовать не только стекло. В этих целях применяют полупрозрачные, матовые или рифлёные материалы. Использовать можно акриловые современные аналоги или монолитные поликарбонаты.
При изготовлении классического варианта можно использовать закалённое стекло или оргстекло, поликарбонатные материалы и т. п. Хорошей альтернативой станет применение полиэтилена.
Важно учитывать, что использование аналогов (рифлёных и матовых поверхностей) способствует уменьшению пропускной способности света. В заводских моделях применяют для этого специальное солярное стекло. Оно имеет немного железа в своём составе, что обеспечивает низкую теплопотерю.
Накопительный бак установки
Чтобы создать накопительный бак, можно использовать любую ёмкость объёмом от 20 до 40 литров. Также применяется схема с несколькими резервуарами, которые соединяются между собой в одну систему. Бак желательно утеплить, в противном случае подогретая вода быстро остынет.
Если разобраться, то аккумуляции в этой системе нет, а нагретый теплоноситель необходимо использовать сразу же. Поэтому накопительная ёмкость используется для:
Разумеется, что солнечный коллектор, сделанный своими руками в домашних условиях, не обеспечит качество и эффективность, характерные для моделей заводского производства. Используя только подручные материалы, о высоком коэффициенте полезного действия не стоит и говорить. В промышленных образцах такие показатели в несколько раз выше. Однако и финансовые затраты станут здесь намного меньше, так как используются подручные средства. Сделанная своими руками солнечная установка значительно повысит уровень комфорта в загородном доме, а также уменьшит расходы на другие энергоресурсы.
Климат средней полосы России не балует ее жителей обилием прямого солнечного света. Абсолютно ясных солнечных дней в течении года бывает немного. В основном же как правило переменная облачность, когда солнце появляется на десяток – другой минут, а затем на это же время прячется за облаками и интенсивность солнечной тепловой энергии резко падает.
Все это крайне неблагоприятно сказывается на перспективах использования солнечной энергии для организации горячего водоснабжения на даче или в загородном доме. Солнечные коллекторы и водонагреватели традиционной конфигурации просто физически неспособны эффективно нагревать воду. Потому что они основаны на принципе непрерывной циркуляции воды из накопительного бака в солнечный коллектор и обратно. И небольшой по площади солнечный коллектор площадью в 1-2 кв. метра не способен быстро нагреть большой объем воды в несколько сот литров. Это легко доказывается простейшими расчетами.
Практически единственным выходом организовать действительно надежное горячее водоснабжение от солнечной энергии служит построение концентрирующего солнечного коллектора с малым объемом воды, нагреваемой в каждую единицу времени. Логика тут достаточно простая.
На каждый квадратный метр поверхности падает примерно 800-1000 Ватт солнечной энергии. Возьмем нижнее значение (с учетом отражения от самого солнечного коллектора, оно, увы не нулевое). Итак, теплотворность нашего «кипятильника» 800 Ватт (или 2900 КДж). Теплоемкость воды равна 4,2 Кдж/кг*град. Теперь вспомним, за какое время электрический чайник в 1,5 КВт мощности доводить те 1,5 литра воды, что в нем помещается, до кипения. За считанные минуты! А если заставить его кипятить бочку воды? Он ее только нагревать будет часа 3-4.
С другой стороны, нам не нужна целая бочка горячей воды и сразу. Нам в каждую минуту времени надо 2-3 литра всего. Умыться, посуду помыть… И напрашивается следующая схема нагревания воды. Относительно маломощным «чайником» мы быстро нагреваем 1-2 литра воды и сливаем ее в термос. Затем нагреваем следующую порцию и снова сливаем в термос и так далее. А для своих нужд мы используем ее из термоса. Т.е. делаем проточный водонагреватель с накоплением результата его работы. Такой он будет проточно-накопительный.
Такая схема значительно снижает требования по мощности собственно нагревателя и в тоже время позволит иметь достаточно большой запас горячей воды в несколько десятков литров.
Посудите сами, даже в течении 10-15 минут, когда светит солнце, мы получим около 200 Ватт-часов энергии от солнца. Это эквивалентно 720 КДж. Что позволит нагреть до 50-60 градусов примерно 4-5 литров воды (почти полведра, межлу прочим). В следующий «выход» солнца — еще 5 литров, потом еще. И так далее в течении всего дня.
Причем чем меньше будет емкость нашего нагревателя, тем эффективнее он будет использовать солнечную энергию. Он будет ухитряться выхватывать солнечное тепло даже если оно будет выскакивать всего на несколько минут! Как говорится, с паршивой овцы хоть шерсти клок. А уже если оно будет долгим, такой нагреватель превратится в кипятильник.
Сделать такой малоёмкий солнечный коллектор можно двумя способами. Первый — сделать очень плоский классический коллектор максимально большой площади. Например, толщиной в 1-2-3 см всего и площадью в 1-1,5 кв. метра. Но его емкость будет около 20-40 литров! Особо маленьким его не назвать. И что бы нагреть всю эту воду потребуется как минимум час солнца.
Второй вариант — сделать концентрирующий параболический солнечный коллектор примерно такой же площади и с емкостью 2-3 литра! Тогда вода в нем будет нагреваться всего за 5-8 минут! Всего полчаса солнца — и у нас целое ведро достаточно горячей воды! Более того, концентрирующий коллектор способен собирать и рассеянную солнечную энергию, когда лучи рассеиваются дымкой и облаками.
Теперь перейдем к конструкции. Многих пугает слово «параболический» и они думают, что сделать параболический концентратор сложно. На самом деле, сделать параболическое зеркало сможет даже школьник. К тому же концентрирующий коллектор гораздо проще даже в физическом плане. Не надо «заморачиваться» огромной и ломкой плоской «канистрой». Добиваться ее абсолютной герметичности, жесткости, обеспечивать минимальное гидродинамическое сопротивление и т.д. В параболическом солнечном водонагревателе – коллектор — простой плоский готовый металлический профиль или труба! Надо только сделать заглушки на торцы и врезать пару футорок для ввода – вывода воды. Вся остальная арматура и в в том и другом случае будет одинаковая. Само же параболическое зеркало делается из обыкновенной фанеры и оклеивается обычной бытовой фольгой для запекания. Коэффициент ее отражения ИК-лучей составляет 90-95 %!
Существует достаточно простой способ для построения параболы. На листе фанеры мы рисуем прямой угол. Затем, по одной стороне мы наносим отметки через 1 единицу измерения (например через 100 мм, на рисунке – это буквы). А по другой — через 2 единицы (т.е через 200 мм, на рисунке это цифры). Затем соединяем отметки линиями а1, б2, в3 и т.д. Образующиеся пересечения линий и дадут нам искомую параболу. Ее естественно надо сгладить при помощи лекала. И разумеется, это только половинка параболы, которая нам нужна. Вторая — зеркальное отражение.
Теперь, как может выглядеть концентрический параболический солнечный водонагреватель.
Ну примерно так.
Вода в коллектор – нагреватель поступает под небольшим давлением из напорного бака. А на выходе коллектора установлен клапан – термостат. Аналогичный по действию тому, что устанавливается в контурах охлаждения автомобилей. Т.е. он открывается тогда, когда вода нагревается до определенной температуры. Когда порция воды, находящаяся в коллекторе нагреется, термостат открывается и вода сливается в баки термосы. Как только вся горячая вода сольется и начнет идти прохладная вода, то термостат тут же закроется и коллектор начнет греть следующую порцию.
Что бы зря не пропадало место позади параболического зеркала, баки – термосы установлены в свободных нишах и тщательно теплоизолированы. Хотя, как понимаете, это всего лишь вариант их расположения. Их можно установить в любом удобном месте, но важно тщательно утеплить трубу, ведущую к ним от коллектора.
Вообще говоря, параболическое зеркало имеет не просто фокус, куда направляются все отраженные лучи, а так называемую фокальную плоскость. Потому что если лучи падают на параболическое зеркало не перпендикулярно, то и отражаться они будут не по центру параболы. Поэтому в устройствах с параболическими зеркалами делают гелиотрекеры, которые всегда поворачивают параболическое зеркало строго на солнце либо перемещают коллектор по фокальной плоскости (что на мой взгляд, проще).
В садово-дачных условиях это, к сожалению, серьезно усложняет конструкцию концентрирующего солнечного коллектора. Либо придется ставить какую то автоматику, либо самом периодически, вручную, разворачивать параболическое зеркало строго на солнце.
Определённым решением в этом случае может служить не горизонтальное, а вертикальное расположение параболического зеркала. Ведь солнце достаточно быстро перемещается по горизонтали, и очень медленно по вертикали. Поэтому, если сделать достаточно вытянутую параболу и расположить коллектор в ее фокальной плоскости, то несколько часов подряд на коллектор будет падать весь объем отраженной солнечной энергии. А регулировку по вертикали придется делать лишь раз в неделю-две, в зависимости от угла солнца над горизонтом.
Но конечно, самым эффективным решением будет изготовление гелиотрекера, поворачивающего параболическое зеркало непосредственно на солнце.
Внимание! Если вы будете реализовывать подобный проект, ни в коем случае не пробуйте температуру в зоне коллектора рукой, «на ощупь»!!! Температура в зоне нагрева достигает 200-300 градусов! Это все равно, что пробовать на ощупь спираль электроплитки. Во время моих экспериментов деревяшка, внесенная в зону нагрева бесшумно вспыхивала практически мгновенно. Довольно мистическое зрелище, кстати.
Константин Тимошенко
Задать свои вопросы и обсудить конструкцию вы можете на
