Солнечный коллектор для нагрева воды своими руками
Опубликовано: 27.08.2018
В этой публикации представлены результаты объемных исследований блогера Сергея Юрко. Показаны 3 солнечных коллектора, изготовленные мастером своими руками и наиболее эффективный из них — так называемый 3 пленочный коллектор, он нагревает воду до 60 градусов. Есть более простой 2 пленочный, и он способен доводить воду до 55 градусов. Самый простой и самый дешевый 1 пленочный, но он обеспечивает прогрев только до 35 или 40 градусов.Солнечный коллектор нагреватель воды своими руками Часть 1
Стоимость одного квадратного метра этих примитивных коллекторов примерно в тысячу раз дешевле заводских аналогов, и поэтому возникает вопрос: а что же такого хорошего в фирменных коллекторах, что они стоят в тысячу раз дороже примитивных, которые может изготовить своими руками любой человек за несколько часов, потратив мизерные деньги.
Жизнь в греческой деревне. Солнечный коллектор для нагрева воды своими руками
Будем сравнивать простые коллекторы с дорогими заводскими моделями по эффективности, экономической целесообразности и другим характеристикам. И далеко не всегда это сопоставление в пользу заводских устройств. Ролик на тему: сделаем простейшие солнечные коллекторы и посмотрим, на что они способны. А также выясним, при каких случаях имеет смысл отказаться от дешёвого солнечного тепла с этих примитивных конструкций, чтобы заплатив сотни или тысячи раз дороже, получить такой же эффект от более дорогих устройств.
Личный интерес автора ролика к теме основан на предположении, что заводские солнечные коллекторы являются эволюционным тупиком солнечной тепловой энергетики, поскольку, например, солнечные батареи за последние несколько десятилетий подешевели больше чем в сто раз и график показывает процесс снижения цен.
3 простые конструкции коллекторов для нагрева воды от солнца
Черная пленка является единственной, из чего состоит 1-пленочный примитивный коллектор, то есть на пленку наливается вода и очевидно, что во время солнца это вода нагреется. Её можно купить на базаре в любом городе. Мастер приобрел три квадратных метра за 15 гривен. Стоимость коллектора выходит 15 евро цент за квадратный метр.
Но имеет смысл добавить еще одну — прозрачную пленку, которая покроет поверхность нагреваемой воды. Температура нагрева радикально увеличивается, поскольку вторая пленка останавливает испарение воды. Её продают на любом базаре для теплиц и из-за этого второго слоя стоимость коллектора увеличивается до 35 евро центов за квадратный метр.
Но есть еще и 3 пленочный вариант и дополнительная пленка тоже является прозрачной, она увеличит стоимость коллектора до 55 евро центов за квадратный метр.
Функция 3 пленки, как и у стекла заводского плоского коллектора, то есть между стеклом и черным абсорбером формируется слой воздуха толщиной несколько сантиметров, воздух является теплоизолятором.
Сколько пленок нужно для хорошего нагрева воды?
Экспериментальные измерения дали неожиданные результаты, поскольку оказалось что в нашем случае результат применения третьей пленки не является таким эффективным, как в случае заводского плоского коллектора — температура нагрева воды увеличивается, но всего лишь на несколько градусов. Причем наша тройка коллекторов может иметь разные конструкции. К примеру 2 пленочная — прозрачная полиэтиленовая пленка, продается на базарах в виде рукава. Вода заливается внутрь рукава, а роль нижней черной пленки выполняют черная поверхность крыши многоэтажки.
Аналогичное исследование, но с рукавом из не прозрачной, а черной пленки. Если вторая пленка черная, вариант предпочтительнее только при условии хорошей циркуляция воды через систему. Коллектор нагрел 100 литров воды до 66 градусов. Можно заметить несколько усложнений конструкции, в том числе лист пенополистирола толщинoй 3 сантиметра. но эксперименты показали, что теплоизоляция под коллектором увеличит температуру нагрева, но не радикально.
Эксперимент в августе с нагревом воды при температуре воздуха в тени 35 градусов показал, что пленочный коллектор на хорошей теплоизоляции нагрел воду до 63 градусов и в тот же самый момент другой коллектор нагрел воду до 57 градусов, хотя под ним теплоизоляции нет и его первая пленка лежит прямо на земле.
Дополнительные функции кустарного садового коллектора
Также интересно обратить внимание, что однопленочный коллектор во время дождя выполняет функцию сбора дождевой воды что для некоторых домов и местности может оказаться актуальным. кроме этого, 1 пленочные и 2 пленочные коллекторе ночью могут выполнять функцию градирни, то есть они отбирают тепло из воды, используемой для систем охлаждения. Можно использовать в режиме, когда днем через них циркулирует вода, которую нужно нагревать. а ночью коллектор охлаждает воду баков. днем вода из них используется для отбора тепла. в результате чего она нагревается. и поэтому следующей ночью ее нужно опять охлаждать коллекторами.
Интересно заметить, что высота воды в коллекторах может превышать несколько сантиметров. они являются одновременно и солнечным коллекторам и баком для горячей воды. То есть они работают как хорошо известная черная бочка на летнем душе.
Но очевидно, что после исчезновения солнца вода в коллекторе охлаждается. Для этого случая может оказаться интересным коллектор с тремя слоями пленки, вода в котором охлаждается медленно.
На фото. Стоимость заводских тепловых коллекторов в тысячу раз дороже представленных самодельных.
Статистика по измерениям эффективности самодельных и заводских солнечных нагревателей
1 августа проводил эксперимент по измерению производительности 2 пленочного коллектора. На протяжении солнечного дня измерял температуру воды и заносил в таблицу.
насколько эффективен нагреватель воды с пленкой
В следующий таблице интерпретация полученных результатов, в столбце количество теплоты, которую реально производил коллектор.
Описано в примечании фото, как рассчитывалось по результатам измерений температуры. В другом столбце количество солнечной радиации, которая попала на солнечный коллектор. причем важно заметить, что она зависит от угла солнца над горизонтом, точнее от синуса этого угла.
Интересно, что в данный временной промежуток производство тепла коллектором было больше, чем количество солнечной радиации. но никакого парадокса нет, если обратить внимание на разницу температур. В это время температура воздуха была больше, чем воды в коллекторе, и поэтому она нагревалась не только из-за поглощения солнечной радиации, но и вследствие нагрева от более теплого воздуха. но в другие временные промежутки вода была уже теплее воздуха. причем, чем больше разница температур, тем больше тепловые утечки из воды в окружающий воздух. тем меньше полезного тепла производят коллектор. Можно прийти к выводу, что как только температура воды достигнет примерно 60 градусов, она прекратит нагреваться, поскольку упомянутые тепловые утечки сравняются с поступлением энергии Солнца в коллектор.
В правом крайнем столбце таблицы зафиксирована измеренная мощность нагрева коллектора на единицу площади, ее можно сравнить с столбцом с мощностью нагрева одного квадратного метра заводского коллектора в тех же условиях. Описано, как вычислял мощности. Один квадратный метр заводской модели имеет преимущество над такой же площадью самодельного только при работе на высоких температурах воды. а если нужно греть воду с температурой выше 60-70 градусов, то кустарный коллектор не сможет работать вообще. в то же время 1 квадратный метр самодельного теплообменника произведет тепла заметно больше, чем один квадратный метр фабричного, когда температура воды меньше температуры окружающего воздуха.
Результаты объясняются энергетическими характеристиками 2 пленочного коллектора.
Приблизительные характеристики заводских плоских коллекторов, представленных в паспорте.
В интернете можно найти такие характеристики практически для любой марки. По таблице видно, что фирменный обменник тепла имеет преимущество по этому коэффициенту, благодаря чему он способен работать на высоких температурах. но с другой стороны самопальный коллектор работает намного лучше заводского в случае, если нужно подогреть воду с температурой ниже воздуха. Например, если нужно нагревать 10 градусную воду подземной скважины во время 30-градусной жары. дело в том, что коэффициент корректнее называть не тепловыми потерями, а коэффициентом теплообмена. Поскольку если вода в коллекторе холоднее воздуха, то в коллекторе нет тепловых потерь, а наоборот, из более теплого воздуха в него поступает дополнительное тепло. Данный коэффициент интерпретируется так, что если разница температур между водой и воздухом увеличивается на 1 градус, то обмен тепла через каждый квадратный метр коллектора увеличивается на 20 ватт.
Эта характеристика (оптический КПД) показывает кпд преобразования солнечной радиации в полезное тепло в условиях, когда температура теплоносителя в коллекторе равна температуре окружающего среды. В примечании описано, почему у простейших коллекторов этот показатель немного лучше, чем у заводских. Но это указан кпд нового чистого коллектора, а примитивные очень чувствительны к грязи. Текст ниже описывает, как много грязи накапливается в них течение эксплуатации.
Грязь и пузырьки в простых самодельных коллекторах
* В воду 1-пленочного коллектора извне приходит очень много разнообразной грязи. В 2-х и 3-пленочных устройствах эта проблема выражается в пылевом налете на верхней пленке, и после высыхания воды дождя или росы эта грязь группируется в непрозрачные пятна, которые могут очень заметно уменьшить КПД коллектора. Но с другой стороны, есть несколько несложных способов удалять эту грязь после дождя.
* Из воды тоже выпадает много грязи в виде мелких хлопьев на поверхности воды или крупных хлопьев на дне. Эти выпадения усиливаются из-за нагрева воды. * Также накапливается «белый налет» (на верху 1-й и низу 2-й пленки), который заметно снижает КПД. Он прикрепляется к пленкам очень прочно, т.е. потоком воды не удаляется (и щеткой он оттирается с большим трудом и не полностью). Возможно, это выпадение солей из нагретой воды, возможно, это последствия разложения полиэтиленовых пленок. * Часть грязи в коллекторе может быть объяснена продуктами разложения полиэтилена вследствие УФ-радиации и высокой температуры. Обычно полиэтилен разлагается на перекись водорода, альдегиды и кетоны. В основном, это газы или жидкости, хорошо растворимые в воде. т.е. в осадок они вроде бы не должны выпадать. * КПД коллектора также снижается из-за большого количества газовых пузырьков (диаметром до нескольких миллиметров на верху 1-й и низу 2-й пленки), которые выделяются при нагреве воды (При нагреве уменьшается растворимость газов в воде). Интересно, что при расположении коллектора на земле на его 1-й пленке пузырьков практически нет (но они есть на низу 2-й) * Под 2-й пленкой могут образовываться большие пузыри, а также воздух в складках. Эти участки быстро запотевают, и это уменьшает КПД. * На краях коллектора 2-я пленка может не прилегать к воде: на таких участках низ запотевает и поэтому плохо пропускает солнечную радиацию. * В 3-пленочных коллекторах могут быть запотевания низа 3-й пленки. Это случается при неправильной установке 2-й пленки (из-за чего пар из коллектора может проникать под 3-ю пленку) или из-за её повреждений. В таких случаях нужно устанавливать 3-ю пленку так, чтобы ветер слегка вентилировал пространство между нею и 3 слоем.Загрязнение воды коллекторов из-за разложения полиэтиленовых пленок
Это разложение будет из-за одновременного воздействия кислорода воздуха, ультрафиолетовой солнечной радиации и температуры 50-60 град. Полиэтилен разлагается на альдегиды, кетоны, перекись водорода и др.
При нагреве в коллекторе каждого 1 куб. м воды его полиэтиленовые пленки будут выделять порядка 1 г продуктов разложения (На 1 кв. м коллектора приходится около 100 г 1-й и 2-й пленок, и за время своей службы они выделят, по очень приблизительным оценкам, около 10 г «продуктов разложения» и нагреют порядка 10 куб. м воды). Но непонятно, сколько из этих 1 мг/ литр перейдет в воду, а сколько улетит в атмосферу, выпадет в осадок на дне коллектора и бака горячей воды, перейдет в тот «белый налет» (о котором я говорил в предыдущем тексте), не выйдет за пределы массы полиэтилена Кроме того, непонятно благоприятное влияние на очистку воды вследствие ее пребывания и нагрева в коллекторе (а там из нее выпадает очень много осадка), а также вследствие пребывания в баке горячей воды. Таким образом, по приблизительным оценкам, в воду поступит 0,1-0.5 мг / литр продуктов разложения полиэтилена, которые распределятся между десятками хим. веществ с концентрациями по 0.001-0,1 мг на литр нагреваемой воды. Поскольку это недалеко от ПДК вредных веществ, консультация с СЭС лишней не будет. Например, согласно стандарту ГН 2.1.5.689-98 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»: — Есть ограничения по 13 шт. альдегидов — ПДК от 0,003 мг / литр до 1 мг / литр, например, ПДК формальдегида — 0.05 мг / литр, а самые жесткие требования к бензальдегиду — 0.003 мг / литр — ПДК перекиси водорода — 0,1 мг / литр — По 3 шт. экзотических кетонов тоже есть ограничения с ПДК 0,1-1,0 мг / литрВыводы:
1) Если вода «застоялась» коллекторах, то концентрация «продуктов разложения» в ней будет в разы или десятки раз больше. Возможно, такую воду лучше выбрасывать.
2) Желательно использовать более тонкие пленки (они будут давать меньше «продуктов разложения»). 3) Пленки желательно как можно стабилизированные. Например, тепличная предпочтительнее обычной (не подкрашенной) полиэтиленовой, она стабилизируется против воздействия УФ-радиации. Другой пример: полиэтилен высокой плотности медленнее разлагается из-за высокой температуры, чем низкой плотности. 4) Отношение площади коллекторов к потребности объекта (в горячей воде) желательно как можно меньше. Т.е., например, при суточной потребности 10 куб. м горячей воды, станция с 50 кв.м. коллекторов дает загрязнение (концентрация вредных веществ) воды в десятки раз меньше, чем станция с 500 кв.м. коллекторов, в том числе и из-за более низкой температуры нагрева воды коллекторами, что уменьшает скорость разложения полиэтилена. 5) Если 2-я пленка коллекторов будет черная (а не прозрачная), то загрязнение воды должно быть в разы меньше (поскольку УФ-излучение проникает только в верхний слой 2-й пленки). 6) Можно подумать над таким вариантом работы солнечной станции, когда коллекторы нагревают техническую воду, которая затем передает свое тепло через теплообменник чистой воде ГВС.Какую лучше применять пленку для сбора солнечного тепла — черную или прозрачную ?
Оптический кпд заметно уменьшается из-за воздушных пузырьков и запотевания второго слоя пленки коллектора. это к тому, что кпд реально эксплуатируемого устройства по всему сроку эксплуатации окажется на несколько десятков процентов меньше. Поэтому не имеет смысла стремиться к дорогим пленкам с большой долговечностью, поскольку за несколько месяцев эксплуатации на них накопится столько грязи, что пленки захочется заменить. Из-за таких проблем с разнообразной грязью склоняемся к тому, что 2 пленка должна быть все таки непрозрачной, а черной.
У этого коллектора черная пленка и нет радикального уменьшения кпд из-за грязи. Но у него есть проблема — солнце нагревает только тонкий верхний слой воды. Тем не менее существует несколько вариантов решения проблемы, которые будут получены после исследований.
Важно иметь ввиду что ветер увеличивает коэффициент теплопотерь примитивных коллекторов, а в случае однопленочного это влияние ветра может быть радикальным, так как увеличиваются потери тепла из коллектора вследствие испарения воды и может дойти до того, что даже в идеально солнечный день, но при сильном ветре и низкой влажности 1-пленочный сможет нагреть воду только на несколько градусов выше температуры окружающего воздуха. Кроме этого коэффициент к1 нужно увеличить на несколько десятков процентов, если под коллектором нет теплоизоляции и он лежит непосредственно на земле, на поверхности крыши и тому подобное.
Во 2 серии этого фильма сравниваются примитивные и заводские коллекторы по темам работы зимой, простоте подключения, экономической целесообразности, областям применения на практике.
Обсуждение здесь .
Вторая часть (о работе зимой)
3, 4 серии (техобслуживание)Другие ссылки:
— Конструкция и технология того сверх дешевого солнечного нагревателя: — Эксперимент с заливкой воды в рукав полиэтиленовой пленки:
