Jak zrobić kolektor słoneczny do ogrzewania własnymi rękami: instrukcja krok po kroku

Wzrost kosztów tradycyjnych źródeł energii skłania właścicieli domów jednorodzinnych do poszukiwania alternatywnych sposobów ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody. Proszę przyznać, że aspekt finansowy odgrywa niebagatelną rolę przy wyborze systemu grzewczego.

Jednym z najbardziej perspektywicznych sposobów pozyskiwania energii – jest przekształcanie promieniowania słonecznego. Wykorzystuje się do tego instalacje solarne. Rozumiejąc zasadę ich budowy i mechanizm działania, samodzielne wykonanie kolektora słonecznego do ogrzewania nie będzie stanowić większego problemu.

Opowiemy Państwu o cechach konstrukcyjnych instalacji solarnych, zaproponujemy prosty schemat montażu oraz opiszemy materiały, które można wykorzystać. Etapy prac są ilustrowane poglądowymi zdjęciami, a materiał uzupełniono filmami wideo na temat budowy i uruchamiania własnoręcznie wykonanego kolektora.

Zasada działania i cechy konstrukcyjne

Nowoczesne instalacje solarne – to jeden z rodzajów alternatywnych źródeł pozyskiwania ciepła. Stosuje się je jako pomocnicze urządzenia grzewcze, przekształcające promieniowanie słoneczne w energię użyteczną dla właścicieli domów.

Są w stanie w pełni zapewnić zaopatrzenie w ciepłą wodę i ogrzewanie w okresie zimowym wyłącznie w regionach południowych. I to pod warunkiem, że zajmują dostatecznie dużą powierzchnię i są zainstalowane na otwartych, niezacienionych przez drzewa terenach.

Mimo dużej liczby odmian, zasada ich działania jest taka sama. Każda instalacja solarna stanowi obieg z szeregowym rozmieszczeniem urządzeń, zarówno dostarczających energię cieplną, jak i przekazujących ją odbiorcy.

Głównymi elementami roboczymi są panele fotowoltaiczne lub kolektory słoneczne. Technologia montażu generatora słonecznego z płyt fotowoltaicznych jest nieco bardziej skomplikowana niż kolektora rurowego.

W tym artykule omówimy drugą opcję – kolektorową instalację solarną.

Kolektory słoneczne na razie służą jako pomocnicze źródła energii. Całkowite przełączenie ogrzewania domu na system solarny jest niebezpieczne ze względu na niemożność przewidzenia dokładnej liczby słonecznych dni.

Kolektory to system rurek połączonych szeregowo z przewodem wyjściowym i wejściowym lub ułożonych w formie wężownicy. W rurkach krąży woda techniczna, strumień powietrza lub mieszanina wody z jakimś płynem niezamarzającym.

Cyrkulację stymulują zjawiska fizyczne: parowanie, zmiana ciśnienia i gęstości przy przejściu z jednego stanu skupienia w inny itp.

Zasada działania kolektorów słonecznych opiera się na pozyskiwaniu i magazynowaniu energii słonecznej przekazywanej czynnikowi grzewczemu (+)

Gromadzenie i magazynowanie energii słonecznej odbywa się za pomocą absorberów. Jest to albo pełna metalowa płyta z zaczernioną powierzchnią zewnętrzną, albo system oddzielnych płyt przymocowanych do rurek.

Do wykonania górnej części obudowy, pokrywy, stosuje się materiały o wysokiej zdolności przepuszczania strumienia świetlnego. Może to być pleksi, podobne materiały polimerowe, hartowane rodzaje tradycyjnego szkła.

Aby wyeliminować straty energii z tyłu urządzenia, w skrzyni układa się izolację termiczną

Trzeba powiedzieć, że materiały polimerowe dość źle znoszą działanie promieni ultrafioletowych. Wszystkie rodzaje plastiku mają dość wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej, co często prowadzi do rozszczelnienia obudowy. Dlatego stosowanie takich materiałów do produkcji obudowy kolektora należy ograniczyć.

Woda jako czynnik grzewczy może być stosowana tylko w systemach przeznaczonych do dostarczania dodatkowego ciepła w okresie jesienno-wiosennym. Jeśli planowane jest całoroczne użytkowanie systemu solarnego, przed pierwszym ochłodzeniem wodę techniczną wymienia się na jej mieszaninę z płynem niezamarzającym.

W powietrznych systemach solarnych jako czynnik grzewczy wykorzystuje się powietrze. Kanały do jego przepływu można wykonać ze zwykłej blachy profilowanej (+)

Jeśli kolektor słoneczny jest instalowany do ogrzewania małego budynku, nieposiadającego połączenia z autonomicznym ogrzewaniem domku lub sieciami centralnymi, buduje się najprostszy system jednopętlowy z urządzeniem grzewczym na jego początku.

W łańcuch nie włącza się pomp cyrkulacyjnych i urządzeń grzewczych. Schemat jest niezwykle prosty, ale może działać tylko podczas słonecznego lata.

Podczas włączania kolektora do dwuobwodowego urządzenia technicznego wszystko jest znacznie bardziej skomplikowane, ale zakres dni nadających się do zastosowania jest znacznie zwiększony. Kolektor obsługuje tylko jeden obwód. Dominujące obciążenie spoczywa na głównym urządzeniu grzewczym, działającym na energię elektryczną lub dowolny rodzaj paliwa.

Do wykonania kolektora słonecznego można skorzystać z gotowego schematu, można zbudować własny model pilotażowy i wypróbować go w praktyce (+)

Pomimo bezpośredniej zależności wydajności urządzeń słonecznych od liczby słonecznych dni, są one poszukiwane, a popyt na urządzenia słoneczne stale rośnie. Są popularne wśród domowych majsterkowiczów, dążących do skierowania wszystkich rodzajów energii naturalnej na pożyteczne tory.

Klasyfikacja według kryteriów temperaturowych

Istnieje dość duża liczba kryteriów, według których klasyfikuje się różne konstrukcje systemów solarnych. Jednak w przypadku urządzeń, które można wykonać własnymi rękami i wykorzystać do ciepłej wody użytkowej i ogrzewania, najbardziej racjonalny będzie podział według rodzaju czynnika grzewczego.

Tak, systemy mogą być cieczowe i powietrzne. Pierwszy rodzaj jest częściej stosowany.

Oprócz tego często stosuje się klasyfikację według temperatury, do której mogą nagrzewać się elementy robocze kolektora:

1. Niskotemperaturowe. Warianty zdolne do podgrzania czynnika grzewczego do 50ºC. Stosowane do podgrzewania wody w zbiornikach do podlewania, w wannach i prysznicach w lecie oraz do podnoszenia komfortu w chłodne wiosenno-jesienne wieczory.
2. Średniotemperaturowe. Zapewniają temperaturę czynnika grzewczego na poziomie 80ºC. Można je wykorzystać do ogrzewania pomieszczeń. Te warianty najlepiej nadają się do wyposażenia domów prywatnych.
3. Wysokotemperaturowe. Temperatura czynnika grzewczego w takich instalacjach może sięgać 200-300ºC. Stosowane na skalę przemysłową, instalowane do ogrzewania hal produkcyjnych, budynków komercyjnych itp.

W wysokotemperaturowych systemach heliowych stosuje się dość skomplikowany proces przekazywania energii cieplnej. Ponadto zajmują one imponującą przestrzeń, na co nie może sobie pozwolić większość naszych miłośników życia poza miastem.

Proces ich wytwarzania jest pracochłonny, a realizacja wymaga specjalistycznego sprzętu. Samodzielne wykonanie takiego wariantu systemu heliowego jest praktycznie niemożliwe.

Wykonanie w warunkach domowych wysokotemperaturowych baterii słonecznych na przetwornikach fotowoltaicznych jest dość trudne.

Samodzielne wykonanie kolektora

Samodzielne wykonanie urządzenia słonecznego – to fascynujący proces, który przynosi wiele korzyści. Dzięki niemu można racjonalnie wykorzystać darmowe promieniowanie słoneczne i rozwiązać kilka ważnych zadań domowych. Przyjrzymy się specyfice tworzenia płaskiego kolektora, który dostarcza podgrzaną wodę do systemu grzewczego.

Materiały do samodzielnego montażu

Najprostszym i najbardziej dostępnym materiałem do samodzielnego montażu obudowy kolektora słonecznego – drewniana belka z deską, sklejką, płytami OSB lub podobnymi opcjami. Alternatywnie można zastosować profil stalowy lub aluminiowy z analogicznymi arkuszami. Metalowa obudowa będzie nieco droższa.

Materiały muszą spełniać wymagania stawiane konstrukcjom używanym na zewnątrz. Okres eksploatacji kolektora słonecznego waha się od 20 do 30 lat.

A zatem materiały muszą posiadać określony zestaw cech eksploatacyjnych, które pozwolą na użytkowanie konstrukcji przez cały ten okres.

Najtańszym i najprostszym wariantem materiałów do wykonania obudowy – zastosowanie tarcicy i płyt wiórowych

Jeśli obudowa zostanie wykonana z drewna, trwałość materiału można zapewnić poprzez impregnację emulsjami wodno-polimerowymi i pokrycie materiałami lakierniczymi.

Podstawową zasadą, którą należy kierować się przy projektowaniu i montażu kolektora słonecznego, jest dostępność materiałów pod względem ceny i możliwości zakupu. Oznacza to, że można je albo znaleźć w wolnej sprzedaży, albo samodzielnie wykonać z dostępnych środków pomocniczych.

Szczegóły dotyczące izolacji cieplnej

Aby zapobiec stratom energii cieplnej, na dno skrzyni montuje się materiał izolacyjny. Może to być styropian lub wełna mineralna. Współczesny przemysł oferuje dość obszerną gamę materiałów izolacyjnych.

Do ocieplenia skrzyni można użyć foliowanych wariantów izolacji. W ten sposób można zapewnić zarówno izolację termiczną, jak i odbicie promieni słonecznych od foliowanej powierzchni.

Jeśli jako materiał izolacyjny stosuje się sztywną płytę styropianu lub polistyrenu ekspandowanego, do ułożenia wężownicy lub systemu rur można wyciąć rowki. Zazwyczaj absorber kolektora układa się na izolacji termicznej od góry i mocno mocuje do dna obudowy w sposób zależny od materiału użytego do wykonania obudowy.

Izolacja termiczna służy do zmniejszenia strat energii cieplnej przez dno obudowy. Wykonywanie urządzenia w metalowej obudowie bez izolacji termicznej jest nieracjonalne (+).

Absorber kolektora słonecznego

Jest to element absorpcyjny. Stanowi system rur, w których następuje nagrzewanie czynnika grzewczego, oraz elementów wykonanych najczęściej z blachy miedzianej. Za optymalny materiał do wykonania odbiornika ciepła uważane są rury miedziane.

Domowi majsterkowicze wynaleźli tańszy wariant – spiralny wymiennik ciepła z rur polipropylenowych.

Interesujące rozwiązanie budżetowe – absorber systemu solarnego z elastycznej rury polimerowej. Do połączenia z urządzeniami na wejściu i wyjściu stosuje się odpowiednie złączki. Wybór dostępnych środków, z których można wykonać wymiennik ciepła kolektora słonecznego, jest dość szeroki. Może to być wymiennik ciepła ze starej lodówki, polietylenowe rury wodociągowe, stalowe grzejniki panelowe itp.

Ważnym kryterium efektywności jest przewodność cieplna materiału, z którego wykonany jest wymiennik ciepła.

Do samodzielnego wykonania optymalnym wariantem jest miedź. Charakteryzuje się przewodnością cieplną wynoszącą 394 W/m². Dla aluminium parametr ten waha się od 202 do 236 W/m².

Rury miedziane uważane są za najbardziej optymalny wariant do wykonania odbiornika ciepła pod względem właściwości cieplnych i odporności na zużycie.

Jednak duża różnica w parametrach przewodności cieplnej między rurami miedzianymi a polipropylenowymi wcale nie oznacza, że wymiennik ciepła z rurami miedzianymi będzie dostarczał setki razy większe objętości gorącej wody.

Przy równych warunkach wydajność wymiennika ciepła z miedzianych rur będzie o 20% wyższa niż wydajność wariantów metalowo-plastikowych. Tak więc wymienniki ciepła wykonane z rur polimerowych mają prawo do życia. Co więcej, takie warianty będą znacznie tańsze.

Niezależnie od materiału rur, wszystkie połączenia, zarówno spawane, jak i gwintowane, muszą być szczelne. Rury można układać równolegle względem siebie lub w formie wężownicy.

Schemat wężownicy zmniejsza liczbę połączeń – to zmniejsza ryzyko wycieków i zapewnia bardziej równomierny przepływ czynnika grzewczego.

Górna część skrzyni, w której znajduje się wymiennik ciepła, jest zamykana szkłem. Alternatywnie można zastosować nowoczesne materiały, takie jak odpowiednik akrylowy lub poliwęglan lity. Przezroczysty materiał może być nie gładki, ale ryflowany lub matowy.

W klasycznym wariancie skrzynia z kolektorem jest zamykana hartowanym szkłem, pleksiglasem, poliwęglanem lub podobnym materiałem. Domowi majsterkowicze przystosowali się do używania polietylenu zamiast szkła.

Taka obróbka zmniejsza zdolności odbijania światła materiału. Ponadto materiał ten musi wytrzymywać znaczne obciążenia mechaniczne.

W przemysłowych modelach podobnych systemów solarnych stosuje się specjalne szkło solarne. Takie szkło charakteryzuje się niską zawartością żelaza, co zapewnia mniejsze straty energii cieplnej.

Zbiornik akumulacyjny lub komora wstępna

Jako zbiornika akumulacyjnego można użyć dowolnego pojemnika o pojemności od 20 do 40 litrów. Odpowiedni będzie zestaw kilku nieco mniejszych zbiorników połączonych rurami w szeregu. Zbiornik akumulacyjny zaleca się izolować, ponieważ podgrzana słońcem woda w pojemniku bez izolacji szybko straci energię cieplną.

Zasadniczo czynnik grzewczy w systemie solarnym grzewczym powinien krążyć bez akumulacji, ponieważ uzyskaną z niego energię cieplną należy zużywać w okresie jej pozyskiwania. Zbiornik akumulacyjny pełni raczej funkcję dystrybutora podgrzanej wody i komory wstępnej, utrzymującej stabilność ciśnienia w systemie.

Zbiornik akumulacyjny w systemach solarnych działa jako dystrybutor wody i zbiornik utrzymujący ciśnienie (+)

Etapy montażu instalacji solarnej

Po wykonaniu kolektora i przygotowaniu wszystkich składowych elementów konstrukcyjnych systemu można przystąpić do bezpośredniego montażu.

Jedną z opcji wykonania wężownicy z rur polipropylenowych z kształtkami i trójnikami pomoże szybko złożyć kolektor słoneczny (+)

Prace rozpoczynają się od montażu komory wstępnej, którą zazwyczaj umieszcza się w najwyższym możliwym punkcie: na strychu, wolnostojącej wieży, estakadzie itp.

Podczas montażu należy uwzględnić, że po napełnieniu systemu płynnym czynnikiem grzewczym ta część konstrukcji będzie miała znaczny ciężar. Należy zatem upewnić się co do wytrzymałości stropu lub go wzmocnić.

Po zamontowaniu zbiornika przystępuje się do montażu kolektora. Ten element konstrukcyjny systemu umieszcza się po stronie południowej. Kąt nachylenia względem linii horyzontu powinien wynosić od 35 do 45 stopni.

Po zamontowaniu wszystkich elementów łączy się je rurami, tworząc jednolity system hydrauliczny. Szczelność systemu hydraulicznego jest ważnym kryterium, od którego zależy efektywna praca kolektora słonecznego.

Według schematu montażu systemu solarnego do dostarczania wody pod letni prysznic można zbudować konstrukcję do podgrzewania wody do podlewania lub stwarzania komfortowych warunków w chłodne wieczory (+)

Do łączenia elementów konstrukcyjnych w jednolity system hydrauliczny stosuje się rury o średnicy cala i pół cala. Mniejszą średnicę stosuje się do wykonania części ciśnieniowej systemu.

Pod częścią ciśnieniową systemu rozumie się wprowadzenie wody do komory wstępnej i wyprowadzenie ogrzanego czynnika grzewczego do systemu ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Pozostała część jest montowana przy użyciu rur o większej średnicy.

W celu zapobieżenia stratom energii cieplnej rury należy starannie zaizolować. Do tego celu można użyć styropianu, wełny bazaltowej lub foliowanych wariantów nowoczesnych materiałów izolacyjnych. Zbiornik magazynujący oraz komora wstępna również podlegają procedurze ocieplania.

Najprostszym i najłatwiej dostępnym wariantem izolacji cieplnej zbiornika magazynującego jest wykonanie wokół niego skrzyni ze sklejki lub desek. Przestrzeń między skrzynią a zbiornikiem należy wypełnić materiałem izolacyjnym. Może to być wełna żużlowa, mieszanina słomy z gliną, suche trociny itp.

System solarny jest instalowany tak, aby kolektory słoneczne znajdowały się po najbardziej nasłonecznionej stronie domu lub działki (+)

Test przed uruchomieniem

Po zamontowaniu wszystkich elementów systemu i ociepleniu części konstrukcji można przystąpić do napełniania systemu płynnym czynnikiem grzewczym. Wstępne napełnianie systemu należy przeprowadzać przez króciec znajdujący się w dolnej części kolektora.

To znaczy, napełnianie odbywa się od dołu do góry. Dzięki takim działaniom można uniknąć ewentualnego powstawania pęcherzy powietrza.

Woda lub inny płynny nośnik ciepła wpływa do komory wstępnej. Proces napełniania systemu kończy się, gdy z rury spustowej komory wstępnej zaczyna wypływać woda.

Za pomocą zaworu pływakowego można wyregulować optymalny poziom cieczy w komorze wstępnej. Po napełnieniu systemu nośnikiem ciepła zaczyna się on nagrzewać w kolektorze.

Proces podnoszenia temperatury zachodzi nawet w pochmurną pogodę. Podgrzany nośnik ciepła zaczyna unosić się do górnej części zbiornika akumulacyjnego. Proces naturalnej cyrkulacji trwa do momentu, gdy temperatura nośnika ciepła wpływającego do grzejnika zrówna się z temperaturą nośnika opuszczającego kolektor.

Przy poborze wody w układzie hydraulicznym zadziała zawór pływakowy znajdujący się w komorze wstępnej. W ten sposób będzie utrzymywany stały poziom. Przy tym zimna woda wpływająca do systemu będzie znajdować się w dolnej części zbiornika akumulacyjnego. Proces mieszania zimnej i gorącej wody praktycznie nie zachodzi.

W układzie hydraulicznym należy przewidzieć montaż zaworu odcinającego, który będzie zapobiegał cyrkulacji zwrotnej nośnika ciepła z kolektora do zbiornika akumulacyjnego. Dzieje się tak w przypadku, gdy temperatura otoczenia spadnie poniżej temperatury nośnika ciepła.

Takiego zaworu odcinającego używa się zazwyczaj w nocy i wieczorem.

Doprowadzenie do punktów poboru ciepłej wody odbywa się za pomocą standardowych baterii mieszających. Lepiej nie używać zwykłych pojedynczych kranów. W słoneczną pogodę temperatura wody może dochodzić do 80°C – korzystanie z takiej wody bezpośrednio jest niewygodne. Tym samym baterie mieszające pozwolą znacznie zaoszczędzić ciepłą wodę.

Wydajność takiego słonecznego podgrzewacza wody można zwiększyć poprzez dodanie dodatkowych sekcji kolektorów. Konstrukcja w pełni pozwala na montaż od dwóch do nieograniczonej liczby sztuk.

Wydajność systemu solarnego zwiększa się poprzez instalację większej liczby kolektorów słonecznych

Podstawą takiego kolektora słonecznego do ogrzewania i ciepłej wody użytkowej jest zasada efektu cieplarnianego oraz tzw. efekt termosyfonowy. Efekt cieplarniany jest wykorzystywany w konstrukcji elementu grzejnego.

Promienie słoneczne swobodnie przechodzą przez przezroczysty materiał górnej części kolektora i przekształcane są w energię cieplną.

Energia cieplna znajduje się w zamkniętej przestrzeni dzięki szczelności skrzyni sekcji kolektora. Efekt termosyfonowy jest wykorzystywany w układzie hydraulicznym, gdy podgrzany nośnik ciepła unosi się do góry, wypierając zimny nośnik ciepła i zmuszając go do przemieszczania się w strefę grzania.

Dzięki efektowi termosyfonowemu w systemie następuje stabilna i ciągła naturalna cyrkulacja czynnika grzewczego

Wydajność kolektora słonecznego

Podstawowym kryterium wpływającym na wydajność systemów solarnych jest intensywność promieniowania słonecznego. Ilość potencjalnie użytecznego promieniowania słonecznego padającego na dany obszar nazywana jest insolacją.

Wartość insolacji w różnych punktach kuli ziemskiej waha się w dość szerokim zakresie. Do określenia średnich wartości tej wielkości istnieją specjalne tabele. Pokazują one średnią wartość insolacji słonecznej dla danego regionu.

Dane dotyczące insolacji słonecznej w określonym regionie można uzyskać ze specjalnych map i tabel (+)

Oprócz wartości insolacji na wydajność systemu wpływają powierzchnia i materiał wymiennika ciepła. Kolejnym czynnikiem wpływającym na wydajność systemu jest objętość zbiornika akumulacyjnego. Optymalna pojemność zbiornika jest obliczana na podstawie powierzchni absorberów kolektora.

W przypadku kolektora płaskiego jest to całkowita powierzchnia rur znajdujących się w skrzyni kolektora. Wartość ta, średnio rzecz biorąc, wynosi 75 litrów objętości zbiornika na jeden m² powierzchni rurek kolektora. Zbiornik akumulacyjny jest swego rodzaju akumulatorem ciepła.

Ceny urządzeń fabrycznych

Lwia część nakładów finansowych na budowę takiego systemu przypada na wykonanie kolektorów. Nie jest to zaskakujące, nawet w przemysłowych modelach systemów solarnych około 60% kosztów stanowi ten element konstrukcyjny. Koszty finansowe będą zależeć od wyboru konkretnego materiału.

Należy zaznaczyć, że tego rodzaju system nie jest w stanie ogrzać pomieszczenia, a jedynie pomaga zaoszczędzić koszty, podgrzewając wodę w systemie grzewczym. Biorąc pod uwagę dość duże nakłady energii zużywanej na podgrzewanie wody, kolektor słoneczny zintegrowany z systemem grzewczym znacznie zmniejsza tego rodzaju koszty.

Kolektor słoneczny dość łatwo integruje się z systemem grzewczym i ciepłej wody użytkowej (+)

Do jego wykonania używa się dość prostych i dostępnych materiałów. Ponadto taka konstrukcja jest całkowicie niezależna energetycznie i nie wymaga konserwacji technicznej. Konserwacja systemu sprowadza się do okresowego przeglądu i czyszczenia szyby kolektora z zabrudzeń.

Dodatkowe informacje na temat organizacji ogrzewania słonecznego w domu znajdują się w tym artykule.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Proces wykonania podstawowego kolektora słonecznego:

Jak złożyć i uruchomić system solarny:

Oczywiście samodzielnie wykonany kolektor słoneczny nie będzie w stanie konkurować z modelami przemysłowymi. Używając dostępnych materiałów, dość trudno osiągnąć wysoką sprawność, jaką charakteryzują się egzemplarze przemysłowe. Jednak koszty finansowe będą znacznie niższe w porównaniu z zakupem gotowych instalacji.

Niemniej jednak własnoręcznie wykonany system ogrzewania słonecznego znacząco podniesie poziom komfortu i zmniejszy wydatki na energię wytwarzaną przez tradycyjne źródła.

Czy macie Państwo doświadczenie w budowie kolektora słonecznego? A może pozostały pytania dotyczące przedstawionego materiału? Proszę podzielić się informacjami z naszymi czytelnikami. Komentarze można zostawiać w formularzu poniżej.