Сонячний водонагрівач своїми руками

Постановка задачі

Потрібно створити найпростіший і дешевий нагрівач води сонячним випромінюванням. Точніше - знайти найвигідніше співвідношення витрати / результат. В "витратах" враховуємо як прямі грошові витрати, так і власну роботу з пошуку деталей і їх складання. Підсумкові "витрати" можна висловлювати як в рублях, так і в годинах витраченого часу.

Принцип роботи

Взагалі кажучи, дійсно НАЙБІЛЬШИЙ простий сонячний водонагрівач вдає із себе просто бочку з водою, виставлену на сонці. Недоліки: працездатний тільки в спекотний сонячний день, без сонця вода остигає дуже швидко, ККД використання сонячної енергії дуже малий. Тому ми його згадали, але розглядати всерйоз не будемо.

Трохи складніша конструкція представляє з себе теплоизолированную бочку і власне колектор сонячної енергії, з'єднаний з бочкою двома трубками, розташований НИЖЧЕ бочки. (В найпростішому випадку, колектор являє собою плоский сталевий радіатор опалення, пофарбований з одного боку в чорний колір)

Розташування колектора нижче дна бочки має принципове значення: в цьому випадку циркуляція води через колектор відбувається завдяки конвекції - вода, що нагрілася в колекторі піднімається в бочку, а з дна бочки більш холодна вода надходить в колектор. Після заходу сонця конвекція припиняється; вода в колекторі швидко остигає до температури повітря, але нагріта вода з бочки не поступатиме в колектор, а оскільки бочка покрита теплоізоляцією, остигати вона буде повільно.

Якщо розташувати колектор на одному рівні з бочкою, то в одну з трубок слід вставити клапан, що перешкоджає руху води в зворотному напрямку (або вентиль, що закривається на ніч вручну). Якщо цього не зробити, вночі нагріта вода буде надходити з бочки в колектор, і в колекторі остигати, обігріваючи навколишнє середовище. Клапан ускладнює конструкцію і створює значний опір току води через колектор, чому ККД конструкції помітно падає.

Якщо місцеві особливості вимагають розташування колектора ВИЩЕ бочки - необхідно застосування циркуляційного насоса.

Розташування колектора нижче дна бочки дозволяє обійтися без клапана і без насоса. За ідеєю, чим нижче щодо бочки знаходиться колектор, тим вище "тиск", що створюється конвекцією, вище швидкість перемішування, вище ККД установки. Але при цьому також зростає і довжина сполучних трубок; для компенсації зростання сопртівленія, при збільшенні їх довжини, бажано збільшувати також перетин. При цьому також зростають тепловтрати через стінки трубок, тобто необхідно застосовувати більш товсту теплоізоляцію. Загалом, нехай кожен знаходить для себе розумний компроміс.

Деталі конкретної конструкції

Для зручності користування, слід передбачити подачу в бочку холодної води (з водопроводу, або інший, "холодної" бочки) і відбір води нагрітої.

Для подачі холодної води, в верхній частині бочки встановлений звичайний поплавковий клапан від унітазу. Поплавок, що вдає із себе поліетиленовий резервуар, замінений шматком твердого пінопласту, який насунений до горизонтальної частини важеля. Це зроблено з метою зменшення невикористаного обсягу у верхній частині бочки. До вихідного отвору поплавкового клапана приєднаний відрізок шланга, що йде до дна бочки - для того щоб холодна вода надходила ближче до дна, а не змішувалася з нагрітою водою у верхній частині.

Відбір нагрітої води бажано робити з верхнього шару. Якщо подача холодної води здійснюється постійно і під достатнім тиском, то рівень води в бочці буде приблизно постійним, і тоді отвір для відбору води можна зробити у верхній частині, в декількох сантиметрах нижче мінімально можливого рівня.

У моєму випадку подача холодної води здійснюється періодично, тобто, рівень води в бочці коливається від максимального до нульового. Відбір води з верхнього шару здійснюється наступним чином: отвір для відбору води розташоване в нижній частині бочки; всередині бочки до цього отвору прикріплений відрізок шланга, згорнутий в кільце; на відкритий кінець цього відрізка шланга надітий поплавок з пінопласту, що підтримує його на поверхні води, і загинають цей кінець вниз, на 1-2 см нижче рівня води.

У нижній частині цього відрізка шланга зроблено маленький отвір (0.5-1мм). Призначення цього отвору - забезпечити початкове заповнення забірного шланга водою. Без цього отвору можлива ситуація коли середина незаповненого водою шланга спливає вище ніж його кінець, в результаті шланг не може "засмоктати" першу порцію води.

Мабуть, забірний шланг з поплавком - найскладніша для налагодження частина конструкції :)

Інші деталі, що впливають на ефективність.

1. Теплоізоляція. Теплоізолювати слід саму бочку, обидві трубки від бочки до колектора і трубку для відбору нагрітої води. Будь-якими теплоізоляційними матеріалами, які є під рукою, чим більше - тим краще :) На око, досить ефективною буде товщина шару теплоізоляції від 5 до 10 сантиметрів. Бажано під шаром теплоізоляції прокласти шар алюмінієвої фольги, якщо не використовуються спеціальні теплоізоляційні матеріали, з "вбудованим" шаром фольги. Не забувати про теплоізоляцію дна і кришки бочки!

2. Діаметр трубок між бочкою і колектором - чим більше, тим краще. У першій версії своєї конструкції я використовував шланг 1/2 ", зараз вважаю, що слід замінити на 3/4". Тонкі трубки створюють високий опір протіканню води (тоді як "тиск", що створюється конвекцією досить невелика), що погіршує перенесення тепла з колектора в бочку, знижує ККД установки. Довжину цих трубок також слід мінімізувати. (При використанні циркуляційного насоса, діаметр трубок серйозного значення не має) При наявності відповідного термометра корисно заміряти різницю температур на вході в колектор і на виході з нього. Якщо ця різниця істотна - значить циркуляція утруднена, перетин трубок бажано збільшити.

Пристрій колектора - розбір варіантів

Колектор - найважливіша, "центральна" частина установки. Від нього в першу чергу завив ефективність установки і в кінцевому рахунку - ступінь задоволеності користувача. Тому пристрій колектора буде присвячено так багато уваги. В інтернеті зустрічається кілька варіантів пристрою колектора. Всі вони працездатні в принципі, але мають різні недоліками.

1. Колектор на основі змійовика від старого холодильника.

Якщо вже в вашому розпорядженні виявився непотрібний холодильник, який хочеться використовувати - розумно спробувати використовувати випарник морозильної камери. який представляє з себе пару алюмінієвих листів з каналами для фреону між ними.

3. З сталевих водопровідних труб. між двома горизонтальними трубами вварено багато що з'єднують їх вертикальних, тобто конструкція дуже схожа на опалювальний радіатор.

4. Змійовик з товстим мідної трубки, припаяний до алюмінієвій підкладці. (Варіант: як в попередньому пункті - дві товсті горизонтальні трубки, між якими впаяні кілька вертикальних трубок тонший, знову ж на алюмінієвій підкладці)

5. ТЕОРЕТИЧНО цікавий варіант - використання стільникового полікарбонату, по каналах якого протікає вода.

6. НАЙБІЛЬШИЙ ПРОСТИЙ варіант - для ледачих, до яких ставлюся я сам. Плоский сталевий радіатор опалення був підібраний на смітнику :)

Тонкість для радіатора з смітника: бажано видалити внутрішній шар іржі, для чого радіатор слід висушити, обстучать молотком по всій площі і продути стисненим повітрям. Хоча, працювати буде і так :)

7. Радіатор з п.6 був другим, а першим був змійовик з металопластикової труби 16мм, пофарбований чорною фарбою і покладений в зачернений зсередини дерев'яний ящик, закритий склом. Результат розчарував: до вечора вода в бочці була трохи вище температури тіла, хоча скло ящика на дотик було гарячим. Очевидно, причиною низької ефективності з'явилася низька теплопровідність стінок металопластикової труби. Висновок: металопластикових труб в колекторі використовувати не варто. "Літає, але низько-низько" (С)

Підвищення ефективності колектора

З самого початку було очевидно, що колектор повинен бути поміщений в ящик під скло; це не було зроблено відразу тільки тому, що в теплий сонячний і безвітряний день воно і так працює (а результат хотілося швидше) Але при зниженні температури повітря, або у вітряну погоду, відразу ж відчувається зниження ефективності. Таким чином, призначення ящика - безперешкодно пропускати до колектора сонячне випромінювання, де воно викличе нагрівання всіх чорних поверхонь, і ізолювати колектор від холодного зовнішнього повітря. Для цього ящик повинен бути без щілин, задня і бічні стінки зсередини покриті теплоізоляцією - пінопласт і алюмінієва фольга. Тобто через задню і бічні стінки взагалі нічого не повинно проходити - ні тепло, ні випромінювання. Таким чином, основні тепловтрати відбуватимуться через скло, що закриває ящик зверху.

Як "скла" розглядалося 2 варіанти: віконне скло і стільниковий полікарбонат. Очевидно, що теплопровідність листа стільникового полікарбонату значно нижче, ніж віконного скла, тобто ізолює від холодного повітря він краще. У той же час, "на око" (вимірювання не проводилися) він відображає значно більшу частину випромінювання сонця, ніж віконне скло, і явно потребує більш "прямий" орієнтації на сонці.

Як тільки буде час, я досліджую це питання детальніше, але поки виникло припущення наступне: в літній час (при відносно теплому зовнішньому повітрі) більшу ефективність забезпечить віконне скло; в осінньо-весняний час, при низьких температурах повітря, поверх віконного скла слід встановлювати лист полікарбонату.

Для високої ефективності колектора істотне значення має його "правильна" орієнтація. Трохи поміркувавши над можливістю створити систему, що стежить, я відмовився від цієї ідеї. По-перше, з урахуванням напрямку руху теплоносія в колекторі і можливості утворення повітряних бульбашок, обійтися обертанням по одній похилій осі не вдасться - необхідно дві осі - вертикальна і горизонтальна. Конструкція має високу парусність, що висуває серйозні вимоги до механізмів обертання. Іншими словами, реалізація стеження за сонцем обійдеться нам приблизно в вартість мопеда :) І за це ми отримаємо всього лише приблизно дворазове збільшення поглинання випромінювання, в порівнянні з фіксованою орієнтацією на "середнє" положення сонця. Очевидно, овчинка вичинки не варта. Замість цього можна рекомендувати: а) можливість ручного повороту на 3 фіксованих положення - ранок, день, вечір; б) фіксовану установку ДВОХ однакових колекторів, з яких один орієнтований на південний схід, другий на південний захід.

При установці двох (або більше) колекторів різної конструкції, або різноорієнтованих, їх вхідні і вихідні трубки слід об'єднувати ближче до бочки, а не економити на довжині трубок. У іншому випадку, "холодний" колектор може почати "відбирати" тепло у "гарячого" і розсіювати в навколишнє середовище.

Двоконтурна система - "зимовий варіант"

Минає літо. Днем сонце ще досить яскраве для нагрівання води, але починаються нічні заморозки можуть зруйнувати милий нашому серцю колектор, заморозивши що перебуває в ньому (бочці-то не страшно - у ній теплоємність висока, і теплоізоляція хороша) Залишається - злити воду із системи і чекати наступного літа. Але потреба в теплій воді якраз виросла.

Єдиний вихід - "двоконтурна система". У нижню частину бочки поміщається спіраль з мідної трубки, кінці цієї спіралі приєднуються до колектора (додамо ще "розширювальний бачок"), і цей контур заповнюється незамерзаючої рідиною, в найпростішому випадку - тосолом. Вода в бочці буде нагріватися від контакту зі спіраллю, по якій циркулює нагрітий тосол. Така система дорожче "одноконтурной" і трохи менш ефективна (тому що додаткові втрати на теплообміні між тосолом в спіралі і водою), зате вони можуть працювати при негативних температурах повітря! Аби енергії сонячного випромінювання вистачило на підтримку плюсової температури в бочці. Зрозуміло, що за цим треба уважно стежити, щоб вчасно злити воду, якщо цієї якщо цієї енергії не вистачатиме. Зрозуміло також, що вимоги до якості і товщині теплоізоляції будуть значно вище, ніж для "літнього" варіанту.

Проблеми, виявлені при експлуатації

Дворічний досвід експлуатації найпростішої одноконтурной системи, з колектором з двох плоских радіаторів опалення, виявив такі її недоліки (несмертельні, але неприємні).

1. Вода, що циркулює по залізним радіаторів опалення, набуває іржавий відтінок. До того ж, утворення нової іржі всередині радіаторів призводить до заростання каналів - тобто потрібно періодична (раз в 1-2 року) їх чистка (я для цього використовую стиснене повітря). А ще на одному з радіаторів утворилася нова протікання, яка була ліквідована зварюванням, але для цього довелося радіатор знімати, сушити, ставити назад.
Усунення: очевидно, ці проблеми підуть при перехід на двоконтурну схему з заміною води в першому контурі на тосол.

2. У весняні та осінні місяці, а також в похмурі дні, вода нагрівається слабо - до температури 30-40 градусів; така трохи тепла вода витрачається для душа значно менше ніж вода з температурою 50-60, в результаті вона застоюється в накопичувальної бочці на 3-4 дні і в ній відбувається інтенсивне розмноження мікроорганізмів (при 50 градусів їм "гаряче", а 30-40 як раз для розмноження комфортно); вода набуває неприємного запаху і, мабуть, стає небезпечною для здоров'я.
Усунення: збираюся випробувати занурення в воду декількох пластин з технічного срібла, що володіє бактерицидними властивостями. Теоретично, можна устроть знезараження за допомогою ультрафіолету, але видається, що овчинка не варта вичинки. У всякому разі, слід раз в пару днів зливати невитрачену недогріти воду.

4. Пінопласт, використовуваний для теплоізоляції, перебуваючи в умовах підвищеної вологості, під дією добових коливань температури, насичується водою. В результаті, її теплоізолюючі властивості погіршуються. що помітно знижує температуру води в бочці.
Усунення. поки не придумав.