Kako narediti solarni kolektor za ogrevanje z lastnimi rokami: navodila po korakih

Podražitev tradicionalnih virov energije spodbuja lastnike zasebnih hiš, da iščejo alternativne možnosti ogrevanja bivališč in vode. Strinjate se, finančni vidik vprašanja ne bo odigral zadnje vloge pri izbiri ogrevalnega sistema.

Eden najobetavnejših načinov oskrbe z energijo – pretvorba sončnega sevanja. Za to se uporabljajo sončni sistemi. Če razumete njihovo zasnovo in mehanizem delovanja, izdelava sončnega kolektorja za ogrevanje z lastnimi rokami ne bo predstavljala večjega truda.

Povedali vam bomo o konstrukcijskih značilnostih sončnih sistemov, predlagali preprosto shemo sestave in opisali materiale, ki jih lahko uporabite. Delovne faze so podprte z ilustrativnimi fotografijami, gradivo pa dopolnjujejo videoposnetki o izdelavi in zagonu doma izdelanega kolektorja.

Načelo delovanja in konstrukcijske značilnosti

Sodobni sončni sistemi – ena od vrst alternativnih virov pridobivanja toplote. Uporabljajo se kot pomožna ogrevalna oprema, ki sončno sevanje pretvarja v energijo, koristno za lastnike hiš.

Popolnoma lahko zagotovijo oskrbo s toplo vodo in ogrevanje v hladnem delu leta le v južnih regijah. Pa še to le, če zavzemajo dovolj veliko površino in so nameščeni na odprtih površinah, ki jih drevesa ne zasenčijo.

Kljub številnim različicam je načelo delovanja pri vseh enako. Vsak sončni sistem predstavlja krogotok z zaporedno razporejenimi napravami, ki toplotno energijo dovajajo in jo prenašajo porabniku.

Glavni delovni elementi so sončne celice na fotoelementih ali sončni kolektorji. Tehnologija sestave sončnega generatorja na fotoploščah je nekoliko zahtevnejša od cevnega kolektorja.

V tem članku bomo obravnavali drugo možnost – kolektorski sončni sistem.

Sončni kolektorji za zdaj služijo kot pomožni viri energije. Popolnoma preklopiti ogrevanje hiše na heliosistem je nevarno, ker ni mogoče natančno napovedati števila sončnih dni.

Kolektorji so sistem cevi, povezanih zaporedno z izhodnim in vhodnim vodom ali položenih v obliki serpentine. Po ceveh kroži tehnična voda, zračni tok ali mešanica vode s katerokoli tekočino, ki ne zmrzuje.

Kroženje spodbujajo fizikalni pojavi: izhlapevanje, sprememba tlaka in gostote zaradi prehoda iz enega agregatnega stanja v drugo itd.

Načelo delovanja sončnih kolektorjev temelji na zajemanju in shranjevanju sončne energije, ki se prenaša na nosilec toplote (+)

Zbiranje in shranjevanje sončne energije poteka z absorberji. To je lahko celotna kovinska plošča s počrnjeno zunanjo površino ali sistem posameznih plošč, pritrjenih na cevi.

Za izdelavo zgornjega dela ohišja, pokrova, se uporabljajo materiali z visoko sposobnostjo prepuščanja svetlobnega toka. To so lahko pleksi steklo, podobni polimerni materiali, kaljene vrste tradicionalnega stekla.

Da bi preprečili izgube energije na hrbtni strani naprave, se v škatlo položi toplotna izolacija.

Povedati je treba, da polimerni materiali precej slabo prenašajo vpliv ultravijoličnih žarkov. Vse vrste plastike imajo dokaj visok koeficient toplotnega raztezanja, kar pogosto vodi do izgube tesnosti ohišja. Zato je uporabo takšnih materialov za izdelavo ohišja kolektorja treba omejiti.

Voda kot nosilec toplote se lahko uporablja le v sistemih, namenjenih za zagotavljanje dodatne toplote v jesensko-pomladanskem obdobju. Če je načrtovana celoletna uporaba heliosistema, se pred prvim ohladitvijo tehnična voda zamenja z mešanico vode in antifriza.

V zračnih heliosistemih se kot nosilec toplote uporablja zrak. Kanale za njegovo gibanje je mogoče narediti iz navadne profilirane pločevine (+)

Če je sončni kolektor nameščen za ogrevanje majhnega objekta, ki ni povezan z avtonomnim ogrevanjem hiše ali s centraliziranimi omrežji, se zgradi najpreprostejši enokrožni sistem z grelnikom na začetku.

V verigo niso vključene obtočne črpalke in grelne naprave. Shema je izjemno preprosta, vendar lahko deluje le v sončnem poletju.

Pri vključitvi kolektorja v dvokrožno tehnično strukturo je vse precej bolj zapleteno, vendar je tudi obseg dni, primernih za uporabo, bistveno povečan. Kolektor obdeluje le en krog. Prevladujoča obremenitev je prenesena na glavno ogrevalno enoto, ki deluje na električno energijo ali katero koli vrsto goriva.

Za izdelavo sončnega kolektorja lahko uporabite že pripravljeno shemo, lahko pa zgradite svoj pilotni model in ga preizkusite v praksi (+)

Kljub neposredni odvisnosti učinkovitosti sončnih naprav od števila sončnih dni so te iskane in povpraševanje po sončnih napravah se stalno povečuje. Priljubljene so med domačimi mojstri, ki si prizadevajo usmeriti vse vrste naravne energije v koristne namene.

Razvrstitev po temperaturnih merilih

Obstaja precej veliko število meril, po katerih se razvrščajo različne konstrukcije sončnih sistemov. Vendar je za naprave, ki jih lahko izdelate sami in uporabljate za oskrbo s toplo vodo in ogrevanje, najbolj smiselna delitev po vrsti toplotnega nosilca.

Tako so sistemi lahko tekočinski ali zračni. Prva vrsta je pogosteje uporabna.

Poleg tega se pogosto uporablja razvrstitev po temperaturi, do katere se lahko segrejejo delovne komponente kolektorja:

1. Nizkotemperaturni. Različice, ki lahko segrejejo toplotni nosilec do 50°C. Uporabljajo se za ogrevanje vode v posodah za zalivanje, v kopalnicah in tuših poleti ter za izboljšanje udobja v hladnih pomladno-jesenskih večerih.
2. Srednjetemperaturni. Zagotavljajo temperaturo toplotnega nosilca 80°C. Uporabljajo se lahko za ogrevanje prostorov. Te različice so najbolj primerne za opremljanje zasebnih hiš.
3. Visokotemperaturne. Temperatura toplotnega nosilca v takih napravah lahko doseže 200–300 °C. Uporabljajo se v industrijskem obsegu, nameščajo se za ogrevanje proizvodnih hal, komercialnih stavb itd.

V visokotemperaturnih sončnih sistemih se uporablja precej zapleten proces prenosa toplotne energije. Poleg tega zavzemajo občutno prostor, česar si večina naših ljubiteljev podeželskega življenja ne more privoščiti.

Postopek izdelave je delovno intenziven, izvedba zahteva specializirano opremo. Samostojno izdelati takšno različico sončnega sistema je skoraj nemogoče.

Visokotemperaturne sončne celice na fotovoltaičnih pretvornikih je v domačih pogojih precej težko izdelati.

Ročna izdelava kolektorja

Izdelava sončne naprave z lastnimi rokami je zanimiv proces, ki prinaša številne koristi. Z njim lahko racionalno uporabljamo brezplačno sončno sevanje in rešimo več pomembnih gospodinjskih nalog. Oglejmo si posebnosti izdelave ploščatega kolektorja, ki v ogrevalni sistem dovaja ogrevano vodo.

Materiali za samostojno sestavo

Najpreprostejši in najbolj dostopen material za lastno izdelavo ohišja sončnega kolektorja – lesen tram s ploščo, vezano ploščo, OSB ploščami ali podobnimi možnostmi. Kot alternativo lahko uporabite jekleni ali aluminijasti profil z enakovrednimi ploščami. Kovinsko ohišje bo nekoliko dražje.

Materiali morajo ustrezati zahtevam, ki so predpisane za konstrukcije, uporabljene na prostem. Življenjska doba sončnega kolektorja se giblje od 20 do 30 let.

To pomeni, da morajo imeti materiali določen nabor obratovalnih lastnosti, ki bodo omogočile uporabo konstrukcije skozi celotno obdobje.

Najcenejša in najpreprostejša možnost materialov za izdelavo ohišja – uporaba lesa in ivernih plošč

Če je ohišje izdelano iz lesa, je mogoče trajnost materiala zagotoviti z impregnacijo z vodno-polimernimi emulzijami in premazom z laki in barvami.

Glavno načelo, ki ga je treba upoštevati pri načrtovanju in sestavljanju sončnega kolektorja, je dostopnost materialov glede na ceno in možnost nakupa. To pomeni, da jih je mogoče najti v prosti prodaji ali pa izdelati iz razpoložljivih priročnih materialov.

Podrobnosti toplotne izolacije

Da bi preprečili izgube toplotne energije, se na dno ohišja namesti izolacijski material. To je lahko stiropor ali mineralna volna. Sodobna industrija proizvaja dokaj širok nabor izolacijskih materialov.

Za izolacijo ohišja lahko uporabite folijske različice izolacijskih materialov. Tako lahko zagotovite tako toplotno izolacijo kot odboj sončnih žarkov od folijske površine.

Če se kot izolacijski material uporablja trda plošča stiropora ali ekspandiranega polistirena, lahko za polaganje spirale ali sistema cevi izrežete utore. Običajno se absorber kolektorja položi na toplotno izolacijo od zgoraj in se trdno pritrdi na dno ohišja, pri čemer je način odvisen od materiala, uporabljenega pri izdelavi ohišja.

Toplotna izolacija služi za zmanjšanje izgub toplotne energije skozi dno ohišja. Izdelava naprave v kovinskem ohišju brez toplotne izolacije ni smiselna (+)

Toplotni sprejemnik sončnega kolektorja

To je absorbcijski element. Sestavljen je iz sistema cevi, v katerih se segreva toplotni nosilec, in delov, ki so najpogosteje izdelani iz bakrene pločevine. Za optimalen material za izdelavo toplotnega sprejemnika veljajo bakrene cevi.

Domači mojstri so izumili cenejšo različico – spiralni toplotni izmenjevalnik iz polipropilenskih cevi.

Zanimiva proračunska rešitev – absorber sončnega sistema iz upogljive polimerne cevi. Za povezavo z napravami na vhodu in izhodu se uporabljajo ustrezni priključki. Izbira priročnih sredstev, iz katerih je mogoče izdelati toplotni izmenjevalnik sončnega kolektorja, je precej široka. To je lahko toplotni izmenjevalnik starega hladilnika, polietilenske vodovodne cevi, jekleni panelni radiatorji itd.

Pomemben kriterij učinkovitosti je toplotna prevodnost materiala, iz katerega je izdelan toplotni izmenjevalnik.

Za samostojno izdelavo je optimalna možnost baker. Ima toplotno prevodnost, ki znaša 394 W/m². Pri aluminiju se ta parameter giblje od 202 do 236 W/m².

Bakrene cevi veljajo za najbolj optimalno možnost za izdelavo toplotnega sprejemnika glede na toplotnotehnične lastnosti in odpornost proti obrabi.

Vendar velika razlika v parametrih toplotne prevodnosti med bakrenimi in polipropilenskimi cevmi nikakor ne pomeni, da bo toplotni izmenjevalnik z bakrenimi cevmi proizvedel stokrat večje količine tople vode.

Pri enakih pogojih bo učinkovitost toplotnega izmenjevalnika iz bakrenih cevi za 20 % večja kot učinkovitost kovinsko-plastičnih različic. Tako imajo toplotni izmenjevalniki iz polimernih cevi pravico do obstoja. Poleg tega so te različice veliko cenejše.

Ne glede na material cevi morajo biti vsi spoji, tako varjeni kot navojni, tesni. Cevi lahko položite vzporedno druga z drugo ali v obliki serpentine.

Shema serpentine zmanjša število spojev – to zmanjša verjetnost puščanja in zagotavlja bolj enakomerno gibanje toplotnega nosilca.

Zgornji del škatle, v kateri je toplotni izmenjevalnik, je pokrit s steklom. Kot alternativo lahko uporabite sodobne materiale, kot so akrilni analog ali monolitni polikarbonat. Svetlobno prepusten material ni nujno gladek, lahko je valovit ali matiran.

V klasični različici je škatla s kolektorjem pokrita s kaljenim steklom, pleksi steklom, polikarbonatom ali podobnim materialom. Domači mojstri so se navadili namesto stekla uporabljati polietilen

Takšna obdelava zmanjša odbojne lastnosti materiala. Poleg tega mora ta material prenašati znatne mehanske obremenitve.

V industrijskih vzorcih takšnih sončnih sistemov se uporablja posebno sončno steklo. Za to steklo je značilna nizka vsebnost železa, kar zagotavlja manjše izgube toplotne energije.

Akumulacijski rezervoar ali predkomora

Kot akumulacijski rezervoar lahko uporabite katero koli posodo s prostornino od 20 do 40 litrov. Ustreza tudi več manjših rezervoarjev, povezanih s cevmi v zaporedno verigo. Akumulacijski rezervoar je priporočljivo izolirati, saj bo voda, segreta na soncu v posodi brez izolacije, hitro izgubljala toplotno energijo.

V bistvu mora toplotni nosilec v ogrevalnem sončnem sistemu krožiti brez akumulacije, saj je treba toplotno energijo, pridobljeno z njega, porabiti v času pridobivanja. Akumulacijska posoda ima bolj vlogo razdelilnika segrete vode in predkomore, ki ohranja stabilnost tlaka v sistemu.

Akumulacijska posoda v sončnih sistemih deluje kot razdelilnik vode in rezervoar, ki vzdržuje tlak (+)

Faze sestavljanja sončnega sistema

Po izdelavi kolektorja in pripravi vseh sestavnih konstrukcijskih elementov sistema lahko začnete z neposredno montažo.

Ena od možnosti izvedbe spirale iz polipropilenskih cevi s fitingi in T-kosi bo pomagala hitro sestaviti sončni kolektor (+)

Delo se začne z namestitvijo vmesnega rezervoarja (avankamere), ki ga praviloma postavijo na najvišji možni točki: na podstrešju, ločeno stoječem stolpu, nadvozišču ipd.

Pri montaži je treba upoštevati, da bo po polnjenju sistema s tekočim toplotnim nosilcem ta del konstrukcije imel veliko težo. Zato se je treba prepričati o zanesljivosti stropa ali ga okrepiti.

Po namestitvi rezervoarja se lotijo namestitve kolektorja. Ta konstrukcijski element sistema postavijo na južno stran. Naklonski kot glede na vodoravno črto mora biti med 35 in 45 stopinjami.

Po namestitvi vseh elementov jih povežejo s cevmi in združijo v enoten hidravlični sistem. Tesnost hidravličnega sistema je pomembno merilo, od katerega je odvisno učinkovito delovanje sončnega kolektorja.

Po shemi sestavljanja heliosistema za dovod vode v poletni tuš je mogoče zgraditi konstrukcijo za segrevanje vode za namakanje ali za ustvarjanje udobnih razmer v hladnih večerih (+)

Za povezovanje konstrukcijskih elementov v enoten hidravlični sistem se uporabljajo cevi s premerom en col in pol cola. Manjši premer se uporablja za napravo tlačnega dela sistema.

Pod tlačnim delom sistema se razume vnos vode v vmesni rezervoar (avankamero) in odvod segretega toplotnega nosilca v ogrevalni sistem in sistem za oskrbo s toplo vodo. Preostali del se montira s cevmi večjega premera.

Za preprečevanje izgub toplotne energije je treba cevi skrbno izolirati. V ta namen je mogoče uporabiti stiropor, bazaltno volno ali folijske različice sodobnih izolacijskih materialov. Akumulacijski rezervoar in avankamera prav tako zahtevata postopek toplotne izolacije.

Najenostavnejša in najbolj dostopna možnost toplotne izolacije akumulacijskega rezervoarja je izdelava ogrodja iz vezanega lesa ali desk okoli njega. Prostor med ogrodjem in rezervoarjem je treba napolniti z izolacijskim materialom. To so lahko žlindrna volna, mešanica slame in gline, suhe žagovine ipd.

Heliosistem se namesti tako, da so sončni kolektorji nameščeni na najbolj osvetljeni strani hiše ali zemljišča (+)

Preizkus pred začetkom obratovanja

Po montaži vseh elementov sistema in izolacije delov konstrukcij lahko začnete s polnjenjem sistema s tekočim toplotnim nosilcem. Začetno polnjenje sistema je treba izvesti skozi priključek, ki se nahaja na spodnjem delu kolektorja.

To pomeni, da se polnjenje izvaja od spodaj navzgor. S takšnimi ukrepi se lahko izognemo morebitnemu nastajanju zračnih čepov.

Voda ali drugo tekoče toplotno sredstvo vstopa v predkomoro. Postopek polnjenja sistema se konča, ko iz odtočne cevi predkomore začne teči voda.

S pomočjo plovnega ventila je mogoče uravnati optimalno raven tekočine v predkomori. Ko je sistem napolnjen s toplotnim sredstvom, se to začne segrevati v kolektorju.

Proces dviganja temperature poteka tudi v oblačnem vremenu. Segreto toplotno sredstvo se začne dvigati v zgornji del akumulacijskega rezervoarja. Proces naravne cirkulacije poteka, dokler se temperatura toplotnega sredstva, ki vstopa v radiator, ne izenači s temperaturo sredstva, ki izstopa iz kolektorja.

Pri porabi vode v hidravličnem sistemu se bo sprožil plovni ventil, ki se nahaja v predkomori. Tako se bo vzdrževala konstantna raven. Pri tem bo hladna voda, ki vstopa v sistem, ostajala v spodnjem delu posode akumulatorja. Proces mešanja hladne in tople vode praktično ne poteka.

V hidravličnem sistemu je treba predvideti namestitev zapornih ventilov, ki bodo preprečevali povratno cirkulacijo toplotnega sredstva iz kolektorja v akumulator. Do tega pride, ko temperatura okolice pade nižje od temperature toplotnega sredstva.

Takšne zaporne ventile praviloma uporabljajo ponoči in zvečer.

Dovod do mest porabe tople vode se izvaja s standardnimi mešalnimi ventili. Navadnih enojnih pip je bolje ne uporabljati. V sončnem vremenu lahko temperatura vode doseže 80°C – uporaba takšne vode neposredno je neprijetna. Tako bodo mešalni ventili omogočili bistven prihranek tople vode.

Zmogljivost takšnega sončnega grelnika vode je mogoče povečati z dodajanjem dodatnih odsekov kolektorjev. Konstrukcija popolnoma omogoča namestitev od dveh do neomejenega števila enot.

Zmogljivost sončnega sistema se poveča z namestitvijo večjega števila sončnih kolektorjev.

Osnova takšnega sončnega kolektorja za ogrevanje in toplo vodo je načelo toplogrednega učinka in tako imenovani termosifonski učinek. Toplogredni učinek se uporablja v konstrukciji grelnega elementa.

Sončni žarki neovirano prehajajo skozi prozoren material zgornjega dela kolektorja in se pretvarjajo v toplotno energijo.

Toplotna energija se znajde v zaprtem prostoru zaradi tesnosti ohišja odseka kolektorja. Termosifonski učinek se uporablja v hidravličnem sistemu, ko se segreto toplotno sredstvo dviga navzgor, pri tem pa izpodriva hladno toplotno sredstvo in ga sili, da se premika v območje segrevanja.

Zaradi termosifonskega učinka v sistemu poteka stabilna in neprekinjena naravna cirkulacija toplotnega nosilca

Učinkovitost sončnega kolektorja

Glavno merilo, ki vpliva na zmogljivost sončnih sistemov, je intenzivnost sončnega sevanja. Količina potencialno koristnega sončnega sevanja, ki pade na določeno območje, se imenuje insolacija.

Vrednost insolacije se na različnih točkah zemeljske oble precej razlikuje. Za določitev povprečnih vrednosti te količine obstajajo posebne tabele. Prikazujejo povprečno vrednost sončne insolacije za posamezno regijo.

Podatke o sončni insolaciji v določeni regiji lahko pridobite iz posebnih zemljevidov in tabel (+)

Poleg vrednosti insolacije na zmogljivost sistema vplivata površina in material toplotnega izmenjevalca. Drug dejavnik, ki vpliva na zmogljivost sistema, je prostornina akumulacijskega rezervoarja. Optimalna kapaciteta rezervoarja se izračuna glede na površino absorberjev kolektorja.

V primeru ploščatega kolektorja je to skupna površina cevi, ki so v ohišju kolektorja. Ta vrednost v povprečju znaša 75 litrov prostornine rezervoarja na en m² površine cevi kolektorja. Akumulacijska kapaciteta je nekakšen toplotni akumulator.

Cene tovarniških naprav

Levji delež finančnih stroškov za izgradnjo takega sistema predstavlja izdelava kolektorjev. To ni presenetljivo, saj tudi pri industrijskih vzorcih sončnih sistemov približno 60 % stroškov odpade na ta konstrukcijski element. Finančni stroški bodo odvisni od izbire posameznega materiala.

Treba je opozoriti, da tak sistem ne more ogreti prostora, le pomaga prihraniti pri stroških, saj pomaga segreti vodo v ogrevalnem sistemu. Glede na precejšnje energetske stroške, ki se porabijo za ogrevanje vode, sončni kolektor, integriran v ogrevalni sistem, znatno zmanjša take stroške.

Sončni kolektor se preprosto integrira v sistem ogrevanja in tople vode (+)

Za njeno izdelavo se uporabljajo precej preprosti in dostopni materiali. Poleg tega je takšna konstrukcija popolnoma energetsko neodvisna in ne potrebuje tehničnega vzdrževanja. Vzdrževanje sistema je omejeno na občasni pregled in čiščenje stekla kolektorja pred umazanijo.

Dodatne informacije o organizaciji sončnega ogrevanja v hiši so predstavljene v tem članku.

Zaključki in koristen video na to temo

Postopek izdelave osnovnega sončnega kolektorja:

Kako sestaviti in zagnati solarni sistem:

Seveda doma izdelan sončni kolektor ne more konkurirati industrijskim modelom. Z uporabo priročnih materialov je precej težko doseči visok izkoristek, ki ga imajo industrijski primerki. Toda finančni stroški bodo veliko nižji v primerjavi z nakupom gotovih naprav.

Kljub temu bo doma izdelan solarni ogrevalni sistem bistveno povečal raven udobja in zmanjšal stroške energije, ki jo proizvajajo tradicionalni viri.

Imate izkušnje s postavitvijo sončnega kolektorja? Ali imate vprašanja o predstavljeni snovi? Prosimo, delite informacije z našimi bralci. Komentarje lahko pustite v spodnjem obrazcu.