Рассчитать солнечный коллектор своими руками

Рассчитать солнечный коллектор своими руками
Рассчитать солнечный коллектор своими руками
Рассчитать солнечный коллектор своими руками

Энциклопедия Технологий и Методик

 

Домашние Гелио-установки

 

Концентрирующий параболический солнечный коллектор
Горячее водоснабжение на даче и в доме

Концентрирующий солнечный коллектор

Я уже много писал о возможности использования солнечных водонагревателей, но тема настолько неисчерпаема, что постоянно рождаются и новые идеи, и переосмысление уже известных в плане их практического использования на дачном участке. В данной статье хотело бы порассуждать о концентрирующем солнечном коллекторе.

На один квадратный метр поверхности, перпендикулярный лучам солнца падает 800–1000 Ватт солнечной энергии. Это известный факт. Другим фактом является то, что теплоемкость воды равна 4200 Дж/Кгград. Т.е. если мы, допустим, хотим иметь 200 литров достаточно горячей воды (50 гр С), которая начала нагреваться с 10-15 градусов (после прохладной ночи), что бы вся семья вечером могла принять душ. Но на её нагрев придется потратить 200 л х 40 гр х 4,2 КДж = 33.600 КДж! Или примерно 9,5 КВт энергии. И это без учета теплопотерь. А с их учетом цифру можно смело почти удвоить.

Неслабо, да? Где же их взять-то, эти 15 Квт? Поскольку для получения такого количества тепла нужно иметь а) собственно солнечный коллектор площадью хотя бы 1-2 метра (что уже считается большим), б) он должен быть постоянно ориентирован на солнце (что почти невозможно), в) 10 часов «чистого» солнца (что в средней полосе редкость, обычно тут переменная облачность).

Все эти грустные факты и делают перспективу использования солнечной энергии в плане надежного получения горячей воды весьма туманными. И все заканчивается банальной черной бочкой на крыше с чуть теплой водой, и с по большей части эпизодическим ее использованием.

Но выход из этой ситуации есть, и выход реальный. Надо построить концентрирующий солнечный коллектор.

Эпизод 1. Призрак угрозы (остаться без солнечного света).

Окна моей квартиры выходят на юго-запад. Солнце в них появлялось только после обеда и растения на подоконнике постоянно испытывали нехватку света. А тут еще напротив начали дом строить. Ну все, подумал я, теперь вообще солнца и света не будет. Строили они строили, и наконец построили. И я очень этому рад, что напротив построили этот дом. Потому что уж не знаю почему, но на доме том сделали зеркальные фасады лоджий, причем слегка закругленные. И теперь солнце, пусть хоть и отраженное, но светит и в мои окна буквально с утра! И мои кактусы просто таки воспряли духом. Прямого солнца стало меньше на час, а отраженного добавилось на 5 часов! Оно отражается от зеркального остекления лоджий и светит на наш дом.

Эпизод 2. Империя наносит ответный удар. (Греки сжигают римский флот).

Слова «концентрирующий солнечный коллектор» наверняка у многих ассоциируются с высокими космическими технологиями, видятся огромные ажурные параболические отражатели, гиперболоиды инженера Гарина… И такого на дачном участке просто не осилить никогда.

А между тем, концентрирующим солнечным коллектором пользовался еще Архимед! При защите своего города Сиракузы от римского нападения с моря, он приказал солдатам отполировать свои бронзовые щиты, и выстроил их вдоль побережья. Когда к городу приблизились римские корабли, по команде Архимеда все воины начинали пускать солнечные зайчики на один из кораблей. И через несколько минут корабль загорался! А зайчики направлялись на следующий корабль. Потеряв «на ровном месте» несколько больших кораблей, римляне предпочли по-быстрому ретироваться и изменить тактику.

Возможно, это всего лишь легенда, но в Сиракузах памятник Архимеду стоит. Да и идея совершенно здравая. И все нынешние водяные гелиостанции работают именно по такому же принципу. Никто не морочится строительством гигантских параболических зеркал. Все используют маленькие дешевые плоские зеркала, которые направляют отраженные лучи на один «центральный бак». Так почему же нам не воспользоваться этой «плодотворной идеей в дебюте»? Все ведь известно, что у светлых стен домов, обращенных к югу, весна наступает на месяц раньше.

Проблема первая. Зеркала. Использовать настоящие зеркала и глупо и дорого. Тяжелые, дорогие, хрупкие… Согласно справочным данным, Коэффициент отражения ИК-лучей несущих тепло (а именно они нас и интересуют) у алюминиевой фольги равен 85-97%! (круче него только серебро). Так что нам мешает использовать обычную бытовую фольгу (для запекания). Она копейки стоит, 50 руб 5 кв. м. Для прочности надо ее на что то наклеить. Например, на листы дешевого оргалита, обрезки фанеры, и т.п. Нам большие –то куски как раз и не нужны! Нам нужно много маленьких, по 0,5 кв. метра. Не больше. И зеркало будет представлять небольшой лист оргалита или фанеры, на колышке, что бы можно было его в землю воткнуть где угодно. Стоить оно будет «пол-рубля».

Проблема вторая. Ориентация на солнце. Во «взрослых» гелиосистемах используют т.н. гелиотрекеры, системы слежения за Солнцем. Ну там то и понятно. Они не воду для душа греют, а пар для турбин, до 400 гр, между прочим. И его надо греть постоянно. Но у нас то другая задача. Нам надо нагреть 200 литров воды и по быстрому. Причем нагреть, а не вскипятить и выпарить. Нагрели - перелили в другую бочку – термос и расходуем себе потихоньку. А бочка – коллектор уж там греет как нибудь.

Давайте посмотрим, что нам будет стоить «нагреть по быстрому». Допустим, у нас есть солнечный коллектор площадью в 1 метр. На него направлены солнечные зайчики с зеркал в 5 кв метров. Пусть их эффективность 80%, т.е. наш метровый коллектор получает тепло еще с 4-х метров площади. Итого 5 кв. метров. А 5 метров нам дадут наши заветные 10-15 КВт тепла всего за 3 часа! (а не за 10). Ну а если увеличить площадь зеркал до 10 кв. метров, то хватит и 2-х часов, с запасом.

Хотя нам скорость и не так важна, важен результат. Даже если мы установим несколько зеркал, ориентированных на солнце так, что бы они отражали солнечные лучи хотя бы в течении часа – двух, мы уже поднимем эффективность солнечного водонагревателя в разы! И получение достаточного количества горячей воды станет абсолютной реальностью.

Для максимально быстрого эффекта нам, конечно, нет смысла греть всю бочку сразу. Да и емкость коллектора – приемника солнечных зайчиков будет невелика, вряд ли больше 30-50 литров (чем меньше, тем быстрее будет происходить нагрев). 5 КВт энергии «взгреют» эти 30 литров воды до 50-60 градусов меньше чем за 20 минут! После чего нам надо сразу слить ее в хорошо утепленный накопитель-термос горячей воды и расходовать по своему усмотрению. А коллектор тем временем приступит к нагреву следующей порции.

На мой взгляд, идея весьма реализуема, и главное - за небольшие деньги. В европейской части России, где нас не балует солнце, единственный способ реально получить от него тепло - это концентрация его лучей. По крайней мере, расчеты, пусть и такие примитивные прикидочные и простые, это подтверждают.

И, кстати, ничто нам не мешает использовать такие простые солнечные коллекторы для зимнего обогрева садового дома. Пусть зимой солнце нас не балует. Но начиная с февраля оно показывается все чаще и чаще. И день уже не так короток. А отдохнувшим от дачных дел за зиму дачникам не терпится открыть новый сезон. Вот тут такой концентрирующий солнечный коллектор был бы как раз кстати. Ничто не мешает установить на участке несколько щитов оклееных фольгой и направить их на дом. Пусть быстрее согреется, когда солнце светит. Только помните об Архимеде...

 

Концентрирующий параболический солнечный коллектор

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/кгград. 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 %!

Как рассчитать параболу.

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.

 

Система следящая за солнцем для параболического концентрирующего солнечного водяного коллектора

Гелиотрекер дословно можно перевести как «отслеживатель пути солнца». На самом деле его задача не отслеживать путь солнца, быть постоянно направленным на солнце. Это весьма важно для концентрирующего коллектора, что бы обеспечить максимальную эффективность его работы.

Несмотря на несколько пугающее название, гелиотрекер не представляет из себя ничего особо сложного. Он состоит из фотоприемника, контроллера, обрабатывающего сигнал с фотоприемника и исполнительного механизма в виде 2-х двигателей с трансмиссией, поворачивающих собственно гелиоколлектор и укрепленный на нем фотоприемник.

Рассмотрим каждую из составляющих частей гелиотрекера.

Фотоприемник представляет собой небольшую плату с укрепленными на ней 4-мя фотодатчиками (фоторезисторами или фотодиодами). Все фотодатчики приспособлены воспринимать солнечный свет без выхода из строя (защищены светофильтрами). Кроме того, они все разделены между собой крестообразной перегородкой. При ориентации на солнце освещены все четыре фотодатчика. Солнце в процессе своего движения по небосводу изменит освещенность фотоприемника и 2 или 3 фотодатчика окажутся в тени. Что немедленно отследит схема управления.

Схема управления или контроллер может быть реализован в любом варианте. От дискретных элементов до программируемых микроконтроллеров. Главное что бы он обрабатывал алгоритм работы солнечного коллектора на основе данных фотоприемника.

Всего положений фотоприемника может быть 9, соответственно и команд тоже 9. На рисунке каждый фотодатчик обозначен буквой (вид со стороны солнца). Все возможные варианты освещения датчиков можно свести в такую таблицу. «1» означает что датчик освещен, «0» - что датчик в тени перегородки, команда для двигателя расположенного сзади коллектора.

В качестве исполнительного устройства лучше всего подойдут либо шаговые двигатели, не требующие никакой электроэнергии для удержания занятого положения, либо актуаторы. Актуатор это своеобразный электрический домкрат, в котором вращательное движение двигателя превращается в поступательное движение штока с одновременным увеличением усилия в сотни раз. Такие двигатели – актуаторы применяют для позиционирование параболических тарелок спутникового телевидения.

Вообще говоря, гелиотрекер можно очень сильно упростить, если принять во внимание такое допущение. Солнце совершает за сутки оборот по небосводу на 360 градусов. А вот угол наклона меняет очень и очень медленно. Если исключить из гелиотрекера вертикальную «составляющую», переведя ее на «ручное управление», то можно оставить только 2 фотодатчика. В самом деле, не составит большого труда раз в 2 недели подойти к солнечному коллектору и изменить его угол наклона соответственно нынешнему положению солнца и даже с небольшим упреждением.

А вот горизонтальное перемещение в плоскости движения солнца по небосводу придется отслеживать, но таблица получается очень простой. Соответственно простым получится и контроллер. Это будет всего пара простейших фотореле с незамысловатой коммутацией исполнительного механизма, в качестве которого может служить всего один актуатор.

Если оба датчика не освещены, то концентрирующий солнечный коллектор разворачивается на восток в ожидании восхода солнца. Если же затемнение датчиков произошло в результате непогоды, то при появлении солнца он тут же развернется на него, если солнце появилось не слишком поздно по времени.

Сектор поворота солнечного коллектора вряд ли стоит делать больше 150-180 градусов. Солнце на краях этого сектора стоит над горизонтом достаточно низко и его лучи несут уже не много тепловой энергии.

Сделав концентрический параболический солнечный коллектор оснащенный гелиотрекером можно реально получить ощутимый выигрыш в использовании солнечной энергии для обеспечения загородного дома горячей водой.

Автор: Константин Тимошенко
Источник: http://delaysam.ru/

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.

Рассчитать солнечный коллектор своими руками Рассчитать солнечный коллектор своими руками Рассчитать солнечный коллектор своими руками Рассчитать солнечный коллектор своими руками Рассчитать солнечный коллектор своими руками Рассчитать солнечный коллектор своими руками Рассчитать солнечный коллектор своими руками Рассчитать солнечный коллектор своими руками

Изучаем далее:



Полки в гараж своими руками из подручных материалов фото

Прикольные поздравления тете от племянника с днем рождения от тети

Вязание аппликаций машинки

Калиновка схема проезда

Как сделать карту проезда