Jak si vyrobit solární kolektor vlastníma rukama

Nejoblíbenější energetické zdroje naší doby jsou prakticky neobnovitelné. V důsledku jejich nekontrolovaného a neustálého využívání se zásoby vyčerpávají. V tomto ohledu se často objevuje touha po využití jiných, obnovitelných zdrojů, aby se snížily náklady na provoz domu a zvýšila se jeho energetická nezávislost na veřejných službách. Jedním ze zařízení, které umožňuje snížit spotřebu elektřiny a plynu v soukromém domě, je vakuový solární kolektor.

Popularita tohoto produktu roste. To je způsobeno nejen vznikem většího počtu šetrných majitelů domů, ale také neustálým snižováním cen kolektorů na trhu. I s přihlédnutím k poklesu cen není cena vždy dostupná pro každého. Objevuje se stále více domácích výrobků a lidé se snaží produkt sestavit sami a použít ho k získání teplé vody. Jak sestavit solární kolektor vlastníma rukama, z čeho se skládá a jaké jsou jeho výrobní vlastnosti? Pojďme se na tyto otázky podívat podrobněji.

Potřeba kolektoru a jeho princip fungování

Má smysl vytvářet si doma solární kolektory? Abyste na tuto otázku odpověděli, musíte si uvědomit, že i ve špatně osvětlených oblastech dostává Země tolik slunečního záření, že dokáže vytopit téměř všechny obytné budovy, problém je v tom, že osvětlení je nerovnoměrné a nepravidelné. Počasí také přináší své vlastní nuance.

V každém případě lze solární energii využít k výrobě bezplatného tepla a elektřiny po dobu 6–7 měsíců, někdy i déle, prakticky kdekoli v Evropě. A abyste zjistili proveditelnost použití solárních kolektorů ve vašich konkrétních podmínkách, je třeba porovnat náklady na ohřev teplé vody plynem nebo elektřinou za několik let s cenou samotného zařízení.

Pokud jsou náklady na konstrukci zařízení stejné nebo nižší než náklady na použití konvenčních zdrojů energie, pak stojí za zvážení pořízení nebo konstrukce solárního kolektoru pro vytápění domu vlastníma rukama.

Abychom mohli správně vybrat zařízení a vyrobit zařízení, zvažme princip jeho fungování.

Princip činnosti kolektoru

Solární kolektor je pasivní systém, který pro svůj provoz nevyžaduje další zdroje energie: elektřinu, teplo, plyn. Vše potřebné pro zahájení provozu je ve slunečním záření. Hlavním fyzikálním jevem, který způsobuje, že kolektory fungují, je konvekce, kdy ohřátý plyn nebo kapalina stoupá vzhůru v důsledku toho, že se jejich hustota snižuje. Popsaný solární kolektor pracuje na následujícím principu:

1. Sluneční záření dopadá na správně umístěný absorbér a ohřívá chladivo v něm obsažené.
2. Jak se chladicí kapalina zahřívá, postupně stoupá podél kolektoru a poté speciální trubkou vstupuje do akumulační nádrže.
3. Akumulační nádrž je naplněna vodou pro ohřev teplé vody nebo topný systém. Chladicí kapalina proudí přes výměník tepla umístěný v této kapalině, postupně se ochlazuje a klesá dolů.
4. Teplo z chladicí kapaliny se přenáší do vody, která v důsledku toho stoupá k horní části nádrže a tam se koncentruje.
5. Ochlazená chladicí kapalina, opouštějící výměník tepla, vstupuje potrubním systémem do spodní části absorbéru.
6. Teplá voda shromážděná v horní části zásobníku vstupuje do systému zásobování teplou vodou.
7. Nádrž je doplňována potrubím studené vody připojeným k její spodní části.

Jak vidíme, pro fungování takového pasivního systému není potřeba žádné čerpadlo ani žádné jiné elektrické či energeticky náročné zařízení. Vzduchový solární kolektor je zcela nezávislý, pro svou funkci je potřeba pouze sluneční záření.

Návrh solárních kolektorů a výběr materiálů

Pro splnění úkolu kolektoru – přeměny sluneční energie na teplo – se používá několik standardních prvků. Ve skutečnosti se uspořádání továrně vyrobených a domácích kolektorů neliší. Rozdíl je pouze v charakteristikách samotných materiálů a jejich vlastnostech. Jakýkoli solární kolektor se skládá z následujících složek:

• Absorbér. Hlavním prvkem, který shromažďuje sluneční záření, je absorbér. Ve skutečnosti se jedná o ocelový nebo kovový panel s černým povlakem pro lepší absorpci slunečních paprsků. Absorbér také obsahuje řadu trubek, kterými se pohybuje chladicí kapalina a shromažďuje přijaté teplo. Trubky jsou k desce přivařeny nebo připájeny a tvoří jeden celek.
• Rám. Jedná se jednoduše o ochranný a nosný prvek, ve kterém je sestaveno celé potrubí. Je vyroben z různých materiálů, zejména ze dřeva.
• Průhledný povlak. Propouští sluneční světlo k absorbéru, ale zároveň neumožňuje ztrátu tepla. Pro povlak se nejčastěji používá sklo.
• Tepelná izolace. Umožňuje snížit tepelné ztráty do atmosféry během provozu zařízení.

Kromě samotného kolektoru jsou pro normální fungování systému ohřevu vody nutné i další prvky:

• akumulační nádrž s výměníkem tepla (pro skladování ohřáté vody);
• expanzní nádrž chladicího systému
• potrubí pro cirkulaci chladicí kapaliny.

Podívejme se podrobněji na to, jak vybrat každý prvek systému.

Absorbér

Solární kolektor pro ohřev vody se neobejde bez absorbéru. Tento hlavní prvek systému se skládá z kovového plechu, ke kterému jsou přivařeny nebo připájeny kovové trubky. Plech je nezbytný pro zvětšení plochy sběru slunečního záření. Absorpční systém může sestávat pouze z trubek.

Transparentní nátěr

Ve skutečnosti není nutné pro solární kolektor používat sklo. Stačí použít materiál s dostatečným stupněm propustnosti světla. Abyste zjistili, zda je pro zakrytí absorbéru vhodné sklo nebo jiný materiál, je třeba zjistit následující vlastnosti:

• přenos světla;
• síla;
• hmotnost;
• odolnost vůči ultrafialovému záření;
• schopnost pracovat při vysokých teplotách.

Zvažme několik typů materiálů, které lze použít pro sběratele:

1. Běžné sklo. Mezi pozitivní stránky tohoto materiálu patří skutečnost, že jeho propustnost světla (asi 90 %) je dostatečná pro fungování kolektoru. Je to také odolný a levný materiál. Hlavními nevýhodami jsou křehkost a vysoká hmotnost. Sklo také příliš dobře neodolává teplotním změnám.
2. Tvrzené sklo nemá některé nevýhody běžného skla. Jedná se o nízkou teplotní odolnost a křehkost. Zároveň si zachovává dobrou propustnost světla, ale také vysokou hmotnost.
3. Celulární polykarbonát se také používá k vytváření průsvitných konstrukcí. Je pevnější než sklo, lehčí a podstatně levnější. Mezi pozitivní stránky patří odolnost vůči ultrafialovému záření a teplu, snadné zpracování, flexibilita a široký rozsah provozních teplot. Přestože je průsvitnost nižší než u skla, stále je dostatečná pro použití v kolektorech (od 80 %). Materiál má však i některé nevýhody: nízkou trvanlivost (až 10 let), možnou deformaci během provozu. Je třeba také poznamenat, že v polykarbonátových buňkách se mohou hromadit nečistoty, prach a kondenzace. Aby se tomu zabránilo, musí být během instalace utěsněny od koncových částí.
4. Plochý vlnitý polykarbonát má větší propustnost světla než celulární polykarbonát (od 90 %), ale jeho instalace je obtížnější.
5. Monolitický polykarbonát. Jedná se o dobrý materiál pro instalaci do solárních kolektorů. Je velmi odolný, s vysokým stupněm propustnosti světla (od 90 %), odolný vůči povětrnostním vlivům a lze jej použít od -50 do 120 °C. Ve skutečnosti má podobné vlastnosti jako sklo a zároveň je dvakrát lehčí. Hlavní nevýhodou je vysoká cena materiálu a deformace vlivem vysokých teplot a času.

Všechny popsané materiály se v různé míře používají k výrobě kolektorů svépomocí. Nejčastěji se pro malou plošnou konstrukci používá běžné sklo. Pokud je možné sehnat tvrzené sklo, používá se. Je také dobré najít monolitický polykarbonát. Obecně si můžete vybrat jakýkoli materiál, hlavní požadavky jsou, že musí propouštět alespoň 80 % slunečního záření a být odolný vůči teplotám v rozmezí od -50 do 120 °C.

Ohřívač

Pro výběr izolace zvažme požadavky, které na ni musíme splnit:

• Tepelná vodivost – 0,03–0,06 W/(m•K).
• Tepelný izolant musí odolávat vysokým teplotám, jinak se začne zhoršovat a jeho vlastnosti se časem ztratí.
• Minimální vrstva tepelné izolace pro nádrž a kolektor je 50 mm.
• Izolátor musí být instalován tak, aby nepropouštěl srážky a vodu.

Jaké materiály se používají pro tepelnou izolaci systémů solárních kolektorů? Nejčastěji se jedná o minerální nebo skleněnou vlnu, dále o pěnové sklo, piliny, celulózu, polystyrenovou pěnu, extrudovanou polystyrenovou pěnu. Pro izolaci potrubí se používá pěnový polyethylen a pryž.

Podívejme se na některé možné izolační materiály:

• Čedičová vlna. Vhodný materiál pro tepelnou izolaci absorbéru a nádrže. Jeho hlavní nevýhodou je vysoká absorpce vlhkosti.
• Pěnový polystyren – má nedostatečnou tepelnou odolnost a pro kolektory se používá jen zřídka.
• Expandovaný polystyren má lepší vlastnosti než běžný polystyren, ale je dražší.
• Pěnové sklo má dobré výkonnostní vlastnosti, neztrácí své vlastnosti při velmi nízkých a vysokých teplotách, ale je drahé.
• Pěnový polyethylen se vyrábí v rolích s ochrannou hliníkovou vrstvou nebo bez ní. Je také možné vyrobit s lepicí vrstvou. Materiál se snadno instaluje.

Pro potrubí teplonosné látky a systému teplé vody je nutné použít potrubní tepelné izolátory vhodné velikosti. Stejné jako pro topný systém.

rám

Rám je vyroben z dřevěných tyčí, které jsou sestaveny do rámu požadované velikosti tak, aby do něj bylo možné umístit ocelový plech s trubkami a tepelným izolantem. Rám musí být spolehlivý a odolný, musí být pokryt černou barvou.

Zadní strana rámu je pokryta překližkovou deskou.

Akumulační nádrž a expanzní nádrž

Akumulační nádrž je určena k ohřevu vody a jejímu skladování. Používají se k ní jakékoli dostupné materiály, nejčastěji se kupuje hotová ocelová nádrž nebo se používá jakákoli celá použitá. Hodí se i nádoba ze starého kotle.

Trubky

Pro výrobu solárních kolektorů se používá několik typů trubek:

1. Ocel – jsou těžké, náchylné ke korozi a k instalaci vyžadují speciální svařovací zařízení. Hlavní výhodou tohoto materiálu je jeho nízká cena. Mají také nízkou tepelnou vodivost, což není příliš dobré pro použití v solárních systémech.
2. Měděné trubky jsou drahé, ale pro naše účely velmi vhodné. Mají vysokou tepelnou vodivost, nepodléhají korozi, snadno se instalují, protože se vyrábějí ve svitcích a lze jim dát různé tvary. Spojují se k sobě speciálním pájením nebo válcováním.
3. Kovoplastové trubky jsou cenově dostupné a levné, ale kvůli nízké tepelné vodivosti se příliš nehodí pro výměníky tepla. Mohou být použity pro systém přepravy chladiva nebo teplé vody.
4. Propylenové trubky jsou levné a cenově dostupné, často se používají pro zásobování vodou a vytápění. K instalaci je nutná páječka. Nejsou vhodné ani pro instalaci výměníku tepla, stejně jako kovovo-plastové trubky. Hlavním účelem jsou topné systémy nebo přeprava teplé vody.

V systémech s kolektorem se potrubí používá k instalaci výměníku tepla a k přepravě chladicí kapaliny a teplé vody. V prvním případě je nejlepší použít měď. Pro přepravu jsou vhodné trubky vyrobené z kteréhokoli z popsaných materiálů. Je důležité je izolovat zvenku.

Nosič tepla

Teplo ze slunečního záření lze odebírat nejen v létě, ale i v chladném období, kdy je venkovní teplota pod bodem mrazu. V tomto případě, pokud naplníte systém mezi nádrží a absorbérem vodou, může zamrznout. Aby se tomu zabránilo, používají se jako nosič tepla speciální směsi – nemrznoucí směsi, které zůstávají kapalné i při silných mrazech.

Pro domácí solární kolektor je lepší použít jako chladivo směs vody a propylenglykolu. Tato látka se často používá v potravinářském průmyslu a má méně negativních vlastností než jiné kapaliny. Například ethylenglykol nebo brizantin, které lze také použít.

Hlavním požadavkem při plnění nemrznoucího systému je těsnost okruhu. Chladicí kapalina by se neměla dostat do vody.

Systémový výpočet

Poté, co analyzujeme všechny komponenty systému, určíme, jak vybrat jejich vlastnosti a velikosti:

• Výpočet absorbéru. Pro soukromý dům se používá absorbér o ploše cca 2 m2. Je možné použít i větší výrobek, ale to zvyšuje náklady na systém a není to vždy vhodné. Pokud je potřeba ohřívat větší množství vody, je lepší použít kombinaci několika absorbérů přibližně stejné velikosti, zapojených do série. To zjednodušuje instalaci a zvyšuje flexibilitu systému.
• Akumulační nádrž. Velikost nádrže závisí na velikosti absorbéru. Přibližná závislost je uvedena v tabulce.

Důležitou fází výpočtu je určení umístění kolektoru a jeho úhlu sklonu. Aby systém fungoval co nejefektivněji, musí být kolektor umístěn v nezastíněných oblastech co nejblíže jižní straně.

Doporučuje se upravit úhel sklonu kolektoru k horizontu podobně jako zeměpisná šířka oblasti, kde bude použit. V tomto případě kolektor přijímá maximální množství sluneční energie za rok. Pokud je kolektor plánován k provozu v zimě, je vhodné úhel sklonu zvětšit o 15° oproti zeměpisné šířce. Pokud je kolektor určen k provozu pouze v létě, měl by být úhel sklonu o 15° menší.

Výrobní kroky

Jakmile jsou provedeny všechny výpočty a vybrány vlastnosti a rozměry všech materiálů, je samotný výrobní proces jednoduchý. Krok za krokem vypadá takto:

1. Obdélníkový rám o rozměrech přibližně 100×50 m je sražen z dřevěných trámů o průřezu 2×1 mm.
2. K zadní straně rámu je přibita 4 mm silná překližková deska. Spoj mezi deskou a rámem je utěsněn. Příčky jsou vyrobeny z dřevěných lamel o rozměrech 50×50 mm, mezi které je položena vrstva desek z minerální vlny. Na tyto příčky bude připevněn absorbér. Rám je pokryt vrstvou černé barvy.
3. Pro absorbér je lepší použít ocelový plech o rozměrech 2×1 m a tloušťce 1 mm. Ve skutečnosti plech není nutný a trubky teplonosné látky lze připevnit přímo k překližce. Výkon takového systému se však snižuje. K plechu se přivaří výměník tepla vyrobený z ocelové trubky o průměru 12–14 mm. Pokud se použije výměník tepla vyrobený z měděné trubky, připevní se k plechu nebo překližce pomocí svorek, protože měď se hůře svařuje s ocelí. Bez ohledu na to, z čeho je výměník tepla vyroben, je spolu s ocelovým plechem pokryt vrstvou černé barvy.

Výroba solárního kolektoru vlastníma rukama je jednoduchý postup, který nevyžaduje velké výdaje, ale poté získáte zcela bezplatný zdroj teplé vody po téměř celý rok.

Alternativní zdroje tepla, ačkoli jsou poměrně efektivní a ekonomické v provozu, nemohou tuto mezeru zcela obsadit. Důvodem jsou vysoké náklady, které se od tradičních zdrojů vytápění několikanásobně liší. Například standardní solární kolektor s absorpční plochou 1,66 m² bude stát v průměru 3 000 dolarů, vezmeme-li v úvahu náklady na instalaci a cenu samotného zařízení, zatímco nejjednodušší kotel stojí 15 000 rublů, včetně instalace a potrubí. Existuje pouze jedna cesta ven – vyrobit si solární kolektor vlastníma rukama, k čemuž můžete použít docela dostupné materiály. Jak to udělat správně a v jakém pořadí – v našem článku.

Princip činnosti

Provoz této jednotky je založen na absorpci solární tepelné energie a jejím přenosu do chladiva prakticky bez ztrát. Energie je přijímána tzv. přijímačem, což jsou kovové trubky natřené černou nebo tmavě hnědou barvou. Chladivem je voda, ve velmi vzácných případech vzduch.

Tmavá barva se používá ke zvýšení absorpce, protože je to barva, která umožňuje intenzivní akumulaci tepla.

Na základě konstrukčních prvků se rozlišují následující typy solárních kolektorů:

Vodní sběrače se zase dělí na:

Bez ohledu na konstrukci jsou všechny kolektory v podstatě jednoduchý kovový panel uzavřený v uzavřené krabici, který přijímá, akumuluje a přenáší tepelnou energii.

Pro zlepšení přenosu tepla je přijímač vybaven žebry a samotná skříň je tepelně izolována speciálními materiály. Přední strana je tvořena průhledným sklem, které eliminuje zadržování sluneční energie, po stranách je otvor s přírubou, kam lze připojit buď další panel, nebo vzduchovod.

Schéma solárního kolektoru:

Instalace solárních kolektorů je racionální pouze tehdy, pokud se použije několik panelů. Tepelný výkon z jednoho bude minimální. Pro čerpání teplého vzduchu z kolektoru bude potřeba výkonný ventilátor, protože se sám od sebe nepohybuje.

Základní schéma vzduchového systému je znázorněno na obrázku níže:

Pracovní schéma

Výroba takového kolektoru je velmi snadná, ale „domácí“ kolektory, a to ani v několika kusech, neposkytnou domu potřebný objem teplé vody, zejména za oblačného počasí. Aby dům měl nejen vytápění, ale i zásobování teplou vodou, doporučujeme instalovat akumulační ohřívač vody. Který si vybrat pro letní dům – dozvíte se v příslušném článku.

Plochý vodní kolektor

Jedná se o nejjednodušší typ zařízení, které lze snadno vyrobit vlastníma rukama i bez předchozí přípravy. V tomto případě je pouzdro vyrobeno z kovu nebo hliníku, kam je vložen tepelný přijímač – deska s vyříznutou měděnou cívkou. Deska je pro zvýšení absorpce potažena černou barvou a jako kryt se používá běžné okenní sklo. Na spodní straně je na desce tepelná izolace, která slouží jako vrstva mezi přijímačem a dnem pouzdra.

Konstrukce tohoto typu kolektoru zahrnuje následující prvky:

1. Přijímač je deska natřená černou barvou, která absorbuje teplo a přenáší ho do chladicí kapaliny.
2. Sklo je navrženo tak, aby plnilo 3 úkoly najednou:

• ochrana před větrem, srážkami a nečistotami;
• zabránění úniku tepla z krabice;
• propouštějící ultrafialové paprsky k přijímači.

Celá konstrukce musí být zcela utěsněna, jinak bude teplo unikat skrz trhliny a zbývající objem nebude stačit k ohřevu chladicí kapaliny.

Vzhledem k jednoduchosti designu a minimálnímu množství materiálů je tento typ z hlediska poměru cena-kvalita nejoblíbenější a nejziskovější.

Tyto typy topidel je vhodné používat pouze v jižních a jihovýchodních oblastech, kde počet slunečných dnů přesahuje 60 % ročně. Při poklesu teploty se účinnost topidla snižuje na minimum v důsledku vysokých tepelných ztrát tělesem.

Jak si to vyrobit sami

Než začnete s výrobou, je třeba určit velikost budoucí jednotky. Zlaté pravidlo zní, čím větší, tím lépe. Je zřejmé, že velikost kolektoru bude omezena plochou střechy, ale je lepší ji využít na maximum, aby se toto ohřívač stalo skutečně účinným alternativním zařízením.

Nejlepším materiálem pro tělo zařízení je dřevo s minimálním součinitelem prostupu tepla. Na vrstvu krabice by měla být umístěna tepelná izolace. Může to být minerální vlna nebo pěnový plast s vrstvou alespoň 5-7 cm. Jako kryt se používá běžné okenní sklo – tloušťka v tomto případě není důležitá. Nejjednodušším materiálem pro budoucí kolektor bude starý okenní rám s konzervovaným sklem. Jediné, co budete potřebovat, je vyrobit přijímač a cívku.

Jak vyrobit kolektor z balkonových dveří:

Seznam materiálů pro přijímač je velmi rozsáhlý, ale nejoblíbenější jsou:

• tenkostěnná měděná trubka, kterou lze snadno ohýbat a která má jakýkoli požadovaný tvar;
• polymerové trubky s tenkými stěnami a malým průměrem;
• polyetylenové trubky pro zásobování vodou minimálního průměru;
• výměník tepla z použité ledničky;
• panelový radiátor;
• běžnou zahradní hadicí.

Kterýkoli z uvedených materiálů musí být natřen černou barvou. Zopakujme, je to nezbytné pro zvýšenou a urychlenou akumulaci solární tepelné energie a její přenos do chladiva.

Někteří řemeslníci dokážou použít pro přijímač ty nejnevhodnější materiály, od PVC lahví až po plechovky od piva nebo Coca-Coly. To není nejracionálnější řešení, které zajistí pouze 25-30 % přenosu tepla.

Výrobní proces

Sestavte dřevěnou skříň bez horního krytu. Na dno položte tepelnou izolaci – minerální vlnu, pěnový plast, polystyren atd., navrch ji zakryjte plechem, který by měl plochou odpovídat rozměrům dřevěné skříňky. Toto je základna přijímače, která by měla být natřena černou barvou.

Dále se potrubí položí do hadího vzoru a vzájemně se spojí. Ukázalo se, že se jedná o nejoptimálnější uspořádání potrubí, které zajišťuje volný pohyb chladicí kapaliny po dlouhou dobu.

Měděné trubky jsou nejvhodnější volbou, protože mají vysoký stupeň přenosu tepla.

Trubky připevněte k základně kovovými svorkami, přišroubujte je drátem nebo zvolte jinou pro vás přijatelnou metodu. Z krabice vytáhněte 2 armatury, do kterých bude přiváděna voda.

Vzhledem k tomu, že se tento typ nazývá plochý, je hermeticky uzavřen sklem. Nikde by neměly být žádné mezery, praskliny ani volně přiléhající křídla.

Sklo lze nahradit průhledným celulárním polykarbonátem, který je odolnější vůči srážkám, nerozbije se při silném dešti ani krupobití a nepraskne při silném sněžení.

Po sestavení celé konstrukce ji nainstalujte na střechu pod úhlem 30-450 a připojte ji k vodní nádrži pomocí armatur. Pokud mluvíme o malém objemu nádrže, můžete vytvořit přirozenou cirkulaci vody, ale je lepší instalovat oběhové čerpadlo, které zajišťuje nucený pohyb vody v uzavřeném systému.

Provoz solárního kolektoru s oběhovým čerpadlem:

Závěr, recenze, tipy

Solární kolektory jsou jedním z mála typů topných zařízení, jejichž provoz nestojí jejich majitele ani pár kopějek. Využití solární energie k vytápění domu a ohřevu vody je ideálním řešením pro ty, kteří jsou zvyklí racionálně využívat svůj rozpočet.

Tato metoda bohužel není vhodná pro každého. V severních, západních a východních regionech je taková akvizice nepraktická kvůli malému počtu slunečných dnů. Pro obyvatele jižních regionů je však tato možnost ideální, hlavní je optimální tepelná izolace pouzdra. V tomto případě můžeme hovořit i o vytápění domu v chladném období.

Solární kolektor pro kutily – přehled, potrubí: