Описание

Солнечный коллектор из поликарбоната своими руками

Я уже давно задумал сделать на даче солнечный коллектор для нагрева воды в летнем душе. Идея эта появилась еще два года назад, с началом строительства бани, но только в прошлом году я приступил к ее практическому воплощению. Спросите: «Что я делал до этого»? А я искал какой же мне вариант реализации выбрать. Сейчас уже даже смешно вспоминать, какой у меня был первоначальный план.

Самый распространенный и наверное самый надежный вариант самодельных солнечных водонагревателей — это коллектор спаянный из медных трубок (схема чуть выше). Я тоже изначально думал делать именно такой. Но проблема в том, что он получается слишком уж дорогим и довольно тяжелым. У меня же стояла задача сделать максимально дешевую и легкую конструкцию.

Именно поэтому я остановился на варианте использования в качестве рабочей поверхности листового сотового поликарбоната. Развитие идеи использования пластиковых панелей с внутренней канальной структурой начиналось еще с мысли об использовании ПВХ-сайдинга, но потом на глаза попался поликарбонат — его не надо «набирать» из нескольких досочек. Моя уверенность в правильности выбранного материала для солнечного коллектора стала укрепляться, когда комментариях к описанию моих тестовых конструкций читатели начали предлагать использовать именно сотовый поликарбонат или полипропилен. А недавно я еще и в интернете наше описание нескольких похожих действующих солнечных нагревателей.

Итак, курс на изготовление пластикового солнечного коллектора выбран. Приступаем к реализации.

Первым делом я для себя решил, что мой коллектор будет собран без использования стекла. В качестве ветрозащиты я собираюсь использовать тот же материал, что и для рабочей поверхности, т.е. сотовый поликарбонат.

Это прозрачный материал, светопроницаемость достаточно хорошая, поэтому я не думаю, что он будет очень сильно снижать КПД конструкции по сравнению со стеклом. А вот плюсов у такой замены фронтальному стеклу я вижу массу. Благодаря тому, что поликарбонат фактически двухслойный, это будет равносильно двойному остеклению. Это поможет создать отличный парниковый эффект.

Второй плюс поликарбоната — прочность. Он с легкостью переносит крупный град. Даже если во время града фронтальное покрытие и пострадает, это разрушение ни как не скажется на работе системы в целом. И уж конечно, последствия не будут столь катастрофическими, как при разбитом стекле.

С фронтальным покрытием определились. Следующим важным элементом солнечного коллектора является задняя теплоизоляция. Я решил использовать для этого обычный листовой пенопласт. Причины такого выбора: легкость и дешевизна. Некоторые производители используют в качестве заднего утеплителя тот же сотовый поликарбонат или полипропилен. Решение конечно изящное, коллектор получается тоненький. Но лично мне кажется, что это будет чуть дороже. К тому же, у меня на даче уже был лист пенопласта подходящего размера — остался со времен утепления дома.

Следующий шаг — надо определиться с толщиной материала, который будет использоваться в качестве коллектора. В продаже есть листы от 4 до 25 мм. Некоторые советуют «брать больше», мотивируя это тем, что получится больше площадь сечения внутренних каналов, по которым будет циркулировать жидкость, что уменьшает сопротивление потоку. Но простой расчет для листа толщиной 4 мм дает нам суммарную площадь сечения каналов в районе 35 кв.см на погонный метр — это равносильно сечению трубы диаметром 6-7 см. Не знаю как вам, но мне этого сечения более чем достаточно. К тому же надо помнить вот еще что: чем больше будет толщина рабочего листа, тем больше будет объем внутренних каналов, т.е. тем больше туда поместится теплоносителя, а он будет иметь больший вес и этим весом будет деформировать нашу систему. В коллектор из листа поликарбоната толщиной 4 мм поместится около 3-4 литров на 1 кв.м, а если взять лист 10 мм, то теплоносителя в нем будет уже около 10 литров на 1 кв.м. А еще большой объем теплоносителя будет дольше прогреваться солнцем.

Короче, я решил использовать сотовый поликарбонат толщиной 4 мм. Было куплено два листа размером 210х100 см. Один — для рабочей поверхности, второй — для фронтальной защиты.

Кстати, еще на этапе обдумывания проекта я решил делать солнечный коллектор площадью около 2 кв.м. Для такой площади мне понадобилось два отрезка метровой длинны из сплошного 12-ти метрового листа, в которых продают сотовый поликарбонат. Ширина стандартного листа 210 см. — мне это как-раз подходит.

Было еще несколько вариантов. Например, можно было бы сделать два солнечных коллектора размером 1х1 метр, их будет проще перевозить. Я не стал этим заниматься из-за увеличения объема работ по сборке двух коллекторов вместо одного. К тому же у меня сборочная площадка и место будущей эксплуатации — одна и та же дача, не придется думать как перевезти здоровенную конструкцию.

Еще можно было бы сделать вертикально ориентированный коллектор размером 1х2 метра, но в этом случае мы бы уменьшили суммарное сечение внутренних каналов коллектора (в 2 раза), а также увеличили бы их длину (тоже в 2 раза), что примерно в 4 раза увеличило бы сопротивление потоку теплоносителя и снизило бы КПД системы, в сравнении с горизонтально ориентированным коллектором 2х1 м.

Для сборки и подключения коллектора я также купил:

Пара комментариев по выбранным материалам.

Канализационные трубы были выбраны вместо водопроводных т.к. у них больше диаметр и тоньше стенки — проще будет резать трубу вдоль. Учитывая, что коллектор будет работать не под давлением, прочности такой трубы вполне хватит.

Штатные заглушки для канализационных труб будут использованы по прямому назначению — они закроют трубы с одной из сторон.

Полипропиленовые уголки с резьбой подбирались прямо в магазине так, чтобы их наружный диаметр максимально подходил ко внутреннему диаметру труб. Их надо будет просто посадить на герметик.

Можно было бы использовать уголок для канализационных труб, но тогда все равно пришлось бы думать как к нему надежно подсоединить шланг подключения коллектора. А с этими водопроводными уголками я «убиваю двух тараканов одним тапком» — и вывод сделаю и разборное соединение для подключения. Вы спросите: «Почему уголки? Почему не прямой вывод?» Ну так шланги-то от пассивного солнечного коллектора будут вверх идти к теплоаккумулятору, который должен располагаться выше коллектора. Уголки, чтобы потом шланги не изгибать.

Все остальные материалы будут докупаться по мере необходимости.

Начинаем сборку коллектора. Надо сделать продольный разрез в подающей и отводящей трубе. В этот разрез будет вставлен лист сотового поликарбоната. Вода будет поступать из нижней трубы в каналы этого листа, там она будет нагреваться солнцем и под действием термосифонного эффекта подниматься вверх. Нагретая вода отводится через верхнюю трубу.

Должно получиться примерно так:

Чтобы сделать продольный разрез в трубе я использовал обычную дрель с насадкой в виде дисковой пилы. Может также использоваться углошлифовальная машинка (болгарка), но у меня ее просто не было под рукой.

Сначала я пробовал сделать пропил, удерживая трубу руками, но это оказалось практически невозможно сделать. Труба скользит в руках и постоянно дергается из-за усилий, создаваемых пилой. Я помучился минут 5, пропилив за это время всего сантиметров 10-15. Пропил получился неровный, а учитывая, что мне суммарно надо пропилить 4 метра (две трубы по 2 метра), пришлось что-то придумывать.

Зажимать тонкостенные трубы из ПВХ в тиски — это плохая идея. Поэтому был придуман и на скорую руку собран простейший зажим из двух реек и обрывков веревки.

На этой фотке также видно низкое качество пропила, полученное при удержании трубы вручную.

С этой приспособой работа пошла гораздо быстрее. Две трубы удалось пропилить минут за 5.

Качество пропила тоже получилось вполне удовлетворительным. Видно, что он гораздо ровнее, по сравнению с пропилом, который делался когда трубу держали руками.

Длина пропила должна точно соответствовать ширине рабочей части будущего солнечного коллектора. В моем случае это чуть меньше 2 метров. Начало и конец трубы должны оставаться нетронутыми, чтобы в будущем их можно было использовать для подключения или заглушить.

Что надо делать дальше, думаю, всем понятно. Надо вставить лист сотового поликарбоната в этот пропил. Но тут есть одна сложность. Из-за внутреннего напряжения в пластике пропил в трубе просто «схлопнулся» почти по всей длине. Это видно на фотке. Вставить лист в такую щель оказалось сложно. Можно было бы ее расширить, чтобы даже после этого схлопывания у нас осталась ширина 4 мм, но я решил этого не делать. Расширяя пропил мы уменьшим диаметр трубы в средней части. А если оставить все как есть, то силы внутреннего напряжения в пластике будут компенсировать небольшое давление внутри коллектора. Также благодаря этому труба будет крепче держаться за лист.

Чтобы загнать лист поликарбоната в пропил в трубе я просто разрезал конец трубы канцелярским ножом:

А потом через этот разрез просто «натянул» трубу на лист.

Далее нужно выполнить небольшую подгонку. Основная задача в том, чтобы труба оставалась прямой, а сотовый поликарбонат не заходил в трубу слишком глубоко. Вот что у меня получилось (это не свет в конце тоннеля, это свет в конце трубы )

Кстати, перед надеванием трубы я рекомендую заранее обработать лист поликарбоната наждачной бумагой. За шершавую поверхность будет лучше держаться герметик. Для лучшего сцепления при склеивании надо также и обезжирить место будущего стыка.

Еще на фотках видно, что листы сотового поликарбоната с обеих сторон затянуты защитной пленкой. Я решил ее не снимать, чтобы предохранить их от повреждения и загрязнения. Сниму перед самой покраской.

Теперь приступаем к одному из самых ответственных этапов сборки солнечного коллектора. Надо герметизировать стык рабочей поверхности с трубами. Умельцы с западных сайтов используют для этого разные силиконовые герметики, но у меня, если честно, есть большие сомнения в прочности такого соединения. Мой коллектор хоть и не будет испытывать на себе давление магистрального водопровода, но все-таки мне хотелось бы быть уверенным в том, что он не протечет. Тем более, что я уже экспериментировал с разными герметиками.

В итоге, для склеивания и герметизации солнечного коллектора я выбрал термоклей. Купил клеевой термопистолет, палочки клея для пластика и вперед.

Процесс герметизации оказался на удивление прост. Правда вот расход клеевых стержней мог бы быть и поменьше. Просто я не жалел клея. Проходил по стыкам в два захода. Сначала старался загнать расплавленный термоклей в стык, чтобы он заполнил собой все щели, а вторым заходом формировал ровный наружный шов, который будет держать нагрузку. На торцах клей тоже не экономил.

Поначалу у меня были сомнения — будет ли термоклей хорошо держать соединение ПВХ с поликарбонатом. Поэтому, чтобы проверить, я сначала приклеил небольшой кусочек поликарбоната к ПВХ-трубе. Скажу вам честно — потом еле отодрал. Теперь главное мое сомнение — не будет ли термоклей размягчаться при нагревании коллектора

Следующим этапом у меня будет покраска. Для лучшего поглощения солнечной энергии я решил покрасить коллектор обычной матовой краской из баллончика.

К сожалению, этот метод не идеален. Краска ложиться неровно, остаются плохо прокрашенные участки. К тому же, одного баллончика (правда неполного) мне на 2 кв.м поверхности не хватило. В последствии пришлось докупать еще один баллончик краски. Она оказалась на базе другого растворителя, поэтому при нанесении второго слоя для плотного закрашивания, она начала коробить старую краску. Короче, результат получился не очень хороший.

Поэтому, если вы хотите избежать лишних проблем с закрашиванием солнечного коллектора, лучше в качестве материала рабочей поверхности использовать не прозрачный поликарбонат, как у меня, а черный непрозрачный сотовый полипропилен. Его не придется красить, что значительно сократит расходы.

После полного окрашивания поглощающая панель коллектора приобрела такой вот вид:

Пятна на поверхности — это следы вспучившейся краски. Вспучивание произошло из-за того, что я заливал панель краской из разных баллончиков. Одна краска была на алкидной основе, а вторая — которая с алкидной краской «не дружит». Но для процесса нагревания это вспучивание значения не имеет, поэтому я не стал его исправлять.

После окрашивания, к концам труб были тем же термоклеем приделаны уголки с резьбой.

Уголки с резьбой позволяют легко подключать и отключать коллектор при помощи гибких армированных шлангов.

После этого я решил провести серию испытаний, чтобы проверить, как коллектор будет держать давление и температуру. Пока результаты меня не очень радуют, но обо всем по порядку.

Для испытаний я просто ставил коллектор вертикально и подавал в него воду из водопровода через нижнюю трубу. Прозрачный полипропилен с обратной стороны позволяет контролировать процесс заполнения. Как только коллектор полностью заполнялся и вода начинала выливаться через верхнюю трубу, подача воды в коллектор прекращалась. Минус такого способа в том, что он создает более высокое давление воды внизу коллектора и практически нет давления вверху.

Первое заполнение коллектора водой показало, что в клеевом стыке труб и поликарбоната есть несколько протечек. Причем протечки обнаружились вверху, где давление было низкое. Отключаем панель, сливаем воду, сушим, устраняем точки протечки.

Второе подключение — ни где ничего не течет. Чтобы создать давление в районе верхней трубы я просто поднимал повыше конец отводящего гибкого шланга. Опять обнаружилась протечка. Отключаем панель, сливаем воду, сушим, устраняем точки протечки.

Третье подключение. Тут я набрался смелости и решил создать в панели повышенное давление, чтобы проверить, а вдруг он выдержит давление воды в водопроводе. Для создания давления я просто пальцем закрыл отводящую трубку. Воздух, оставшийся в коллекторе, должен был послужить амортизатором для плавного повышения давления. По мере нарастания давления, держать палец становилось все труднее, а потом клеевой шов у нижней трубы лопнул.

Выводы: слегка повышенное давление коллектор держит, но наглеть не стоит. Отключаем панель, сливаем воду, сушим, устраняем точки… нет уже не точки, а целые участки протечки.

Чтобы укрепить шов, я решил сделать его гораздо ТОЛЩЕ. Клеевым пистолетом в районе шва укладывалось большое количество термоклея, а потом все это оплавлялось и выравнивалось старым советским молотковым паяльником.

Для этой работы можно было бы использовать строительный фен, но у меня его просто не было.

После долгих мучений шов получился такой.

Некрасиво конечно, но главное чтобы держалось. Очередное испытание выявило лишь одну маленькую протечку, которая была быстро устранена. Настроение к этому моменту у меня уже было не самое радужное — оптимизм по поводу прочности швов несколько угас. Поэтому проверять панель на повышенное давление я не стал, чтобы не расстраиваться еще больше.

Не прибавило мне оптимизма также и испытание пустой панели на ярком солнце. Меньше чем за минуту коллектор нагрелся до такого состояния, что стало больно к нему прикасаться. Клей на швах на солнечной стороне также очень быстро размягчился. Понятное дело, что ни о какой прочности шва в такой ситуации речи быть не может. Если в рабочем режиме вода в коллекторе будет нагреваться до такой же высокой температуры или будет нарушена циркуляция, скорей всего швы не выдержат. Тут, видимо, надо брать какой-то более тугоплавкий термоклей.

Ну да ладно. Я на все эти неудачи махнул рукой — все таки это эксперимент. Решил довести сборку солнечного коллектора до конца. А если не получится, разберу и буду делать коллектор по другой схеме.

Дальше сборка собственно весьма проста. На трубы я одел изолятор из вспененного полиэтилена:

Под панель коллектора положил лист обычного пенопласта толщиной 5 см. А сверху все это накрыл еще одним листом прозрачного поликарбоната. Поликарбонат был немного шире, поэтому края я просто загнул и впоследствии прикрутил к пенопласту шурупами

Для изготовления рамы я использовал металлический профиль для гипсокартона. Профиль выбирал исходя из предполагаемых размеров «сандвича» солнечного коллектора. У меня профиль то ли 70х30, то ли 70х40, но как оказалось, можно было брать чуть больше, например 70х70.

В профиле самым бесцеремонным образом были вырезаны отверстия для вывода наружу точек подключения солнечного коллектора.

Немного неаккуратно, но те ножницы по металлу, которые оказались у меня под рукой, иначе сделать просто не позволяли

Сборка рамки производилась на шурупы, которые предназначены для скрепления таких металлических профилей. В результате получилось такое вот изделие.

Как видно на фото, мне пришлось дополнительно «стянуть» горизонтальные участки рамки между собой. Без этой стяжки они не хотели держать форму. Все таки для рамы был выбран слишком тонкий металлический профиль большой длины.

А вот как коллектор выглядит с обратной стороны.

На двух последних фотографиях коллектор показан на «испытательном стенде» Он был полностью заполнен водой и простоял так около часа. Протечек ни где не обнаружилось. Это обнадеживает.

Посмотрим как он покажет себя после подключения в реальных рабочих условиях.