Своїми руками Солнечный коллектор своими руками - подробная инструкция

Ну поскольку температура - это мера баланса между энергии пришло в данный момент, и энергии ушло в данный момент. То беручи отношение балансов между ушло в дом, и ушло не в дом, мы получаем коэфициент части уходящей в дом, и зовём его полезным.
А тут можно вопрос.
А какая теоретически максимально возможная Тп?

 

Предельная температура СК Тп=6000 С, т.е равна температуре солнца.
Это теоретически.
Практически с помощью больших параболических концентраторов
получали сверхчистые материалы с высокой температурой плавления.
Примерно 1500-2000 С.

 

А нет смысла этой температуре, 5730 С, как-то в формуле поучаствовать?
Тп - То = 100 - это же из доступного опыта?
Если у нас исследование, то мы должны быть готовы к выходу за рамки доступного до ныне опыта. Может какое-то чуть более общее определение КПД?

 

@Энки.
Температура солнца прямо есть в расчетах. Это солнечная постоянная
1400 Вт/м2 в космосе на расстоянии равном радиусу орбиты Земли.
В результате поглощения в атмосфере она снижается примерно до 1000.
Эта величина солнечной постоянной и фигурирует во всех расчетах.
КПД определяется законом сохранения энергии.
Отношение полезной работы к затраченной. Закон сохранения энергии нарушаться
не должен. В конкретных расчетах где полезная энергия, а где затраченная
решает сам расчетчик.

 

Следующим логическим шагом становится модернизация варианта СК-В.
Его основной недостаток. Быстрое охлаждение воды ночью через остекление бака.
Добавляем теплоизолированную крышку и превращаем СК-В на ночное
время в хорошо теплоизолированный бойлер.
Дополнительный бойлер и система трубопроводов отпадает.
Логично и неплохо. Цена повышается незначительно.
Но возникает эксплуатационная проблема. Малый объем бойлера.
Ведь бойлером стал сам бак объемом 100 литров, а горячей
воды должно быть достаточно на первый день, вечером и на следующее утро
или даже на весь день, если солнце будет закрыто облаками.
Поэтому объем бака увеличиваем до 200 литров 1000*1000*200 мм.
Этот вариант назовем СК-Г.
Тп-Т0 для него тоже составит 100 С.
Принципиальная схема СК-Г изображена на прилагаемом рисунке.



Описание схемы и коротенько принцип работы.
Емкость 1 сварена из нержавеющей стали объемом 200 литров прямоугольной формы 1000*1000*200 мм и толщиной 1.6 мм. Снизу и с боков утеплена теплоизоляцией 2 (стекловата) толщиной 100 мм. Бак с теплоизоляцией заключены в корпус 4 сваренный из стальных уголков и обшитый оцинкованным железом. Сверху закрыто пленкой 3. Абсорбером служит верхняя поверхность бака 5 покрашенная черной краской. Слив горячей воды из самой верхней части бака производится через трубку 6 и далее по шлангу в душевую. Одновременно со сливом горячей воды через трубку 7 производится подпитка холодной водой из напорной емкости 14. Чтобы вода в баке не остывала ночью, имеется крышка 8 также теплоизолированная стекловатой толщиной 100 мм. Изнутри крышка имеет отражающую поверхность 9 из алюминия. В открытом положении в полуденные часы отражается дополнительное количество солнечной энергии на абсорбер бака. Это особенно заметно, когда солнце ниже над горизонтом, весной и осенью. Для открывания крышки утром и закрывания вечером служат: ферма 10 сваренная из труб, трос 11 и лебедка 12 закрепленная на душевой 13.
Некоторые особенности конструкции. Отсутствует как отдельный элемент солнечный коллектор. Бак 1 большого объема является и солнечным коллектором и бойлером для хранения горячей воды. Кстати хранится горячая вода, если солнце закрыто облаками, до двух суток. На утро следующего дня вода горячая, а на второй день теплая. Если в баке 1 была холодная вода, то уже через 2-4 часа в верхней части накапливается теплая или даже горячая вода, это зависит от начального угла облучения. В очень жаркую погоду 30 градусов и более имеется избыток горячей воды. Тогда крышка 8 днем может не открываться. Бак 1 становится только бойлером для хранения горячей воды.
Дальше будет.

 

Продолжаем модернизацию варианта СК-Г.
...................................................................
Я приношу извинения, что приходится повторяться при объяснениях конструкции,
тепловых процессов, логики рассуждений по улучшению технических характеристик
СК и прочих моментов. Но знаю, что лучше очень подробно объяснять технические
особенности конструкции, тепловые процессы и прочее, чем коротко и непонятно.
Пусть мол читатель сам соображает и домысливает.
...................................................................................
Еще один недостаток СК-Г.
Зачем греть воду от 10 С из скважины до 70 С дорогим СК-Г
при т-ре окр. воздуха 20 С.
Ведь простейшим вариантом СК-А можно предварительно греть
воду до 30 С, а тоже простым вариантом СК-Б аж до 50 С.
И тогда СК-Г будет греть воду только от 50 до 70 С.
Перепад температур всего 20 С вместо 60 С.
Производительность дорогостоящего СК-Г возрастет в 3 раза.
Здесь прошу не придираться к цифре в 3 раза. Реальная будет меньше.
Необходимо более точный расчет делать с учетом КПД.
Сути дела это не меняет, а ход рассуждений и логика модернизации
предельно понятна. Сложными расчетами можно только запутать читателя.
............................
Итак, превращаем СК-Г в двухкаскадную систему.
Между напорной емкостью 16 и емкостью 5 устанавливаем плоский бак 14 для
предварительного нагрева воды. У нас такая емкость называется СК-А.
Назовем этот вариант СК-Г-КАС.
......................................................
Принципиальная схема и краткое описание работы приведены ниже.
................................................................................................................


...................................................................................................................
Емкость 1 представляет из себя бак прямоугольной формы из нерж. стали
1000*1000*200 мм и толщиной 1.6 мм. Снизу и с боков утеплена теплоизоляцией 2 (стекловата) толщиной 100 мм. Емкость с теплоизоляцией заключены в корпус 4 сваренный из стальных уголков и обшитый оцинкованным железом. Сверху закрыто пленкой 3. Абсорбером служит верхняя поверхность емкости 5 покрашенная черной краской. Слив горячей воды из самой верхней части емкости производится через трубку 6 и далее по шлангу в душевую. Одновременно со сливом через трубку 7 производится подпитка уже подогретой водой из емкости 14 второго каскада. Чтобы вода в емкости не остывала ночью имеется крышка 8 также теплоизолированная стекловатой толщиной 100 мм. Изнутри крышка имеет отражающую поверхность 9 из алюминия.
Эта система была изготовлена и находится в эксплуатации уже более 40 лет. Состав и принцип работы следующий. Емкость 1 сварена из нержавеющей стали объемом 200 литров прямоугольной формы. При положении в полуденные часы отражается дополнительное количество солнечной энергии на емкость. Это особенно заметно, когда солнце ниже над горизонтом, весной и осенью. Для открывания крышки утром и закрывания вечером служат: ферма 10 сваренная из труб, трос 11 и лебедка 12 закрепленная на душевой 13.
Бак 14 для предварительного подогрева воды изготовлен из черной стали толщиной 3мм, емкостью 4о литров и площадью 0.5 м2. Забор теплой воды из него производится также из верхней части, а подпитка холодной в нижнюю часть 15 из напорной емкости 16.
Некоторые особенности конструкции. Отсутствует как отдельный элемент солнечный коллектор. Емкость 1 большого объема является и солнечным коллектором и бойлером для хранения горячей воды. Кстати хранится горячая вода, если солнце закрыто облаками, до двух суток. На утро следующего дня вода горячая, а на второй день теплая. Если в емкости 1 была холодная вода, то уже через 2-4 часа в верхней части накапливается теплая или даже горячая вода, это зависит от начального угла облучения. В очень жаркую погоду 30 градусов и более образуется избыток горячей воды. Тогда крышка 8 днем не открывается и достаточно становится воды только из бака 14. Емкость 1 становится только бойлером для хранения горячей воды.
Так как система в летний период всегда полностью заполнена водой и скорости перетекания из одной емкости в другую небольшие, то перемешивание очень слабое. Емкость 14 изготовлена из черной стали и там образуется ржавчина, но на выходе из емкости 1 идет абсолютно чистая вода. На такой режим система выходит через несколько дней весной после первой заливки водой.
Есть резервы по увеличению производительности. Можно увеличить количество емкостей 14 для предварительного нагрева воды. Можно немного теплоизолировать их снизу и сверху накрыть пленкой. Эти несложные доработки позволят значительно увеличить производительность системы, но мне это пока не требуется.
Вначале система была только с емкостью 1 – однокаскадной. Затем на крышку 8 добавили отражатель 9 и производительность немного возросла. Затем лет 7 назад добавили бак 14 для предварительного нагрева воды. Производительность возросла еще больше и довольно ощутимо. Система стала двухкаскадной. Из всех, что делал эта оказалась самой лучшей. Это мое личное мнение. Такая схема может служить прототипом для систем, где используются бочки, емкости большого объема и различной формы и т.д.
Текста получилось много. На этом пока остановлюсь.
Дальше добавлю немного по двухкаскадной системе, а потом рассмотрим
СК с припаянными к абсорберу трубками.

 

Добавлю еще немного материала по каскадной системе СК-Г-КАС.
Первый момент.
По опыту эксплуатации СК определилось.
На одного человека необходимо минимум 50 литров горячей и теплой воды в сутки.
Из них
80% т.е. - 40 литров с т-рой 40-50 градусов
20% т.е. - 10 литров с т-рой 50 град. и выше.
Это базовые исходные данные по которым и будем рассчитывать площади
нагревателей каскадной системы.
.........................................................
Производительность 2-го каскада площадью 1 м2 при нагреве воды от 10 С до 70 С
за световой день доходит до 100 литров. А с предварительным подогревом
возрастет минимум в 2 раза - до 200 литров и это составляет 20 %.
.................................
Производительность нагревателей первого каскада составляет тоже
100 литров с 1-го м2.
80 % 1-го каскада должен давать соответственно 800 литров теплой воды для бытовых нужд
и 200 литров для подпитки 2-го каскада.
В таком варианте потребления нагретой воды для бытовых нужд площадь
дешевых нагревателей первого каскада должна составлять 5-10 м2.
Для одной семьи оптимальным может оказаться вариант когда
2-й каскад - площадь 0.25-0.5 м2 горячая вода 50 С и выше
и 1-й каскад - площадью 2-4 м2 плоских баков - теплая вода с т-рой 40-50 С.
Вывод каскадные системы из плоских баков позволяют получать неограниченное
количество нагретой воды для бытовых нужд и в несколько раз дешевле,
чем от СК предлагаемых промышленностью и торговлей.
..........................................................................................
На данном этапе тема по плоским бакам в основном рассмотрена.
Прошу задавать вопросы и аргументированную критику.

 

Вопросов пока нет, критики тоже.
Можно переходить на анализ СК с припаянными трубками к абсорберу.
Практически все, кто самостоятельно изготовил их или собирается делать,
основные трудности видят в сложности изготовления (припайка трубки),
применение меди, как получить высокую степень черноты, насос и автоматика
для прокачки теплоносителя, зимние режимы работы.
Я полностью согласен с этими сложностями.
Как сделать самостоятельно СК такой конструкции дешевым и с хорошими
техническими характеристиками не представляю.
Делать их с техническими характеристиками ниже 4 по 5-ти балльной систетеме
нет смысла, цена все равно останется высокой.
Поэтому каскадную систему с ними похоже делать бесполезн0. Система получится
сложной. Много бойлеров, теплообменников, сложная система трубопроводов и
сложная система управления. Возможны только исключения, но их пока
рассматривать не будем.
........................................
Переходим к конкретному анализу.
Начинаем с минимального набора исходных данных необходимых для
теплового расчета.
- Материал и толщина абсорбера (рассматриваем вариант сплошной припайки).
- Расстояние между трубками.
- Скорость прокачиваемого теплоносителя.
.........................................................
Практически все задают один и тот же вопрос.
"Беру медную ленту толщиной 0.2 мм и расстояние между трубками 100 мм.
Как думаете, этого достаточно ?".
На такой вопрос нет однозначного ответа.
Нужны дополнительные исходные данные.
- Температура окр. воздуха.
- Рабочая т-ра.
- КПД в расчетном режиме (при рабочей т-ре).
...........................................................................
Ответ на такой вопрос всегда дается неопределенный.
Медь имеет высокую теплопроводность, можно немного толще
или немного тоньше. По прокачке теплоносителя даются характеристики
насосов. По режимам работы то же самое.
Ничего определенного.
От себя могу добавить - это расчеты очень сложные, Я их делал.
....................................................................................................
Выход есть и прошу очень внимательно вникнуть в эту часть.
Есть параметр по которому можно сравнивать тепловые параметры
абсорберов с различными материалами и различным расстоянием
между трубками.
Есть такая формула.
Z=K*D/(L/2)
Где
Z - проводимость половины участка между серединой участка
до трубки.
K - коэффициент теплопроводности материала абсорбера.
D - толщина абсорбера.
L - расстояние между трубками.
Все размерности Вт, метр, С (градус).
....................................................
Тепловые характеристики разных абсорберов СК будут одинаковыми
при одинаковых коэффициентах Z.
Поступаете очень просто.
Берете один или несколько прототипов СК с максимально высокими
тепловыми характеристиками. Рассчитываете их коэффициенты Z.
И сравниваете со СВОИМ ВАРИАНТОМ.
Чем выше коэффициент Z тем лучше тепловые характеристики абсорбера СК.
.................................................
Пример для медного варианта.
Медь.
K= 400
D= 0.0002
L = 0.1
Z=400*0.0002/(0.1/2)=1.6
.................................................
Пример для железного варианта.
Железо.
K= 50
D= 0.0016
L = 0.1
Z=50*0.0016/(0.1/2)=1.6
..................................................
Варианты из меди толщной 0.2 мм и стали толщиной 1.6 мм
по тепловым характеристикам равноценны.

 

Все, что здесь изложил по СК было более подробно приведено и обсуждалось
3 года назад на этой же ветке. Желающие могут посмотреть стр. 36-47.
Серьезного анализа и обсуждения не получилось. Внимаие обращалось на
второстепенные детали. Испугала сложность и непонятность выкладок.
Слишком много формул, в общем все оказалось непонятным.
Конкретные результаты расчетов вообще не обсуждались.
Температурные поля абсорбера с разными вариантами припайки, разными
материалами и разными толщинами, влияние этих параметров на КПД
все растворилось в каком то хаосе.
До стоимости различных вариантов разговор даже не дошел.
Но потом
viktor-gon изготовил и запустил в работу свою систему из 10 СК суммарной
площадью 18 м2 для нагрева воды и отопления дома зимой.
Оснастил систему кучей датчиков и в интернете стало возможным иметь
полную информацию о состоянии системы в реальном режиме времени.
Получился хороший научно-исследовательский комплекс по использованию
тепловой солнечной энергии для нагрева воды и отопления частного дома.
Появилась масса ценной инфорации от одного комплекса.
Для себя почерпнул много полезного и интересного да и для форума тоже.
......................................................................................................................
Сейчас решил попробовать системно проанализировать возможности использования
тепловой солнечной энергии для частного дома с минимальными затратами.
Пришел к выводу, что в настоящее время все работы ведутся таким образом, что
затраты получаются максимальными. Поэтому и делаю свои демонстрационные
образцы под лозунгом "Минимальные затраты при максимальных
технических характеристиках".
Дальше будет.

 

Самодельный СК с абсорбером из б/у отопительных батарей Аккорд.