Концентрирующий параболический солнечный коллектор. Горячее водоснабжение на даче и в доме.

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/кг*град. 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.

Константин Тимошенко

оригинал статьи

• Учитывая необходимость регулировки направления данной конструкции на Солнце она в именно таком виде слабо пригодна для использования, ведь главная задача - поставил и забыл, как в городе.
  Поэтому, родилась мысль, вместо круглого и относительно небольшого нагревателя, попасть в который концентрированным солнечным "зайчиком" как раз тяжело - использовать прямоугольный, коробочного типа.
  Достоинства - мы перекрываем всю фокальную плоскость нашего отражателя, не требуется подстройка под положение солнца или гелиотрекер.
  Недостаток - перекрывается часть потока на отражатель, что в принципе компенсируется (отчасти) плоской стороной нагревателя обращенной от отражателя. Рассчитать размеры такого нагревателя достаточно не сложно. 
• Автор предлагает обклеивать фанерное основание фольгой. Легко видеть, что такая конструкция не переживет не только зиму, но и несколько хороших ливней. Опять отход от принципа поставил и забыл. Предлагается использовать полированный лист нержавейки, который аккуратно согнуть по шаблону, построенному по рекомендации автора. Тогда есть шанс, что конструкция может работать без присмотра.
  
• Ну и самое распространенное - куда девать излишки тепла. Эта проблема присутствует во всех солнечных коллекторах, всех типов.