Доклад 1: Очень дешевый солнечный коллектор (меньше 8 EUR за кв. м), способный работать зимой

 

Плоские солнечные коллекторы обычно изготавливаются из меди, алюминия, стекла и других дорогостоящих материалов. В результате этого их стоимость попадает в диапазон от 100-150 EUR за кв. метр активной поверхности (китайское производство) до 200-300 EUR / кв. м (Германия).

Однако, в 2011 мною был сделан и испытан самодельный коллектор стоимостью от 8 EUR (сейчас) до 4 EUR (в перспективе) за кв. метр активной поверхности.

 

1) Конструкция

Мой коллектор состоит из (на рисунке – вид сбоку):

— Пенополистирол 1 общей толщиной 7 см

— Прозрачная полиэтиленовая пленка 2

— Черная ткань 3

— Три ленты 4, которые продаются в магазинах как «ленты для капельного полива». Интервал их дырок – по 10 см. Они расположены так, чтобы образовать единую систему дырок с интервалом 3,3 см

-Две прозрачных полиэтиленовых пленки 5 и 6

  

Коллектор работает следующим образом.

Солнечный свет проходит через пленки 5, 6, 2 и поглощается поверхностью черной ткани 3. В результате этого она нагревается и передает тепло воде, которая вытекает из дырок лент 4 и течет вниз по пространству между тканью 3 и пленкой 2. Затем эта вода собирается в кармане 7 и вытекает из коллектора через стальную трубку 8. Пленки 5 и 6 создают «парниковый эффект».

Коллектор имеет также:

— Лист 9 метализованного пенополиэтилена толщиной 4 мм (в магазинах его называют «подкладка под ламинат»). Он осуществляет теплоизоляцию низа коллектора. Кроме этого его метализованная поверхность отражает солнечную радиацию на ткань 3.

— Полиэтиленовая пленка 9. Это дополнительная теплоизоляция низа коллектора 

— Пенополистирол 11 толщиной 5 см и высотой 9-12 см

— Две деревянные ножки 12. Они должны забиваться в землю (или опускаться в ямки) на 10-20 см и опираются на поверхность земли деревянными упорами 13

— Деревянная планка 14. Ее край закапывается в землю и фиксируется стальными стержнями 15

— Деревянные планки 16, 17 для упрочнения пенополистирола 1 и крепления деталей 5, 6, 2, 10, 9, 3

— Деревянные планки 18, 19 для крепления деталей 5, 6, 9

— Две деревянные планки 20 для удержания планки 19 в нужном положении

 

2) Стоимость

Коллектор с активной площадью 3,98 кв. м (130 см активной высоты и 306 см активной ширины) требует следующих материалов (Цены – средний опт, апрель 2011, Украина, с НДС 20 %):

 

Кол-во

Цена

Итого

Пенополистирольные листы толщиной 5 см и 2 см

0,28 куб. м

25 E / куб. м

7 E

Прозрачная полиэтиленовая пленка

27,3 кв. м

0,15 E / кв. м

4,1 E

Деревянные планки сечений 20х20, 20х30, 20х50, 30х30, 30х40

0,02 куб. м

180 E / куб. м

3,6 E

Дешевая черная ткань

4,7 кв м

0,4 E / кв. м

1,9 E

Металлизированный пенополиэтилен толщиной 4 мм

2,4 кв. м

0,4 E / кв. м

1 E

Лента капельного полива

9,5 м

0,1 E / м

1 E

Сталь: трубка 8, стержни 15

0,5 кг

1 E / кг

0,5 E

С У М М А

 

 

19,1 E

Эти материалы используются для изготовления 15 шт. деревянных деталей, 6 шт. деталей из пенополистирола, 4 шт. деталей из полиэтиленовой пленки и 12 шт. деталей из других материалов. Расход времени на изготовление этих деталей – 12 человеко-минут, если имеются несложные самодельные приспособления.

Основные технологии сборки этих деталей в коллектор:

— Использование полиуретановой пены для склеивания пенополистирольных листов друг с другом и с деревянными планками

— Использование строительного степлера для крепления пленок и ткани на деревянных планках

Расход времени на сборку деталей в коллектор – 33 человеко-минут, если имеются несколько самодельных приспособлений

Таким образом:

— Стоимость материалов – 19,1 EUR на коллектор, т.е. 4,8 EUR за кв. м активной поверхности

— Затраты времени (12 мин + 33 мин =) 45 человеко-минут на коллектор. Если ставка зарплаты будет 15 EUR / час (2600 EUR в месяц), то эти расходы будут 11,25 EUR, т.е. 2,8 EUR за кв. м активной поверхности

— Таким образом, стоимость кв. метра активной поверхности коллектора – 7,6 EUR (= 4,8 EUR + 2,8 EUR)

Перспективы снижения стоимости:

1) К сожалению я не смог найти (в розничной торговле) капельные ленты с интервалом дырок меньше 10 см. В то время как коллектор нуждается в интервале 2-4 см. Поэтому сейчас коллектор снабжен тремя лентами с интервалом дырок по 10 см. Если коллектор будет снабжен одной лентой с интервалом 2-4 см и с внутренним сечением 16-30 мм, то себестоимость уменьшится на 0,3-0,5 EUR / кв. м. Вследствие следующего: уменьшение расходов на ленту, более простое ее крепление, увеличение активной высоты коллектора, отказ от пенополистирола 11 и еще нескольких деталей 

2) К сожалению я не смог найти клей для крепления края пленки 2 к пенополистиролу 1 (по линии 21). Поэтому сейчас пленка 1 (после разворота под карманом 7) идет снова к планке 16 между пенополистиролом 1 и тканью 3 (т.е. ткань 3 располагается между двумя пленками). Кроме этого, я использовал пенополистирольный лист толщиной 2 см (между задней половиной пленки 2 и тканью 3) и деревянную планку вдоль линии 21. Переход на упомянутый клей снижает себестоимость на 0,5-0,7 EUR / кв. м

3) Другие изменения конструкции и оптимизация геометрических размеров коллектора и его деталей

4) Переход от закупок к самостоятельному производству материалов: деревянные планки, пенополистирольные листы, полиэтиленовая пленка. Кроме снижения издержек на материалы это также упрощает изготовление многих деталей коллектора. Например, сейчас пенополистирольный лист 1 изготовляется из стандартных листов 1 м х 2 м, которые обрезаются и склеиваются до трех заготовок по 1 м х 1,37 м, которые затем склеиваются в лист 3 м х 1,37 м. Самостоятельное изготовление пенополистирольных листов позволит сразу делать листы 1 м х 1,37 м или 3 м х 1,37 м

5) Более глубокая автоматизация изготовления деталей и сборки коллектора

Оптимистическая оценка стоимости коллекторов – меньше 4-5 EUR за кв. метр активной поверхности

 

3) Свойства

В феврале 2011 я изготовил коллектор с активной высотой 56,5 см и активной шириной 187 см (активная площадь – 1,06 кв. м). Ориентация на солнце (т.е. вертикальный угол поверхности пленки 5) с высотой 35,5 град над горизонтом. Горизонтальная ориентация коллектора – на солнце в 13.20 по киевскому времени (в апреле).

Коллектор стоял в г. Миргород, Украина (50 град северной широты) с начала февраля до конца апреля 2011. В том числе во время сильных ветров с запада и севера. 15 февраля коллектор был запущен при морозе -15 град: никаких проблем не было (и возможно бы не было при морозе 20-30 град)

Окончательный замер характеристик на холодной воде был сделан 26 апреля 2011 (максимальная высота солнца – 53 град над горизонтом в 13.00 по киевскому времени; до 12.00 – небо чистое, после 12.00 – тучи с просветами до 5-20 минут):

Время за-мера (по Кие-ву)

Яркость солнеч-ной ра-диации / Макси-мальная яркость в это время в этот период

Темпе-ратура воздуха в тени

Водный поток через коллектор

Темпе-ратура входя-щей в коллек-тор воды

Темпера-тура выходя-щей воды

Итого реальная мощность коллектора

Мощность на 1 кв. м активной поверхности

Апроксимация мощности 1 кв. м  в стандартных условиях

9.25

450 / 480

15 град

62 л / час

9,5 град

13,3 град

236 ккал / ч (275 Вт)

259 Вт / кв. м

254 Вт / кв. м

10.50

505 / 540

19

99

16,2

19,9

366 ккал / ч (427 Вт)

345 Вт / кв. м

370 Вт / кв. м

12.05

560 / 570

21

99

19,8

24,0

416 ккал / ч (485 Вт)

458 Вт / кв. м

488 Вт / кв. м

13.20

540 / 580

21

99

21,0

25,1

406 ккал / ч (474 Вт)

447 Вт / кв. м

518 Вт / кв. м

14.15

515 / 600

22

99

22,5

26,3

372 ккал / ч (434 Вт)

409 Вт / кв. м

514 Вт / кв. м

15.55

510 / 530

24

98

25,1

28,0

284 ккал / ч (332 Вт)

313 Вт / кв. м

348 Вт / кв. м

17.00

380 / 470

24

71

25,4

27,4

142 ккал / ч (166 Вт)

157 Вт / кв. м

213 Вт / кв. м

Упомянутые стандартные условия – максимальная яркость солнца, равенство температур наружного воздуха и воды в коллекторе, равенство высоты солнца и вертикальной ориентации коллектора.

Замер характеристик на теплой воде был сделан 24 апреля 1011 (до 13.00 – редкие тучи, после 13.00 – тучи с просветами до 5-15 минут):

Время за-мера (по Кие-ву)

Яркость солнечной радиации / Максималь-ная яркость в это время в этот период

Темпе-ратура воздуха в тени

Водный поток через коллектор

Темпе-ратура входящей в коллек-тор воды

Темпера-тура выходя-щей воды

Итого реальная мощность коллектора

Экстрапо-ляция температуры T воды при нулевой мощности 

Аппроксимация Т в стандартных условиях

9.30

485 / 485

12 град

60 л / час

23,9 град

25,7 град

126 Вт

+ 38 град

+ 38 град

10.35

515 / 530

14

60

40,3

41,2

63 Вт

+ 46

+ 47

11.40

545 / 560

17

62

42,2

43,9

123 Вт

+ 53

+ 56

13.15

570 / 580

18

60

44,8

46,8

140 Вт

+ 57

+ 60

14.35

560 / 600

21

60

44,0

45,7

119 Вт

+ 53

+ 57

15.40

515 / 550

22

60

43,0

43,8

56 Вт

+ 48

+ 50

16.50

430 / 480

23

60

41,2

41,4

14 Вт

+ 43

+ 45

Некоторые особенности моего коллектора по сравнению с обычными плоскими коллекторами:

А) Обычный коллектор может быть снабжен одним насосом, который создает давление, достаточное и для подачи воды в коллектор и для ее отвода. Мой коллектор должен иметь насос для подачи воды (в ленты 4), а отведение воды (из трубки 8) может делаться следующими двумя методами:

— Вода течет после трубок 8 без насосов под действием гравитации

— Вода течет под действием гравитации в емкость с поплавком, который включает насос, отводящий воду из этой емкости

Б) Мой коллектор может работать на коротких просветах между облаками. Подача воды в коллектор прекращается после захода солнца за облако и через 10-30 секунд почти вся вода вытекает из коллектора (через трубку 8). Подача воды возобновляется после появления солнца и коллектор быстро (за 10-40 секунд) полностью восстанавливает рабочее состояние

В) Мой коллектор имеет небольшие потери воды:

— утечка воды через стык трубки 8 и пленки 2

— утечка воды и пара через стык краев лент 4 с пленкой 2

— утечка пара через стыки пленки 2 с пенополистиролом 1

Г) Мой коллектор имеет интересную самозащиту от перегрева: если подача воды в коллектор прекращается во время солнца, то внутренняя поверхность пленки 2 покрывается паром и коллектор прекращает нагреваться солнечной радиацией

Д) Мой коллектор нуждается в смене пленок 5 и 6 раз в несколько лет. Старые пленки срезаются ножом, а затем крепятся  (строительным степлером) новые пленки к планкам 16, 18, 19, 12.

Е) Вес обычных плоских коллекторов – 10-20 кг на кв. метр. Вес моего коллектора – 4-6 кг на кв. метр (с перспективами снижения до 2-3 кг)

Мой коллектор нуждается в двух наклонах:

— Наклон пенополистирола 1 вперед на 2-5 градусов: чтобы вода стекала по внутренней поверхности пленки 2. Этот наклон управляется установкой стержней 15

— Наклон одного из боков коллектора на 0,3-1,5 градуса: чтобы вода текла по карману 7 к трубке 8. Этот наклон управляется упорами 13

Несколько коллекторов (до 10-30) штук устанавливаются в плотный ряд вдоль линии восток-запад и:

— соединить их ленты 4 и использовать один насос для подачи воды

— соединять карманы 7 соседних коллекторов одной трубкой 8

— наклонять все коллекторы в одну сторону: вода будет протекать через карманы 7 всех коллекторов ряда

— использовать одну планку 14 на каждый стык соседних коллекторов

Коллектор может быть сжат до толщины 12-15 см во время транспортировки (планки 20 поднимаются вверх вместе с листом 9 и пленкой 10). Планка 14 транспортируется отдельно и крепится к коллектору уже на месте установки. Вместимость полуприцепа площадью 2,4 м х 22 м – 112 коллекторов (7 рядов по 16 шт.), т.е. 440 кв. метров активной поверхности. Их вес – 2,5 тонн.