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.