О солнечных водонагревателях (солнечных водяных коллекторах) вообще…

Подавляющее большинство дачников хотело бы иметь на даче душ с солнечным подогревом воды. Но дальше примитивной бочки, установленной на крышу душевой кабинки дело обычно не идет. 99% не догадываются соорудить вокруг этой бочки даже простейший каркас и обтянуть его полиэтиленовой пленкой (что повысило бы использование солнечной энергии раза в 2, как минимум! Попробуйте войти в закрытую пленочную теплицу в солнечный день!). Наиболее продвинутые вставляют в эту бочку ТЭН (термоэлектрический нагреватель) и усердно греют им атмосферу.
Между тем, наверное каждый школьник знает, что на каждый квадратный метр поверхности перпендикулярный солнечным лучам, падает 600-1000 Ватт энергии в час! Ну просто грех ее не использовать в летнее время! Когда особенно приятно после жаркого дня принять душ перед сном, да и в течении дня освежиться не помешает. Но ведь не ледяной же водой из скважины или колодца.

Те, кто был в Греции или Италии, наверняка обратили внимание, что практически на каждом доме стоит гелиоколлектор-водонагреватель. Хотя устроены они в принципе, достаточно просто, в их работе есть много нюансов. Например - постоянный подпор воды, термоизоляция накопительного бака, организация циркуляции воды между баком и собственно коллектором и т.д.

Но самостоятельное изготовления подобных систем чрезвычайно и трудоемко, и дорого, и вобщем, при дилетантском подходе сулит больше хлопот, чем выгоды.
В самом деле, надо сделать герметичный коллектор, организовать циркуляцию воды и ее регулярное пополнение, избежать перемешивание уже нагретой воды со свежей холодной. А на зиму все это дело сливать (у нас тут не Греция с +12 в январе). И чего ради? Толи дело родная железная бочка! Налил – нагрелась, слил на зиму – нет проблем. Ну и что, что работает она всего 10-15 аз в году. Зато без хлопот.

Вот все эти проблемы и удерживают дачников от создания нормального и эффективного солнечного коллектора водонагревателя.
Но мне кажется, что при использовании пластиковых бутылок многие проблемы решаются. Остаются все «прелести» простоты примитивного «бочкового» солнечного водонагревателя и добавляются преимущества настоящего коллектора, с циркуляцией воды. И эти преимущества станут очевидны по ходу описание водонагревателя.

Солнечный водонагреватель коллектор из пластиковых бутылок.

Что такое пластиковая ПЭТ бутылка, вам объяснять не надо. Для солнечного коллектора подойдут любые прозрачные из под газированной питьевой воды. Хотя не знаю, с темными бутылками я не экспериментировал.
Если в такую бутылку налить воды и поставить на солнце, вода в ней довольно быстро нагреется. Но бутылка имеет весьма ограниченный объем! 2-2,5 литра максимум. А что бы прилично принять душ, надо хотя бы литров 50-60, лучше больше 100.
Основная проблема создания солнечного водонагревателя состоит в соединении многих пластиковых бутылок в единую емкость и организацию их некоей проточности! Чтобы холодная вода могла в них втекать, а теплая – вытекать. Решив эту задачу, мы просто получаем небольшой прозрачный резервуар, который прекрасно нагревает воду за счет солнечной энергии. Взяв, например 100 таких мини-резервуаров, т.е. бутылок, мы получим уже 200 литров теплой воды!

Вначале я хотел организовать проточность бутылки через создание специальной пробки. Например с соосными трубками. В одну втекает, в другую вытекает. Но изготовление массы таких трубок (например 100 или 200) ничуть не проще, чем создание нормального классического солнечного коллектора. Поэтому я решил пойти другим путем - соединением бутылок и созданием из них своеобразной прозразной трубы, которая будет одновременно и резервуаром, и собственно коллектором. Ну как бочка, только плоская и прозрачная.

Измерив диаметр резьбы на горлышке бутылки, я подобрал сверло, которым в донышке другой бутылке сверлится отверстие. Лучше всего подошло сверло – кольцевая пилка для сверления отверстий большого диаметра по дереву на 26 мм (наборы таких пилок в изобилии имеются в продаже и стоят 70-100 руб). При таком диаметре, горлышко бутылки достаточно туго вкручивается в отверстие в донышке другой. Иногда приходится поработать круглым крупным напильником. Да, и предварительно желательно просверлить отверстие строго по центру бутылки обычным сверлом 6-8 мм. Скажу, что сделать это непросто, т.к. именно в центре донышка имеется очень твердый и гладкий прилив - пупырышек. Поэтому для массового точного сверления будет лучше сделать простенький шаблон, что бы сверло не рыскало.

Следующей проблемой был вопрос с герметизацией. Вообще говоря, к ПЭТ как бы ничего и не пристает и не приклеивается. Но оказалось, не совсем так. Даже с просверленным отверстием, донышко бутылки сохранило абсолютную жесткость, и это давало надежду на применение силиконовых герметиков. Тщательно обезжирив поверхности ацетоном, я намазал резьбу бутылки и ввинтил ее в донышко. А потом обильно замазал стык герметиком и снаружи. Для надежности оставил бутылки неподвижными на 3 дня (скорость ферментации герметика 3-4 мм/сутки, как сказано в инструкции).

Поскольку я всего лишь собирался отработать технологию и провести эксперимент, я ограничился последовательным соединением всего 3 бутылок. Герметичность стыков получилась абсолютная! На фото бутылки с водой лежат на картоне и как видите, никаких потеков воды! Кстати, силикон так прилип к ПЭТ - ножом не отковырнешь!
За день на солнце (вернее, всего за несколько часов) вода великолепно нагревалась даже без всяких дополнительных ухищрений. Таким образом, была получена некая условная ячейка коллектора – водонагревателя, с размерами 0,1 метра (диаметр бутылки) на 1 метр (длина бутылки ок. 35 см). Т.е. площадь коллектора составила 0,1 кв. метр, а емкость ок. 6 литров. Нетрудно подсчитать, что на 1 кв. метре уместится примерно 10 таких модулей, емкость которых составит 60 литров воды. На эти 60 литров воды солнце ежечасно будет изливать почти по киловатту энергии! Да эту воду не то что нагреть - вскипятить можно! Ну конечно она никогда не вскипит, хотя бы из-за теплопотерь. Но нагреть 60 литров воды до 40-45 градусов можно 2-3 раза точно. Что более чем достаточно для дачных нужд.

Теперь собственно о проекте водонагревателя.

Например, мы делаем 10-20 таких модулей и длиной не по 3, а по 5-6 бутылок (вообще, сколько позволяет площадь крыши обращенная на юг). Можно, конечно, при помощи шлангов организовать полную проточность всех модулей, но я думаю, это бессмысленно. Поскольку все равно вся вода греется одновременно и получает одинаковое количество тепла в любой точке коллектора. Поэтому мы соединим наши модули параллельно! И будем использовать из в режиме бочки: налил – нагрел – использовал (или слил в термоизолированный накопитель).
Что бы подключить все наши модули параллельно, потребуется труба, достаточно большого диаметра (миллиметров 50, а лучше 100, например, полипропиленовая). Все модули врезаются в нее так же как и стыкуются бутылки между собой в модуле. Возможно, удастся поступить и проще. Приклеив или привинтив саморезом к трубе пробку от бутылки и обеспечив герметичность, просверлить в пробке (и трубе, заодно) отверстие, просто ввинтить модуль в пробку.

Модули, разумеется должны располагаться под наклоном (нижняя сторона обращена в сторону юга, общая труба в самой нижней точке коллектора). В самой верхней бутылке модуля необходимо просверлить небольшое отверстие, 2-3 мм. С обеих сторон трубы установить по вентилю. К одному из них подвести воду (например от насоса или водонапорного бака, на рисунке Вент.2). А другой вентиль будет разборный, через него будет сливаться теплая вода (на рисунке Вент.1).
Работает солнечный водонагреватель коллектор следующим образом. Вентиль 1 закрыт, и мы начинаем заполнять коллектор водой, открыв вентиль 2. Вода заполняет бутылки «снизу вверх». Воздух при этом выходит из отверстий вверху модулей. Разумеется, как в сообщающихся сосудах, уровень воды в модулях одинаковый. Визуально определив, что бутылки наполнились, мы закрываем вентиль 2 и водонагреватель начинает свою работу.
Если нам требуется теплая вода, мы открываем вентиль 1 и нагревшаяся вода начинает стекать из разборной трубы.

Вот собственно и все.
Все точно так же как в бочке, только воду такой коллектор будет греть на порядок эффективнее, чем бочка, ввиду своей большой площади.

Немного о конструкции.
Разумеется, модули желательно уложить в «ящик», для придания жесткости конструкции. Дно ящика желательно сделать из темного материала, поглощающего солнечные лучи. Например, закоптить лист железа. Под лист неплохо бы поместить теплоизолятор, например тонкий пенопласт или вспененный полиэтилен («пеноплекс»). Верх ящика затянуть полиэтиленовой пленкой или стеклом, что бы ветер не охлаждал бутылки.

Угол наклона - минимальный, градусов 10-20-30, не более.
Во-первых, летом это наиболее оптимальный угол наклона по отношению к Солнцу (почти перпендикулярно), а зимой этим коллектором не пользуются.
Во-вторых, это обеспечит минимальный перепад давления воды (высоту водяного столба), что немаловажно при наличии многих стыков бутылок. Хотя я при испытаниях ставил свой 3-х бутылочный модуль даже вертикально и он «держал» давление в 0,1 атм., при работе я бы рисковать не стал.

Размер всего водонагревателя - на вкус создателя. Для 200 литров потребуется ок. 110 бутылок, которые займут площадь ок. 3 кв.метров. Правда и мощность такого нагревателя будет уже примерно 3 кВт!
Можно использовать нагреватель в режиме «налил – вылил». А можно и устроить рядом с ним термоизолированный бак-накопитель для теплой воды. В хороший солнечный день, 2-метровый, простите, 2-х киловатный водонагреватель нагреет вам и полтонны воды.

Заморозков такой водонагреватель не боится (кроме водозапорной арматуры), солнце ему тоже не страшно (ПЭТ плохо разлагается на солнце).
Разумеется, у такого солнечного водонагревателя есть и недостатки (например, плохая автоматизируемость) однако многое окупается его практически бесплатностью. Посудите сами, на что тут потратятся деньги. Ну труба, пара вентилей и 2-3 тюбика силиконового герметика по 45-50 руб/шт. А бутылки из под воды достанутся вам в качестве бонуса при покупке воды в магазине. Подключив к их сбору и знакомых, вы к следующему сезону соберете несколько десятков, а то и сотен бутылок и сможете сделать себе очень достойный и производительный солнечный водонагреватель. Итого: 300-500 рублей максимум (!!!), и вы с горячей водой весь сезон!
* * *
Экспериментируя с элементами проточно - накопительного солнечного водонагревателя из пластиковых ПЭТ бутылок, я как то заметил, что температура темной (коричневой) бутылки из под пива, даже на ощупь выше, чем у прозрачной из под воды. Это натолкнуло меня на мысль провести простой эксперимент с бутылками разных цветов и видов, с целью выявить самые эффективные из них с точки зрения нагрева.
В самом начале я считал, что нет лучше бутылки для водонагревания, нежели прозрачная. Солнце греет воду непосредственно, без посредников. Как же я заблуждался! Самые первые результаты опытов развеяли мои теории в пух и прах.


Условия проведения эксперимента были просты. Я просто выставил ряд бутылок у стенки сарая, которая обращена примерно на юго-восток. Поскольку условия для всех бутылок были совершенно одинаковы, я никак их не термоизолировал и ориентировал. Т.е. именно так, в спартанских условиях эта бывшая в употреблении ПЭТ тара и должна была проявить свой истинный характер.

Были подготовлены бутылки согласно списку в таблице. При этом я использовал следующие соображения.

1) Подразумевалось, что экранирование задней (неосвещенной части бутылки) алюминиевой фольгой позволит отразить непоглощенные водой ИК-лучи и отразить их обратно в бутылку.

2) Зачернение задней части бутылки (резино-битумной мастикой из аэрозольного баллончика) позволит «поглотить» прошедшие через бутылку ИК-лучи. Одна из бутылок была зачернена сплошь, т.е. со всех сторон и стала черной и матовой.
Все было сделано накануне и на следующий день все бутылки встретили рассвет на месте проведения эксперимента. Учитывалось и температура окружающего воздуха ( в тени поблизости) и ветер, обдувающий бутылки.

Солнце в этот день светило сквозь небольшую дымку, т.е. не давало полного накала, но поскольку все были в равных условиях, это можно не учитывать.
Результаты этого эксперимента приведены в таблице. Кстати, если кто то думает, что вода в 52 градуса - это «так себе» - попробуйте подержать в ней руку, хотя бы минуты 2… Только запасите послеожоговой мази побольше… А заодно измерьте температуру горячей воды из крана в квартире. Вряд ли она будет сильно выше.

Какие выводы можно сделать?

1. Собственно прозрачная вода - весьма плохой поглотитель ИК-лучей. Они практически проходят сквозь нее не задерживаясь. Как видите, прозрачная бутылка осталась самой «холодной». Нагрев можно смело отнести за счет неабсолютной прозрачности самой бутылки, а не непосредственного нагрева воды в ней.

2. Наличие фольги на задней стенке бутылки так же слабо влияет на нагрев. Уж не знаю почему. Возможно нагрев происходит только на передней стенке бутылки, возможно фольга кроме линзы отражателя выполняет еще и роль радиатора – охладителя.

3. Прозрачная с зачерненным дном выглядит уже гораздо лучше ( на 8 %). Но очевидно, тут начинало сказываться и изменение угла освещения солнцем. По мере изменения угла освещения, изменялась и площадь задней поглощающей поверхности.

4. Лучше всех проявила себя именно полностью зачерненная бутылка. Черная матовая поверхность практически полностью поглощала ИК-лучи. А поскольку ПЭТ бутылка круглая, угол освещения не имеет принципиального значения.

5. Так же весьма неплохо проявили себя и бутылки из темного пластика. Это говорит о том, что поглощение тепла ПЭТ-бутылками идет в основном стороной, обращенной к солнцу. И очень слабо - собственно «внутренностями» бутылки (водой). И совсем никак – задней стороной.

Это позволяет сделать вывод о том, ЧТО собственно должен представлять из себя солнечный коллектор из пластиковых ПЭТ бутылок.
Это должен быть ящик, с хорошо утепленным дном, куда уложены ПЭТ бутылки.

Сторона бутылок, обращенная к солнцу, должна быть зачернена какой либо матовой краской (тот же «Кузбасс-лак» или резино-битумная мастика). Сверху ящик закрыть либо тонким стеклом, либо затянут полиэтиленовой пленкой, для защиты от ветра.
Такая конструкция солнечного проточного или накопительного нагревателя из ПЭТ бутылок будет самой эффективной. Кстати, эти же результаты позволяют прикинуть конструкцию и наиболее эффективного «классического» водонагревателя. Совершенно очевидно, что его «зеркало» вовсе не обязательно должно быть прозрачным. А уж если оно прозрачное - то «дно» должно быть абсолютно теплопоглощающим.
Теперь поговорим о «месте» такого нагревателя в системе дачного водоснабжения горячей водой.
Разумеется, наличие на крыше подобного нагревателя еще не гарантирует, что у вас будет горячая вода. Бывают и продолжительные ненастья, и по ночам, особенно в демисезонье, вода будет в таком нагревателе сильно остывать.

Мне думается, что подобный водонагреватель выполняет 2 функции.

А) Позволяет вам за «сущие гроши» убедиться, что солнечный водонагрев возможен и это реальность. Ведь не каждый решится вот так с бухты-барахты строить солнечный коллектор, вкладываясь в солидные деньги ради пока эфемерной экономии электричества, дров, денег. Этот водонагреватель за 500 рублей окупится за сезон и даст вам прочувствовать прелесть момента.

Б) Этот водонагреватель позволит РЕАЛЬНО вам экономить деньги в виде дров, электричества, газа и т.д. работая в качестве системы водоподготовки для ЛЮБОГО промышленного водонагревателя.

Расход горячей воду в каждой семье свой. Но в любом случае, она должна быть и всегда. Поэтому, как только заканчивается нагрев воды в солнечном коллекторе, ее сразу следует отправить в хорошо термоизолированный накопитель, из которого и происходит расход горячей воды. В этом же накопителе должен быть установлен и ТЭН, который позволит получить горячую воду в период продолжительного ненастья. Либо к нему можно подвести дровяную водогрейку.
Но в любом случае, собственно солнечный водонагреватель - лишь часть системы подготовки горячей воды. Тогда горячая вода будет в доме или душе всегда и круглосуточно. Хотя конечно его можно использовать и сам по себе. Просто горячая вода буде готова к обеду.

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.
http://patlah.ru/etm/etm-07/gelio/solnce_iz_bytilok/solnce_iz_bytilok.htm