Воздушный солнечный коллектор (изготовление)

У нас в поселке каждую зиму наступал электроэнергетический кризис (пока не поставили дополнительный трансформатор).
Количество проживающих увеличивалось, почти все дома отапливаются электрокотлами, а существующая электросистема не выдерживала нагрузки. Именно это заставило меня ускорить процесс изготовления воздушного солнечного коллектора. Хотя сам я отапливаюсь печкой, но мне захотелось проверить и показать другим, что есть альтернативные источники тепла, которые могут сэкономить электроэнергию.
Я призвал своих друзей, желающих поучаствовать в проекте и мы начали обсуждать что и как делать, потом разпределили задачи. Один взялся разрабатывать саму коробку солнечного коллектора а второй стал заниматься клапанами для него.

Правда мы с ними договорились, что они это делают мне за деньги. То есть проектные работы я оплачивал. 

Один товарищ это мой сосед Леонид Антропов, он дизайнер и очень хорошо владеет программными инструментами для проектирования объемных деталей.

Сначала он сделал обзор в интернете какие бывают конструкции солнечных воздушных панелей. 

Там были разные варианты и по расположению входных и выходных отверствий и по траектории движения воздуха и по способу монтажа коллекторов и по способу утепления.

Самая простая конструкция мне показалась - это плоская коробка с утеплённый задней стенкой, внутри жестяная пластина окрашенная с солнечной стороны черным цветом и с ребрами радиаторами с другой. Вся коробка с солнечной стороны закрыта поликарбонатом.

В этой коробке есть два отверстия для входа и выхода воздуха. Эти отверстия должны закрываться специальными клапанами. Готовых в продаже таких нет, поэтому пришлось заниматься изобретательством. 

Сложность в разработке проекта этой коробки заключалась в том, что коробка у меня треугольная. Но это не самое сложное. Самое сложное то, что коробка устанавливается на купол, а это значит, что ближний к куполу треугольник меньше чем тот который на солнечной стороне. Сами понимаете, что при увеличении диаметра купола увеличивается и размер треугольника.

Но Лёня справился, все спроектировал очень точно даже слишком. Он проектировал для металла, а коробка собирается из деревянных досок. А доски как известно весьма не точны в размерах и толщине и в ширине. Да ещё к тому же иногда идут винтом. Почему винт здесь оказывает влияние? Потому что все доски здесь пилятся под двумя углами. Под углами в двух направлениях.

Второй товарищ это Тимур Чекурдаев, он учился тогда тоже на средового дизайнера. И кроме того он интересовался экологическими темами и я предложил ему поучаствовать у моем проекте.

С ним мы занимались техническими исследованиями воздушных клапанов для солнечных панелей. Сначала мы также сделали обзор существующих уже воздушных клапанов. Основная масса клапанов была рассчитана для простого перекрывания воздушного потока. Нам же нужно было не просто перекрывать канал но ещё и изолировать от теплопотерь.

Но толщина стены 30 -  40 см. А канал 16 см в диаметре. Сложно найти клапан которые в закрытом состоянии толщиной 30 см, а в открытом 0 см.

Тимур сначала предложил мне несколько вариантов клапанов, в итоге мы остановились на клапане который подходит под концепцию "купить все запчасти в хоз. Маге и собрал". Чтобы не было запчастей или элементов которые или трудно и дорого достать или нужно заказывать для изготовления на специальных станках.

Это была простая конструкция.

Список элементов:

1. Пластиковая канализационная труба 110 мм;

2. Термопривод для теплиц и пневмопружина ( она обычно входит в состав набора для проветривания теплиц);

3. Металлические пластины крепёжные;

4. Гайки и болты и шайбы М5 и М6;

5. Кашпо 110 мм в диаметре;

6. Длинная шпилька с резьбой на М5;

7. Утеплитель вспененный полиуретан.

Пластиковая канализационная труба 110, в центре трубы на металлических пластинах закреплён термопривод к нему через удлинненныю гайку прикручена шпилька с резьбой. На шпильке на расстоянии примерно 100 мм закреплены кашпо. На трубе также закреплены кашпо, причем так что те кашпо что на штоке должны плотно входить в эти которые на трубе.

Кашпо которые на штоке изнутри утеплены полиуретаном (просто приклеен на клей момент). У кашпо которые в трубе отрезано дно и промежуток между кашпо и трубой тоже утеплены.

Таким образом у нас есть несколько конических клапанов следующих друг за другом в трубе и приводятся (открываются и закрываются) гидравлическим поршнем "термопривод".

Термопривод - это цилиндр с поршнем внутри. Поршень выталкивается из цилиндра разплавленным материалом похожим на мягкий воск. Когда поршень нагревается выше 28 градусов материал плавится и выталкивает поршень. А когда температура понижается ниже 25 градусов материал кристаллизуется и занимает не все пространство под поршнем. Правда сила трения уплотнения поршня не даёт ему вернуться в исходное не сжатое положение. Поэтому приходится использовать воздушную пружину. Она всегда присоединена к поршню и когда сила гидравлики уменьшается пружина возвращает поршень в исходное положение.

Такой клапан полностью автоматический и работает без дополнительной энергии и позволяет вовремя открывать и закрывать воздушный солнечный коллектор.

Тимур собрал тестовый образец клапана и проверил его вставив в форточку.

И вот когда все проекты бы проработаны и готовы к реализации, а это было в канун нового года, я стал думать как теперь это все сделать.

На улице зима и снег и работать на улице чтоб изготовить внешний блок коллектора было не реально. К тому же по проекту было видно, что треугольный внешний блок никак не проходил в обычный дверной проем. Поэтому пришлось переделывать проект чтобы блок изготавливался из двух частей каждая из которых могли пройти в дверь. 

Для того чтобы все это собрать и подготовить я нашел людей и договорился с другом о помещении. 

И вот когда начались новогодние праздники началось изготовление внешнего блока. Для этого я прикупил ещё инструментов (шуруповёрт, не большой отрезной станок всякие рулетки, уголки, отвёртки молотки).

Из материалов: 

1. доска 25 на 100 мм, 

2. лист жести, 

3. серебристая пленка для утепления бань

4. эковатой,

5.  несколько болончиков с черной высокотемпературной краской, 

6. поликарбонат, 

7. прозрачный силиконовый герметик,

8. тонкий уголок с дырочками,

9. Заклёпки

10. много разных саморезов.

11. Две трубы воздуховодов

12. Алюминиевый скотч

13. Крепёжные элементы: уголки, пластины, перфоленты.

14. Два листа фанеры 5 мм

Пока я доделывал свои проекты в интернете в первые дни новогодних праздников, ребята распиливали и подготавливали доски, фанеру и лист жести.

Затем я присоединился к работам.

Цель была успеть за праздники собрать обе части внешнего блока и отвезти ко мне домой.

К жести мы приклепали перфорированный унолок.

Красили жесть. Затем утеплили заднюю стенку ящиков и проделали трубы для входа  и выхода воздуха.

В итоге за четыре дня мы собрали вчетвером внешний блок из двух частей и отвезли его на газели до моего дома. Предварительно мы упаковали блоки в картон чтоб не повредить поликарбонат.

А так же прикрутили верёвочные рукоятки для удобства перетаскивания.

Также через отверстия входа и выхода мы покинули верёвочку, которой в будущем можно было протянуть тросик который связывает верхний и нижний клапаны.

Затем чтобы смонтировать блок на стене дома я соорудил специальные леса.

В стене проделал дыры с запасом и вставил круглые воздуховоды на 160 мм. Запенил их с двух сторон.

Сосед помог мне водрузить блоки на леса. Затем я подготовил все элементы крепежа и установил блоки на стенку. Стянул блоки перфоленты и притянул их к внешнему каркасу купола. Сами блоки добавили крепости каркасу, т.к. блоки были с фанерными листами.

Самое не удобное было пропенивать трубы воздушных каналов, по которым воздух из дома попадает в коллектор и обратно. Дело в том что у меня сделан вентилируемый фасад между утеплителем и внешней кровлей, а коллектор крепится как раз на внешний каркас. Просовывать руку с баллоном пены и с пистолетом в узкое пространство это очень не удобно.

После того как все наружные холодные работы были выполнены остались только внутренние. 

Внутри я пока все дырки заткнул всякими тряпками и занимался подготовкой воздушных клапанов.

Пока я занимался подготовкой клапанов январь подходил к концу и солнечная активность уже нарастала. И вот в какой-то из дней в конце января температура в выходном патрубке коллектора превысила +30 градусов. При этом на улице было около -20. А это означало что мой термопривод уже мог открывать клапан.

До этого солнечный коллектор врятли выдал бы достаточно тепла.

Когда я установил первый вариант клапана воздух практически не двигался через коллектор. Он мало двигался даже когда проход в патрубках был полностью открыты.

Температура в коллекторе росла а горячий воздух не поступал в дом.

Значит обязательно нужно использовать принудительную циркуляцию воздуха.

Я установил бытовой вентилятор на 188 куб в минуту.

Пока днём я был на работе солнце грело так, что вентиляторы горели от перегрева.

Я ставил вентиляторы на выходной патрубок т.е. в тот из которого идёт горячий воздух. Это потому что не хотел терять тепло которое может уходить через щели в коллекторе. 

Но в итоге я всё-таки установил вентиляторы во входной патрубок.

Но проблемы не все закончились на этом.

Даже с хорошим вентилированием температура на выходе росла изо дня в день.  Самые "жаркие" оказались последние дни февраля и начало марта.

Термопривод выдерживал 60 град. Хотя в инструкции было написано про 50. И это логично для теплиц. Но при темпкратурах около 60 и выше некоторые термоприводы просто выходили из строя а некоторые деградировали очень быстро и переставали работать.

Стоили они около 1300 руб. И такие расходы на эксперименты мне показались слишком дорогими и я отказался от термоприводов. До самого лета я просто закрывал и открывал патрубки вручную.

К тому же мне не нравилось что этот тип клапанов оказывает большое сопротивление воздуху. Нужно было искать другое решение.

Про то как я определял КПД коллектора здесь

А тем временем уже наступало лето и я отошёл от темы клапанов, а занялся стройкой.

В конце строительного сезона я взялся за изготовление ещё двух солнечных коллекторов. 

Оказалось, что летом в хорошую погоду можно довольно быстро в одиночку собрать коллектор прямо на месте установки. Единственная неудобность это работа на высоте. Я работал с приставной лестницы. Но сразу отмечу что работать с лесов намного проще.

Конструкция этих коллекторов ничем не отличалась от первого. Только эти были выполнены одним модулем т.к. Их не нужно было протаскивать в двери.

И утеплять входные и выходные патрубки было намного проще и.к. они делались первыми.

Осенью я занялся автоматизацией. 

Пришлось вспомнить что такое пайка. 

Из конструктора  ,MP710 я собрал модуль из 16 каналов управляемых ключей на 12 вольт.

Это как раз подходило для управления вентиляторами на 12 в.

Также кроме датчиков подключенных через модуль MP701 подключил датчики непосредственно на входы raspberry pi . Теперь у меня было три коллектора и по два датчика температуры в каждом. Хотя входной воздух примерно одной температуры и можно было бы использовать только один датчик на все коллекторы, но я решил реализовать систему как для трёх независимых коллекторов. 

Настроил процессы отслеживания температуры и автоматического включения вентиляторов. Каждый работает независимо друг от друга, но зависимо от положения солнца.

Все данные по температуре заносятся в базу данных. Про программное обеспечение напишу отдельно.

Кроме этого написал и запустил Телеграм бот который опрашивает все датчики и состояние вентиляторов и передаёт в чат по запросу.

Обсудив с товарищами тему автоматизации я выяснил что нужно как то грамотно избавляться от кучи проводов идущих к каждому датчику.

Про автоматизацию тоже напишу отдельно.

Скажу только что решил поставить беспроводные контроллеры для местного управления каждым коллектором. 

Сейчас пока всем управляет распберри. Вся система запитывается от аккумуляторов, которые подключены к солнечным электрическим панелям.

Таким образом это система на полном самообеспечении.

Летом коллектор работал уже не во всю силу т.к. солнце поднялось высоко и было уже теперь под углом к поверхности коллектора.

Но все таки температура там была высокая и я решил закрыть коллектор отражающей пленкой.

Все было хорошо единственный отрицательный момент что ветер сильно трепал пленку и мог порвать ее. Пришлось делать дополнительные ленты для прочности.

В общем следующая зима показала мне как работают уже три солнечных коллектора.

Для протяжки воздуха я выписал на Али мощные вентиляторы на 12 вольт и собрал схему управления вентиляторами от распберри. И начиная с конца января коллекторы работали и работают в полностью автоматическом режиме.
Единственной проблемой так и остались воздушные клапана которые должны закрывать на ночь патрубки ведущие внутрь коллектора.
Про клапана напишу в отдельном посте.