Існують різні типи сонячних водонагрівачів, але усі вони ґрунтуються на простому принципі: чорна поверхня поглинає сонячне тепло, потім це тепло передається воді. Найпростіші моделі можуть бути споруджені із доступних матеріалів і не потребують насосів чи іншого електричного обладнання. Ефективний сонячний колектор може використовуватись навіть в зимовий час завдяки застосуванню незамерзаючих рідин – антифризів. Описана система сонячного колектора є пасивною і не залежить від електроенергії. Вона обходиться без насосів. Гаряча рідина переміщується між колектором і баком по принципу конвекції, завдяки простому правилу – нагріта рідина завжди піднімається вгору.
Принцип роботи такого сонячного колектора такий:
1. Сонце нагріває рідину у колекторі;
2. Нагріта рідина підіймається по колектору і трубі до баку-акумулятора;
3. Коли гаряча рідина поступає у теплообмінник, встановлений у бак з водою, тепло передається від теплообмінника воді в баку;
4. Рідина в теплообміннику, охолоджуючись, переміщується вниз по спіралі і поступає з отвору у нижній частині баку назад у колектор;
5. Вода, що нагріта у баку, акумулюється у верхній частині баку;
6. Холодна вода з водопровідної мережі/резервуару поступає у нижню частину баку;
7. Нагріта вода відбирається через вихідний отвір у верхній частині баку.
Поки на колектор світить сонце, рідина у трубах абсорберу нагрівається, переміщується у бак і таким чином постійно циркулює. Цей процес забезпечує нагрівання води в баку всього за декілька годин за умови інтенсивного сонячного випромінювання.
Основний елемент колектора – абсорбер. Він складається з металевого листа, який приварений до металевих труб. Декілька труб встановлюються вертикально і приварюються до двох труб більшого діаметру, розташованих горизонтально. Ці товстіші труби для входу і виходу рідини повинні бути розташовані паралельно одна до одної. А вхідний отвір для рідини (нижня частина абсорберу) і вихідний отвір (верхня частина абсорберу) повинні розташовуватися з різних сторін панелі (діагонально). Для з’єднання у товстіших трубах необхідно просвердлити отвори під діаметр вертикальних труб.
Для кращої передачі тепла від металевої пластини до труб дуже важливо забезпечити максимальний контакт пластини з трубами. Зварювання має бути вздовж всього елементу. Важливо, щоб металевий лист і труби щільно прилягали одне до одного.
Абсорбер вкладається у дерев’яну раму і накривається склом, яке захищає колектор і створює всередині ефект теплиці.
Застосовується звичайне віконне скло. Оптимальна товщина – 4 мм, при цьому зберігається гарне співвідношення надійності та ваги. Бажано потрібну площу скла розділяти на декілька частин. Так зручніше та безпечніше працювати з ним.
Використання декількох шарів скла або склопакету дасть приріст ефективності, але збільшить вагу конструкції та вартість системи.
Сонячні промені проходять через скло і нагрівають колектор, а засклення запобігає витоку тепла. Скло також перешкоджає руху повітря в абсорбері: без нього колектор швидко втрачав би тепло через вітер, дощ, сніг або низькі зовнішні температури в цілому.
Раму слід обробити антисептиком та фарбою для зовнішніх робіт.
У корпусі робляться наскрізні отвори для подачі холодної та відведення нагрітої рідини з колектора.
Сам абсорбер фарбують жаростійким покриттям. Звичайні чорні фарби за високих температур починають злущуватися або випаровуватися, що призводить до потемніння скла. Фарба повинна повністю висохнути, перед тим, як ви закріпите скляне покриття (для запобігання конденсації).
Під абсорбером закладається утеплювач. Найчастіше використовується мінеральна вата. Головне, щоб він витримував доволі високі температури впродовж літа (іноді більше 200 градусів).
Знизу раму закривають ОСБ плитою, фанерою, дошками, і т.п. Основна вимога до цього етапу – впевнитися, що низ колектора надійно захищений від потрапляння вологи всередину.
Для закріплення скла у рамі роблять пази, або кріплять планки по внутрішній стороні рами. При розрахунку розмірів рами слід враховувати, що при зміні погоди (температури, вологості) впродовж року її конфігурація буде трохи змінюватися. Тому на кожній стороні рами залишають декілька міліметрів запасу.
На паз чи планку кріпиться гумовий віконний ущільнювач (D- або Е-подібний). На нього кладеться скло, на яке таким же чином наноситься ущільнювач. Зверху це все закріплюється оцинкованою бляхою. Таким чином, скло надійно закріплене у рамі, ущільнювач захищає абсорбер від холоду та вологи, а саме скло не пошкодиться, коли дерев’яна рама буде “дихати”.
Стики між листами скла ізолюються ущільнювачем або силіконом.
Накопичувальний бак. Тут зберігається нагріта колектором вода, тому варто подбати про його термоізоляцію.
В якості бака можна використовувати: непрацюючі електричні бойлерикисневі балонибочки для харчового використання.
Головне – пам’ятати, що у герметичному баку буде створюватися тиск в залежності від тиску водопровідної системи, до якої він буде під’єднаний. Не кожна ємність здатна витримувати тиск у декілька атмосфер.
У баку роблять отвори для входу і виходу теплообмінника, вводу холодної води, та забору нагрітої.
У баку розміщується спіральний теплообмінник. Для нього використовують мідь, нержавіючу сталь, або пластик. Нагріта через теплообмінник вода буде підніматися вверх, тому його слід помістити у нижній частині баку.
Колектор з`єднується з баком за допомогою труб (наприклад метало-пластикових або пластикових), які проведені від колектора до баку через теплообмінник і назад в колектор. Тут дуже важливо запобігти витоку тепла: шлях від баку до споживача повинен бути максимально коротким, і труби повинні бути дуже добре ізольованими.
Розширювальний бачок – це дуже важливий елемент системи. Він являє собою відкритий резервуар, розташований в крайній верхній точці контуру циркуляції рідини. Для розширювального бачка можна використовувати як металеву, так і пластикову посудину. З її допомогою контролюється тиск в колекторі (через те, що рідина від нагріву розширюється, можуть тріснути труби). Для зниження втрат тепла бачок також необхідно ізолювати. Якщо в системі присутнє повітря, то воно також може виходити через бачок. Через розширювальний бачок відбувається також наповнення колектора рідиною.
