Разные технологии: 2014

http://house4u.com.ua/articles/solar_collector/moy-perviy-solnechniy-kollektor/part1.php#1
Введиение.
Жаль, что в интернете практически нет ни одной нормальной статьи, о том, как сделать высокоэффективный солнечный коллектор своими руками. В основном, интернет завален всякой ерундой, типа того, как сделать коллектор из радиатора холодильника или из пластикового мусора. Возможно, это будет неплохим решением для дачи, но для нормальной работы такой солнечный водонагреватель нам не подойдет, так как я планирую использовать свои коллекторы для поддержания отопления и ГВС в своем доме. Что из этого получится, вы обязательно узнаете в будущих статьях!
На сегодня, могу с уверенностью сказать, что мой коллектор весьма неплох. Во-первых, он полностью медный. Во-вторых – он покрыт самодельным селективным покрытием, пусть далеко не самым эффективным, но лучше чем черная матовая краска.
В пасмурную погоду, в феврале он нагревался до +40С, а при наличии солнца кипятил воду. Недавние испытания на нагрев показали, что коллектор, в сухом состоянии, при уличной температуре +35С (летом) нагревался до +156С, под прямым солнечным излучением и одинарном остеклении.
Очень жаль, что статья пока «туго» выдается поисковиками. По запросу «солнечный коллектор своими руками» я далеко не на первых страницах. Если вам действительно понравилась эта статья, и вы почерпнули что-то полезное и интересное – не поленитесь поделиться ссылкой на мою статью где-нибудь на просторах интернета. Пусть люди знают, что сделать хороший солнечный коллектор своими руками под силу каждому любителю! Я все очень подробно описал, а если у вас остались вопросы – задавайте их на форуме, с радостью отвечу.
Начнем...

Идея использовать солнечную энергию «на шару» волновала меня давно. Когда я начал искать коммерческие предложения различных фирм, занимающихся солнечными коллекторами – то понял, что шара бесплатной не бывает! Все фирмы, увы, озвучивали весьма нескромные цифры…

Человек я со средним достатком, и такую сумму «выложить» за солнечную установку, наверное пока не в состоянии. Поскольку, с детства любил мастерить, начал обдумывать идею сделать солнечный коллектор своими руками. Но не такой примитивный, который бы только летом работал, для душа, а такой что б и зимой мог воду согреть – при наличии солнца, разумеется!

Много я форумов перечитал, видео в YouTube пересмотрел, даже книжки читал :) И вот решился. Сразу скажу, что коллектор мой хоть и самодельный, но не очень прям бесплатный – цветной метал, он всегда был не дешевым.

Изготовление медного абсорбера

Абсорбер – поглощающая панель, которая воспринимает на себя солнечное излучение и нагревается! Ни один солнечный коллектор не будет без нее работать - это его основа! Было решено делать медный абсорбер по трем причинам. Первая – это легкость работы с этим материалом. Легко гнется и паяется в домашних условиях. Вторая – высокая теплопроводность, что важно для эффективного коллектора. Третья - из меди можно непосредственно получить селективное покрытие, черный оксид меди II - CuO. Был существенный недостаток – это цена. Просмотрев все предложения в интернете я нашел цену около 110 грн за кг. Это была медная лента, толщиной 0.2 мм и шириной 30 см. Длина ее как бы не ограничена. Я заказал себе 8 метров ленты, что составило около 4.4 кг и обошлось мне почти в 500 грн с доставкой!

Радиатор я спаял из двух труб, длиной по 125 см диаметром 22мм и 10 труб длиной 2м и диаметром 9.5 мм (продается как 10мм). Трубы эти мне удалось найти недорого :) Спасибо добрым людям!

Общий вид радиатора. Толстые трубы - 22мм. Тонкие - 10мм.

В толстых трубах, я через каждые 10 см просверлил отверстия диаметром 9.5мм. Далее вставил тонкие трубы в полученные отверстия так, чтобы они не сильно глубоко торчали внутри толстой трубы (иначе будет сильное гидравлическое сопротивление). Трубы торчали максимум на 5- 10 мм. Затем я это все дело припаял. Паял трубы первый раз в жизни. Использовал мягкий припой SANHA и флюс той же фирмы. Паялся он очень легко. Использовал самую недорогую газовую горелку TOPEX. Хотя нет! Были дешевле, без пьезоэлемента – я решил купить с пьезо!

Стыки труб. Использовать специальные переходники оказалось дороговато.

Солнеыный коллектор, сделанный своими руками, не должен протекать!!!

Когда весь радиатор был спаян, на концы припаял две заглушки и две резьбы на 3/4 дюйма. Припаял по диагонали. После этого, с одной стороны вкрутил заглушку, а с другой – штуцер, чтобы на него можно было надеть шланг от компрессора. Залил водой и начал опрессовывать. Накачал в него около 7 бар. Радиатор нигде не тек – исключения составили только резьбовые соединения – видимо мало фумленты намотал. Лучше конечно без воды, а просто воздухом, и помещать спаянные соединения в емкость с водой – тогда пузырьки воздуха сразу дадут знать о плохой пайке. Не было у меня такой емкости – поэтому я залил воду внутрь радиатора.

Резьба на 3/4 дюйма. С другой стороны, по диагонали точна такая же.

Неплохое начало, чтобы сделать солнечный коллектор своими руками. Дальше интересней :)

После удачной опрессовки я приступил к припаиванию медной ленты. Если на пайку радиатора у меня ушло 3-4 часа, то следующий процесс занял у меня три долгих и мучительных дня! Я нарезал ленту полосками по 1м. Всего нарезал 7 полосок. И далее спаял их в одно общее полотно. Паял внахлест по 5 – 10 мм. В итоге, я получил полотно размером примерно 1мх2.07м – на это ушел целый день.

Две полоски чистой медной ленты. Длина 1м. Ширина 30см.

Все полосы воедино. Слева - 4 жертвы экспериментов с чернением. Отмытые ортофосфорной кислотой. Далее 3 "чистых" полоски.

После этого, набравшись сил, я приступил к припаиванию полотна к ранее изготовленному радиатору. Для хорошего теплообмена припаивать надо не тяп-ляп и там-сям а нормально, по всей длине трубы! Итого мы получили задачу в припайке 20 метров труб. Паял я феном, пока не кончился дорогой мягкий припой SANHA. Далее вход пошла газовая горелка и базарный (самопальный) припой аля «ПОС 40», который паялся очень тяжело. В ход пошел и отцовский припой, часть которого паялась нормально, а часть еле-еле. В общем, припоя ушло наверное грамм 500 – 700, а он весьма не дешевый. Например, 250г хорошего припоя SANHA мне обошлись в 160 грн. Базарный – значительно дешевле, а отцовский – бесплатно :)

Прижмал трубы стопкой кирпичей. Также аккуратно, без фанатизма, ровнял резиновым молотком. Придерживал рукой...

Отдельно хочу сказать про место стыка медной ленты и тонких медных труб. Ленту, от температурных расширений ведет очень сильно, она становится вся волнистая и бугристая. Поэтому трубу надо хорошо прижимать к ленте, чтобы зазор был минимальным! И как раз в этот зазор должен попасть припой. Этот важный процесс занял у меня 2 полных дня, прерываясь на обед.

Видны припаяная трубка и еще свободная. Такие зазоры в свободной трубе не допустимы. Она должна максимально плотно прижиматься к ленте.

Все, пайка была завершена! До сих пор у меня есть опасения по поводу использования мягкого припоя. Температура плавления которого составляет 180С. Но по идее – должен выдержать. Практика и жаркое лето Одессы покажет.

3 дня работы. Припаял!

Баллада о чернении - селективное покрытие своими руками.

Понятно, что абсорбер оставлять как есть – т.е медного цвета не очень хорошо. Сама по себе медь (а точнее ее оксидная пленка Cu₂O) является неплохим теплоприемником (да-да, обычная рыжая медь, по идее – даже лучше чем обычная термостойкая краска), но эта пленка не очень стабильная и может дальше разрушаться - окисляться. В итоге вы можете получить сине-зеленый абсорбер. Я не буду здесь вдаваться в теорию о высокоселективных покрытиях. Проще всего медь просто покрасить черной термостойкой краской. Видел в YouTube видео (вот оно), где у человека такие коллекторы тоже кипятили воду (покрытые именно обычной термостойкой краской), но по погоде – было либо лето, либо хорошая весна. Да и количествео коллекторов просто обязаны ее кипятить :) Чтобы получить более эффективный коллектор - лучше покрыть медь оксидом меди 2 – CuO – во первых, это покрытие черное и имеет неплохой коэффициент поглощения (от 70 до 90%), а во вторых имеет довольно низкий коэффициент эмиссии (излучения). Если верить - то это от 5% до 20% в зависимости от толщины самой пленки. Т.е является неплохим селективным покрытием, которое можно получить в домашних условиях. Естественно – с заводским покрытием оно тягаться не может, но по идее – это должно быть лучше, чем черная краска (которая имеет хороший коэффициент поглощения и высокий коэффициент излучения около 80% – что плохо для солнечного коллектора). Есть специальные селективные краски – но купить их, наверное, будет дороже, чем покрыть медь CuO. Хотя процесс нанесения CuO значительно труднее, чем просто покрасить. Где-то так…

Я остановился именно на чернении меди, т.е получении CuO на поверхности своего абсорбера. Сразу скажу, что провозился я с ним около 3-х дней, не считая предварительных тестовых опытов.

Немного химии.

Получать CuO надо окисляя саму медь, из которой изготовлен (спаян) наш абсорбер. Наносить кисточкой или валиком его не надо :) И так, какие для этого нужны отравы:
Первый способ:Каустическая сода (едкий натр NaOH)--50-60 г
Персульфат калия (K₂S₂O₈)------------14-16 г
Вода 1л
Второй способ:Точно такой же, но вместо K₂S₂O₈ применяется (NH₄)₂S₂O₈ (аммоний надсернокислый)
Третий способ:Каустическая сода (едкий натр NaOH)—100г
Хлорит натрия NaClO₂ ------------------ 50-60г
1 л. воды

Для все трех способов еще 2 обязательных условия - чистые обезжиренные поверхности и температура раствора и поверхности около 60-65С. И еще – раствор должен быть свежеприготовленный, так как кислород, который выделяется в результате реакции довольно быстро улетучивается. Воду брать лучше дистиллированную.

Не забудьте о технике безопасности.

Едкий натр или NaOH – очень любит органику – т.е вас!!! Разъедает кожу, глаза. Ни в коем случае не берите его и его растворы голыми руками и берегите глаза защитными очками. Пользуйтесь резиновыми перчатками. Когда NaOH разбавляешь в горячей воде – он очень бурно «вскипает».

Вот такие вот можно получить химические ожоги. Будьте осторожны!!! Рука не моя.

Аммоний надсернокислый или (NH₄)₂S₂O₈ при нагревании выделяет аммиак. Даже не думайте пользоваться этим методом в закрытом помещении без средств газовой защиты. Мне пришлось покупать газопылевой респиратор, на котором было написано «защита от аммиака», так как я пользовался именно этим методом. Без респиратора я бы наверное коллектор свой не доделал :) Летом, скорее всего, можно и на открытом воздухе без противогаза, но надо все равно поддерживать температуру? А она, поверьте нужна. Без нагрева химичиские реакции проходят очень медлено.

Слева обычный пылевой респиратор - он вам не поможет. Справа газопылевой - то что надо!

Хлорит натрия (не путать с хлоридом натрия – это обычная поваренная соль) или NaClO₂. Вроде ничего опасного, но если честно - я не уверен. Голыми руками лучше не брать, выделяется немного хлора. Мне удалось его достать именно для первоначальных опытов. Вещи правда потом все воняют хлором, но жить можно.

Персульфат калия он же калий надсернокислый или K₂S₂O₈ – наверное, самый безопасный метод. Но его достать было дорого и по почте. Так что этот метод я не испытывал и ничего сказать не могу. В целом, все реактивы можно найти (заказать) в интернете. Я покупал в Одессе – есть фирма ТОР. Там можно купить практически любую химию… Неудачные результаты экспериментов я смывал ортофосфорной кислотой (часто применяют ее как флюс для пайки меди, является также одним из основных составов напитков Coca-Cola). Эта кислота легко смывает наш хваленный CuO!

Как же я чернил?

Изначально идея была такой. После спайки абсорбера я загнул его края и получил такое здоровое блюдце. Нижние стыки, на всякий случай промазал герметиком для каминов. Ведро с кипятильником, в него опущены две трубы – подача и обратка. Насос (я купил циркуляционный), должен был гонять горячую воду из ведра по нашему коллектору, нагревая его. Далее я хотел вылить в это разогретое «блюдце» свежеприготовленный раствор и вуаля! Но ничего не получилось. Во первых, циркуляционный насос может гонять воду только в замкнутом контуре. Поднять воду из открытой емкости - ведра, хоть на 10 см он не способен. Во вторых, листы я пропаял не очень герметично (именно поэтому я промазал все стыки герметиком), но вот засада – герметик оказался водорастворимым!!! Короче, блюдце мое надо было правильнее называть дуршлагом для макарон. Во!

Рабочаю поверхность абсорбера. Видны загнуте бортики.

Вид сбоку. Черное пятно - тот самы герметик.

Вид снизу.

Поэтому я пошел по самому трудному пути – это забабахать ванну, в которую я бы смог поместить полностью весь абсорбер и там его протравить. Для таких размеров, понадобилось мне около 30 литров протравы. Нагреть такое количество воды в холодном, не отапливаемом подвале было довольно «улвекательным».

Почему я не чернил полоски отдельно? Ведь на первый взгляд это намного проще. А затем можно уже собирать из черненой меди абсорбер. Во-первых – медь черниться сразу с двух сторон, поэтому с обратной стороны, где нужна пайка, пришлось бы эту черноту смывать. Ортофосфорная кислота могла легко попасть на рабочую сторону и смыть CuO. Во-вторых, и это более важный момент, CuO не выдерживает температуру пайки. Он относительно хорошо выдерживает температуры в области 300С, а пайка газовой горелкой дает большую температуру. Т.е мы бы получили разрушение CuO в местах пайки. Поэтому, было решено паять абсорбер, а затем его уже полностью чернить.

Так я и поступил. На ровной плоскости выложил из того что валялось под рукой (это бруски и кирпичи) ванну нужных размеров и застелил ее пленкой. Положил в нее абсорбер вверх ногами (т.е тыльной стороной вверх). Иначе понадобилось бы 90 литров раствора. Да и во время опытов я заметил – что тыльная сторона пластин чернилась как-то лучше. Возможно, это связано с тем, что кислород поднимался вверх и натыкался на медь, окисляя ее.

Ванна из брусков, кирпичей и досок. Клеенкой пока не застелена - примерял абсорбер :)

Залил я все это раствором и продержал час, при этом периодически шатал-качал абсорбер, чтобы из-под него удалялись пузырьки воздуха. Где-то через час я сделал контрольный осмотр – в целом он был весь черный, но кое-где по-прежнему были медные пятная солидного размера. Я оставил все так на ночь…

Процесс пошел. Чтобы было меньше испарений я накрыл все кусками пенопласта и полиэтилена.

Утром пришел, проветрил подвал – так как находится в нем, без газозащитного респиратора, до сих пор было невозможно. Потом поднял абсорбер – и О облом! Медные пятна не только не исчезли, но и еще стали больше.