Aquecendo uma casa particular com painéis solares: esquemas e dispositivos

Tipos de painéis solares

Os dispositivos são divididos em classes de acordo com o grau de potência:

• baixa potência;
• universal;
• painel de células solares.

Além disso, existem três tipos de bateria com diferentes destino:

1. Conversores fotoelétricos (PVC). Eles convertem a energia solar em energia elétrica.
2. Usinas de energia solar (HES). Eles são usados ​​para garantir o funcionamento de várias instalações industriais - turbinas, motores a vapor, etc.
3. Coletores solares (SC). Servir para o fornecimento de calor das instalações.

A escolha e o cálculo dos painéis solares para uma casa particular exigem que o proprietário conheça as características de design do equipamento. Existe uma divisão de acordo com o estado físico e químico do material da bateria.Essa questão deve ser considerada com mais detalhes.

baterias de silicone

As células de silício são os tipos mais comuns de conversores fotovoltaicos.

A razão para isso é a prevalência e disponibilidade deste material. Ao mesmo tempo, a tecnologia de produção é muito complexa, a produção de elementos custa valores significativos, o que obriga os fabricantes a procurar opções para reduzir custos.

Até agora, isso só é alcançado à custa de eficiência reduzida, mas os desenvolvedores estão constantemente procurando maneiras de melhorar a qualidade e o desempenho de seus produtos. Considere os tipos de baterias de silício.

Monocristalino

Os elementos mais eficazes e caros. É usado silício de alta pureza, cuja tecnologia de produção foi desenvolvida na fabricação de semicondutores. Os elementos são seções finas (300 µm) de um único cristal desenvolvido especificamente para esta tarefa. A estrutura cristalina tem uma forma regular, os grãos são direcionados em uma direção. O custo do material é alto, a eficiência é de 18 a 22%. A vida útil é muito longa, pelo menos 30 anos.

Policristalino

Esses elementos são obtidos resfriando gradualmente o silício fundido.em que os policristais são formados. A estrutura de tal material não tem uma forma regular, os grãos não são paralelos e direcionados em direções diferentes. A produção é muito mais barata, pois essa tecnologia requer menos eletricidade, mas a eficiência do produto é menor - 12-18%.

amorfo

As baterias amorfas não são feitas de silício cristalino, mas de hidrogênio de silício (silano), que é aplicado em uma camada fina sobre o material de base. A eficiência dessas baterias é baixa - apenas 5-6%, mas o preço também é o mais baixo.Ao mesmo tempo, existem algumas vantagens - um alto coeficiente de absorção óptica, capacidade de trabalhar em tempo nublado, resistência à deformação do painel.

híbrido

Os painéis híbridos são uma combinação de células fotovoltaicas e coletores solares. O fato é que ao gerar energia, os painéis aquecem e perdem desempenho.

O resfriamento a água foi usado para reduzir o aquecimento. Descobriu-se que a quantidade de calor recebida pela água das fotocélulas pode ser usada para necessidades domésticas ou para aquecimento de ambientes.

Esses painéis solares são bons tanto para geração de energia quanto para aquecimento doméstico. Os fabricantes afirmam que a eficiência desses painéis é extremamente alta (alguns dizem 80%), mas essa é uma jogada de marketing comum, levando em conta a estabilidade dos indicadores como aumento da eficiência.

Este é outro tipo de conversores fotovoltaicos, que não são feitos à base de silício, mas a partir de vários filmes de polímeros dobrados em um pacote denso e desempenhando diferentes funções.. A eficiência dessas baterias é cerca de quatro vezes menor do que as de silício, mas são leves, relativamente baratas de fabricar e, consequentemente, mais baratas de vender. Acredita-se que os dispositivos poliméricos tenham alto potencial e serão ativamente desenvolvidos, uma vez que o baixo custo e a rapidez de produção são as vantagens mais importantes do material.

O futuro pertence às fontes alternativas de energia

A demanda por energia está crescendo proporcionalmente à velocidade do desenvolvimento da tecnologia. Se hoje as fontes alternativas de energia são exóticas e são usadas apenas onde nenhum outro método é adequado, depois de um tempo a situação mudará radicalmente.A dependência de empresas fornecedoras de recursos não é a perspectiva mais promissora, obrigando-nos a procurar outras opções mais independentes para fornecer energia e calor à habitação.

Assim que surgirem equipamentos mais baratos e produtivos, o uso de painéis solares se generalizará.. O impulso para isso será a superpopulação das regiões centrais, a falta de moradia e trabalho, a necessidade de reassentamento em regiões mais remotas. Se a essa altura os parâmetros do equipamento se tornarem bastante estáveis ​​e os preços caírem para níveis acessíveis, a demanda por painéis solares se tornará muito alta.

Princípio da Operação

O princípio de funcionamento da bateria solar. (Clique para ampliar)

O princípio de funcionamento de uma bateria solar é bastante simples. É a conversão da energia solar em energia elétrica. Os fotorreceptores localizados na placa absorvem a luz solar, o que causa uma micro-descarga na superfície da placa.

O poder de uma dessas microdescargas é bastante pequeno, mas muitos fotorreceptores localizados na área da bateria são capazes de gerar e acumular a quantidade necessária de eletricidade para as necessidades humanas.

Os painéis solares podem ser instalados em telhados:

• casas particulares;
• edifícios de vários andares;
• pequenas instalações industriais;
• pavilhões;
• copas.

A condição para colocar a estrutura é um telhado plano ou outro plano de grande área.

Dica do especialista: os módulos coletores solares são colocados em direção ao sol

Portanto, é importante instalar o módulo no lado sul ou sudeste durante a instalação.

Benefícios de um sistema de aquecimento solar

Existem várias vantagens dos painéis solares para aquecimento doméstico:

• Durante todo o ano sua casa é fornecida com o calor necessário. Você também pode ajustar a temperatura da casa a seu critério.
• Total independência de habitação e serviços comunitários. Agora você não precisa pagar grandes contas de aquecimento.
• A energia solar é uma reserva que pode ser utilizada para diversas necessidades domésticas.
• Estas baterias têm uma vida útil muito boa. Eles raramente falham, então você não precisa se preocupar em reparar ou substituir alguns componentes.

Existem algumas nuances que você deve prestar atenção antes de escolher este sistema. Afinal, tal sistema pode não ser adequado para todos.

De muitas maneiras, a qualidade de tal sistema de aquecimento depende da geografia da residência. Se você mora em uma região onde o sol não brilha todos os dias, esses sistemas serão ineficazes. Outra desvantagem deste sistema é que os painéis solares são caros. É verdade que não devemos esquecer que esse sistema se pagará totalmente ao longo do tempo.

A duração do sol na Rússia

Para abastecer a casa com a quantidade necessária de calor, levará de 15 a 20 metros quadrados. metros de área do painel solar. Um metro quadrado emite uma média de até 120W.

Para receber cerca de 500 kW de calor por mês, é necessário que haja cerca de 20 dias de sol em um mês.

Um pré-requisito é a instalação de painéis solares no lado sul do telhado, pois espalha mais calor.Para que o aquecimento solar seja o mais eficiente possível, o ângulo do telhado deve ser de cerca de 45 graus. É desejável que as árvores altas não cresçam perto da casa e não haja outros objetos que possam criar uma sombra. O sistema de treliça da casa deve ter a resistência e confiabilidade necessárias. Como os painéis solares não são exatamente leves, deve-se tomar cuidado para que não prejudiquem a edificação e não provoquem processos destrutivos. A probabilidade de colapso aumenta no inverno, pois neste momento, além de baterias pesadas, a neve se acumulará no telhado.

Os painéis solares são geralmente colocados no telhado da casa.

Apesar do fato de que os painéis solares são bastante caros, eles estão ganhando cada vez mais popularidade. Eles são usados ​​mesmo onde o clima não é muito quente. Esse sistema também pode ser usado como aquecimento adicional em casa. Esses sistemas são mais eficazes durante os meses de verão, quando o sol brilha quase todos os dias. No entanto, não se esqueça que a casa deve ser aquecida principalmente nos meses de inverno.

Maneiras de usar a energia solar

Os métodos de uso da energia do corpo celeste não pertencem a tecnologias inovadoras; o calor solar é usado há muito tempo e com muito sucesso. No entanto, isso se aplica principalmente à Austrália, alguns países da Europa, América e regiões do sul, onde a energia alternativa pode ser obtida durante todo o ano.

Algumas regiões do norte estão enfrentando uma escassez de radiação natural, por isso é usada como uma opção adicional ou alternativa.

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Os painéis solares são uma das formas de obter energia praticamente gratuita, irradiada gratuitamente pelo corpo celeste.

A instalação de uma central solar autónoma é aconselhável em regiões com grande número de dias de sol, o que não está relacionado com a temperatura média anual

Um sistema solar autônomo está localizado principalmente nos telhados de prédios baixos e em áreas livres de árvores.

No período de geada, os sistemas solares fornecem energia para aquecimento de ar, vapor ou aquecimento de água, no verão fornecem água aquecida

As usinas de energia solar estão entre os tipos de geração de energia "verdes", ecologicamente corretos e continuamente renováveis

Até agora, a eficiência das usinas solares depende muito do número de dias ensolarados. É lucrativo apenas nas latitudes do sul. Na faixa do meio e no norte, só pode servir como fonte de backup

Painéis solares no sul dos países da CEI poderão fornecer eletricidade, água quente e refrigerante para circuitos de aquecimento a uma casa de campo

Os sistemas solares, mesmo usados ​​como fonte de energia reserva, trazem um efeito econômico bastante alto, reduzindo a carga sobre as principais opções de geração de energia.

Uso passivo da energia solar

Opção de instalação do painel solar

Localização ideal de um sistema solar privado

Localização do painel solar ao longo do beiral

Sistema solar em um telhado plano

Usina de energia solar como fonte de backup

Operação de baterias nas regiões do sul dos países da CEI

Os benefícios reais de um sistema solar no setor privado

Os intermediários entre os raios solares e o mecanismo gerador de energia são as baterias ou coletores solares, que diferem tanto na finalidade quanto no design.

As baterias armazenam a energia do sol e permitem que ela seja usada para alimentar eletrodomésticos. São painéis com fotocélulas de um lado e mecanismo de travamento do outro. Você pode experimentar e montar a bateria sozinho, mas é mais fácil comprar elementos prontos - a escolha é bastante ampla.

Os sistemas solares (coletores solares) fazem parte do sistema de aquecimento da casa. Grandes caixas com isolamento térmico com refrigerante, como baterias, são montadas em escudos elevados voltados para o sol ou encostas do telhado.

É errôneo supor que absolutamente todas as regiões do norte recebem muito menos calor natural do que as do sul. Suponha que haja muito mais dias ensolarados em Chukotka ou no centro do Canadá do que na Grã-Bretanha localizada ao sul

Para aumentar a eficiência, os painéis são colocados em mecanismos dinâmicos que lembram um sistema de rastreamento - eles giram seguindo o movimento do sol. O processo de conversão de energia ocorre em tubos localizados dentro das caixas.

A principal diferença entre sistemas solares e painéis solares é que os primeiros aquecem o refrigerante, enquanto os últimos acumulam eletricidade. É possível aquecer a sala com a ajuda de fotocélulas, mas os esquemas do dispositivo são irracionais e são adequados apenas para áreas onde há pelo menos 200 dias de sol por ano.

Esquema de um sistema de aquecimento com um coletor solar conectado a uma caldeira e uma fonte de eletricidade sobressalente (por exemplo, uma caldeira a gás) funcionando com combustível tradicional (+)

Variedades

No sentido mais amplo, o termo "bateria solar" significa um dispositivo que permite converter a energia irradiada pelo Sol em uma forma conveniente para fins de uso posterior em várias áreas da vida humana. Dois tipos de painéis solares são usados ​​para aquecer as casas.

células fotovoltaicas

As baterias desta classe são frequentemente chamadas de conversores, pois com sua ajuda a energia da radiação solar é convertida em energia elétrica. Tal transformação tornou-se possível devido às propriedades dos semicondutores. A célula de uma célula fotoelétrica consiste em dois materiais, um dos quais possui condutividade de furo e o outro - eletrônico.

células fotovoltaicas

O fluxo de fótons que compõem a luz solar faz com que os elétrons deixem suas órbitas e migrem pela junção Pn, que é, na verdade, uma corrente elétrica.

De acordo com o tipo de materiais utilizados, existem três tipos de baterias fotovoltaicas: silício, filme e concentrador.

Silício

Mais de três quartos dos painéis solares produzidos hoje são desse tipo. Isso se deve à prevalência do silício na crosta terrestre, bem como ao fato de que a maioria das tecnologias na produção de eletrônicos semicondutores estavam voltadas para trabalhar com esse material.

Por sua vez, os elementos à base de silício são divididos em dois tipos:

• monocristalino: a opção mais cara, a eficiência é de 19% - 24%;
• policristalino: mais acessível, mas com eficiência na faixa de 14% a 18%.

Filme

Na produção de fotocélulas deste grupo são utilizados semicondutores que possuem um coeficiente de absorção de luz superior ao do silício monocristalino e policristalino.

Isso permitiu reduzir a espessura dos elementos em uma ordem de grandeza, o que teve um efeito positivo em seu custo. São utilizados os seguintes materiais:

• telureto de cádmio (eficiência - 15% - 17%);
• silício amorfo (eficiência - 11% - 13%).

concentrador

Essas baterias têm uma estrutura multicamadas e são caracterizadas pela mais alta eficiência - cerca de 44%. O principal material em sua produção é o arsenieto de gálio.

Sistema de aquecimento conjunto completo

O sistema de aquecimento baseado em baterias fotovoltaicas é composto pelos seguintes componentes:

• as próprias baterias;
• bateria;
• controlador: controla o processo de carregamento da bateria;
• inversor: converte a corrente contínua de uma bateria ou acumulador em corrente alternada com tensão de 220 V;
• convector, caldeira de água quente ou qualquer outro tipo de aquecedor elétrico.

Sistema fotovoltaico montado em rede

Coletores solares

As baterias desta variedade consistem em vários tubos pintados de preto através dos quais é bombeado o refrigerante que circula no sistema de aquecimento. Ao mesmo tempo, a energia térmica da radiação solar é absorvida pelo ambiente de trabalho sem qualquer conversão. Na maioria dos casos, utiliza uma mistura à base de propilenoglicol (possui propriedades anticongelantes), mas também existem coletores orientados para trabalhar com ar. Este último, após o aquecimento, é alimentado diretamente na sala aquecida.

Coletores solares

Na sua forma mais simples, um coletor solar é chamado de coletor plano. É feito na forma de uma caixa de vidro com revestimento escuro, que fica em contato com o refrigerante que passa pelos tubos. Os coletores de vácuo têm um dispositivo mais complexo.Em tais baterias, os tubos com refrigerante são colocados em uma caixa de vidro selada, da qual o ar é bombeado. Assim, os tubos contendo o meio de trabalho são cercados por um vácuo, o que elimina a perda de calor por contato com o ar.

Obviamente, a fabricação de coletores solares é baseada em tecnologias mais simples do que a produção de células fotovoltaicas. Como resultado, eles também são mais baratos. Ao mesmo tempo, a eficiência de tais instalações atinge 80% - 95%.

Conjunto completo de sistema solar

Os principais elementos do sistema solar (sistemas de baterias solares para casa) são:

• coletor solar;
• bomba de circulação (em sistemas com circulação natural do refrigerante, pode estar ausente, mas são ineficazes);
• um recipiente com água, que desempenha o papel de acumulador de calor;
• circuito de aquecimento de água, composto por tubos e radiadores.

Esquema de implementação de um sistema solar com suporte de aquecimento com armazenamento diário de energia

Os benefícios dos painéis solares

A vantagem mais importante dos conversores fotovoltaicos é a independência das organizações de recursos. A eletricidade é gerada de forma totalmente autônoma, sem estar conectada à rede. Só é necessário ter uma fonte - luz solar, à noite o sistema não pode funcionar. Existem outros benefícios também:

• Amizade ambiental. O sistema não afeta o meio ambiente de forma alguma, não emite substâncias nocivas.
• Longa vida útil. O equipamento pode operar quase indefinidamente, sujeito a manutenção periódica por especialistas.
• Operação silenciosa completa.
• Possibilidade de aumentar a potência do sistema adicionando novos módulos.
• Retorno do equipamento.O preço do kit é devolvido gradualmente ao proprietário na forma de economia de energia. Depois de alguns anos, o equipamento já começa a dar lucro.
• Redução constante no custo dos kits. O volume de produção desses equipamentos é grande, o que provoca uma queda nos preços. Um sistema solar para uma casa comprada daqui a alguns anos será mais barato do que um comprado hoje, e isso infunde confiança no desenvolvimento da tecnologia e na disponibilidade de equipamentos.

Coletores solares tubulares

Os coletores solares tubulares são montados a partir de tubos separados através dos quais circula água, gás ou vapor. Este é um dos sistemas solares de tipo aberto. No entanto, o refrigerante já está muito melhor protegido da negatividade externa. Especialmente em instalações a vácuo, dispostas de acordo com o princípio das garrafas térmicas.

Cada tubo é conectado ao sistema separadamente, em paralelo entre si. Se um tubo falhar, é fácil substituí-lo por um novo. Toda a estrutura pode ser montada diretamente na cobertura do edifício, o que facilita muito a instalação.

O coletor tubular tem uma estrutura modular. O elemento principal é um tubo de vácuo, o número de tubos varia de 18 a 30, o que permite selecionar com precisão a potência do sistema

Uma vantagem significativa dos coletores solares tubulares está na forma cilíndrica dos elementos principais, graças aos quais a radiação solar é captada durante todo o dia sem o uso de sistemas caros para rastrear o movimento da luminária.

Um revestimento especial multicamada cria uma espécie de armadilha óptica para os raios solares.O diagrama mostra parcialmente a parede externa do frasco a vácuo refletindo os raios nas paredes do frasco interno

De acordo com o design dos tubos, distinguem-se os coletores solares de caneta e coaxiais.

O tubo coaxial é um vaso Diyur ou uma garrafa térmica familiar. Eles são feitos de dois frascos entre os quais o ar é bombeado. A superfície interna do bulbo interno é revestida com um revestimento altamente seletivo que absorve efetivamente a energia solar.

Com uma forma cilíndrica do tubo, os raios do sol sempre caem perpendicularmente à superfície

A energia térmica da camada seletiva interna é transferida para um tubo de calor ou um trocador de calor interno feito de placas de alumínio. Nesta fase, ocorrem perdas de calor indesejadas.

O tubo de penas é um cilindro de vidro com um absorvedor de penas inserido no interior.

O sistema recebeu o nome de um absorvedor de penas, que envolve firmemente um canal de calor feito de metal condutor de calor.

Para um bom isolamento térmico, o ar é bombeado para fora do tubo. A transferência de calor do absorvedor ocorre sem perda, portanto a eficiência dos tubos de penas é maior.

O termotubo é um recipiente selado com um líquido volátil.

Como o líquido volátil flui naturalmente para o fundo do termotubo, o ângulo de inclinação mínimo é de 20°

Dentro do termotubo há um líquido volátil que retira calor da parede interna do frasco ou do absorvedor de penas. Sob a ação da temperatura, o líquido ferve e sobe na forma de vapor. Depois que o calor é liberado para o refrigerante de aquecimento ou água quente, o vapor se condensa em um líquido e flui para baixo.

A água a baixa pressão é frequentemente usada como um líquido volátil.

O sistema de fluxo direto utiliza um tubo em forma de U através do qual circula a água ou o transportador de calor do sistema de aquecimento.

Metade do tubo em forma de U é projetado para refrigerante frio, o segundo leva o aquecido. Quando aquecido, o refrigerante se expande e entra no tanque de armazenamento, proporcionando uma circulação natural. Tal como acontece com os sistemas de termotubos, o ângulo mínimo de inclinação deve ser de pelo menos 20⁰.

Com uma conexão de fluxo direto, a pressão no sistema não pode ser alta, pois há um vácuo técnico dentro do frasco

Os sistemas de fluxo direto são mais eficientes porque aquecem imediatamente o refrigerante.

Se os sistemas de coletores solares forem planejados para uso durante todo o ano, anticongelantes especiais são bombeados para eles.

Prós e contras de coletores tubulares

O uso de coletores solares tubulares tem uma série de vantagens e desvantagens. O design de um coletor solar tubular consiste nos mesmos elementos, que são relativamente fáceis de substituir.

Vantagens:

• baixa perda de calor;
• capacidade de trabalhar em temperaturas de até -30⁰С;
• desempenho eficaz durante todo o dia;
• bom desempenho em áreas de clima temperado e frio;
• ventos baixos, justificados pela capacidade dos sistemas tubulares de passar massas de ar através deles;
• a possibilidade de produzir uma alta temperatura do refrigerante.

Estruturalmente, a estrutura tubular tem uma superfície de abertura limitada. Tem as seguintes desvantagens:

• não é capaz de autolimpeza de neve, gelo, geada;
• Preço Alto.

Apesar do alto custo inicial, os coletores tubulares se pagam mais rapidamente.Eles têm uma longa vida útil.

Os colectores tubulares são sistemas solares térmicos abertos, pelo que não são adequados para utilização durante todo o ano em sistemas de aquecimento.

Tipos de painéis solares

Existem vários tipos de conversores fotovoltaicos. Além disso, o material de que são feitos e a tecnologia diferem. Todos esses fatores afetam diretamente o desempenho desses conversores. Algumas células solares têm uma eficiência de 5-7%, e os desenvolvimentos recentes mais bem-sucedidos mostram 44% ou mais. É claro que a distância do desenvolvimento ao uso doméstico é enorme, tanto em tempo quanto em dinheiro. Mas você pode imaginar o que nos espera no futuro próximo. Outros metais de terras raras são usados ​​para obter melhor desempenho, mas com desempenho aprimorado, temos um aumento de preço decente. O desempenho médio de conversores solares relativamente baratos é de 20 a 25%.

Os módulos solares de silício são os mais utilizados

As células solares de silício mais comuns. Este semicondutor é barato, sua produção é dominada há muito tempo. Mas eles não têm a maior eficiência - os mesmos 20-25%. Portanto, com toda a diversidade, três tipos de conversores solares são usados ​​principalmente hoje:

• As mais baratas são as baterias de filme fino. Eles são uma fina camada de silicone no material de suporte. A camada de silicone é coberta com uma película protetora. A vantagem desses elementos é que eles funcionam mesmo com luz difusa e, portanto, é possível instalá-los até nas paredes dos edifícios. Contras - baixa eficiência de 7-10% e, apesar da camada protetora, a degradação gradual da camada de silício.No entanto, ocupando uma grande área, você pode obter eletricidade mesmo com tempo nublado.
• As células solares policristalinas são feitas de silício fundido, resfriando-o lentamente. Esses elementos podem ser distinguidos por sua cor azul brilhante. Esses painéis solares têm a melhor produtividade: a eficiência é de 17 a 20%, mas são ineficientes em luz difusa.
• O mais caro de toda a trindade, mas ao mesmo tempo bastante difundido, são os painéis solares de cristal único. Eles são obtidos pela divisão de um único cristal de silício em wafers e possuem uma geometria característica com cantos chanfrados. Esses elementos têm uma eficiência de 20% a 25%.

Agora, quando você vir as inscrições “painel solar mono” ou “painel solar policristalino”, você entenderá que estamos falando de um método para a produção de cristais de silício. Você também saberá o quão eficaz você pode esperar deles.

Bateria com conversores monocristalinos