Energia solar como fonte alternativa de energia: tipos e características dos sistemas solares

Na última década, a energia solar como fonte de energia alternativa tem sido cada vez mais utilizada para aquecimento e fornecimento de água quente aos edifícios. A principal razão é o desejo de substituir o combustível tradicional por recursos energéticos acessíveis, ecológicos e renováveis.

A conversão da energia solar em energia térmica ocorre em sistemas solares - o design e o princípio de funcionamento do módulo determinam as especificidades da sua aplicação. Neste material veremos os tipos de coletores solares e os princípios de seu funcionamento, além de falar sobre modelos populares de módulos solares.

A viabilidade de usar um sistema solar

Um sistema solar é um complexo de conversão da energia da radiação solar em calor, que é posteriormente transferido para um trocador de calor para aquecer o refrigerante de um sistema de aquecimento ou abastecimento de água.

A eficiência de uma instalação solar térmica depende da insolação solar - a quantidade de energia recebida durante uma hora de luz do dia por 1 metro quadrado de superfície localizada num ângulo de 90° em relação à direção dos raios solares. O valor de medição do indicador é kW*h/m², o valor do parâmetro varia dependendo da estação.

O nível médio de insolação solar para uma região com clima temperado continental é de 1000-1200 kWh/m² (por ano). A quantidade de sol é o parâmetro determinante para o cálculo do desempenho de um sistema solar.

A utilização de uma fonte de energia alternativa permite aquecer uma casa e obter água quente sem custos energéticos tradicionais - exclusivamente através da radiação solar

Instalar um sistema de aquecimento solar é uma tarefa cara. Para que os custos de capital sejam justificados, é necessário um cálculo preciso do sistema e o cumprimento da tecnologia de instalação.

Exemplo. O valor médio de insolação solar para Tula em meados do verão é de 4,67 kV/m²*dia, desde que o painel do sistema esteja instalado em um ângulo de 50°. A produtividade de um coletor solar com área de 5 m2 é calculada da seguinte forma: 4,67*4=18,68 kW de energia térmica por dia. Esse volume é suficiente para aquecer 500 litros de água de 17°C a 45°C.

Como mostra a prática, ao usar uma usina de energia solar, os proprietários de casas de campo no verão podem mudar completamente do aquecimento de água elétrico ou a gás para o método solar.

Falando na viabilidade de introdução de novas tecnologias, é importante levar em consideração as características técnicas de um determinado coletor solar. Alguns começam a trabalhar com 80 W/m² de energia solar, enquanto outros precisam de 20 W/m².

Mesmo num clima meridional, a utilização de um sistema colector apenas para aquecimento não compensa. Se a instalação for utilizada exclusivamente no inverno, quando há falta de sol, o custo do equipamento não será coberto mesmo em 15-20 anos.

Para utilizar o complexo solar da forma mais eficiente possível, ele deve estar incluído no sistema de abastecimento de água quente. Mesmo no inverno, o coletor solar permitirá “cortar” as contas de energia para aquecimento de água em até 40-50%.

Segundo especialistas, para uso doméstico, um sistema solar se paga em aproximadamente 5 anos. Com o aumento dos preços da eletricidade e do gás, o período de retorno do complexo será reduzido

Além dos benefícios econômicos, o aquecimento solar apresenta vantagens adicionais:

1. Amizade ambiental. As emissões de dióxido de carbono são reduzidas. Ao longo de um ano, 1 m² de coletor solar evita que 350-730 kg de resíduos entrem na atmosfera.
2. Estética. O espaço de uma banheira ou cozinha compacta pode ser eliminado de caldeiras ou gêiseres volumosos.
3. Durabilidade. Os fabricantes garantem que se a tecnologia de instalação for seguida, o complexo durará cerca de 25 a 30 anos. Muitas empresas oferecem garantia de até 3 anos.

Argumentos contra o uso de energia solar: sazonalidade pronunciada, dependência do clima e alto investimento inicial.

Estrutura geral e princípio de funcionamento

Consideremos a opção de um sistema solar com coletor como principal elemento de trabalho do sistema. A aparência do aparelho lembra uma caixa de metal, cuja parte frontal é feita de vidro temperado. Dentro da caixa há um elemento de trabalho - uma bobina com absorvedor.

A unidade de absorção de calor fornece aquecimento do refrigerante - líquido circulante, transfere o calor gerado para o circuito de abastecimento de água.

Os principais componentes do sistema solar: 1 – campo coletor, 2 – purgador de ar, 3 – estação de distribuição, 4 – tanque de alívio de excesso de pressão, 5 – controlador, 6 – tanque do aquecedor de água, 7,8 – elemento de aquecimento e trocador de calor, 9 – válvula misturadora térmica, 10 – fluxo de água quente, 11 – entrada de água fria, 12 – drenagem, T1/T2 – sensores de temperatura

O coletor solar funciona necessariamente em conjunto com o tanque de armazenamento. Como o líquido refrigerante é aquecido a uma temperatura de 90-130°C, não pode ser fornecido diretamente às torneiras de água quente ou aos radiadores de aquecimento. O refrigerante entra no trocador de calor da caldeira. O tanque de armazenamento é frequentemente complementado com um aquecedor elétrico.

Esquema de trabalho:

1. O sol aquece a superfície colecionador.
2. A radiação térmica é transferida para o elemento absorvente (absorvedor), que contém o fluido de trabalho.
3. O refrigerante que circula pelos tubos da bobina aquece.
4. Equipamento de bombeamento, unidade de controle e monitoramento garante a retirada do refrigerante através de uma tubulação até a bobina do tanque de armazenamento.
5. O calor é transferido para a água da caldeira.
6. O refrigerante resfriado flui de volta para o coletor e o ciclo se repete.

A água aquecida do esquentador é fornecida ao circuito de aquecimento ou aos pontos de captação de água.

Ao instalar um sistema de aquecimento ou abastecimento de água quente durante todo o ano, o sistema está equipado com uma fonte de aquecimento adicional (caldeira, resistência eléctrica). Esta é uma condição necessária para manter a temperatura definida

Painéis solares em residências particulares são mais frequentemente usados ​​​​como fonte reserva de eletricidade:

Tipos de coletores solares

Independentemente da finalidade, o sistema solar é equipado com coletor solar tubular plano ou esférico. Cada opção possui uma série de características distintivas em termos de características técnicas e eficiência operacional.

Vácuo – para climas frios e temperados

Estruturalmente, um coletor solar a vácuo se assemelha a uma garrafa térmica - tubos estreitos com refrigerante são colocados em frascos de maior diâmetro. Entre os vasos é formada uma camada de vácuo responsável pelo isolamento térmico (a retenção de calor é de até 95%). A forma tubular é ideal para manter o vácuo e “ocupar” os raios solares.

Elementos básicos de uma instalação solar térmica tubular: estrutura de suporte, carcaça do trocador de calor, tubos de vidro a vácuo tratados com um revestimento altamente seletivo para “absorção” intensiva de energia solar

O tubo interno (de calor) é preenchido com uma solução salina com baixo ponto de ebulição (24-25 ° C). Quando aquecido, o líquido evapora - o vapor sobe até o topo do frasco e aquece o refrigerante que circula no corpo do coletor.

Durante o processo de condensação, gotas de água fluem para a ponta do tubo e o processo se repete.

Graças à presença de uma camada de vácuo, o líquido dentro da garrafa térmica é capaz de ferver e evaporar em temperaturas externas abaixo de zero (até -35 ° C).

As características dos módulos solares dependem dos seguintes critérios:

• design de tubo – pena, coaxial;
• dispositivo de canal térmico – "Tubo de calor", circulação de fluxo direto.

Frasco de penas - um tubo de vidro contendo um absorvedor de placas e um canal de calor. A camada de vácuo passa por todo o comprimento do canal térmico.

Tubo coaxial – um frasco duplo com “inserção” de vácuo entre as paredes de dois tanques. A transferência de calor ocorre a partir da superfície interna do tubo. A ponta do termotubo está equipada com um indicador de vácuo.

A eficiência dos tubos de penas (1) é maior em comparação aos modelos coaxiais (2). Porém, os primeiros são mais caros e mais difíceis de instalar. Além disso, em caso de avaria, o frasco de penas deverá ser totalmente substituído

O canal “Heat pipe” é a opção mais comum para transferência de calor em coletores solares.

O mecanismo de ação baseia-se na colocação de um líquido de fácil evaporação em tubos metálicos selados.

A popularidade do “Heat pipe” se deve ao seu custo acessível, facilidade de manutenção e facilidade de manutenção. Devido à complexidade do processo de troca de calor, o nível máximo de eficiência é de 65%

Canal de fluxo direto – tubos metálicos paralelos conectados em um arco em forma de U passam através do frasco de vidro

O refrigerante que flui através do canal é aquecido e fornecido ao corpo do coletor.

Opções de design do coletor solar a vácuo: 1 – modificação com tubo central de aquecimento “Heat pipe”, 2 – instalação solar com circulação de refrigerante de fluxo direto

Os tubos coaxiais e de penas podem ser combinados com canais de calor de diferentes maneiras.

Opção 1. Um frasco coaxial com “Heat pipe” é a solução mais popular. No coletor, ocorre repetida transferência de calor das paredes do tubo de vidro para o frasco interno e depois para o refrigerante. O grau de eficiência óptica chega a 65%.

Diagrama do projeto de um tubo coaxial “Tubo de calor”: 1 – concha de vidro, 2 – revestimento seletivo, 3 – aletas de metal, 4 – vácuo, 5 – balão térmico com substância de fácil ebulição, 6 – tubo de vidro interno

Opção 2. Um frasco coaxial com circulação direta é conhecido como coletor em forma de U. Graças ao design, a perda de calor é reduzida - a energia térmica do alumínio é transferida para tubos com refrigerante circulante.

Junto com alta eficiência (até 75%), o modelo apresenta desvantagens:

• complexidade de instalação - os frascos são integrados ao corpo do manifold de dois tubos (mainfold) e são instalados inteiramente;
• a substituição de tubos individuais está excluída.

Além disso, a unidade em forma de U exige refrigerante e é mais cara que os modelos “Heat pipe”.

Estrutura de um coletor solar em forma de U: 1 – “cilindro” de vidro, 2 – revestimento absorvente, 3 – “caixa” de alumínio, 4 – frasco com refrigerante, 5 – vácuo, 6 – tubo de vidro interno

Opção 3. Tubo de pena com princípio de funcionamento “Heat pipe”. Características distintivas do colecionador:

• altas características ópticas - eficiência de cerca de 77%;
• o absorvedor plano transfere diretamente a energia térmica para o tubo de refrigeração;
• devido ao uso de uma camada de vidro, a reflexão da radiação solar é reduzida;

É possível substituir um elemento danificado sem drenar o líquido refrigerante do sistema solar.

Opção 4. Um bulbo de penas de fluxo direto é a ferramenta mais eficaz para usar a energia solar como fonte alternativa de energia para aquecimento de água ou aquecimento de uma casa. O coletor de alto desempenho opera com eficiência de 80%. A desvantagem do sistema é a dificuldade de reparo.

Diagramas de projeto para coletores solares de penas: 1 – sistema solar com canal “Heat pipe”, 2 – caixa do coletor solar de dois tubos com fluxo direto de refrigerante

Independentemente do design, os coletores tubulares apresentam as seguintes vantagens:

• desempenho em baixas temperaturas;
• baixas perdas de calor;
• duração da operação durante o dia;
• a capacidade de aquecer o refrigerante a altas temperaturas;
• baixo vento;
• facilidade de instalação.

A principal desvantagem dos modelos a vácuo é a incapacidade de autolimpeza da cobertura de neve. A camada de vácuo não permite a passagem do calor, de modo que a camada de neve não derrete e bloqueia o acesso do sol ao campo coletor. Desvantagens adicionais: preço elevado e necessidade de manter um ângulo de inclinação de trabalho dos frascos de pelo menos 20°.

Dispositivos coletores solares que aquecem o refrigerante do ar podem ser utilizados na preparação de água quente se estiverem equipados com tanque de armazenamento:

Leia mais sobre o princípio de funcionamento de um coletor solar a vácuo com tubos Avançar.

Vodyanoy – a melhor opção para latitudes meridionais

Um coletor solar plano (painel) é uma placa retangular de alumínio coberta na parte superior com uma tampa de plástico ou vidro. Dentro da caixa existe um campo de absorção, uma bobina metálica e uma camada de isolamento térmico. A área do coletor é preenchida com uma tubulação de fluxo através da qual o refrigerante se move.

Os componentes básicos de um coletor solar plano: carcaça, absorvedor, revestimento protetor, camada de isolamento térmico e fixadores. Durante a montagem, é usado vidro fosco com transmitância na faixa espectral de 0,4-1,8 mícrons

A absorção de calor do revestimento absorvente altamente seletivo chega a 90%. Uma tubulação de metal fluida é colocada entre o “absorvedor” e o isolamento térmico. São utilizados dois esquemas de colocação de tubos: “harpa” e “meandro”.

O processo de montagem de coletores solares que aquecem o líquido refrigerante inclui uma série de etapas tradicionais:

Se o circuito de aquecimento for complementado com uma linha de abastecimento de água sanitária à rede de água quente, faz sentido ligar um acumulador de calor ao colector solar. A opção mais simples seria um tanque de recipiente adequado com isolamento térmico que pudesse manter a temperatura da água aquecida. Você precisa instalá-lo no viaduto:

Um coletor tubular com refrigerante líquido atua como um efeito “estufa” - os raios solares penetram através do vidro e aquecem a tubulação. Graças à estanqueidade e ao isolamento térmico, o calor é retido no interior do painel.

A resistência do módulo solar é amplamente determinada pelo material da capa protetora:

• vidro comum – o revestimento mais barato e mais frágil;
• vidro coado – alto grau de dispersão de luz e maior resistência;
• vidro anti-reflexo – caracterizado pela capacidade máxima de absorção (95%) devido à presença de uma camada que elimina o reflexo dos raios solares;
• vidro autolimpante (polar) com dióxido de titânio – os contaminantes orgânicos queimam ao sol e os detritos restantes são levados pela chuva.

O vidro de policarbonato é o mais resistente a impactos. O material é instalado em modelos caros.

Reflexão da luz solar e capacidade de absorção: 1 – revestimento anti-reflexo, 2 – vidro temperado resistente a impactos. A espessura ideal do revestimento externo protetor é de 4 mm

Características operacionais e funcionais das instalações solares de painel:

• os sistemas de circulação forçada possuem uma função de degelo que permite eliminar rapidamente a cobertura de neve do heliocampo;
• o vidro prismático capta uma ampla gama de raios em diferentes ângulos - no verão, a eficiência da instalação chega a 78-80%;
• o coletor não tem medo de superaquecimento - se houver excesso de energia térmica, é possível o resfriamento forçado do refrigerante;
• maior resistência ao impacto em comparação com equivalentes tubulares;
• Possibilidade de instalação em qualquer ângulo;
• política de preços acessíveis.

Os sistemas não estão isentos de deficiências. Durante os períodos de deficiência de radiação solar, à medida que a diferença de temperatura aumenta, a eficiência de um coletor solar plano cai significativamente devido ao isolamento térmico insuficiente. Portanto, o módulo painel justifica-se no verão ou em regiões de clima quente.

Sistemas solares: características de projeto e operação

A variedade de sistemas solares pode ser classificada de acordo com os seguintes parâmetros: método de aproveitamento da radiação solar, método de circulação do refrigerante, número de circuitos e sazonalidade de operação.

Complexo ativo e passivo

Qualquer sistema de conversão de energia solar possui um receptor solar. Com base no método de aproveitamento do calor recebido, distinguem-se dois tipos de complexos solares: passivos e ativos.

O primeiro tipo é um sistema de aquecimento solar, onde os elementos estruturais do edifício atuam como elemento absorvedor de calor da radiação solar. O telhado, a parede coletora ou as janelas atuam como superfície receptora solar.

Esquema de um sistema solar passivo de baixa temperatura com parede coletora: 1 - raios solares, 2 - tela translúcida, 3 - barreira de ar, 4 - ar aquecido, 5 - fluxos de ar de exaustão, 6 - radiação térmica da parede, 7 - superfície absorvente de calor da parede do coletor, 8 – persianas decorativas

Nos países europeus, as tecnologias passivas são utilizadas na construção de edifícios energeticamente eficientes. As superfícies receptoras de energia solar são decoradas como janelas falsas. Atrás da cobertura de vidro há uma parede de tijolos enegrecidos com aberturas de luz.

Os elementos estruturais - paredes e tetos, isolados externamente com poliestireno - atuam como acumuladores de calor.

Os sistemas ativos implicam a utilização de dispositivos independentes não relacionados com a estrutura.

Esta categoria inclui os complexos acima mencionados com coletores tubulares de placa plana - as instalações solares térmicas geralmente estão localizadas na cobertura do edifício

Sistemas de termossifão e circulação

O equipamento solar térmico com movimento natural do refrigerante ao longo do circuito coletor-acumulador-coletor é realizado por convecção - o líquido quente com baixa densidade sobe, o líquido resfriado flui para baixo.

Nos sistemas termossifão, o tanque de armazenamento fica localizado acima do coletor, garantindo a circulação espontânea do refrigerante.

O esquema operacional é típico para sistemas sazonais de circuito único. O complexo termossifão não é recomendado para uso em coletores com área superior a 12 m2.

Um sistema solar sem pressão tem uma ampla gama de desvantagens:

• em dias nublados, o desempenho do complexo cai - é necessária uma grande diferença de temperatura para que o refrigerante se mova;
• perdas de calor devido ao movimento lento do líquido;
• o risco de superaquecimento do tanque devido à incontrolabilidade do processo de aquecimento;
• instabilidade do coletor;
• dificuldade na colocação do tanque de armazenamento - quando instalado no telhado, a perda de calor aumenta, os processos de corrosão aceleram e há risco de congelamento dos tubos.

As vantagens do sistema “gravidade”: simplicidade de design e acessibilidade.

Os custos de capital da instalação de um sistema solar de circulação (forçada) são significativamente mais elevados do que a instalação de um complexo de fluxo livre. Uma bomba “corta” o circuito, garantindo a movimentação do refrigerante. A operação da estação de bombeamento é controlada por um controlador.

A energia térmica adicional gerada no complexo de ar forçado excede a energia consumida pelo equipamento de bombeamento. A eficiência do sistema aumentará em um terço

Este método de circulação é utilizado em instalações solares térmicas de circuito duplo durante todo o ano.

Vantagens de um complexo totalmente funcional:

• escolha ilimitada de localização do tanque de armazenamento;
• desempenho fora de temporada;
• seleção do modo de aquecimento ideal;
• segurança – bloqueio do funcionamento em caso de sobreaquecimento.

A desvantagem do sistema é a sua dependência da eletricidade.

Solução técnica de circuitos: circuito simples e duplo

Nas instalações de circuito único circula o líquido, que posteriormente é fornecido aos pontos de captação de água. No inverno, a água do sistema deve ser drenada para evitar congelamento e rachaduras nas tubulações.

Características dos complexos solares térmicos de circuito único:

• recomenda-se “encher” o sistema com água purificada e macia - a deposição de sais nas paredes das tubulações leva ao entupimento dos canais e quebra do coletor;
• corrosão devido ao excesso de ar na água;
• vida útil limitada - dentro de quatro a cinco anos;
• alta eficiência no verão.

Nos complexos solares de circuito duplo circula um refrigerante especial (líquido anticongelante com aditivos antiespumantes e anticorrosivos), que transfere calor para a água através de um trocador de calor.

Esquemas de projeto de um sistema solar de circuito único (1) e circuito duplo (2). A segunda opção é caracterizada por maior confiabilidade, capacidade de trabalhar no inverno e longa vida útil (20-50 anos)

As nuances da operação de um módulo de circuito duplo: uma ligeira diminuição na eficiência (3-5% menos que em um sistema de circuito único), a necessidade de substituir completamente o refrigerante a cada 7 anos.

Condições para trabalho e melhoria da eficiência

É preferível confiar o cálculo e a instalação de um sistema solar a profissionais. O cumprimento da técnica de instalação garantirá a operabilidade e o cumprimento do desempenho declarado. Para melhorar a eficiência e a vida útil, é necessário levar em consideração algumas nuances.

Válvula termostática. Em sistemas de aquecimento tradicionais elemento termostático raramente instalado, pois o gerador de calor é responsável pela regulação da temperatura. Porém, ao instalar um sistema solar, não se deve esquecer da válvula de segurança.

Aquecer o tanque até a temperatura máxima permitida aumenta o desempenho do coletor e permite o aproveitamento do calor solar mesmo em tempo nublado

A colocação ideal da válvula é a 60 cm do aquecedor. Quando colocado próximo, o “termostato” aquece e bloqueia o fornecimento de água quente.

Colocação do tanque de armazenamento. O depósito tampão de AQS deve ser instalado num local acessível. Quando colocado em uma sala compacta, atenção especial é dada à altura dos tetos.

O espaço livre mínimo acima do tanque é de 60 cm, espaço necessário para a manutenção da bateria e substituição do ânodo de magnésio

Instalação tanque de expansão. O elemento compensa a expansão térmica durante períodos de estagnação. A instalação do tanque acima do equipamento de bombeamento causará superaquecimento da membrana e seu desgaste prematuro.

O local ideal para o tanque de expansão é sob o grupo de bombas. O efeito da temperatura durante esta instalação é significativamente reduzido e a membrana mantém a sua elasticidade por mais tempo.

Conexão do circuito solar. Ao conectar tubos, é recomendável organizar um laço. O circuito térmico reduz a perda de calor, evitando a liberação de líquido aquecido.

Uma opção tecnicamente correta para implementar um “loop” de um circuito solar. Negligenciar este requisito faz com que a temperatura no tanque de armazenamento caia de 1 a 2°C durante a noite.

Válvula de retenção. Evita o “derrubamento” da circulação do líquido refrigerante. Com falta de atividade solar válvula de retenção evita que o calor acumulado durante o dia se dissipe.

Modelos populares de módulos solares

Sistemas solares de empresas nacionais e estrangeiras estão em demanda. Os produtos dos fabricantes ganharam boa reputação: NPO Mashinostroeniya (Rússia), Gelion (Rússia), Ariston (Itália), Alten (Ucrânia), Viessman (Alemanha), Amcor (Israel), etc.

Sistema solar "Falcão". Coletor solar plano equipado com revestimento óptico multicamadas com pulverização catódica de magnetron. A capacidade mínima de emissão e o alto nível de absorção proporcionam uma eficiência de até 80%.

Características de desempenho:

• temperatura de operação – até -21 °C;
• radiação térmica reversa – 3-5%;
• camada superior – vidro temperado (4 mm).

Coletor SVK-A (Alten). Instalação solar a vácuo com área de absorção de 0,8-2,41 m2 (dependendo do modelo). O refrigerante é propilenoglicol, o isolamento térmico de um trocador de calor de cobre de 75 mm minimiza a perda de calor.

Opções extras:

• corpo – alumínio anodizado;
• diâmetro do trocador de calor – 38 mm;
• isolamento – lã mineral com tratamento anti-higroscópico;
• revestimento – vidro borossilicato 3,3 mm;
• Eficiência – 98%.

Vitosol 100-F é um coletor solar plano para instalação horizontal ou vertical. Absorvedor de cobre com bobina tubular em forma de harpa e revestimento de heliotitânio. Transmissão de luz – 81%.

Preços aproximados para sistemas solares: coletores solares planos – a partir de 400 USD/m², coletores solares tubulares – 350 USD/10 frascos a vácuo. Conjunto completo de sistema de circulação – a partir de 2.500 USD

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O princípio de funcionamento dos coletores solares e seus tipos:

Avaliando o desempenho de um coletor de placa plana em temperaturas abaixo de zero:

Tecnologia de instalação de coletor solar de painel usando o exemplo do modelo Buderus:

A energia solar é uma fonte renovável de calor. Tendo em conta o aumento dos preços dos recursos energéticos tradicionais, a implementação de sistemas solares justifica investimentos de capital e compensa nos próximos cinco anos se as técnicas de instalação forem seguidas.

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