Aquecimento de uma casa privada com painéis solares: diagramas e dispositivo

As razões para a popularidade das fontes alternativas de energia são bastante compreensíveis: existe uma oportunidade de economizar combustível e realizar sonhos de sistemas de suporte de vida ecologicamente corretos. Usando habilmente a energia do sol, do vento e da água, você pode transformar uma casa de campo comum em uma casa ecológica moderna.

Diremos como instalar aquecimento solar em uma casa particular e analisaremos com você o quão rentável é. A fim de cobrir completamente as questões do uso da energia diurna, descrevemos detalhadamente todas as opções populares que receberam aplicação prática e avaliações positivas dos usuários.

Levando em consideração nossas recomendações, você poderá construir um sistema solar eficaz para uma casa de verão ou de campo. Para facilitar a compreensão do material difícil, complementamos as informações com diagramas visuais, ilustrações e tutoriais em vídeo.

Maneiras de usar energia solar

Métodos de aplicação energia do corpo celeste não pertencem a tecnologias inovadoras; o calor solar é utilizado há muito tempo e com muito sucesso. No entanto, isto aplica-se principalmente à Austrália, a alguns países da Europa, à América e às regiões do sul, onde é possível obter energia alternativa durante todo o ano.

Algumas regiões do norte carecem de radiação natural, por isso é usada como opção adicional ou de reserva.

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

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

Os sistemas solares (coletores solares) fazem parte do sistema de aquecimento de uma casa. Grandes caixas termicamente isoladas com refrigerante, como baterias, são montadas em painéis elevados voltados para o sol ou para as encostas do telhado.

É um erro acreditar que absolutamente todas as regiões do norte recebem muito menos calor natural do que as do sul. Suponha que haja muito mais dias de sol 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 no interior das caixas.

A principal diferença entre sistemas solares e painéis solares é que os primeiros aquecem o refrigerante e os segundos acumulam eletricidade. É possível aquecer a sala com fotocélulas, mas os esquemas de design 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 coletor solar conectado a uma caldeira e uma fonte reserva de eletricidade (por exemplo, uma caldeira a gás) funcionando com combustível tradicional (+)

Prós e contras de um sistema de aquecimento alternativo

As vantagens de um sistema de aquecimento solar não são muitas, mas cada uma delas é significativa e pode se tornar motivo para experimentos privados:

• Benefícios ambientais. Trata-se de uma fonte de calor limpa, segura para os moradores da casa e para o ambiente envolvente e que não requer a utilização de combustíveis tradicionais.
• Autonomia. Os proprietários do sistema são absolutamente independentes dos preços da energia e da situação económica do país.
• Econômico. Ao manter o sistema de aquecimento tradicional, é possível reduzir o custo do pagamento do abastecimento de água quente.
• Disponibilidade pública. Para instalar sistemas solares, você não precisa de permissão das autoridades governamentais.

Mas também existem momentos desagradáveis ​​que podem estragar o quadro geral. Por exemplo, determinar a eficiência do sistema exigirá um longo período - pelo menos 3 anos (desde que haja energia solar suficiente e seja utilizada ativamente).

Somente a instalação de módulos solares exigirá grandes investimentos: os painéis de silício mais baratos custarão pelo menos 2.200 rublos. por peça e elementos policristalinos de seis diodos da primeira categoria - até 17.000 por peça. Calcular o custo de 30 módulos é bastante simples (+)

Os usuários observam as seguintes desvantagens:

• preços elevados dos equipamentos necessários para colocar o sistema em operação;
• dependência direta da quantidade de calor produzida na localização geográfica e no clima;
• a presença obrigatória de uma fonte reserva, por exemplo, uma caldeira a gás (na prática, um sistema solar costuma ser uma reserva).

Para obter maiores retornos, é necessário monitorar regularmente a operacionalidade dos coletores, limpá-los de detritos e protegê-los da formação de gelo durante geadas. Se a temperatura cair frequentemente abaixo de 0ºC, é necessário cuidar do isolamento térmico adicional não só dos elementos do sistema solar, mas também da casa como um todo.

Energia solar para aquecimento

O principal objetivo das células fotovoltaicas de armazenamento de energia é fornecer eletricidade para a casa. Para incluí-los no diagrama dispositivos de sistema de aquecimento e para obter um funcionamento ideal é necessário montar o circuito com um tanque de armazenamento.

É nele que será aquecida a água que, ao atingir uma determinada temperatura, encherá as tubagens e radiadores das divisões que necessitam de aquecimento (sala, casa de banho).

Sistema alimentado por energia solar, com tanque de circuito duplo que organiza o aquecimento e o fornecimento de água quente em duas direções: aos radiadores de aquecimento e aos pontos de distribuição (+)

Vamos tentar analisar as características de design dos painéis solares e determinar seu papel potencial no sistema de aquecimento.

O princípio de funcionamento dos painéis com fotocélulas

Existem três tipos comuns de elementos para painéis solares:

• Monocristalino. São wafers finos do silício mais puro, cortados de um cristal cultivado em condições artificiais. A variedade mais produtiva com uma eficiência de cerca de 17-18%. A temperatura ideal de operação é de 5 ºС a 25 ºС.

• Policristalino. Feito a partir de wafers obtidos pelo resfriamento gradual do silício fundido. A tecnologia para sua produção exige menos mão-de-obra, mas a eficiência dos elementos fotovoltaicos feitos de policristalinos é significativamente menor - não mais que 12%.

• Amorfo. Eles são filmes. Fabricado pelo método da fase de evaporação, em que o silício na forma de uma película fina é depositado sobre uma base polimérica flexível. O método de produção mais barato é aliado à baixa produtividade, estimada em até 7%.

Para a instalação de sistemas de aquecimento autónomos nas regiões norte, considera-se a opção mais adequada baterias fotovoltaicas, montado a partir de elementos monocristalinos. Porém, baterias com módulos amorfos são mais fáceis de instalar, praticamente não necessitam de base e são muito mais baratas.

Um módulo monocristalino consiste em elementos conectados em série combinados em módulos. Vários módulos formam uma bateria solar.A superfície escura dos sistemas solares fotovoltaicos otimiza a absorção dos raios solares

A tarefa dos elementos externos é absorver e transformar os raios solares. A energia liberada vai além e fica concentrada no tanque de armazenamento. Um pequeno elemento produz cerca de 100-250 W, e um painel pré-fabricado de 25-30 m² fornece eletricidade para uma pequena casa. A instalação de um sistema de aquecimento exigirá 2 a 3 vezes mais energia.

Um inversor atua como um conversor de corrente contínua da “produção” solar em eletricidade, uma vez que a corrente alternada é necessária para o funcionamento de eletrodomésticos e lâmpadas.

Se falarmos especificamente do sistema de aquecimento, uma caldeira elétrica para aquecimento de água também funciona em corrente alternada. Para fornecer luz à sua casa à noite, você precisará de baterias que armazenem os suprimentos diurnos.

Os módulos inversores são instalados em local conveniente para manutenção, embora não exija controle constante e funcione em modo automático (+)

Eficiência do uso de fotocélulas

Mais fácil de comprar coletores solares e aplique um dos esquemas simples que foram comprovados ao longo dos anos. No entanto, as circunstâncias por vezes ditam as suas próprias condições. Digamos que você tenha um sistema gerador solar em ótimo funcionamento, mas por enquanto ele serve apenas para fornecer energia elétrica e fornecer água quente para sua casa.

É claro que comprar novos equipamentos não é lucrativo, por isso é mais fácil aumentar a potência adquirindo um certo número de conversores fotoelétricos. Opção econômica - painéis de silício com produtividade de até 23-25%.

É necessário conectar um dispositivo de aquecimento movido a eletricidade à fonte de corrente.Uma opção universal é uma caldeira equipada com fiação de distribuição.

Os elementos de filme polimérico são muito menos comuns no mercado russo do que os análogos mono e policristalinos de silício. São fáceis de instalar, mas têm baixa eficiência - apenas 6%

Se o fornecimento de eletricidade estiver devidamente organizado, deverá ser suficiente tanto para o abastecimento de água quente como para o aquecimento. Há exemplos em que a casa está totalmente abastecida de calor - isso pode ser reconhecido pelo telhado, quase totalmente coberto por painéis.

Às vezes é necessário erguer estruturas independentes especiais se a área do telhado não for suficiente. Acontece que para aumentar a potência, é necessário espaço livre adicional.

Mesmo os cálculos mais cuidadosos não ajudarão você a determinar a quantidade exata de energia potencial e a criar rapidamente um sistema eficaz e que funcione bem. O fato é que na prática surgem obstáculos cujo aparecimento é bastante difícil de prever.

Aqui estão alguns dos fatores:

• Inconsistência do clima. O número exato de dias ensolarados é desconhecido mesmo nas regiões do sul. É quase impossível prever com segurança o seu número nas regiões do norte.
• Irregularidade no recebimento de energia elétrica. Por exemplo, nas regiões norte há poucas horas de luz do dia no inverno, por isso muita energia solar reciclada é gasta na iluminação. Além disso, a intensidade da radiação solar no inverno diminui significativamente.
• Avarias periódicas. Como todos os sistemas técnicos, os painéis solares podem falhar ocasionalmente devido a danos em elementos individuais, ligações contratuais, superfícies de proteção, etc.

Conseqüentemente, você só poderá saber mais sobre a eficácia após um determinado período de tempo, pelo menos após um ano. Pode ser necessário aumentar o número de fotocélulas ou baterias, considerar um isolamento térmico adicional da casa e reduzir a área aquecida. Suponha que nas regiões do norte da Alemanha, para economizar dinheiro, os quartos muitas vezes não sejam aquecidos.

A manutenção das fotocélulas instaladas não requer habilidades especiais e consiste na limpeza regular: remoção de neve no inverno e detritos nos períodos quentes, lavagem da superfície do vidro com água de mangueira

Diagrama de instalação de usina doméstica

A maneira mais fácil instalações de geradores solares – entrar em contato com uma empresa que vende componentes de sistema e oferece serviços de instalação. Prós - um projeto profissional levando em consideração as características individuais, garantia para todos os produtos e instalação, menos - alto custo.

Se você tiver experiência relevante, poderá montar de forma independente uma minicentral elétrica com painéis solares para aquecimento de uma casa particular.

O mais eficaz é considerado um esquema híbrido para o projeto de um sistema ar-solar, no qual são utilizadas fotocélulas para geração de energia, coletores para aquecimento de água e instalação de um gerador eólico adicional. Pode ser substituído por uma fonte de combustível reserva (+)

Todas as peças para montagem do sistema de aquecimento são vendidas em lojas especializadas.

Você deve adquirir os seguintes componentes:

• um conjunto de módulos solares de silício ou filme;
• uma bateria recarregável que armazena energia;
• controlador de carga que regula o processo de carga e descarga da bateria;
• um inversor que converte corrente contínua em corrente alternada;
• conjunto de cabos de conexão.

É desejável que as baterias sejam iguais (tendo em conta a marca, capacidade e até lote) e possam armazenar energia durante 3-4 dias. A duração do seu funcionamento depende da temperatura ambiente - em condições frias descarregam rapidamente. Se o consumo diário for de 2.400 Wh, são necessárias baterias com capacidade total de pelo menos 1.000 Ah.

Ao utilizar baterias automotivas, lembre-se que sua eficiência máxima é de 70-75% (vida útil - 3 anos), dispositivos especiais para sistemas solares têm o melhor desempenho - até 85% (vida útil - 10 anos). Alguma energia é perdida durante o armazenamento e conversão

A qualidade da corrente produzida por senoidal inversores para sistemas solares, superior aos indicadores atuais da rede centralizada. Uma particularidade do equipamento é a sincronização da fase de tensão, na qual a transição de 12 V para 220 V é realizada sem interrupção no funcionamento dos eletrodomésticos.

Potência do inversor – de 250 W a 6.000 W e superior. Você pode aumentar a potência de saída conectando vários dispositivos em paralelo. Por exemplo, 3 x 3.000 W = 9.000 W (+)

Após a instalação de todos os elementos do sistema solar, é necessário conectar ao inversor um tanque elétrico que aquece a água, e ao tanque, por sua vez, uma tubulação de aquecimento.

Sistema de aquecimento do coletor

A maior eficiência e retorno podem ser alcançados com a instalação de coletores em vez de módulos solares - instalações externas nas quais a água é aquecida sob a influência da radiação solar. Tal sistema é mais lógico e natural, pois não requer aquecimento do refrigerante por outros dispositivos.

Consideremos o projeto e o princípio de funcionamento de dois tipos principais de dispositivos: planos e tubulares.

Versão plana para autoprodução

O projeto das instalações planas é tão simples que artesãos experientes montam análogos de artesanato com as próprias mãos, comprando algumas peças em uma loja especializada e construindo algumas com sucata.

Dentro da caixa isolada de aço ou alumínio existe uma placa que absorve o calor solar. Na maioria das vezes é revestido com uma camada de cromo preto. O absorvedor de calor é protegido na parte superior por uma tampa transparente selada.

O aquecimento da água ocorre em tubos colocados em uma cobra e conectados a uma placa. Água ou anticongelante entra na caixa pelo tubo de entrada, aquece nos tubos e segue para a saída - para o tubo de saída.

A transmitância de luz da tampa é explicada pelo uso de material transparente - vidro temperado durável ou plástico (por exemplo, policarbonato). Para evitar que os raios solares sejam refletidos, a superfície de vidro ou plástico é fosca (+)

Existem dois tipos de conexão, tubo único e tubo duplo, não há diferença fundamental na escolha. Mas há uma grande diferença na forma como o refrigerante será fornecido aos coletores - por gravidade ou por bomba. A primeira opção é considerada ineficaz devido à baixa velocidade de movimento da água, pois segundo o princípio do aquecimento assemelha-se a um recipiente para um banho de verão.

O funcionamento da segunda opção ocorre devido à conexão de uma bomba de circulação, que fornece refrigerante à força. A fonte de energia para operar o equipamento de bombeamento pode ser um sistema de energia movido a energia solar.

A temperatura do refrigerante quando aquecido pelo coletor solar atinge 45-60 ºС, na saída o valor máximo é 35-40 ºС. Para aumentar a eficiência do sistema de aquecimento, são utilizados “pisos quentes” juntamente com radiadores (+)

Coletores tubulares - uma solução para a região Norte

O princípio geral de operação lembra o funcionamento de análogos planos, mas com uma diferença: os tubos de troca de calor com refrigerante estão localizados dentro de frascos de vidro. Os próprios tubos podem ser de penas, selados de um lado e com aparência semelhante a penas, e coaxiais (vácuo), inseridos um no outro e selados em ambos os lados.

Os trocadores de calor também são diferentes:

• sistema de conversão de energia solar em energia térmica Heat-pipe;
• um tubo de transferência de refrigerante tipo U normal.

O segundo tipo de trocador de calor é considerado mais eficiente, mas não é popular o suficiente devido ao custo dos reparos: se um tubo falhar, toda a seção terá que ser substituída.

O Heat-pipe não faz parte de um segmento inteiro, portanto pode ser trocado em 2 a 3 minutos. Elementos coaxiais com falha podem ser reparados simplesmente removendo o plugue e substituindo o canal danificado.

Um diagrama que explica o processo de aquecimento cíclico dentro dos tubos de vácuo: o líquido frio, sob a influência do calor solar, aquece e evapora, dando lugar à próxima porção de refrigerante frio (+)

Depois de analisar as características técnicas dos vários tipos de coletores e resumir a experiência de sua utilização, decidimos que os coletores planos são mais adequados para as regiões sul e os tubulares são mais adequados para as regiões norte. As instalações com o sistema Heat-pipe provaram-se especialmente bem em climas adversos.Possuem capacidade de aquecimento mesmo em dias nublados e à noite, “alimentando-se” de uma quantidade mínima de luz solar.

Exemplo de diagrama padrão para conexão de coletores solares a equipamentos de caldeira: a estação de bombeamento circula a água, o controlador regula o processo de aquecimento

Método para aumentar a produtividade

Normalmente, depois de experimentar um pequeno número de módulos solares, os proprietários de residências vão além e melhoram o sistema de várias maneiras.

A maneira mais fácil é aumentar o número de módulos envolvidos, atrair espaço adicional para acomodá-los e adquirir equipamentos relacionados mais potentes.

O que fazer se faltar espaço livre? Aqui estão algumas recomendações para aumentar a eficiência de uma estação solar (com fotocélulas ou coletores):

• Alterando a orientação dos módulos. Elementos móveis em relação à posição do sol. Simplificando, instalando a maior parte dos painéis no lado sul. Durante as longas horas do dia, também é ideal usar superfícies voltadas para leste e oeste.

• Ajuste do ângulo de inclinação. O fabricante costuma indicar qual ângulo é mais preferível (por exemplo, 45º), mas às vezes durante a instalação é necessário fazer ajustes levando em consideração a latitude geográfica.

• Escolha correta do local de instalação. O telhado é adequado porque geralmente é o plano mais alto e não é obscurecido por outros objetos (por exemplo, árvores de jardim). Mas existem áreas ainda mais adequadas - dispositivos giratórios de rastreamento solar.

Quando os elementos são posicionados perpendicularmente aos raios solares, o sistema funciona de forma mais eficiente, mas numa superfície estável (por exemplo, um telhado) isto só é possível por um curto período de tempo. Para aumentar isso, foram inventados dispositivos práticos de rastreamento.

Os mecanismos de rastreamento são plataformas dinâmicas que giram com seus planos seguindo o sol. Graças a eles, a produtividade do gerador aumenta cerca de 35-40% no verão e 10-12% no inverno.

A grande desvantagem dos dispositivos de rastreamento é o seu alto custo. Em alguns casos não compensa, por isso não adianta investir em mecanismos inúteis.

Estima-se que 8 painéis seja o número mínimo em que os custos serão justificados ao longo do tempo. Você pode usar de 3 a 4 módulos, mas com uma condição: se eles estiverem conectados diretamente à bomba d'água, desviando das baterias.

Ainda outro dia, a Tesla Motors anunciou a criação de um novo tipo de teto - com integrado painéis solares. Elon Musk disse que o telhado modificado será mais barato que um telhado convencional com coletores ou módulos instalados.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeos temáticos ajudarão você a imaginar melhor o projeto de estações solares domésticas e revelarão alguns segredos da instalação de equipamentos.

Vídeo nº 1. Informações técnicas disponíveis sobre painéis solares e controladores de carga:

Vídeo nº 2. Experiência útil no uso de painéis solares na região de Moscou:

Vídeo nº 3. Um exemplo de estação solar funcionando com sucesso, totalmente montada de forma independente, fornecendo abastecimento de água quente e aquecimento da casa:

Como você pode ver, um sistema de aquecimento solar é um fenômeno muito real que você mesmo pode implementar. O campo dos métodos alternativos de obtenção de energia está em constante desenvolvimento, talvez amanhã você ouça falar de uma nova descoberta.

Convidamos você a comentar ativamente o material. Você pode expressar sua atitude em relação à “energia verde”, compartilhar sua experiência na instalação de um sistema de painéis solares e contar apenas as sutilezas conhecidas no bloco abaixo.