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

Na última década, a energia solar como fonte alternativa de energia tem sido cada vez mais utilizada para aquecimento e fornecimento de água quente aos edifícios. O principal motivo é o desejo de substituir os combustíveis tradicionais por fontes de energia acessíveis, ambientalmente amigáveis ​​e renováveis.

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

A viabilidade de usar um sistema solar

Heliosystem - um complexo para converter energia de radiação solar em calor, que é posteriormente transferido para um trocador de calor para aquecer o meio de aquecimento de um sistema de aquecimento ou fornecimento de água.

A eficiência da instalação solar térmica depende da insolação solar - a quantidade de energia fornecida durante uma luz do dia por 1 metro quadrado de superfície localizada em um ângulo de 90 ° em relação à diretividade da luz solar. O valor medido do indicador é kW * h / m2, o valor do parâmetro varia de acordo com a estação.

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

O uso de uma fonte de energia alternativa permite aquecer a casa, obter água quente sem os custos tradicionais de energia - exclusivamente através da radiação solar

A instalação de um sistema de aquecimento solar é um empreendimento caro. Para que as despesas de capital sejam pagas, é necessário um cálculo preciso do sistema e a aderência à tecnologia de instalação.

Um exemplo O valor médio da insolação solar para Tula no meio do verão é de 4,67 kV / m² * dia, desde que o painel do sistema seja instalado em um ângulo de 50 °. A capacidade do coletor solar de 5 metros quadrados é calculada da seguinte forma: 4,67 * 4 = 18,68 kW de calor por dia. Este volume é suficiente para aquecer 500 litros de água de uma temperatura de 17 ° C a 45 ° C.

Como mostra a prática, ao usar uma instalação solar, os proprietários da casa no verão podem mudar completamente do aquecimento elétrico ou a gás para o método solar

Falando sobre a viabilidade da introdução de novas tecnologias, é importante levar em consideração os recursos técnicos de um coletor solar específico. Alguns começam a trabalhar a 80 W / m² de energia solar, enquanto outros precisam de apenas 20 W / m².

Mesmo no clima do sul, o uso de um sistema coletor exclusivamente para aquecimento não compensa. Se a instalação for usada exclusivamente no inverno com falta de sol, o custo do equipamento não será coberto por 15 a 20 anos.

Para usar o heliocomplex da maneira mais eficiente possível, ele deve ser incluído no sistema de abastecimento de água quente. Mesmo no inverno, um coletor solar permitirá que você "corte" as contas de energia para aquecer a água de 40 a 50%.

Segundo especialistas, com uso doméstico, o sistema solar se paga em cerca de 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” tem vantagens adicionais:

1. Simpatia ambiental. As emissões de dióxido de carbono são reduzidas. Durante um ano, 1 metro quadrado do coletor solar impede que 350-730 kg de mineração entrem na atmosfera.
2. Estética. O espaço de uma banheira ou cozinha compacta pode ser eliminado de caldeiras ou gêiseres volumosos.
3. Longevidade. Os fabricantes afirmam que, sujeito à tecnologia de instalação, o complexo durará cerca de 25 a 30 anos. Muitas empresas oferecem uma garantia de até 3 anos.

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

Disposição geral e princípio de operação

Considere um sistema solar com um coletor como o principal elemento de trabalho do sistema. A aparência da unidade se assemelha a uma caixa de metal, cuja parte frontal é feita de vidro temperado. Dentro da caixa há um corpo de trabalho - uma bobina com um absorvedor.

O bloco de absorção de calor fornece aquecimento do transportador de calor - o líquido circulante, transfere o calor gerado para o circuito de suprimento de água.

Os principais componentes do heliosistema: 1 - campo coletor, 2 - ventilação, 3 - estação de distribuição, 4 - tanque de alívio de pressão, 5 - controlador, 6 - aquecedor de água, 7,8 - elemento de aquecimento e trocador de calor, 9 - válvula misturadora de calor, 10 - consumo de água quente, 11 - entrada de água fria, 12 - descarga, T1 / T2 - sensores de temperatura

O coletor solar deve trabalhar em conjunto com um tanque de armazenamento. Como o líquido de refrigeração é aquecido a uma temperatura de 90-130 ° C, ele não pode ser alimentado diretamente a torneiras de água quente ou radiadores de aquecimento. O líquido de refrigeração entra no trocador de calor da caldeira. O tanque de armazenamento é frequentemente complementado por um aquecedor elétrico.

Esquema de trabalho:

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

A água aquecida do aquecedor de água é fornecida ao circuito de aquecimento ou aos pontos de entrada de água.

Ao organizar um sistema de aquecimento ou fornecimento de água quente durante todo o ano, o sistema é equipado com uma fonte de aquecimento adicional (caldeira, aquecedor elétrico). Este é um pré-requisito para manter a temperatura definida.

Os painéis solares no arranjo de casas particulares são mais frequentemente usados ​​como fonte alternativa de eletricidade:

Variedades de coletores solares

Independentemente da finalidade, o sistema solar é equipado com um coletor solar tubular plano ou esférico. Cada uma das opções possui vários recursos distintos 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 um líquido de arrefecimento são colocados em frascos de diâmetro maior. Uma camada de vácuo é formada entre os vasos, responsável pelo isolamento térmico (preservação do calor - até 95%). A forma tubular é ideal para manter o vácuo e a "ocupação" dos raios solares.

Elementos básicos de uma instalação térmica solar tubular: estrutura de suporte, corpo do trocador de calor, tubos de vidro a vácuo tratados com um revestimento altamente seletivo para intensa "absorção" da energia solar

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

No processo de condensação, as gotas de água fluem para a ponta do tubo e o processo se repete.

Devido à presença de uma camada de vácuo, o líquido no interior do bulbo de calor é capaz de ferver e evaporar na temperatura da rua negativa (até -35 ° C).

As características dos módulos solares dependem de tais critérios:

• desenho de tubos - penas coaxiais;
• dispositivo de canal de calor - "Tubo de calor"circulação de fluxo direto.

Bulbo de penas - um tubo de vidro no qual estão incluídos um absorvedor de placas e um canal de calor. A camada de vácuo passa por todo o comprimento do canal de calor.

Tubo coaxial - balão duplo com "inserção" de vácuo entre as paredes de dois tanques. O calor é transferido do interior do tubo. A ponta do termotubo está equipada com um indicador de vácuo.

A eficiência dos tubos de caneta (1) é maior em comparação aos modelos coaxiais (2). No entanto, os primeiros são mais caros e mais difíceis de instalar. Além disso, em caso de avaria, o frasco de caneta terá que ser substituído completamente.

O canal do tubo de calor é a variante mais comum de transferência de calor em coletores solares.

O mecanismo de ação é baseado na colocação de um líquido volátil em tubos de metal selados.

A popularidade do "tubo de calor" se deve ao custo acessível, à despretensão do serviço e à 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 a um arco em forma de U passam por um balão de vidro

O líquido de refrigeração que flui através do canal é aquecido e alimentado ao corpo do coletor.

Opções de projeto para um coletor solar a vácuo: 1 - modificação com um tubo de aquecimento central “Heat pipe”, 2 - instalação solar com circulação de fluxo direto do líquido de refrigeração

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

Opção 1 Balão coaxial com "tubo de calor" é a solução mais popular. No coletor, o calor é transferido repetidamente das paredes do tubo de vidro para o balão interno e depois para o líquido de arrefecimento. O grau de eficiência óptica chega a 65%.

O esquema do tubo coaxial “Tubo de calor”: 1 - uma concha de vidro, 2 - revestimento seletivo, 3 - aletas de metal, 4 - vácuo, 5 - lâmpada de calor com substância fervente leve, 6 - tubo interno de vidro

Opção 2 O balão coaxial de fluxo direto é conhecido como coletor em forma de U. Graças ao design, as perdas de calor são reduzidas - a energia térmica do alumínio é transferida para os tubos com um líquido de arrefecimento em circulação.

Juntamente com a alta eficiência (até 75%), o modelo tem desvantagens:

• complexidade da instalação - os frascos são uma única unidade com um corpo coletor de dois tubos (dobra principal) e são instalados como um todo;
• a substituição de um tubo é excluída.

Além disso, a unidade em forma de U é exigente no líquido de arrefecimento e mais cara que os modelos "Tubo de calor".

O dispositivo do coletor solar em forma de U: 1 - "cilindro" de vidro, 2 - revestimento absorvente, 3 - "cobertura" de alumínio, 4 - balão com líquido de refrigeração, 5 - vácuo, 6 - tubo de vidro interno

Opção 3 Tubo de penas com o princípio de ação "Tubo de calor". Características distintivas do colecionador:

• altas características ópticas - eficiência de cerca de 77%;
• absorvedor plano transfere diretamente a energia térmica para o tubo de transferência de calor;
• através do uso de uma única camada de vidro, o reflexo da radiação solar é reduzido;

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

Opção 4 O balão de fonte de fluxo direto é a ferramenta mais eficaz para o uso de energia solar como fonte alternativa de energia para aquecimento de água ou aquecimento de residências. O coletor de alto desempenho trabalha com uma eficiência de 80%. A desvantagem do sistema é a dificuldade de reparo.

Esquemas do dispositivo dos coletores solares de penas: 1 - um sistema solar com um canal "Heat pipe", 2 - uma caixa de dois tubos de um coletor solar com movimento de fluxo direto do líquido de refrigeração

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

• desempenho em baixa temperatura;
• baixa perda de calor;
• duração do funcionamento durante o dia;
• a capacidade de aquecer o líquido de refrigeração a altas temperaturas;
• baixo vento;
• facilidade de instalação.

A principal desvantagem dos modelos a vácuo é a impossibilidade de auto-limpeza da cobertura de neve. A camada de vácuo não libera calor; portanto, a camada de neve não derrete e bloqueia o acesso do sol ao campo coletor. Desvantagens adicionais: preço alto e necessidade de respeitar o ângulo de trabalho do frasco pelo menos 20 °.

Os coletores solares que aquecem o líquido de refrigeração do ar podem ser usados ​​na preparação de água quente, se estiverem equipados com um tanque de armazenamento:

Leia mais sobre o princípio de operação de um coletor solar a vácuo com tubos. além disso.

Água - a melhor opção para as latitudes do sul

Coletor solar plano (painel) - uma placa retangular de alumínio, fechada na parte superior com uma tampa de plástico ou vidro. Dentro da caixa há um campo de absorção, uma bobina de metal e uma camada de isolamento térmico. A área do coletor é preenchida com uma linha de fluxo através da qual o líquido de refrigeração se move.

Os componentes básicos de um coletor solar plano: caixa, absorvedor, revestimento protetor, camada de isolamento térmico e elementos de fixação. Na montagem, é utilizado vidro fosco com uma transmitância na faixa espectral de 0,4-1,8 microns.

A absorção de calor de um revestimento absorvente altamente seletivo atinge 90%. Um tubo metálico de fluxo é colocado 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 de refrigeração inclui várias etapas tradicionais:

Se o circuito de aquecimento for complementado por uma linha que fornece água sanitária ao suprimento de água quente, faz sentido conectar um acumulador de calor ao coletor solar. A opção mais simples será um tanque de capacidade adequada com isolamento térmico, capaz de manter a temperatura da água aquecida. Ele deve ser instalado no viaduto:

Um coletor tubular com um líquido de arrefecimento líquido atua como um efeito de "estufa" - os raios do sol penetram através do vidro e aquecem a tubulação. Graças à estanqueidade e isolamento térmico, o calor é retido dentro do painel.

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

• vidro comum - o revestimento mais barato e quebradiço;
• vidro temperado - alto grau de dispersão da luz e maior resistência;
• vidro anti-reflexo - difere na capacidade de absorção máxima (95%) devido à presença de uma camada que elimina o reflexo dos raios solares;
• vidro autolimpante (polar) com dióxido de titânio - a poluição orgânica queima ao sol, e os restos de lixo são lavados pela chuva.

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

Reflexão da luz solar e absorção: 1 - revestimento anti-reflexo, 2 - vidro temperado resistente ao impacto. A espessura ideal da carcaça externa de proteção é de 4 mm

Características operacionais e funcionais dos painéis solares:

• em sistemas de circulação forçada, é fornecida uma função de descongelamento que permite remover rapidamente a cobertura de neve no heliopol;
• 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 superaquecer - com um excesso de energia térmica, é possível o resfriamento forçado do líquido de refrigeração;
• resistência ao impacto aumentada em comparação com contrapartes tubulares;
• a capacidade de montar em qualquer ângulo;
• preços acessíveis.

Sistemas não estão isentos de falhas. Durante um período de deficiência de radiação solar, à medida que a diferença de temperatura aumenta, a eficiência de um coletor solar plano diminui significativamente devido ao isolamento térmico insuficiente. Portanto, o módulo do painel compensa no verão ou em regiões com clima quente.

Heliosystems: recursos de design e operação

A diversidade dos sistemas solares pode ser classificada pelos seguintes parâmetros: o método de utilização da radiação solar, o método de circulação do líquido de refrigeração, o número de circuitos e a sazonalidade da operação.

Complexo ativo e passivo

Um coletor solar é fornecido em qualquer sistema de conversão de energia solar. Com base no método de utilização do calor obtido, são distinguidos dois tipos de heliocomplexos: passivo e ativo.

A primeira variedade é o sistema de aquecimento solar, onde os elementos estruturais do edifício atuam como elemento absorvedor de calor da radiação solar. O teto, a parede do coletor ou as janelas agem como uma superfície receptora de hélio.

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

Nos países europeus, tecnologias passivas são usadas na construção de edifícios com eficiência energética. As superfícies de recepção de hélio decoram sob janelas falsas. Atrás do revestimento de vidro há uma parede de tijolos enegrecida com aberturas de luz.

Os acumuladores de calor são elementos estruturais - paredes e pisos, isolados com poliestireno por fora.

Sistemas ativos envolvem o uso de dispositivos independentes que não estão relacionados à construção.

Os complexos considerados acima, com coletores tubulares e planos, se enquadram nessa categoria - as instalações térmicas solares, em regra, são colocadas no telhado de um edifício

Sistemas de termossifão e circulação

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

Nos sistemas de termossifão, o tanque de armazenamento está localizado acima do coletor, proporcionando circulação espontânea do líquido de refrigeração.

O esquema de trabalho é característico dos sistemas sazonais de circuito único. O complexo termossifão não é recomendado para colecionadores com área superior a 12 m².

O sistema solar sem pressão tem uma ampla lista de desvantagens:

• em dias nublados, o desempenho do complexo diminui - é necessária uma grande diferença de temperatura para o movimento do líquido de refrigeração;
• perda de calor devido ao movimento lento do fluido;
• o risco de superaquecimento do tanque devido à incontrolabilidade do processo de aquecimento;
• instabilidade do coletor;
• a dificuldade de colocar o tanque da bateria - quando montado no teto, as perdas de calor aumentam, os processos de corrosão são acelerados, existe o risco de congelamento dos tubos.

Vantagens do sistema "gravitacional": simplicidade de design e acessibilidade.

As despesas de capital para organizar um sistema solar de circulação (forçado) são significativamente maiores do que a instalação de um complexo sem pressão. Uma bomba bate no circuito, proporcionando movimento do líquido de refrigeração. A operação da estação de bombeamento é controlada pelo controlador.

A energia térmica adicional gerada no complexo 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 térmicas solares de circuito duplo durante todo o ano.

Prós de um complexo totalmente funcional:

• escolha ilimitada da localização do tanque de armazenamento;
• desempenho fora de temporada;
• seleção do modo de aquecimento ideal;
• operação de bloqueio de segurança durante superaquecimento.

A desvantagem do sistema é sua dependência de eletricidade.

Esquemas de soluções técnicas: circuito de um - e duplo

Nas instalações de circuito único, circula líquido, que é posteriormente alimentado aos pontos de entrada de água. No inverno, a água do sistema deve ser drenada para evitar congelamento e rachaduras nos tubos.

Características dos complexos térmicos solares de circuito único:

• Recomenda-se o “reabastecimento” do sistema com água purificada e não rígida - a sedimentação de sal nas paredes do tubo leva ao entupimento dos canais e à 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 líquido de refrigeração especial (fluido não congelante com aditivos antiespuma e anticorrosão), que transfere calor para a água através do trocador de calor.

Circuito de heliossistema de circuito único (1) e circuito duplo (2). A segunda opção é caracterizada pelo aumento da confiabilidade, a capacidade de trabalhar no inverno e a duração da operação (20 a 50 anos)

As nuances da operação de um módulo de circuito duplo: uma ligeira diminuição na eficiência (3-5% a menos que em um sistema de circuito único), a necessidade de uma substituição completa do líquido de refrigeração a cada 7 anos.

Condições para trabalhar e aumentar a eficiência

Cálculo e instalação do sistema solar é melhor deixar para os profissionais. A conformidade com a técnica de instalação garantirá a operacionalidade e a obtenção do desempenho declarado. Para melhorar a eficiência e a vida útil, algumas nuances devem ser levadas em consideração.

Válvula termostática. Nos sistemas de aquecimento tradicionais elemento termostático raramente instalado, uma vez que o gerador de calor é responsável pelo ajuste da temperatura. No entanto, ao equipar o sistema solar, a válvula de segurança não deve ser esquecida.

O aquecimento do tanque na temperatura máxima permitida aumenta a produtividade do coletor e permite o uso de calor solar mesmo em dias nublados.

Posicionamento ideal da válvula - 60 cm do aquecedor. Nas proximidades, o “termostato” aquece e bloqueia o fluxo de água quente.

Colocação do tanque de armazenamento. A capacidade do buffer de AQS deve ser instalada em um local acessível. Quando colocados em uma sala compacta, é dada atenção especial à altura dos tetos.

O espaço livre mínimo acima do tanque é de 60 cm. Esse espaço é necessário para manter a bateria e substituir o ânodo de magnésio.

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

O melhor local para o tanque de expansão está no grupo de bombas. O efeito da temperatura durante esta instalação é reduzido significativamente e a membrana retém a elasticidade por mais tempo

Conexão solar. Ao conectar tubos, é recomendável organizar um loop. "Thermo Loop" reduz a perda de calor, impedindo a liberação de fluido aquecido.

Versão tecnicamente correta da implementação do heliocontour "loop". Negligenciar o requisito causa uma diminuição da temperatura no tanque de armazenamento de 1-2 ° C por noite

Válvula de retenção. Evita o "tombamento" da circulação do líquido de refrigeração. Com falta de atividade solar válvula de retenção evita o calor acumulado durante o dia.

Modelos populares de módulos "solares"

Heliosistemas de empresas nacionais e estrangeiras estão em demanda.Os produtos dos fabricantes conquistaram uma boa reputação: NPO Mashinostroeniya (Rússia), Helion (Rússia), Ariston (Itália), Alten (Ucrânia), Viessman (Alemanha), Amcor (Israel) etc.

Sistema solar "Falcon". Coletor solar plano equipado com um revestimento óptico multicamada com pulverização por magnetron. A capacidade mínima de radiação e o alto nível de absorção fornecem uma eficiência de até 80%.

Características de desempenho:

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

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

Opções adicionais:

• caixa - 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 - coletor solar plano para montagem horizontal ou vertical. Absorvedor de cobre com bobina tubular em forma de harpa e revestimento de heliotitano. Transmissão de luz - 81%.

A ordem aproximada de preços para sistemas solares: coletores solares planos - a partir de 400 cu / m², coletores solares tubulares - frascos a vácuo de 350 cu / 10. Um conjunto completo de sistema de circulação - de 2500 cu

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O princípio de operação dos coletores solares e seus tipos:

Avaliação de desempenho de um coletor plano em temperaturas abaixo de zero:

Tecnologia de montagem para um coletor de painéis solares usando o modelo Buderus como exemplo

A energia solar é uma fonte renovável de calor. Dado o aumento dos preços dos recursos energéticos tradicionais, a introdução de sistemas solares justifica os investimentos de capital e compensa nos próximos cinco anos, sujeita às técnicas de instalação.

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