Aquecimento solar de uma casa particular: opções e diagramas de dispositivos

O uso de energia "verde" fornecida por elementos naturais pode reduzir significativamente os custos das concessionárias. Por exemplo, ao organizar o aquecimento solar de uma casa particular, você fornecerá radiadores de baixa temperatura e sistemas de aquecimento de piso com refrigerante praticamente livre. Concordo, isso é uma economia.

Você aprenderá tudo sobre "tecnologias verdes" em nosso artigo. Com a nossa ajuda, você pode descobrir facilmente as variedades de instalações solares, como organizá-las e as especificidades da operação. Certamente você estará interessado em uma das opções populares que estão trabalhando intensamente no mundo, mas não tão popular entre nós até agora.

Na revisão apresentada a sua atenção, os recursos de design dos sistemas são analisados, os diagramas de conexão são descritos em detalhes. Um exemplo de cálculo de um circuito de aquecimento solar para avaliar as realidades de sua construção é dado. Para ajudar mestres independentes, são anexadas coleções de fotos e vídeos.

Tecnologias de calor verde

1 m em média² A superfície da terra recebe 161 watts de energia solar por hora. Obviamente, no equador, esse número será muitas vezes maior do que no Ártico. Além disso, a densidade da radiação solar depende da época do ano.

Na região de Moscou, a intensidade da radiação solar em dezembro-janeiro difere de maio a julho em mais de cinco vezes. No entanto, os sistemas modernos são tão eficazes que podem funcionar em quase todos os lugares da Terra.

Os sistemas solares modernos são capazes de funcionar eficazmente em tempo nublado e frio até -30 ° C

Tarefa de uso energia de radiação solar com eficiência máxima é resolvido de duas maneiras: aquecimento direto em coletores térmicos e baterias solares fotovoltaicas.Os painéis solares primeiro convertem a energia dos raios solares em eletricidade e depois os transmitem através de um sistema especial aos consumidores, como uma caldeira elétrica.

Os coletores de calor, aquecidos pela ação da luz solar, aquecem o líquido refrigerante dos sistemas de aquecimento e o fornecimento de água quente.

Os coletores térmicos são apresentados de várias formas, incluindo sistemas abertos e fechados, estruturas planas e esféricas, coletores hemisféricos, concentradores e muitas outras opções. A energia térmica recebida dos coletores solares é usada para aquecer água quente ou um meio de aquecimento.

Uma ampla gama de indústrias produz sistemas múltiplos para inclusão em uma rede de aquecimento independente. No entanto, a opção mais simples para uma residência de verão é fácil de usar:

Apesar do claro progresso no desenvolvimento de soluções para a coleta, armazenamento e uso de energia solar, há vantagens e desvantagens.

Uso eficiente de energia solar

O benefício mais óbvio do uso de energia solar é sua disponibilidade geral. De fato, mesmo no clima mais sombrio e nublado, a energia solar pode ser coletada e usada.

A segunda vantagem é zero emissões. De fato, esta é a forma de energia mais ecológica e natural. Painéis solares e colecionadores não fazem barulho. Na maioria dos casos, eles são instalados nos telhados dos edifícios sem ocupar a área útil de uma área suburbana.

A eficiência do aquecimento solar em nossas latitudes é bastante baixa, devido ao número insuficiente de dias ensolarados para a operação regular do sistema (+)

As desvantagens associadas ao uso de energia solar são a inconstância da iluminação. No escuro, não há nada a recolher, a situação é agravada pelo fato de que o pico da estação de aquecimento cai nas mais curtas horas de luz do ano. É necessário monitorar a limpeza óptica dos painéis, uma pequena poluição reduz drasticamente a eficiência.

Além disso, não se pode dizer que a operação do sistema com energia solar seja totalmente gratuita, há custos constantes para depreciação de equipamentos, operação da bomba de circulação e eletrônica de controle.

Uma desvantagem significativa do aquecimento com base no uso de coletores solares é a incapacidade de armazenar energia térmica. Somente o tanque de expansão está incluído no circuito (+)

Coletores solares abertos

Um coletor solar aberto é um sistema de tubos desprotegidos de influências externas, através do qual circula um transportador de calor aquecido diretamente pelo sol.

Água, gás, ar e anticongelante são usados ​​como transportador de calor. Os tubos são montados em um painel de suporte na forma de uma bobina ou são conectados em linhas paralelas ao tubo de saída.

Os coletores solares do tipo aberto não são capazes de lidar com o aquecimento de uma casa particular. Devido à falta de isolamento, o líquido de arrefecimento esfria rapidamente. Eles são usados ​​no verão principalmente para aquecer água em chuveiros ou piscinas

Coletores abertos geralmente não têm isolamento. O design é muito simples, portanto, tem um custo baixo e geralmente é feito de forma independente.

Devido à falta de isolamento, eles praticamente não preservam a energia recebida do sol e são caracterizados por baixa eficiência. Eles são usados ​​principalmente no verão para aquecer a água em piscinas ou chuveiros de verão.

Eles são instalados em regiões ensolaradas e quentes, com pequenas diferenças de temperatura ambiente e água aquecida. Eles funcionam bem apenas em clima ensolarado e calmo.

O coletor solar mais simples, com um dissipador de calor feito de uma baia de tubos de polímero, garantirá o fornecimento de água aquecida no chalé para irrigação e necessidades domésticas

Distribuidores tubulares

Os coletores solares tubulares são montados a partir de tubos separados ao longo dos quais a água, o gás ou o vapor circulam. Essa é uma das variedades de heliosistemas abertos. No entanto, o líquido de refrigeração já está muito melhor protegido do negativo externo. Especialmente em instalações a vácuo, dispostas segundo o princípio de garrafas térmicas.

Cada tubo é conectado ao sistema separadamente, paralelo um ao outro. Se um tubo falhar, é fácil substituí-lo por um novo. Toda a estrutura pode ser montada diretamente no telhado 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 grande vantagem dos coletores solares tubulares é a forma cilíndrica dos principais elementos, devido à qual a radiação solar é capturada durante todo o dia sem o uso de sistemas de rastreamento caros para o movimento do sol.

Um revestimento multicamada especial cria uma espécie de armadilha óptica para a luz solar. O diagrama mostra parcialmente a parede externa da lâmpada de vácuo, refletindo os raios nas paredes da lâmpada interna (+)

De acordo com o design dos tubos, os coletores solares de penas e coaxiais são diferenciados.

O tubo coaxial é um vaso Dyayur ou uma garrafa térmica familiar. Feito de dois frascos entre os quais o ar é bombeado. Um revestimento altamente seletivo que absorve efetivamente a energia solar é aplicado à superfície interna da lâmpada interna.

Com a 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 trocador de calor interno a partir de chapas de alumínio. Nesta fase, ocorre perda de calor indesejada.

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

O sistema recebeu esse 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.

De acordo com o método de transferência de calor, existem dois sistemas: de passagem única e com um tubo de calor. O termotubo é um recipiente selado com um líquido volátil.

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

Dentro do termotubo existe um líquido volátil que absorve o calor da parede interna do balão ou do absorvedor de penas. Sob a influência da temperatura, o líquido ferve e sobe na forma de vapor. Depois que o calor é transferido para o meio de aquecimento ou para o suprimento de água quente, o vapor condensa em um líquido e flui para baixo.

Como líquido volátil, a água é frequentemente usada a baixa pressão. Em um sistema de fluxo direto, é usado um tubo em forma de U, através do qual a água ou um meio de aquecimento circula.

Metade do tubo em forma de U é projetado para refrigerante frio, o segundo remove o aquecido. Quando aquecido, o líquido de refrigeração se expande e entra no tanque de armazenamento, proporcionando circulação natural. Como no caso de sistemas com termotubo, o ângulo mínimo de inclinação deve ser de pelo menos 20⁰.

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

Os sistemas de fluxo direto são mais eficientes, pois aquecem imediatamente o líquido de refrigeração. Se os sistemas de coletores solares forem planejados para uso durante todo o ano, anticongelantes especiais serão bombeados para eles.

O uso de coletores solares tubulares tem várias vantagens e desvantagens. O design do 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 -30 ° C;
• produtividade efetiva durante o dia;
• bom desempenho em áreas com clima temperado e frio;
• baixo nível de vento, justificado pela capacidade dos sistemas tubulares de passar massas de ar através de si;
• a possibilidade de produzir refrigerante de alta temperatura.

Estruturalmente, a estrutura tubular tem uma superfície de abertura limitada.

Tem as seguintes desvantagens:

• incapaz de se auto-limpar da neve, gelo, gelo;
• alto custo.

Apesar do alto custo inicial, os coletores tubulares são recompensados ​​mais rapidamente. Eles têm uma vida útil longa.

Os coletores tubulares são sistemas solares do tipo aberto, portanto, não são adequados para uso durante todo o ano em sistemas de aquecimento (+)

Sistemas Fechados Planos

O coletor plano consiste em uma estrutura de alumínio, uma camada absorvente especial - um absorvedor, um revestimento transparente, um oleoduto e um aquecedor.

Como absorvedor, é utilizado cobre preto, caracterizado pela condutividade térmica ideal para a criação de sistemas solares. Quando a energia solar é absorvida pelo absorvedor, a energia solar recebida por ele é transferida para o líquido refrigerante que circula ao longo do sistema de tubos adjacente ao absorvedor.

No lado de fora, o painel fechado é protegido por um revestimento transparente. É feito de vidro temperado à prova de choque, com uma banda passante de 0,4-1,8 mícrons. Esse intervalo é responsável pela radiação solar máxima. O vidro à prova de choque fornece boa proteção contra granizo. Na parte traseira, o painel inteiro é isolado de forma confiável.

Os coletores solares planos oferecem desempenho máximo e construção simples. Sua eficiência é aumentada devido ao uso de um absorvedor. Eles são capazes de capturar luz solar dispersa e direta.

A lista de benefícios dos painéis planos fechados inclui:

• simplicidade de design;
• bom desempenho em regiões com clima quente;
• a capacidade de instalar em qualquer ângulo com dispositivos para alterar o ângulo de inclinação;
• a capacidade de se auto-limpar da neve e do gelo;
• preço baixo.

Os coletores solares planos são especialmente vantajosos se sua aplicação for planejada na fase de projeto. A vida útil de produtos de qualidade é de 50 anos.

As desvantagens incluem:

• alta perda de calor;
• peso pesado;
• vento alto ao colocar os painéis em ângulo com o horizonte;
• limitações de desempenho com diferenças de temperatura superiores a 40 ° C.

O escopo dos coletores fechados é muito mais amplo que as instalações solares do tipo aberto. No verão, eles são capazes de satisfazer totalmente a necessidade de água quente. Em dias frios, não incluídos pelos serviços públicos durante a estação de aquecimento, eles podem trabalhar em vez de aquecedores a gás e elétricos.

Para aqueles que desejam faça um coletor solar com suas próprias mãos para um dispositivo de aquecimento no país, sugerimos que você se familiarize com esquemas comprovados e instruções de montagem passo a passo.

Comparação das características dos coletores solares

O indicador mais importante de um coletor solar é a eficiência. O desempenho útil de diferentes coletores solares de design depende da diferença de temperatura. Ao mesmo tempo, os coletores planos são muito mais baratos que os tubulares.

Os valores de eficiência dependem da qualidade de fabricação do coletor solar. O objetivo do gráfico é mostrar a eficácia do uso de diferentes sistemas, dependendo da diferença de temperatura.

Ao escolher um coletor solar, vale a pena prestar atenção a vários parâmetros que mostram a eficiência e a potência do dispositivo.

Existem várias características importantes para coletores solares:

• coeficiente de adsorção - mostra a proporção de energia absorvida em relação ao total;
• fator de emissão - mostra a proporção de energia transmitida e absorvida;
• área total e abertura;
• Eficiência.

A área de abertura é a área de trabalho do coletor solar. Em um coletor plano, a área de abertura é máxima. A área de abertura é igual à área do absorvedor.

Maneiras de se conectar ao sistema de aquecimento

Como os dispositivos com energia solar não podem fornecer uma fonte de alimentação estável e 24 horas por dia, é necessário um sistema resistente a essas deficiências.

Para a Rússia central, os dispositivos solares não podem garantir um suprimento constante de energia; portanto, eles são usados ​​como um sistema adicional. A integração no sistema de aquecimento e água quente existente é diferente para o coletor solar e o painel solar.

Circuito coletor de água

Diferentes sistemas de conexão são utilizados, dependendo da finalidade do uso do coletor de calor. Pode haver várias opções:

1. Opção de verão para água quente
2. Opção de inverno para aquecimento e água quente

A opção de verão é a mais simples e pode fazer sem sequer bomba de circulaçãousando circulação natural de água.

A água é aquecida no coletor solar e, devido à expansão térmica, entra no tanque de armazenamento ou na caldeira. Nesse caso, ocorre a circulação natural: a água fria é sugada para o local da água quente do tanque.

No inverno, a baixas temperaturas, o aquecimento direto da água não é possível. Um anticongelante especial circula em circuito fechado, fornecendo transferência de calor do coletor para o trocador de calor no tanque

Como qualquer sistema baseado na circulação natural, ele não funciona com muita eficiência, exigindo a observância dos vieses necessários. Além disso, o tanque de armazenamento deve ser maior que o coletor solar. Para manter a água o maior tempo possível, o tanque quente deve ser cuidadosamente isolado.

Se você realmente deseja obter a operação mais eficiente do coletor solar, o esquema de conexão é complicado.

Para impedir que o coletor se transforme em um radiador de resfriamento à noite, é necessário interromper a circulação da água à força

O líquido de arrefecimento sem congelamento circula pelo sistema coletor solar. A circulação forçada é fornecida por uma bomba controlada por um controlador.

O controlador controla a operação da bomba de circulação com base nas leituras de pelo menos dois sensores de temperatura. O primeiro sensor mede a temperatura no tanque de armazenamento, o segundo - no tubo de alimentação do transportador de calor quente do coletor solar.

Assim que a temperatura no tanque exceder a temperatura do líquido de refrigeração, no coletor, o controlador desliga a bomba de circulação, interrompendo a circulação do líquido de refrigeração pelo sistema. Por sua vez, quando a temperatura no tanque de armazenamento cai abaixo de um valor predeterminado, a caldeira de aquecimento é ligada.

Com uma nova palavra e uma alternativa eficaz aos coletores solares com refrigerante, sistemas de aço com tubos de vácuo, com o princípio de operação e dispositivos dos quais nos propomos a nos familiarizar.

Circuito solar

Seria tentador aplicar um método semelhante diagrama de conexão solar à rede elétrica, como é o caso do coletor solar, acumulando a energia recebida por dia. Infelizmente, é muito caro criar uma bateria com capacidade suficiente para o sistema de fornecimento de energia de uma casa particular. Portanto, o diagrama de conexão é o seguinte.

Com uma diminuição na energia da corrente elétrica da bateria solar, a unidade ABP (inclusão automática da reserva) garante a conexão dos consumidores a uma rede elétrica comum

Nos painéis solares, a carga vai para o controlador de carga, que executa várias funções: fornece recarga constante das baterias e estabiliza a tensão. Além disso, a corrente elétrica é fornecida ao inversor, onde a conversão de corrente contínua 12V ou 24V em corrente alternada monofásica 220V.

Infelizmente, nossas redes elétricas não estão adaptadas para receber energia; elas podem trabalhar apenas em uma direção, de uma fonte para um consumidor. Por esse motivo, você não poderá vender a eletricidade produzida ou, pelo menos, fazer o medidor girar na direção oposta.

O uso de painéis solares é benéfico, pois eles fornecem uma forma mais versátil de energia, mas ao mesmo tempo não podem ser comparados em eficiência com os coletores solares. No entanto, estes últimos não têm capacidade de acumular energia, diferentemente das baterias solares fotovoltaicas.

Exemplo para calcular a potência necessária

Ao calcular a energia necessária do coletor solar, muitas vezes é errado fazer cálculos com base na energia solar recebida nos meses mais frios do ano.

O fato é que nos meses restantes do ano o sistema inteiro superaquecerá constantemente. A temperatura do líquido de arrefecimento no verão, na saída do coletor solar, pode atingir 200 ° C com aquecimento de vapor ou gás, 120 ° C de anticongelante, 150 ° C de água. Se o líquido de arrefecimento ferver, ele evapora parcialmente. Como resultado, ele terá que ser substituído.

Os fabricantes recomendam começar pelas seguintes figuras:

• fornecimento de água quente não superior a 70%;
• Fornecer um sistema de aquecimento não superior a 30%.

O restante do calor necessário deve ser gerado pelo equipamento de aquecimento padrão. No entanto, com esses indicadores por ano, uma média de cerca de 40% é economizada em aquecimento e fornecimento de água quente.

A energia gerada por um tubo do sistema de vácuo depende da localização geográfica. A taxa de energia solar caindo por ano a 1 m² terra é chamada de insolação.

Conhecendo o comprimento e o diâmetro do tubo, você pode calcular a abertura - a área de absorção efetiva. Resta aplicar os fatores de absorção e emissão para calcular a capacidade de um tubo por ano.

Exemplo de cálculo:

O comprimento padrão do tubo é de 1800 mm, efetivo - 1600 mm. Diâmetro 58 mm. Abertura - uma área sombreada criada pelo tubo. Assim, a área do retângulo da sombra é:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928m²

A eficiência do tubo médio é de 80%, a insolação solar para Moscou é de cerca de 1170 kWh / m² por ano. Assim, um tubo será produzido por ano:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86kW * h

Note-se que esta é uma estimativa muito aproximada. A quantidade de energia gerada depende da orientação da instalação, ângulo, temperatura média anual, etc.

Com todos os tipos fontes de energia alternativas e maneiras de usá-los, você pode encontrar no artigo.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo nº 1. Demonstração da ação do coletor solar no inverno:

Vídeo # 2. Comparação de diferentes modelos de coletores solares:

Ao longo de sua própria existência, a humanidade é consumida cada vez mais energia a cada ano. As tentativas de usar a radiação solar gratuita são realizadas há muito tempo, mas apenas recentemente tornou-se possível o uso eficaz do sol em nossas latitudes. Não há dúvida de que o futuro está nos sistemas solares.

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