Escalfament d'una casa privada amb plaques solars: esquemes i dispositius

Tipus de plaques solars

Els dispositius es divideixen en classes segons el grau de potència:

• baixa potència;
• universal;
• panell de cèl·lules solars.

A més, n'hi ha tres tipus de bateria amb diferents destinació:

1. Convertidors fotoelèctrics (PVC). Converteixen l'energia solar en energia elèctrica.
2. Centrals d'energia solar (HES). S'utilitzen per garantir el funcionament de diverses instal·lacions industrials: turbines, màquines de vapor, etc.
3. Col·lectors solars (SC). Serveix per al subministrament de calor dels locals.

L'elecció i el càlcul de plaques solars per a una casa privada requereix que el propietari conegui les característiques de disseny de l'equip. Hi ha una divisió segons l'estat físic i químic del material de la bateria. Aquesta qüestió s'hauria de considerar amb més detall.

bateries de silici

Les cèl·lules de silici són els tipus més comuns de convertidors fotovoltaics.

La raó d'això és la prevalença i disponibilitat d'aquest material. Al mateix temps, la tecnologia de producció és molt complexa, la producció d'elements costa quantitats importants, la qual cosa obliga els fabricants a buscar opcions per reduir costos.

Fins ara, això només s'aconsegueix a costa d'una eficiència reduïda, però els desenvolupadors busquen constantment maneres de millorar la qualitat i el rendiment dels seus productes. Considereu els tipus de bateries de silici.

Monocristal·lí

Els elements més efectius i cars. S'utilitza silici d'alta puresa, la tecnologia de producció del qual s'ha treballat en la fabricació de semiconductors. Els elements són seccions primes (300 µm) d'un sol cristall cultivat específicament per a aquesta tasca. L'estructura del cristall té una forma regular, els grans es dirigeixen en una direcció. El cost del material és alt, l'eficiència és del 18-22%. La vida útil és molt llarga, almenys 30 anys.

Policristal·lí

Aquests elements s'obtenen refredant gradualment el silici fos.on es formen els policristalls. L'estructura d'aquest material no té una forma regular, els grans no són paral·lels i es dirigeixen en diferents direccions. La producció és molt més barata, ja que aquesta tecnologia requereix menys electricitat, però l'eficiència del producte és menor: un 12-18%.

amorf

Les bateries amorfes no estan fetes de silici cristal·lí, sinó d'hidrogen de silici (silà), que s'aplica en una capa fina sobre el material base. L'eficiència d'aquestes bateries és baixa: només un 5-6%, però el preu també és el més baix. Al mateix temps, hi ha alguns avantatges: un alt coeficient d'absorció òptica, la capacitat de treballar en temps ennuvolat, la resistència a la deformació del panell.

híbrid

Els panells híbrids són una combinació de cèl·lules fotovoltaiques i col·lectors solars. El cas és que en generar energia, els panells s'escalfen i perden rendiment.

Es va utilitzar la refrigeració per aigua per reduir la calefacció. Va resultar que la quantitat de calor que rep l'aigua de les fotocèl·lules es pot utilitzar per a necessitats domèstiques o per a la calefacció d'espais.

Aquests panells solars són bons tant per a la generació d'energia com per a la calefacció de la llar. Els fabricants afirmen que l'eficiència d'aquests panells és extremadament alta (alguns diuen que el 80%), però aquesta és una estratagema de màrqueting habitual, tenint en compte l'estabilitat dels indicadors com a augment de l'eficiència.

Aquest és un altre tipus de convertidors fotovoltaics, que no es fabriquen a base de silici, sinó a partir de diverses pel·lícules de polímer plegades en un paquet dens i que fan diferents funcions.. L'eficiència d'aquestes bateries és aproximadament quatre vegades inferior a la de les de silici, però són lleugeres, relativament barates de fabricar i, per tant, més barates de vendre. Es creu que els dispositius de polímer tenen un gran potencial i es desenvoluparan activament, ja que el baix cost i la velocitat de producció són els avantatges més importants del material.

El futur pertany a les energies alternatives

La demanda d'energia està creixent en proporció a la velocitat del desenvolupament tecnològic. Si avui dia les fonts d'energia alternatives són exòtiques i només s'utilitzen on no hi ha cap altre mètode adequat, després d'un temps la situació canviarà radicalment. La dependència de les empreses subministradores de recursos no és la perspectiva més prometedora, i ens obliga a buscar altres opcions més independents per proveir l'habitatge d'energia i calor..

Tan bon punt apareguin equips més barats i productius, l'ús de plaques solars es generalitzarà.. L'impuls per a això serà la superpoblació de les regions centrals, la manca d'habitatge i treball, la necessitat de reassentar-se en regions més allunyades. Si en aquest moment els paràmetres de l'equip es tornen bastant estables i els preus cauen a nivells assequibles, la demanda de plaques solars serà molt alta.

Principi de funcionament

El principi de funcionament de la bateria solar. (Cliqueu per ampliar)

El principi de funcionament d'una bateria solar és bastant simple. És la conversió de l'energia solar en energia elèctrica. Els fotoreceptors situats a la placa absorbeixen la llum solar, la qual cosa provoca una micro-descàrrega a la superfície de la placa.

La potència d'una d'aquestes microdescàrregues és força petita, però molts fotoreceptors situats a la zona de la bateria són capaços de generar i acumular la quantitat d'electricitat necessària per a les necessitats humanes.

Els panells solars es poden instal·lar als terrats:

• cases particulars;
• edificis de diverses plantes;
• petites naus industrials;
• pavellons;
• marquesines.

La condició per col·locar l'estructura és un sostre pla o un altre pla d'una gran àrea.

Consell d'expert: els mòduls de col·lectors solars es col·loquen cap al sol

Per tant, és important instal·lar el mòdul al costat sud o sud-est durant la instal·lació.

Beneficis d'un sistema de calefacció solar

Hi ha diversos avantatges de les plaques solars per a la calefacció de la llar:

• Durant tot l'any la teva llar disposa de la calor necessària. També podeu ajustar la temperatura de la casa al vostre criteri.
• Independència total de l'habitatge i dels serveis comunitaris. Ara no haureu de pagar grans factures de calefacció.
• L'energia solar és una reserva que es pot utilitzar per a diferents necessitats domèstiques.
• Aquestes bateries tenen una vida útil molt bona. Poques vegades fallen, de manera que no us haureu de preocupar per reparar o substituir alguns components.

Hi ha alguns matisos als quals hauríeu de prestar atenció abans de triar aquest sistema. Després de tot, aquest sistema pot no ser adequat per a tothom.

En molts aspectes, la qualitat d'aquest sistema de calefacció depèn de la geografia de la residència. Si viviu en una regió on el sol no brilla cada dia, aquests sistemes seran ineficaços. Un altre desavantatge d'aquest sistema és que les plaques solars són cares. És cert que no hem d'oblidar que aquest sistema es pagarà completament amb el pas del temps.

La durada del sol a Rússia

Per subministrar la casa amb la quantitat de calor necessària, es necessitaran de 15 a 20 metres quadrats. metres de superfície de plaques solars. Un metre quadrat emet una mitjana de fins a 120 W.

Per rebre uns 500 kW de calor al mes, cal que hi hagi uns 20 dies de sol al mes.

Un requisit previ és la instal·lació de plaques solars al costat sud de la coberta, ja que és la que més calor transmet. Perquè la calefacció solar sigui el més eficient possible, l'angle del sostre ha de ser d'uns 45 graus. És desitjable que els arbres alts no creixin a prop de la casa i no hi hagi altres objectes que puguin crear una ombra. El sistema d'armadura de la casa ha de tenir la força i la fiabilitat necessàries.Atès que els panells solars no són precisament lleugers, s'ha de tenir cura que no danyin l'edifici i no provoquin processos destructius. La probabilitat de col·lapse augmenta a l'hivern, ja que en aquest moment, a més de les bateries pesades, la neu s'acumularà al sostre.

Les plaques solars solen col·locar-se al terrat de la casa.

Tot i que els panells solars són bastant cars, cada cop estan guanyant més popularitat. S'utilitzen fins i tot on el clima no és massa calorós. Aquest sistema també es pot utilitzar com a calefacció addicional a casa. Aquests sistemes són més efectius durant els mesos d'estiu, quan el sol brilla gairebé tots els dies. Tanmateix, no oblideu que la casa s'ha d'escalfar principalment durant els mesos d'hivern.

Maneres d'utilitzar l'energia solar

Els mètodes per utilitzar l'energia del cos celeste no pertanyen a tecnologies innovadores; la calor solar s'ha utilitzat durant molt de temps i amb molt d'èxit. Tanmateix, això s'aplica sobretot a Austràlia, alguns països d'Europa, Amèrica i les regions del sud, on es poden obtenir energies alternatives durant tot l'any.

Algunes regions del nord estan experimentant una escassetat de radiació natural, de manera que s'utilitza com a opció addicional o alternativa.

Galeria d'imatges
Foto de
Els panells solars són una de les maneres d'obtenir energia pràcticament gratuïta, irradiada gratuïtament pel cos celeste.

La instal·lació d'una central solar autònoma és aconsellable a les regions amb un gran nombre de dies assolellats, que no està relacionat amb la temperatura mitjana anual.

Un sistema solar autònom es troba principalment als terrats d'edificis de poca alçada i en zones sense arbres.

En el període de gelades, els sistemes solars proporcionen energia per escalfar l'aire, el vapor o l'aigua, a l'estiu proporcionen aigua calenta.

Les centrals solars són "verdes", respectuoses amb el medi ambient, capaços de generar tipus d'energia contínuament renovables

Fins ara, l'eficiència de les centrals solars depèn massa del nombre de dies assolellats. Només és rendible a les latituds meridionals. Al carril central i al nord, només pot servir com a font de seguretat

Els panells solars al sud dels països de la CEI podran proveir una casa de camp amb electricitat, aigua calenta i refrigerant per als circuits de calefacció.

Els sistemes solars, fins i tot utilitzats com a font d'energia de reserva, aporten un efecte econòmic força elevat, reduint la càrrega de les principals opcions de generació d'energia.

Ús passiu de l'energia solar

Opció d'instal·lació de plaques solars

Ubicació òptima d'un sistema solar privat

Localització de la placa solar al llarg del ràfec

Sistema solar en un terrat pla

Central d'energia solar com a font de reserva

Funcionament de bateries a les regions del sud dels països de la CEI

Els beneficis reals d'un sistema solar en el sector privat

Els intermediaris entre els raigs solars i el mecanisme que genera energia són les bateries o col·lectors solars, que es diferencien tant en la finalitat com en el disseny.

Les bateries emmagatzemen energia del sol i permeten utilitzar-la per alimentar els electrodomèstics. Són panells amb fotocèl·lules a un costat i un mecanisme de bloqueig a l'altre. Podeu experimentar i muntar la bateria vosaltres mateixos, però és més fàcil comprar elements ja fets: l'elecció és bastant àmplia.

Els sistemes solars (col·lectors solars) formen part del sistema de calefacció de la casa.Les caixes grans d'aïllament tèrmic amb refrigerant, com les bateries, es munten sobre escuts elevats orientats al sol o pendents del sostre.

És errònia suposar que absolutament totes les regions del nord reben molta menys calor natural que les del sud. Suposem que hi ha molt més dies assolellats a Chukotka o al centre del Canadà que a la Gran Bretanya situada al sud.

Per augmentar l'eficiència, els panells es col·loquen sobre mecanismes dinàmics que s'assemblen a un sistema de seguiment: giren seguint el moviment del sol. El procés de conversió d'energia té lloc en tubs situats a l'interior de les caixes.

La principal diferència entre els sistemes solars i les plaques solars és que els primers escalfen el refrigerant, mentre que els segons acumulen electricitat. És possible escalfar l'habitació amb l'ajuda de fotocèl·lules, però els esquemes del dispositiu són irracionals i només són adequats per a aquelles zones on hi hagi almenys 200 dies assolellats a l'any.

Esquema d'un sistema de calefacció amb un col·lector solar connectat a una caldera i una font d'electricitat de recanvi (per exemple, una caldera de gas) que funciona amb combustible tradicional (+)

Varietats

En el sentit més ampli, el terme "bateria solar" significa un dispositiu que permet convertir l'energia irradiada pel Sol en una forma convenient per al seu ús posterior en diverses àrees de la vida humana. S'utilitzen dos tipus de plaques solars per escalfar les cases.

cèl·lules fotovoltaiques

Les bateries d'aquesta classe sovint s'anomenen convertidors, ja que amb la seva ajuda l'energia de la radiació solar es converteix en energia elèctrica. Aquesta transformació es va fer possible gràcies a les propietats dels semiconductors.La cèl·lula d'una cèl·lula fotoelèctrica consta de dos materials, un dels quals té conductivitat del forat i l'altre electrònic.

cèl·lules fotovoltaiques

El flux de fotons que formen la llum solar fa que els electrons surtin de les seves òrbites i migren per la unió Pn, que és, de fet, un corrent elèctric.

Segons el tipus de materials utilitzats, hi ha tres tipus de bateries fotovoltaiques: silici, pel·lícula i concentradora.

Silici

Més de les tres quartes parts dels panells solars produïts avui són d'aquest tipus. Això es deu a la prevalença del silici a l'escorça terrestre, així com al fet que la majoria de les tecnologies en la producció d'electrònica de semiconductors es van centrar a treballar amb aquest material.

Al seu torn, els elements basats en silici es divideixen en dos tipus:

• monocristal·lí: l'opció més cara, l'eficiència és del 19% al 24%;
• policristalí: més assequible, però té una eficiència en el rang del 14% al 18%.

Pel·lícula

En la producció de fotocèl·lules d'aquest grup s'utilitzen semiconductors que tenen un coeficient d'absorció de llum més alt que el del silici mono i policristalí.

Això va permetre reduir el gruix dels elements en un ordre de magnitud, la qual cosa va tenir un efecte positiu en el seu cost. S'utilitzen els següents materials:

• tel·lurur de cadmi (eficiència - 15% - 17%);
• silici amorf (eficiència - 11% - 13%).

concentrador

Aquestes bateries tenen una estructura multicapa i es caracteritzen per la màxima eficiència: al voltant del 44%. El material principal en la seva producció és l'arsenur de gal·li.

Sistema de calefacció conjunt complet

El sistema de calefacció basat en bateries fotovoltaiques consta dels següents components:

• les piles mateixes;
• pila;
• controlador: controla el procés de càrrega de la bateria;
• inversor: converteix el corrent continu d'una bateria o acumulador en corrent altern amb una tensió de 220 V;
• convector, caldera d'aigua calenta o qualsevol altre tipus d'escalfador elèctric.

Sistema fotovoltaic muntat en xarxa

Col·lectors solars

Les bateries d'aquesta varietat consisteixen en diversos tubs pintats de negre a través dels quals es bombeja el refrigerant que circula pel sistema de calefacció. Al mateix temps, l'energia tèrmica de la radiació solar és absorbida per l'entorn de treball sense cap conversió. En la majoria dels casos, utilitza una mescla a base de propilenglicol (té propietats anticongelants), però també hi ha col·lectors orientats a treballar amb aire. Aquest últim, després de l'escalfament, s'introdueix directament a l'habitació climatitzada.

Col·lectors solars

En la seva forma més simple, un col·lector solar s'anomena col·lector pla. Es fa en forma de caixa de vidre amb un recobriment fosc, que està en contacte amb el refrigerant que passa pels tubs. Els col·lectors de buit tenen un dispositiu més complex. En aquestes bateries, els tubs amb refrigerant es col·loquen en una caixa de vidre segellada, de la qual es bombeja l'aire. Així, els tubs que contenen el medi de treball estan envoltats per un buit, que elimina la pèrdua de calor pel contacte amb l'aire.

Evidentment, la fabricació de col·lectors solars es basa en tecnologies més senzilles que la producció de cèl·lules fotovoltaiques. Com a resultat, també són menys costosos. Al mateix temps, l'eficiència d'aquestes instal·lacions arriba al 80% - 95%.

Conjunt complet del sistema solar

Els principals elements del sistema solar (sistemes de bateries solars per a la llar) són:

• col·lector solar;
• bomba de circulació (en sistemes amb circulació natural del refrigerant, pot estar absent, però són ineficaços);
• un recipient amb aigua, que fa el paper d'acumulador de calor;
• circuit de calefacció d'aigua, format per canonades i radiadors.

Esquema per a la implantació d'un sistema solar amb suport de calefacció amb emmagatzematge diari d'energia

Els beneficis de les plaques solars

L'avantatge més important dels convertidors fotovoltaics és la independència de les organitzacions de recursos. L'electricitat es genera de manera totalment autònoma, sense estar connectada a la xarxa. Només cal tenir una font: llum solar, a la nit el sistema no pot funcionar. També hi ha altres beneficis:

• Respecte al medi ambient. El sistema no afecta de cap manera el medi ambient, no emet cap substància nociva.
• Llarga vida útil. L'equip pot funcionar gairebé indefinidament, subjecte a manteniment periòdic per part d'especialistes.
• Funcionament silenciós complet.
• Possibilitat d'augmentar la potència del sistema afegint nous mòduls.
• Devolució de l'equip. El preu del kit es retorna gradualment al propietari en forma d'estalvi de costos energètics. Al cap d'uns anys, l'equip ja comença a obtenir beneficis.
• Reducció constant del cost dels kits. El volum de producció d'aquests equips és gran, i això provoca una disminució dels preus. Un sistema solar per a un habitatge comprat d'aquí a uns anys serà més econòmic que un que s'adquireix avui, i això genera confiança en el desenvolupament de la tecnologia i la disponibilitat d'equips.

Col·lectors solars tubulars

Els col·lectors solars tubulars es munten a partir de tubs separats pels quals passa aigua, gas o vapor. Aquest és un dels sistemes solars de tipus obert. Tanmateix, el refrigerant ja està molt millor protegit de la negativitat externa. Especialment en instal·lacions de buit, disposades segons el principi dels termos.

Cada tub està connectat al sistema per separat, paral·lel entre si. Si un tub falla, és fàcil substituir-lo per un de nou. Tota l'estructura es pot muntar directament a la teulada de l'edifici, la qual cosa facilita molt la instal·lació.

El col·lector tubular té una estructura modular. L'element principal és un tub de buit, el nombre de tubs varia de 18 a 30, cosa que us permet seleccionar amb precisió la potència del sistema

Un avantatge important dels col·lectors solars tubulars rau en la forma cilíndrica dels elements principals, gràcies a la qual la radiació solar es capta durant tot el dia sense l'ús de costosos sistemes per seguir el moviment de la lluminària.

Un recobriment especial multicapa crea una mena de trampa òptica per als raigs del sol. El diagrama mostra parcialment la paret exterior del matràs de buit reflectint els raigs a les parets del matràs interior

Segons el disseny dels tubs, es distingeixen col·lectors solars de ploma i coaxials.

El tub coaxial és un recipient Diyur o un termo familiar. Estan fets de dos matrassos entre els quals es bombeja l'aire. La superfície interior del matràs interior està recoberta amb un recobriment altament selectiu que absorbeix eficaçment l'energia solar.

Amb una forma cilíndrica del tub, els raigs solars cauen sempre perpendiculars a la superfície

L'energia tèrmica de la capa selectiva interna es transfereix a un tub de calor o un intercanviador de calor intern fet de plaques d'alumini. En aquesta etapa, es produeixen pèrdues de calor no desitjades.

El tub de plomes és un cilindre de vidre amb un absorbidor de plomes inserit a l'interior.

El sistema va rebre el seu nom d'un absorbidor de plomes, que s'embolica estretament al voltant d'un canal de calor fet de metall conductor de la calor.

Per a un bon aïllament tèrmic, l'aire es bombeja fora del tub. La transferència de calor de l'absorbidor es produeix sense pèrdua, de manera que l'eficiència dels tubs de plomes és més alta.

Un termotub és un recipient tancat amb un líquid volàtil.

Com que el líquid volàtil flueix de manera natural a la part inferior del termotub, l'angle d'inclinació mínim és de 20 °

Dins del termotub hi ha un líquid volàtil que absorbeix la calor de la paret interior del matràs o de l'absorbidor de plomes. Sota l'acció de la temperatura, el líquid bull i puja en forma de vapor. Després que la calor es lliura al refrigerant de calefacció o aigua calenta, el vapor es condensa en un líquid i baixa.

Sovint s'utilitza aigua a baixa pressió com a líquid volàtil.

Un sistema de flux directe utilitza un tub en forma d'U a través del qual circula aigua o un refrigerant del sistema de calefacció.

La meitat del tub en forma d'U està dissenyada per a refrigerant fred, la segona agafa l'escalfat. Quan s'escalfa, el refrigerant s'expandeix i entra al dipòsit d'emmagatzematge, proporcionant una circulació natural. Igual que amb els sistemes de termotub, l'angle mínim d'inclinació ha de ser com a mínim de 20⁰.

Amb una connexió de flux directe, la pressió en el sistema no pot ser alta, ja que hi ha un buit tècnic a l'interior del matràs.

Els sistemes de flux directe són més eficients perquè escalfen immediatament el refrigerant.

Si es preveu que s'utilitzin sistemes de col·lectors solars durant tot l'any, s'hi bombegen anticongelants especials.

Pros i contres dels col·lectors tubulars

L'ús de col·lectors solars tubulars té una sèrie d'avantatges i desavantatges. El disseny d'un col·lector solar tubular consta dels mateixos elements, que són relativament fàcils de substituir.

Avantatges:

• baixa pèrdua de calor;
• capacitat de treballar a temperatures de fins a -30⁰С;
• rendiment efectiu durant les hores de llum;
• bon rendiment en zones de clima temperat i fred;
• baix vent, justificat per la capacitat dels sistemes tubulars de passar masses d'aire a través d'ells;
• la possibilitat de produir una alta temperatura del refrigerant.

Estructuralment, l'estructura tubular té una superfície d'obertura limitada. Té els següents desavantatges:

• no és capaç d'auto-netejar-se de la neu, el gel, les gelades;
• preu elevat.

Malgrat el cost inicialment elevat, els col·lectors tubulars es paguen més ràpidament. Tenen una llarga vida útil.

Els col·lectors tubulars són sistemes solars tèrmics de tipus obert, per tant no són adequats per a l'ús durant tot l'any en sistemes de calefacció.

Tipus de plaques solars

Hi ha diferents tipus de convertidors fotovoltaics. A més, el material del qual estan fets i la tecnologia difereixen. Tots aquests factors afecten directament el rendiment d'aquests convertidors. Algunes cèl·lules solars tenen una eficiència del 5-7%, i els desenvolupaments recents més reeixits mostren un 44% o més. És evident que la distància entre el desenvolupament i l'ús domèstic és enorme, tant en temps com en diners. Però us podeu imaginar què ens espera en un futur proper. Altres metalls de terres rares s'utilitzen per obtenir un millor rendiment, però amb un rendiment millorat, tenim un augment de preu decent. El rendiment mitjà dels convertidors solars relativament econòmics és del 20-25%.

Els mòduls solars de silici són els més utilitzats

Les cèl·lules solars de silici més comunes. Aquest semiconductor és barat, la seva producció s'ha dominat durant molt de temps. Però no tenen la màxima eficiència: el mateix 20-25%.Per tant, amb tota la diversitat, avui en dia s'utilitzen principalment tres tipus de convertidors solars:

• Les més barates són les bateries de pel·lícula fina. Són una fina capa de silici sobre el material portador. La capa de silici està coberta amb una pel·lícula protectora. L'avantatge d'aquests elements és que funcionen fins i tot amb llum difusa i, per tant, és possible instal·lar-los fins i tot a les parets dels edificis. Contres - baixa eficiència del 7-10% i, malgrat la capa protectora, la degradació gradual de la capa de silici. No obstant això, en ocupar una gran superfície, podeu obtenir electricitat fins i tot en temps ennuvolat.
• Les cèl·lules solars policristalines estan fetes de silici fos, que el refreden lentament. Aquests elements es poden distingir pel seu color blau brillant. Aquests panells solars tenen la millor productivitat: l'eficiència és del 17-20%, però són ineficients en llum difusa.
• Els més cars de tota la trinitat, però alhora força estesos, són els panells solars monocristallins. S'obtenen partint un únic cristall de silici en hòsties i tenen una geometria característica amb cantonades bisellades. Aquests elements tenen una eficiència del 20% al 25%.

Ara, quan veieu les inscripcions "panel solar mono" o "panel solar policristal·lí", entendreu que estem parlant d'un mètode per a la producció de cristalls de silici. També sabràs l'efectivitat que pots esperar d'ells.

Bateria amb convertidors monocristal·lins