Os painéis semicondutores que convertem a energia do sol em eletricidade geralmente são instalados com um objetivo - garantir a operação de eletrodomésticos. Esses entusiastas não param por aí e tentam adaptar os painéis solares para aquecer a casa. Sugerimos discutir essa idéia, considerar possíveis métodos de aquecimento usando painéis fotovoltaicos. A lucratividade de usinas alternativas e outras questões financeiras não faz sentido, é uma questão separada.
Como funciona uma usina de energia solar
Não vamos demorar um pouco e falar sobre como os módulos semicondutores geram corrente. Mas se você deseja organizar o aquecimento solar de uma casa particular, precisa imaginar o princípio da estação fotovoltaica e conhecer todas as nuances que afetam sua energia.
A usina de energia solar (SES) consiste nos seguintes elementos (mostrados no diagrama abaixo):
- um ou mais painéis que recebem radiação do sol;
- pilhas recarregáveis (pilhas) que acumulam a eletricidade gerada;
- o controlador monitora o nível de carga, direciona a corrente para o circuito desejado;
- o inversor converte a tensão constante dos painéis solares em corrente alternada de 220 V.
Um ponto interessante. O preço dos módulos não excede 30% do custo de um conjunto completo de equipamentos. Os 70% restantes são baterias, uma unidade inversora e um controlador. Os acessórios são selecionados para uma tensão operacional de 12, 24 ou 48 volts.
Simplificamos o algoritmo do sistema:
- Durante o dia, as baterias geram corrente através do controlador.
- A unidade eletrônica calcula o nível de carga da bateria e direciona a energia para a linha desejada - para carregar ou para os consumidores (para o inversor).
- A unidade inversora converte corrente direta em corrente alternada com parâmetros padrão - 220 V / 50 Hz.
Existem 2 tipos de controladores - PWM e MPPT. A diferença entre os dois consiste no método de carregamento dos elementos de potência e na magnitude das perdas de tensão. Os blocos MPPT são mais modernos e econômicos. Baterias diferentes são usadas: ácido-chumbo, gel e assim por diante.
Se você planeja usar vários módulos, eles são interconectados de três maneiras:
- Um esquema de conexão paralela permite aumentar a corrente no circuito. Os contatos "negativos" de todas as baterias estão conectados a uma linha e os contatos "mais" à outra. A tensão de saída permanece inalterada.
- O uso de um circuito serial permite aumentar a tensão de saída. O terminal “menos” do primeiro painel se conecta ao “mais” do segundo e assim por diante.
- O método combinado é usado quando você precisa alterar os dois parâmetros - força e tensão da corrente. Vários módulos são conectados em série e, em seguida, um grupo é conectado a uma rede comum em paralelo com outros grupos semelhantes.
Quantos painéis solares você precisa para aquecer uma casa
Parece que tudo é simples. Aproximadamente 10 kW = 10.000 watts de energia térmica serão usados para aquecer uma pequena casa de campo de 100 m². São 100 painéis de 0,1 kW ou 34 módulos grandes de 300 watts. Você não pode colocar tantas baterias no telhado da casa, mas não se fala em apartamento.
Referência. O tamanho de 1 célula fotovoltaica com potência de 100 W, fabricado pela tecnologia policristalina, é de cerca de 1020 x 700 mm ou 0,71 m². Uma bateria similar de 300 W ocupará 1,68 m² (170 x 99 cm).
Faremos uma reserva imediatamente, o resultado obtido é incorreto, pois não leva em conta as especificidades da operação de sistemas de energia solar:
- O módulo fotovoltaico fornece potência máxima quando os raios caem em um ângulo de 90 ° em relação ao plano da bateria.Se você não criar um rastreador - um mecanismo de rastreamento que gira o painel após o movimento do sol, perdemos cerca de 40% de energia. Por outro lado, esse dispositivo também consome eletricidade.
- A quantidade de radiação solar por 1 m² - insolação - depende da região de residência, altitude e área sombreada. Esses fatores afetam diretamente o desempenho da bateria.
- Com o tempo, o revestimento de semicondutores dos módulos degrada, como resultado, aproximadamente 1% da energia elétrica é perdida anualmente.
- Se a camada fotoelétrica é superaquecida pelo sol, o desempenho do painel também diminui.
- Uma pequena fração da energia é perdida em equipamentos relacionados - inversores, controladores, baterias. Este é um aquecimento banal de peças - transformadores, microcircuitos e outros elementos.
- Quando a superfície de trabalho está contaminada com poeira ou coberta de neve, ocorrem perdas adicionais.
- Observe que, para o sol esquentar no inverno, a eletricidade gerada deve ser suficiente para aquecer a casa e carregar as baterias durante a noite.
Conclusão. Não existe um cálculo universal da energia elétrica das baterias, adequado para todos os países e regiões. Mas o valor anunciado acima de 10 kW deve ser dobrado (pelo menos) para obter um resultado decente na prática. Você precisará de painéis de 200 watts cobrindo uma área de mais de 140 m².
Existe uma maneira confiável de obter dados precisos de insolação e calcular o desempenho dos painéis solares entrando em contato com a empresa de instalação local. Ou estude você mesmo o mapa de insolação da área.
Sugerimos ir para o outro lado - para usar a experiência de proprietários de usinas solares autônomas, leia suas opiniões em fóruns temáticos. Encontre usuários que moram na sua região se quiser obter números reais de graça. aqui estão alguns exemplos:
- Sistema autônomo de fornecimento de energia solar, localizado na região de Leningrado, na Rússia. Foram instalados 6 painéis de 0,22 kW cada (um total de 1,32 kW), e a potência máxima em um dia sem nuvens de inverno era de 1.157 watts. O tópico é discutido no famoso fórum em russo.
- Anapa, desempenho da bateria - 2,2 kW, o número não é indicado. Durante o dia, a usina gera cerca de 9 kW.
- Moscou, potência SES 2,64 kW. Durante todo o mês de junho, a instalação gerou 304 kW de energia.
Nota. Você encontrará revisões e outros dados úteis sobre a operação do SES neste endereço.
Observação: levamos em consideração apenas a energia solar para aquecimento, aquecimento de água e outras necessidades domésticas. Como calcular o número de baterias na prática, veja o vídeo:
Métodos de aquecimento reais
Como você entende o que foi dito acima, é bastante difícil (e caro) realizar o aquecimento elétrico completo de uma casa com painéis solares. Nem todo proprietário decide comprar e instalar painéis em uma área de 100-150 m² para aquecer uma pequena casa ou chalé. Assim, o esquema da caldeira elétrica + sistema de água + radiadores de aquecimento desaparece.
Mas a idéia de aquecimento com módulos solares ainda não pode ser chamada de utopia. Listamos as opções implementadas pelos proprietários na prática:
- painéis e aparelhos de ar condicionado com inversor com coeficiente de eficiência COP 3,5–4;
- conectar baterias diretamente a aquecedores elétricos sem inversor;
- a construção de uma usina de energia solar de pleno direito, a venda de eletricidade ao estado, os recursos serão pagos pelo aquecimento tradicional.
Adição. O uso de painéis como fontes de energia adicionais para aquecimento básico não faz sentido discutir - esta é uma solução óbvia.
Vamos começar com a terceira opção, que é interessante para os empreendedores. Nos países em que o estado estabeleceu a chamada tarifa verde, o proprietário pode receber eletricidade de fontes renováveis e fornecê-la à rede de energia comum, com lucro.Ou seja, o proprietário adquire os mesmos painéis solares de 200 a 300, mas vende energia a um bom preço e não perde muito em vão.
Por exemplo, na Ucrânia, a tarifa verde excede as habituais 3 vezes (a partir de junho de 2019). É necessário suportar 1 condição: a capacidade mínima de SES é de 30 kW. Construa uma usina de energia, forneça energia à rede e compre três vezes mais barato.
As 2 opções restantes serão consideradas em mais detalhes.
Ar condicionado
O método baseia-se na eficácia dos sistemas de inversores divididos que fornecem quatro vezes mais calor para o interior da casa do que a energia consumida. Como realizar esse aquecimento:
- Antes de tudo, maximizamos a perda de calor do edifício - isolamos paredes, pisos e teto, instalamos janelas com eficiência energética. Um indicador ideal de consumo de calor para uma casa de 100 m² a 6 kW.
- Adquirimos 2 aparelhos de ar condicionado com compressores inversores que operam em temperaturas negativas da rua. O desempenho total das unidades deve ser igual à perda de calor da casa, no nosso caso - 6 kW. O consumo dessas “divisões” não excederá 2 kW.
- Estamos instalando uma estação solar capaz de fornecer ar condicionado 24 horas por dia.
- Para aquecer nos dias mais frios, vale a pena instalar qualquer fonte tradicional de calor - uma caldeira, um fogão a lenha.
O vídeo no final desta seção confirma que o circuito descrito está totalmente operacional. Um menos significativo: a uma temperatura negativa, a eficiência dos aparelhos de ar condicionado diminui acentuadamente, você não pode prescindir da ajuda de uma caldeira. Nos climas temperados e do norte, os módulos solares por si só não conseguem lidar.
Nota. A maioria dos sistemas de divisão por inversor pode funcionar em geadas até -15 ° C. A eficiência do COP é reduzida para 1,5–2 (o dobro de calor é gerado como a eletricidade é consumida).
Uso de aquecedores locais
Estamos falando de uma redução significativa no custo do sistema no caso de consumidores despretensiosos - aquecedores de ventiladores comuns. Devido à falta de um inversor, os aquecedores de 12 volts deverão ser conectados aos módulos solares (você pode pegar um carro ou fazer você mesmo).
Como montar um gerador de energia solar:
- Instalamos o número necessário de baterias com uma voltagem operacional de 12 volts.
- Nós os conectamos com fios de 2,5 mm² de acordo com o diagrama abaixo - sem um inversor.
- Conectamos a carga - um aquecedor de ventoinha de baixa potência de 12 V.
Abaixo no vídeo, o especialista descreve detalhadamente todas as nuances dessa conexão. O método é adequado para aquecer salas individuais com ventiladores de 1 a 1,5 kW. É mais difícil aquecer toda a casa - você precisa montar vários circuitos separados com painéis solares para não aumentar a seção transversal dos fios.
Conclusão final
Para fazer o aquecimento completo de uma casa particular com painéis solares é muito difícil. O único cenário mais ou menos realista é o uso de sistemas divididos, ou melhor, uma bomba de calor geotérmica, pouco dependente da temperatura da rua. A instalação consome pouca eletricidade, para que possa funcionar em um SES doméstico.
Excluímos especificamente questões financeiras do artigo, pois tratavam-se de questões técnicas. Mas você precisa entender que os equipamentos de energia solar - baterias, baterias, inversores e unidades de controle - custam muito dinheiro. Para resolver o problema com sucesso, você precisa ser um entusiasta merecido.
Um circuito com coletores de vácuo conectados a um aquecedor de água indireto será mais barato. Mas esta opção tem suas próprias dificuldades, por exemplo, o acúmulo de calor e a estagnação do coletor durante o calor. Não há solução fácil para a difícil tarefa de aproveitar a energia solar.