Calentar una casa privada con paneles solares: esquemas y dispositivos.

Tipos de paneles solares

Los dispositivos se dividen en clases según el grado de potencia:

• baja potencia;
• universal;
• panel de células solares.

Además, hay tres tipos de batería con diferentes objetivo:

1. Convertidores fotoeléctricos (PVC). Convierten la energía solar en energía eléctrica.
2. Estaciones de energía solar (HES). Se utilizan para garantizar el funcionamiento de diversas instalaciones industriales: turbinas, máquinas de vapor, etc.
3. Colectores solares (SC). Sirven para el suministro de calor de los locales.

La elección y el cálculo de los paneles solares para una casa privada requiere que el propietario conozca las características de diseño del equipo. Existe una división según el estado físico y químico del material de la batería.Este tema debe ser considerado con más detalle.

baterías de silicio

Las celdas de silicio son los tipos más comunes de convertidores fotovoltaicos..

La razón de esto es la prevalencia y disponibilidad de este material. Al mismo tiempo, la tecnología de producción es muy compleja, la producción de elementos cuesta cantidades importantes, lo que obliga a los fabricantes a buscar opciones para reducir costos.

Hasta ahora, esto solo se logra a expensas de una eficiencia reducida, pero los desarrolladores buscan constantemente formas de mejorar la calidad y el rendimiento de sus productos. Considere los tipos de baterías de silicio.

Monocristalino

Los elementos más efectivos y costosos.. Se utiliza silicio de alta pureza, cuya tecnología de producción se ha desarrollado en la fabricación de semiconductores. Los elementos son secciones delgadas (300 µm) de un solo cristal cultivado específicamente para esta tarea. La estructura cristalina tiene una forma regular, los granos están dirigidos en una dirección. El costo del material es alto, la eficiencia es del 18-22%. La vida útil es muy larga, al menos 30 años.

policristalino

Estos elementos se obtienen enfriando gradualmente el silicio fundido.en el que se forman los policristales. La estructura de dicho material no tiene una forma regular, los granos no son paralelos y están dirigidos en diferentes direcciones. La producción es mucho más barata, ya que esta tecnología requiere menos electricidad, pero la eficiencia del producto es menor: 12-18%.

amorfo

Las baterías amorfas no están hechas de silicio cristalino, sino de hidrógeno de silicio (silano), que se aplica en una fina capa sobre el material base. La eficiencia de estas baterías es baja, solo del 5 al 6%, pero el precio también es el más bajo.Al mismo tiempo, hay algunas ventajas: un alto coeficiente de absorción óptica, la capacidad de trabajar en clima nublado, resistencia a la deformación del panel.

híbrido

Los paneles híbridos son una combinación de células fotovoltaicas y colectores solares. El caso es que al generar energía, los paneles se calientan y pierden rendimiento.

Se utilizó refrigeración por agua para reducir el calentamiento. Resultó que la cantidad de calor que recibe el agua de las fotocélulas se puede utilizar para necesidades domésticas o para calentar espacios.

Dichos paneles solares son buenos tanto para la generación de energía como para la calefacción del hogar. Los fabricantes afirman que la eficiencia de tales paneles es extremadamente alta (algunos dicen que 80%), pero esta es una táctica de marketing común, teniendo en cuenta la estabilidad de los indicadores como un aumento de la eficiencia.

Este es otro tipo de convertidores fotovoltaicos, que no están hechos a base de silicio, sino de varias películas de polímeros plegadas en un paquete denso y que realizan diferentes funciones.. La eficiencia de tales baterías es unas cuatro veces menor que la de las de silicio, pero son livianas, relativamente baratas de fabricar y, como resultado, más baratas de vender. Se cree que los dispositivos de polímero tienen un alto potencial y se desarrollarán activamente, ya que el bajo costo y la velocidad de producción son las ventajas más importantes del material.

El futuro pertenece a las fuentes de energía alternativas

La demanda de energía está creciendo en proporción a la velocidad del desarrollo tecnológico. Si hoy en día las fuentes de energía alternativas son exóticas y se usan solo donde no hay otros métodos adecuados, luego de un tiempo la situación cambiará radicalmente.La dependencia de las empresas suministradoras de recursos no es la perspectiva más prometedora, lo que nos obliga a buscar otras opciones más independientes para dotar de energía y calor a las viviendas.

En cuanto aparezcan equipos más baratos y productivos, se generalizará el uso de paneles solares.. El ímpetu para esto será la superpoblación de las regiones centrales, la falta de vivienda y trabajo, la necesidad de reasentarse en regiones más alejadas. Si para ese momento los parámetros del equipo se vuelven bastante estables y los precios caen a niveles asequibles, entonces la demanda de paneles solares será muy alta.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento de la batería solar. (Click para agrandar)

El principio de funcionamiento de una batería solar es bastante simple. Es la conversión de la energía solar en energía eléctrica. Los fotorreceptores ubicados en la placa absorben la luz solar, lo que provoca una microdescarga en la superficie de la placa.

La potencia de una de esas microdescargas es bastante pequeña, pero muchos fotorreceptores ubicados en el área de la batería pueden generar y acumular la cantidad de electricidad necesaria para las necesidades humanas.

Los paneles solares se pueden instalar en los tejados:

• casas particulares;
• edificios de varios pisos;
• pequeños locales industriales;
• pabellones;
• marquesinas

La condición para colocar la estructura es un techo plano u otro plano de un área grande.

Consejo de experto: los módulos de colectores solares se colocan hacia el sol

Por lo tanto, es importante instalar el módulo en el lado sur o sureste durante la instalación.

Beneficios de un sistema de calefacción solar

Hay varias ventajas de los paneles solares para la calefacción del hogar:

• Durante todo el año, su hogar cuenta con el calor necesario. También puede ajustar la temperatura de la casa a su discreción.
• Independencia total de la vivienda y servicios comunales. Ahora no tienes que pagar enormes facturas de calefacción.
• La energía solar es una reserva que se puede utilizar para diversas necesidades del hogar.
• Estas baterías tienen una muy buena vida útil. Rara vez fallan, por lo que no tiene que preocuparse por reparar o reemplazar algunos componentes.

Hay algunos matices a los que debe prestar atención antes de elegir este sistema. Después de todo, tal sistema puede no ser adecuado para todos.

En muchos sentidos, la calidad de dicho sistema de calefacción depende de la geografía de residencia. Si vive en una región donde el sol no brilla todos los días, dichos sistemas serán ineficaces. Otra desventaja de este sistema es que los paneles solares son caros. Es cierto que no debemos olvidar que dicho sistema se amortizará por completo con el tiempo.

La duración del sol en Rusia

Para suministrar a la casa la cantidad necesaria de calor, se necesitarán de 15 a 20 metros cuadrados. metros de área de panel solar. Un metro cuadrado emite una media de hasta 120W.

Para recibir unos 500 kW de calor al mes, es necesario que haya unos 20 días de sol al mes.

Un requisito previo es la instalación de paneles solares en el lado sur del techo, ya que propaga la mayor parte del calor.Para que la calefacción solar sea lo más eficiente posible, el ángulo del techo debe ser de unos 45 grados. Es deseable que no crezcan árboles altos cerca de la casa y que no haya otros objetos que puedan crear sombra. El sistema de vigas de la casa debe tener la resistencia y confiabilidad necesarias. Dado que los paneles solares no son precisamente ligeros, se debe tener cuidado de que no dañen el edificio y no provoquen procesos destructivos. La probabilidad de derrumbe aumenta en invierno, ya que en esta época, además de las pesadas baterías, se acumulará nieve en el techo.

Los paneles solares generalmente se colocan en el techo de la casa.

A pesar de que los paneles solares son bastante caros, están ganando cada vez más popularidad. Se utilizan incluso donde el clima no es demasiado cálido. Tal sistema también se puede usar como calefacción adicional en el hogar. Dichos sistemas son más efectivos durante los meses de verano cuando el sol brilla casi todos los días. Sin embargo, no olvide que la casa debe calentarse principalmente en los meses de invierno.

Formas de utilizar la energía solar.

Los métodos de uso de la energía del cuerpo celeste no pertenecen a tecnologías innovadoras, el calor solar se ha utilizado durante mucho tiempo y con mucho éxito. Sin embargo, esto se aplica principalmente a Australia, algunos países de Europa, América y las regiones del sur, donde se puede obtener energía alternativa durante todo el año.

Algunas regiones del norte están experimentando una escasez de radiación natural, por lo que se utiliza como una opción adicional o alternativa.

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Los paneles solares son una de las formas de conseguir energía prácticamente gratis, radiada gratuitamente por el cuerpo celeste.

La instalación de una planta solar autónoma es recomendable en regiones con un gran número de días soleados, que no guarda relación con la temperatura media anual

Un sistema solar autónomo se encuentra principalmente en los techos de edificios de poca altura y en áreas libres de árboles.

En el período de heladas, los sistemas solares suministran energía para calentar el aire, el vapor o el agua, en verano proporcionan agua caliente.

Las plantas de energía solar se encuentran entre los tipos de generación de energía "verdes", respetuosas con el medio ambiente y continuamente renovables.

Hasta ahora, la eficiencia de las plantas de energía solar depende demasiado de la cantidad de días soleados. Es rentable solo en latitudes del sur. En el carril central y en el norte, solo puede servir como fuente de respaldo

Los paneles solares en el sur de los países de la CEI podrán proporcionar electricidad, agua caliente y refrigerante a una casa de campo para los circuitos de calefacción.

Los sistemas solares, incluso utilizados como fuente de energía de respaldo, traen un efecto económico bastante alto, reduciendo la carga sobre las principales opciones para generar energía.

Uso pasivo de la energía solar.

Opción de instalación de paneles solares

Ubicación óptima de un sistema solar privado

Ubicación del panel solar a lo largo de los aleros.

Sistema solar en un techo plano

Planta de energía solar como fuente de respaldo

Operación de baterías en las regiones del sur de los países de la CEI.

Los beneficios reales de un sistema solar en el sector privado

Los intermediarios entre los rayos del sol y el mecanismo que genera la energía son las baterías o colectores solares, que difieren tanto en propósito como en diseño.

Las baterías almacenan la energía del sol y permiten utilizarla para alimentar electrodomésticos. Son paneles con fotocélulas por un lado y mecanismo de bloqueo por el otro. Puede experimentar y ensamblar la batería usted mismo, pero es más fácil comprar elementos listos para usar: la elección es bastante amplia.

Los sistemas solares (colectores solares) son parte del sistema de calefacción de la casa. Las cajas grandes con aislamiento térmico con refrigerante, como las baterías, se montan en escudos elevados que dan al sol o en las pendientes del techo.

Es erróneo suponer que absolutamente todas las regiones del norte reciben mucho menos calor natural que las del sur. Supongamos que hay muchos más días soleados en Chukotka o en el centro de Canadá que en Gran Bretaña ubicada al sur.

Para aumentar la eficiencia, los paneles se colocan sobre mecanismos dinámicos que se asemejan a un sistema de seguimiento: giran siguiendo el movimiento del sol. El proceso de conversión de energía se lleva a cabo en tubos ubicados en el interior de las cajas.

La principal diferencia entre los sistemas solares y los paneles solares es que los primeros calientan el refrigerante, mientras que los segundos acumulan electricidad. Es posible calentar la habitación con la ayuda de fotocélulas, pero los esquemas del dispositivo son irracionales y solo son adecuados para aquellas áreas donde hay al menos 200 días soleados al año.

Esquema de un sistema de calefacción con un colector solar conectado a una caldera y una fuente de electricidad de repuesto (por ejemplo, una caldera de gas) que funciona con combustible tradicional (+)

Variedades

En el sentido más amplio, el término "batería solar" significa algún dispositivo que le permite convertir la energía irradiada por el Sol en una forma conveniente para el propósito de su uso posterior en diversas áreas de la vida humana. Se utilizan dos tipos de paneles solares para calentar las casas.

celdas fotovoltaicas

Las baterías de esta clase a menudo se denominan convertidores, ya que con su ayuda la energía de la radiación solar se convierte en energía eléctrica. Esta transformación se hizo posible debido a las propiedades de los semiconductores. La celda de una celda fotoeléctrica consta de dos materiales, uno de los cuales tiene conductividad de orificio y el otro, electrónico.

celdas fotovoltaicas

El flujo de fotones que componen la luz solar hace que los electrones abandonen sus órbitas y migren a través de la unión Pn, que es, de hecho, una corriente eléctrica.

Según el tipo de materiales utilizados, existen tres tipos de baterías fotovoltaicas: de silicio, de película y de concentrador.

Silicio

Más de las tres cuartas partes de los paneles solares producidos en la actualidad son de este tipo. Esto se debe al predominio del silicio en la corteza terrestre, así como al hecho de que la mayoría de las tecnologías en la producción de electrónica semiconductora se centraron en trabajar con este material.

A su vez, los elementos basados ​​en silicio se dividen en dos tipos:

• monocristalino: la opción más cara, la eficiencia es del 19% - 24%;
• policristalino: más asequible, pero tiene una eficiencia en el rango de 14% - 18%.

Película

En la producción de fotocélulas de este grupo, se utilizan semiconductores que tienen un coeficiente de absorción de luz superior al del silicio monocristalino y policristalino.

Esto permitió reducir el espesor de los elementos en un orden de magnitud, lo que tuvo un efecto positivo en su costo. Se utilizan los siguientes materiales:

• telururo de cadmio (eficiencia - 15% - 17%);
• silicio amorfo (eficiencia - 11% - 13%).

concentrador

Estas baterías tienen una estructura multicapa y se caracterizan por la mayor eficiencia: alrededor del 44%. El material principal en su producción es el arseniuro de galio.

Juego completo de sistema de calefacción

El sistema de calefacción basado en baterías fotovoltaicas consta de los siguientes componentes:

• las propias baterías;
• batería;
• controlador: controla el proceso de carga de la batería;
• inversor: convierte la corriente continua de una batería o acumulador en corriente alterna con un voltaje de 220 V;
• convector, caldera de agua caliente o cualquier otro tipo de calentador eléctrico.

Sistema fotovoltaico montado en red

Colectores solares

Las baterías de esta variedad consisten en varios tubos pintados de negro a través de los cuales se bombea el refrigerante que circula en el sistema de calefacción. Al mismo tiempo, la energía térmica de la radiación solar es absorbida por el entorno de trabajo sin ninguna conversión. En la mayoría de los casos se utiliza una mezcla a base de propilenglicol (tiene propiedades anticongelantes), pero también existen colectores orientados a trabajar con aire. Este último, después del calentamiento, se alimenta directamente a la habitación calentada.

Colectores solares

En su forma más simple, un colector solar se llama colector plano. Tiene la forma de una caja de vidrio con un revestimiento oscuro, que está en contacto con el refrigerante que pasa por los tubos. Los colectores de vacío tienen un dispositivo más complejo.En tales baterías, los tubos con refrigerante se colocan en una caja de vidrio sellada, desde la cual se bombea el aire. Por lo tanto, los tubos que contienen el medio de trabajo están rodeados por vacío, lo que elimina la pérdida de calor por contacto con el aire.

Obviamente, la fabricación de colectores solares se basa en tecnologías más sencillas que la producción de células fotovoltaicas. Como resultado, también son menos costosos. Al mismo tiempo, la eficiencia de tales instalaciones alcanza el 80% - 95%.

Conjunto completo de sistema solar.

Los principales elementos del sistema solar (sistemas de baterías solares para el hogar) son:

• Batería solar;
• bomba de circulación (en sistemas con circulación natural del refrigerante, puede estar ausente, pero son ineficaces);
• un recipiente con agua, que desempeña el papel de acumulador de calor;
• circuito de calentamiento de agua, compuesto por tuberías y radiadores.

Esquema de implementación de un sistema solar con apoyo de calefacción con almacenamiento diario de energía

Los beneficios de los paneles solares.

La ventaja más importante de los convertidores fotovoltaicos es la independencia de las organizaciones de recursos.. La electricidad se genera de forma totalmente autónoma, sin estar conectado a la red. Solo es necesario tener una fuente: luz solar, por la noche el sistema no puede funcionar. Hay otros beneficios también:

• Amabilidad con el medio ambiente. El sistema no afecta el medio ambiente de ninguna manera, no emite sustancias nocivas.
• Larga vida útil. El equipo puede operar casi indefinidamente, sujeto a mantenimiento periódico por parte de especialistas.
• Funcionamiento silencioso completo.
• Posibilidad de aumentar la potencia del sistema añadiendo nuevos módulos.
• Recuperación de equipos.El precio del kit se devuelve gradualmente al propietario en forma de ahorro de costos de energía. Después de algunos años, el equipo ya está comenzando a generar ganancias.
• Reducción constante en el costo de los kits. El volumen de producción de dichos equipos es grande y esto provoca una disminución de los precios. Un sistema solar para una casa comprado dentro de unos años será más barato que uno comprado hoy, y esto infunde confianza en el desarrollo de la tecnología y la disponibilidad de equipos.

Colectores solares tubulares

Los colectores solares tubulares se ensamblan a partir de tubos separados a través de los cuales corre agua, gas o vapor. Este es uno de los sistemas solares de tipo abierto. Sin embargo, el refrigerante ya está mucho mejor protegido de la negatividad externa. Especialmente en instalaciones de vacío, dispuestas según el principio de los termos.

Cada tubo se conecta al sistema por separado, paralelos entre sí. Si un tubo falla, es fácil reemplazarlo por uno nuevo. Toda la estructura se puede montar directamente sobre la cubierta del edificio, lo que facilita enormemente la instalación.

El colector tubular tiene una estructura modular. El elemento principal es un tubo de vacío, la cantidad de tubos varía de 18 a 30, lo que le permite seleccionar con precisión la potencia del sistema.

Una ventaja significativa de los colectores solares tubulares radica en la forma cilíndrica de los elementos principales, gracias a los cuales la radiación solar se captura durante todo el día sin el uso de costosos sistemas para seguir el movimiento de la luminaria.

Un revestimiento multicapa especial crea una especie de trampa óptica para los rayos del sol.El diagrama muestra parcialmente la pared exterior del matraz de vacío reflejando los rayos en las paredes del matraz interior.

Según el diseño de los tubos, se distinguen los colectores solares de pluma y coaxiales.

El tubo coaxial es un recipiente Diyur o un termo familiar. Están hechos de dos matraces entre los cuales se bombea el aire. La superficie interior del matraz interior está recubierta con un revestimiento altamente selectivo que absorbe eficazmente la energía solar.

Con una forma cilíndrica del tubo, los rayos del sol siempre caen perpendiculares a la superficie.

La energía térmica de la capa selectiva interna se transfiere a un tubo de calor oa un intercambiador de calor interno hecho de placas de aluminio. En esta etapa, se producen pérdidas de calor no deseadas.

El tubo de plumas es un cilindro de vidrio con un absorbente de plumas insertado en su interior.

El sistema obtuvo su nombre de un absorbedor de plumas, que se envuelve firmemente alrededor de un canal de calor hecho de metal conductor de calor.

Para un buen aislamiento térmico, se bombea aire fuera del tubo. La transferencia de calor desde el absorbedor ocurre sin pérdida, por lo que la eficiencia de los tubos de plumas es mayor.

Un termotubo es un recipiente sellado con un líquido volátil.

Dado que el líquido volátil fluye naturalmente hacia el fondo del termotubo, el ángulo de inclinación mínimo es de 20°

Dentro del termotubo hay un líquido volátil que toma calor de la pared interior del matraz o del absorbedor de plumas. Bajo la acción de la temperatura, el líquido hierve y asciende en forma de vapor. Después de que el calor se cede al refrigerante de calefacción o agua caliente, el vapor se condensa en un líquido y fluye hacia abajo.

El agua a baja presión se usa a menudo como un líquido volátil.

Un sistema de flujo directo utiliza un tubo en forma de U a través del cual circula agua o un refrigerante del sistema de calefacción.

La mitad del tubo en forma de U está diseñada para refrigerante frío, la segunda toma el caliente. Cuando se calienta, el refrigerante se expande y entra al tanque de almacenamiento, proporcionando circulación natural. Al igual que con los sistemas de termotubos, el ángulo mínimo de inclinación debe ser de al menos 20⁰.

Con una conexión de flujo directo, la presión en el sistema no puede ser alta, ya que hay un vacío técnico dentro del matraz.

Los sistemas de flujo directo son más eficientes porque calientan inmediatamente el refrigerante.

Si se planea usar sistemas de colectores solares durante todo el año, se les inyectan anticongelantes especiales.

Pros y contras de los colectores tubulares

El uso de colectores solares tubulares tiene una serie de ventajas y desventajas. El diseño de un colector solar tubular consta de los mismos elementos, que son relativamente fáciles de reemplazar.

ventajas:

• baja pérdida de calor;
• capacidad de trabajar a temperaturas de hasta -30⁰С;
• desempeño efectivo a lo largo de las horas del día;
• buen comportamiento en zonas de clima templado y frío;
• viento bajo, justificado por la capacidad de los sistemas tubulares para pasar masas de aire a través de ellos;
• la posibilidad de producir una alta temperatura del refrigerante.

Estructuralmente, la estructura tubular tiene una superficie de apertura limitada. Tiene las siguientes desventajas:

• no es capaz de autolimpiarse de nieve, hielo, escarcha;
• precio alto.

A pesar del alto costo inicial, los colectores tubulares se amortizan más rápido.Tienen una larga vida útil.

Los colectores tubulares son plantas solares de tipo abierto, por lo que no son adecuados para su uso durante todo el año en sistemas de calefacción.

Tipos de paneles solares

Existen diferentes tipos de convertidores fotovoltaicos. Además, el material del que están hechos y la tecnología difieren. Todos estos factores afectan directamente el rendimiento de estos convertidores. Algunas células solares tienen una eficiencia del 5 al 7 %, y los desarrollos recientes más exitosos muestran un 44 % o más. Está claro que la distancia entre el desarrollo y el uso doméstico es enorme, tanto en tiempo como en dinero. Pero ya os podéis imaginar lo que nos espera en un futuro próximo. Se utilizan otros metales de tierras raras para obtener un mejor rendimiento, pero con un rendimiento mejorado, tenemos un aumento de precio decente. El rendimiento promedio de los convertidores solares relativamente económicos es del 20-25%.

Los módulos solares de silicio son los más utilizados

Las células solares de silicio más comunes. Este semiconductor es económico, su producción se ha dominado durante mucho tiempo. Pero no tienen la mayor eficiencia: el mismo 20-25%. Por lo tanto, con toda la diversidad, hoy en día se utilizan principalmente tres tipos de convertidores solares:

• Las más baratas son las baterías de película delgada. Son una fina capa de silicona sobre el material de soporte. La capa de silicona está cubierta con una película protectora. La ventaja de estos elementos es que funcionan incluso con luz difusa, por lo que es posible instalarlos incluso en las paredes de los edificios. Contras: baja eficiencia del 7-10% y, a pesar de la capa protectora, la degradación gradual de la capa de silicio.Sin embargo, al ocupar un área grande, puede obtener electricidad incluso cuando está nublado.
• Las células solares policristalinas están hechas de silicio fundido, enfriándolo lentamente. Estos elementos se pueden distinguir por su color azul brillante. Estos paneles solares tienen la mejor productividad: la eficiencia es del 17-20%, pero son ineficientes en luz difusa.
• Los más caros de toda la trinidad, pero a la vez bastante extendidos, son los paneles solares monocristalinos. Se obtienen mediante la división de un solo cristal de silicio en obleas y tienen una geometría característica con esquinas biseladas. Estos elementos tienen una eficiencia del 20% al 25%.

Ahora, cuando veas las inscripciones “monopanel solar” o “panel solar policristalino”, entenderás que estamos hablando de un método para la producción de cristales de silicio. También sabrá cuán efectivos puede esperar de ellos.

Batería con convertidores monocristalinos