Painéis solares para casa de campo e residência: tipos, princípio de funcionamento e procedimento de cálculo de sistemas solares

A ciência nos deu uma época em que a tecnologia de aproveitamento da energia solar se tornou acessível a todos. Qualquer proprietário tem a possibilidade de adquirir painéis solares para a residência. Os proprietários de casas de campo não ficam atrás nessa questão. Eles geralmente estão longe de fontes centralizadas de fornecimento estável de eletricidade.

Convidamos você a conhecer as informações que apresentam a estrutura, os princípios de funcionamento e de cálculo dos componentes operacionais do sistema solar. Conhecer as informações que oferecemos deixará mais próxima a realidade de abastecer seu terreno com eletricidade natural.

Para facilitar a compreensão visual dos dados apresentados, incluímos esquemas detalhados, ilustrações, instruções em foto e vídeo.

Estrutura e princípio de funcionamento do painel solar

Em algum momento, mentes curiosas descobriram para nós substâncias naturais que geram energia elétrica sob a influência das partículas de luz do sol, os fótons. O processo foi chamado de efeito fotoelétrico. Os cientistas aprenderam a controlar o fenômeno microfísico.

Com base em materiais semicondutores, eles criaram dispositivos eletrônicos compactos — as células fotovoltaicas.

Os fabricantes dominaram a tecnologia de combinar conversores em miniatura em painéis solares eficientes. A eficiência dos módulos solares de silício produzidos em larga escala pela indústria é de 18 a 22%.

Pela descrição do esquema, fica claro que todos os componentes da central são igualmente importantes: o funcionamento coordenado do sistema depende da seleção criteriosa de cada um deles.

A partir dos módulos, o painel solar é montado. Ele é o ponto final da viagem dos fótons do Sol até a Terra. A partir daí, esses componentes da radiação luminosa continuam seu caminho dentro do circuito elétrico como partículas de corrente contínua.

Eles são distribuídos para baterias ou transformados em cargas de corrente elétrica alternada de 220 volts, que alimentam vários dispositivos técnicos domésticos.

Um painel solar é um conjunto de dispositivos semicondutores conectados em série – células fotovoltaicas, que convertem a energia solar em energia elétrica

Mais detalhes sobre as características e o princípio de funcionamento de um painel solar você encontrará em outro artigo popular do nosso site.

Tipos de módulos-painéis solares

Os módulos de painéis solares são montados a partir de células solares, ou seja, conversores fotovoltaicos. Os FEP de dois tipos encontraram aplicação em massa.

Eles se diferenciam pelos tipos de semicondutores de silício usados em sua fabricação, sendo:

• Policristalinos. São células solares feitas de silício fundido por resfriamento prolongado. O método de produção simples resulta em preço acessível, mas o desempenho da versão policristalina não excede 12%.
• Monocristalinos. São elementos obtidos pelo corte de finas lâminas de um cristal de silício cultivado artificialmente. A opção mais produtiva e cara. A eficiência média é de cerca de 17%, podendo-se encontrar células fotovoltaicas monocristalinas com maior desempenho.

As células solares policristalinas são de formato quadrado plano com superfície não homogênea. As variedades monocristalinas parecem quadrados finos com estrutura de superfície homogênea e cantos cortados (pseudoquadrados).

Assim são os FEP – conversores fotovoltaicos: as características do módulo solar não dependem do tipo de elementos utilizados – isso afeta apenas o tamanho e o preço.

Os painéis do primeiro tipo, com a mesma potência, são maiores em tamanho que os do segundo devido à menor eficiência (18% contra 22%). Mas são, em média, cerca de dez por cento mais baratos e têm maior demanda.

Sobre as regras e nuances da escolha de painéis solares para o fornecimento de energia de aquecimento autônomo, você pode ler aqui.

Esquema de funcionamento do fornecimento de energia solar

Quando se percorre com o olhar os nomes misteriosos dos componentes que fazem parte do sistema de alimentação por luz solar, vem à mente a ideia da complexidade supertécnica do dispositivo.

No micronível da vida do fóton, é assim. Mas, visualmente, o esquema geral do circuito elétrico e seu princípio de funcionamento parecem muito simples. Do astro celestial à 'lâmpada de Ilitch' são apenas quatro passos.

Os módulos solares – o primeiro componente da usina. São painéis retangulares finos, montados a partir de um determinado número de placas fotovoltaicas padrão. Os fabricantes produzem painéis fotovoltaicos com diferentes potências elétricas e tensões, múltiplos de 12 volts.

Dispositivos de formato plano são convenientemente colocados em superfícies expostas aos raios diretos. Os blocos modulares são combinados por meio de conexões mútuas em uma bateria solar. A função da bateria é converter a energia solar recebida, fornecendo corrente contínua de valor especificado.

Os dispositivos de armazenamento de carga elétrica – baterias para painéis solares são conhecidos por todos. Seu papel dentro do sistema de fornecimento de energia solar é tradicional. Quando os consumidores domésticos estão conectados à rede centralizada, os acumuladores de energia armazenam eletricidade.

Elas também acumulam seus excedentes, se para garantir a potência consumida pelos aparelhos elétricos a corrente do módulo solar for suficiente.

O bloco de baterias fornece ao circuito a quantidade de energia necessária e mantém uma tensão estável, assim que o consumo nele aumenta para um valor elevado. O mesmo ocorre, por exemplo, à noite com os painéis fotovoltaicos inoperantes ou durante o tempo com pouca irradiação solar.

O esquema de fornecimento de energia residencial com painéis solares difere das opções com coletores pela capacidade de acumular energia na bateria.

O controlador é um intermediário eletrônico entre o módulo solar e as baterias. Seu papel é regular o nível de carga das baterias acumuladoras. O dispositivo evita que elas entrem em ebulição por sobrecarga ou que o potencial elétrico caia abaixo de um padrão específico, necessário para o funcionamento estável de todo o sistema solar.

Inversor, assim se traduz literalmente o som do termo inversor para painéis solares. Sim, na verdade, este componente desempenha uma função que antes parecia fantástica aos engenheiros eletrotécnicos.

Ele converte a corrente contínua do módulo solar e das baterias em corrente alternada com diferença de potencial de 220 volts. Essa tensão é a que funciona para a grande maioria dos dispositivos eletrônicos domésticos.

O fluxo de energia solar é proporcional à posição do astro: ao instalar os módulos, seria bom prever o ajuste do ângulo de inclinação de acordo com a estação do ano.

Carga de pico e consumo médio diário de energia

O prazer de ter sua própria estação solar ainda custa bastante. O primeiro passo no caminho para possuir o poder da energia solar é determinar a carga de pico ideal em quilowatts e o consumo médio diário racional de energia em quilowatts-hora de uma residência ou casa de campo.

A carga de pico é criada pela necessidade de ligar vários aparelhos elétricos ao mesmo tempo e é determinada pela sua potência total máxima, considerando as características de partida elevadas de alguns deles.

O cálculo do máximo de potência consumida permite identificar quais aparelhos elétricos precisam realmente funcionar simultaneamente e quais não tanto. Esse indicador determina as características de potência dos componentes da estação de energia, ou seja, o custo final do dispositivo.

O consumo diário de energia de um aparelho elétrico é medido pelo produto de sua potência individual pelo tempo que ele funcionou na rede (consumiu eletricidade) durante o dia. O consumo médio diário total de energia é calculado como a soma da energia elétrica consumida por cada consumidor no período diário.

A análise e otimização subsequentes dos dados obtidos sobre cargas e consumo de energia garantirão a configuração adequada e o funcionamento posterior do sistema de energia solar com custos mínimos.

O resultado do consumo de energia ajuda a abordar racionalmente o gasto de eletricidade solar. O resultado dos cálculos é importante para o cálculo posterior da capacidade das baterias. Deste parâmetro, o preço do bloco de baterias, um componente considerável do sistema, depende ainda mais.

Procedimento de cálculo dos indicadores energéticos

O processo de cálculos, literalmente, começa com uma folha de caderno quadriculada, disposta horizontalmente e aberta. Com linhas leves de lápis, a folha se transforma em um formulário com trinta colunas e linhas correspondentes ao número de eletrodomésticos.

Preparação para os cálculos aritméticos

A primeira coluna é desenhada como tradicional – número de ordem. A segunda coluna – nome do eletrodoméstico. A terceira – sua potência individual consumida.

As colunas da quarta à vigésima sétima – as horas do dia de 00 a 24. Nelas, através de uma barra fracionária horizontal, são inseridos:

• no numerador – o tempo de funcionamento do aparelho durante a hora específica em formato decimal (0,0);
• no denominador – novamente sua potência individual consumida (esta repetição é necessária para o cálculo das cargas horárias).

A vigésima oitava coluna – o tempo total que o dispositivo doméstico funciona durante o dia. Na vigésima nona – registra-se o consumo de energia individual do aparelho como resultado da multiplicação da potência consumida pelo tempo de funcionamento no período diário.

A elaboração de uma especificação detalhada dos consumidores considerando as cargas horárias ajudará a manter mais aparelhos habituais, graças ao seu uso racional.

A trigésima coluna também é padrão – observação. Ela será útil para cálculos intermediários.

Elaboração da especificação dos consumidores

A próxima etapa dos cálculos – transformar o formulário de caderno em uma especificação dos consumidores domésticos de eletricidade. Com a primeira coluna está claro. Aqui são inseridos os números de ordem das linhas.

Na segunda coluna são escritos os nomes dos consumidores de energia. Recomenda-se começar o preenchimento pelos eletrodomésticos da entrada. Em seguida, descrevem-se os outros cômodos no sentido anti-horário ou horário (como for mais conveniente).

Se houver um segundo andar (etc.), o procedimento é o mesmo: a partir da escada – em círculo. Não se deve esquecer dos aparelhos nos patamares da escada e da iluminação externa.

A terceira coluna com a indicação da potência em frente ao nome de cada aparelho elétrico é melhor preencher simultaneamente com a segunda.

As colunas da quarta à vigésima sétima correspondem cada uma a uma hora do dia. Para maior comodidade, podem ser imediatamente traçadas com linhas horizontais no meio das linhas. As metades superiores resultantes das linhas são como numeradores, as inferiores, denominadores.

Estas colunas são preenchidas linha por linha. Os numeradores são formatados seletivamente como intervalos de tempo no formato decimal (0,0), refletindo o tempo de operação do aparelho elétrico em um determinado período horário. Paralelamente, onde os numeradores são inseridos, os denominadores são escritos com o indicador de potência do aparelho, retirado da terceira coluna.

Depois que todas as colunas horárias são preenchidas, passamos aos cálculos do tempo de trabalho diário individual dos aparelhos elétricos, percorrendo as linhas. Os resultados são registrados nas células correspondentes da vigésima oitava coluna.

No caso em que a usina solar desempenha um papel auxiliar, para que o sistema não funcione em vazio, parte da carga pode ser conectada a ela para alimentação contínua.

Com base na potência e no tempo de trabalho, o consumo diário de energia de todos os consumidores é calculado sequencialmente. É registrado nas células da vigésima nona coluna.

Quando todas as linhas e colunas da especificação são preenchidas, são realizados os cálculos finais. Somando-se as potências dos denominadores das colunas horárias, obtêm-se as cargas de cada hora. Somando de cima para baixo os consumos diários individuais da vigésima nona coluna, encontra-se o total médio diário.

O cálculo não inclui o consumo próprio do futuro sistema. Esse fator é considerado por um coeficiente auxiliar nos cálculos finais subsequentes.

Análise e otimização dos dados obtidos

Se a alimentação da usina solar é planejada como reserva, os dados sobre as potências consumidas por hora e sobre o consumo médio diário total ajudam a minimizar o gasto de cara eletricidade solar.

Isso é alcançado excluindo do uso os consumidores de alta energia até o momento da restauração do fornecimento centralizado de eletricidade, especialmente nas horas de carga máxima.

Se o sistema de energia solar é projetado como uma fonte de fornecimento contínuo de eletricidade, então os resultados das cargas horárias são destacados. É importante distribuir o consumo de eletricidade ao longo do dia de modo a eliminar os máximos muito predominantes e os mínimos muito acentuados.

A exclusão de picos, a equalização das cargas máximas, a eliminação de quedas bruscas no consumo de energia ao longo do tempo permitem selecionar as opções mais econômicas para os componentes do sistema solar e garantem uma operação estável, e principalmente, livre de falhas e de longo prazo da usina solar.

O gráfico revelará a irregularidade do consumo de energia: nossa tarefa é deslocar os máximos para o período de maior atividade solar e reduzir o consumo total diário, especialmente o noturno.

O desenho apresentado mostra a transformação de um gráfico irracional obtido com base na especificação elaborada em um gráfico ótimo. O indicador de consumo diário foi reduzido de 18 para 12 kWh, a carga horária média diária de 750 para 500 W.

O mesmo princípio de otimização será útil ao usar a opção de alimentação solar como reserva. Talvez não valha a pena gastar excessivamente para aumentar a potência dos módulos solares e baterias devido a um pequeno inconveniente temporário.

Seleção dos componentes da central solar

Para simplificar os cálculos, será considerada a versão do uso do painel solar como fonte principal de energia elétrica para uma casa de campo. O consumidor será uma casa de campo hipotética no Oblast de Riazan, onde pessoas residem permanentemente de março a setembro.

Cálculos práticos baseados nos dados do gráfico racional de consumo horário de energia publicado acima darão clareza às discussões:

• Consumo total médio diário de energia = 12.000 watt-hora.
• Carga média de consumo = 500 watts.
• Carga máxima de 1200 watts.
• Carga de pico 1200 x 1,25 = 1500 watts (+25%).

Os valores serão necessários nos cálculos da capacidade total dos dispositivos solares e outros parâmetros operacionais.

Determinação da tensão de trabalho do sistema solar

A tensão de trabalho interna de qualquer sistema helioelétrico baseia-se em múltiplos de 12 volts, como a tensão nominal mais comum das baterias. Os componentes das usinas helioelétricas mais amplamente disponíveis: módulos solares, controladores, inversores – são fabricados para as tensões populares de 12, 24, 48 volts.

Uma tensão mais alta permite o uso de cabos de alimentação de seção transversal menor – o que aumenta a confiabilidade dos contatos. Por outro lado, as baterias defeituosas de uma rede de 12V podem ser substituídas uma a uma.

Em uma rede de 24 volts, considerando as especificações de operação das baterias, a substituição deve ser feita apenas em pares. Uma rede de 48V exigirá a troca de todas as quatro baterias de um ramo. Além disso, com 48 volts já existe risco de choque elétrico.

Com a mesma capacidade e preço aproximadamente igual, deve-se adquirir baterias com a maior profundidade de descarga permitida e maior corrente máxima.

A escolha principal da tensão interna do sistema está relacionada às características de potência dos inversores fabricados pela indústria moderna e deve considerar o valor da carga de pico:

• de 3 a 6 kW – 48 volts,
• de 1,5 a 3 kW – igual a 24 ou 48V,
• até 1,5 kW – 12, 24, 48V.

Ao escolher entre a confiabilidade da fiação e o inconveniente de substituir as baterias, para nosso exemplo, optaremos pela confiabilidade. Posteriormente, partiremos da tensão de trabalho do sistema calculado de 24 volts.

Composição do painel solar com módulos solares

A fórmula para calcular a potência necessária do painel solar é a seguinte:

Rsm = ( 1000 * Esut ) / ( k * Sin ),

onde:

• Rsm = potência do painel solar = potência total dos módulos solares (painéis, W),
• 1000 = sensibilidade luminosa adotada dos conversores fotovoltaicos (kW/m²)
• Esut = necessidade de consumo diário de energia (kWh, em nosso exemplo = 18),
• k = coeficiente sazonal, considerando todas as perdas (verão = 0,7; inverno = 0,5),
• Sin = valor tabelado de insolação (fluxo de radiação solar) com inclinação ideal dos painéis (kWh/m²).

O valor da insolação pode ser obtido junto ao serviço meteorológico regional.

O ângulo de inclinação ideal dos painéis solares é igual ao valor da latitude local:

• na primavera e no outono,
• mais 15 graus – no inverno,
• menos 15 graus – no verão.

A região de Riazan considerada em nosso exemplo está localizada na latitude 55.

A maior potência dos painéis solares é alcançada com o uso de sistemas de rastreamento, alteração sazonal do ângulo de inclinação dos painéis, aplicação de orientação mista dos módulos.

Para o período de março a setembro, a melhor inclinação não ajustável do painel solar é igual ao ângulo de verão de 40° em relação ao solo. Com essa instalação dos módulos, a insolação diária média em Riazan nesse período é 4,73. Todos os números estão disponíveis, vamos fazer o cálculo:

Rsm = 1000 * 12 / ( 0,7 * 4,73 ) ≈ 3 600 watts.

Se considerarmos módulos de 100 watts como base do painel solar, serão necessários 36 deles. Eles pesarão cerca de 300 kg e ocuparão uma área de aproximadamente 5 x 5 m.

Esquemas de montagem e opções de conexão de painéis solares comprovados na prática são apresentados aqui.

Instalação do banco de baterias

Ao selecionar baterias, deve-se orientar pelos seguintes postulados:

1. Baterias de automóveis comuns NÃO são adequadas para essa finalidade. As baterias de usinas solares são marcadas com a inscrição «SOLAR».
2. As baterias devem ser adquiridas apenas idênticas em todos os parâmetros, de preferência do mesmo lote de fábrica.
3. O ambiente onde o bloco de baterias está localizado deve ser aquecido. A temperatura ideal para as baterias fornecerem potência total é de 25 °C. Quando ela cai para -5 °C, a capacidade das baterias diminui em 50%.

Se tomarmos para cálculo uma bateria exemplar de 12 volts com capacidade de 100 Ah, não é difícil calcular que, por uma hora inteira, ela poderá fornecer energia a consumidores com potência total de 1200 watts. Mas isso com descarga completa, o que é extremamente indesejável.

Para o funcionamento prolongado das baterias, NÃO é recomendado reduzir sua carga abaixo de 70%. O valor limite é 50%. Tomando como 'meio-termo' o número 60%, colocamos como base dos cálculos subsequentes uma reserva de energia de 720 Wh para cada 100 Ah de capacidade da bateria (1200 Wh x 60%).

Possivelmente, a compra de uma bateria de 200 Ah será mais barata do que a aquisição de duas de 100 Ah, além de reduzir o número de conexões de contato das baterias.

Inicialmente, as baterias devem ser instaladas 100% carregadas por uma fonte de corrente estacionária. As baterias devem cobrir totalmente as cargas do período noturno. Se o tempo não ajudar, devem manter os parâmetros necessários do sistema também durante o dia.

É importante considerar que o excesso de baterias levará a uma subcarga constante. Isso reduzirá significativamente a vida útil. A solução mais racional parece ser equipar o bloco com baterias com reserva de energia suficiente para cobrir o consumo diário de energia.

Para descobrir a capacidade total necessária das baterias, dividimos o consumo total diário de energia de 12000 Wh por 720 Wh e multiplicamos por 100 Ah:

12 000 / 720 * 100 = 2500 Ah ≈ 1600 Ah

Total para o nosso exemplo, serão necessárias 16 baterias de 100 Ah ou 8 de 200 Ah, conectadas em série-paralelo.

Escolha de um bom controlador

A seleção adequada do controlador de carga das baterias é uma tarefa muito específica. Seus parâmetros de entrada devem corresponder aos módulos solares escolhidos, e a tensão de saída, à diferença de potencial interna do sistema solar (no nosso exemplo – 24 volts).

Um bom controlador deve obrigatoriamente garantir:

1. Carga multiestágio das baterias, ampliando significativamente sua vida útil eficaz.
2. Conexão e desconexão automáticas entre a bateria e o painel solar, correlacionadas com a carga e descarga.
3. Reconexão da carga da bateria para o painel solar e vice-versa.

Este pequeno componente é muito importante.

Se parte dos consumidores (por exemplo, iluminação) for transferida para alimentação direta de 12 volts a partir do controlador, o inversor precisará ser menos potente, portanto mais barato.

Da escolha correta do controlador depende o funcionamento sem falhas do caro bloco de baterias e o equilíbrio de todo o sistema.

Seleção de um inversor de melhor qualidade

O inversor é escolhido com potência suficiente para suportar a carga máxima de longo prazo. Sua tensão de entrada deve corresponder à diferença de potencial interna do sistema solar.

Para a melhor seleção, recomenda-se prestar atenção aos seguintes parâmetros:

1. Forma e frequência da corrente alternada fornecida. Quanto mais próxima de uma senoide de 50 hertz, melhor.
2. Eficiência do dispositivo. Quanto mais acima de 90% – melhor.
3. Consumo próprio do dispositivo. Deve ser proporcional ao consumo total de energia do sistema. Idealmente – até 1%.
4. Capacidade do componente de suportar sobrecargas duplas de curta duração.

A melhor opção – inversor com função de controlador integrada.

Montagem do sistema solar residencial

Preparamos para você uma seleção de fotos que demonstra claramente o processo de montagem de um sistema heliotérmico doméstico a partir de módulos fabricados na fábrica:

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo #1. Demonstração da instalação de painéis solares no telhado de uma casa faça você mesmo:

Vídeo #2. Escolha de baterias para sistema heliotérmico, tipos, diferenças:

Vídeo #3. Usina solar de casa de campo para quem faz tudo sozinho:

As técnicas práticas passo a passo de cálculos discutidas, o princípio básico de funcionamento eficiente de uma moderna bateria de painel solar como parte de uma estação heliotérmica autônoma doméstica ajudarão os proprietários de uma grande casa em uma área densamente povoada e de uma casa de campo isolada a alcançar a soberania energética.

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