Coletores Solares

Coletores Térmicos

Coletores solares são componentes chave em sistemas que usam aquecimento solar. Coletores solares “capturam” a energia do Sol, transformam a sua radiação em calor e então transferem esse calor para a água, fluido solar ou o ar. A energia solar térmica pode ser usada em sistemas de aquecimento de água, aquecimento de piscinas e sistemas para aquecimento de ambientes.

Em qualquer aparelho coletor, o princípio que geralmente seguido é expor uma superfície escura à radiação solar a fim de que essa radiação seja absorvida. Uma parte da radiação absorvida é então transferida para um fluido como o ar ou a água. Quando concentradores ópticos não são empregados, o coletor é denominado coletor de placas planas.

Existem vários tipos de coletores solar:

• Coletor de placas planas;
• Coletores de tubos evacuados;
• Coletor integrado com sistema de armazenamento.

Coletor de Placas Planas – Flat Plane Solar Collector

O coletor do tipo placas planas é considerado o tipo de coletor solar mais importante, porque seu design é simples, não possui peças móveis e requer pouca manutenção. Pode ser usado em uma variedade de aplicações nas quais a temperatura pode variar de 40⁰ C até 100⁰ C.

O esboço de um coletor de placas planas que usa líquido é mostrado na figura abaixo. Conforme dito acima, ele consiste de uma placa absorvedora na qual a radiação solar chega, após atravessar uma capa transparente (normalmente de vidro). A radiação absorvida é parcialmente transferida para um líquido que flui em tubos que estão fixados à placa ou que já são parte integrante dela. A outra parte da radiação é perdida por convecção para a superfície e irradiada novamente para o ambiente e também por condução através de sua estrutura. A capa transparente ajuda na redução das perdas por convecção e por ré irradiação, enquanto o isolamente previne a perda por condução na estrutura do coletor.

O líquido mais comumente usado é a água. Este tipo de coletor geralmente é mantido inclinado em uma posição fixa em direção a melhor incidência solar.

Coletor de placas planas.

Beam radiation – feixe de radiação incidente

Diffuse radiation – radiação difusa

Fluid passage – passagem do fluido

Absorber plate – placa absorvedora

Thermal insulation – isolamento térmico

Casing – armação do coletor

De maneira a reduzir a perda por ré-irradiação através da parte de cima da placa coletora, é comum aplicar uma cobertuta sobre ela a fim de dotá-la de um alto valor de absorção da radiação que chega e um baixo valor de emissividade, prevenindo a ré irradiação; resultando em um coletor mais eficiente.

Uma aplicação térmica: Aquecimento de água.

De todas as aplicações de aquecimento solar, o aquecimento de água é o mais popular e deve ser o mais economicamente viável.

Um diagrama de um sistema simples de circulação natural é ilustrado a seguir:

Insulated storage tank – tanque de armazenagem termicamente isolado

Flat plate collector – coletor de placas planas

Cold water in – entrada de água fria

Hot water use – água quente a ser usada

Os dois elementos principais desse sistema são o coletor líquido de placas planas e o tanque de armazenamento que está posicionado acima do nível do coletor.

Quando a água dentro do coletor é aquecida pela energia solar, ela flui, automaticamente, para o topo do tanque de armazenamento e lá é substituída pela água fria que vem da parte inferior do tanque. A água quente para ser usada é retirada da parte de cima do tanque e ao mesmo tempo, água fria entra pela parte inferior.

Temos um fenômeno de convecção natural.

A principal desvantagem desse sistema baseado no princípio do termo sifão é que o tanque de armazenamento precisa estar posicionado acima do coletor

Uma melhora ainda maior na eficiência (ou na temperatura de operação) do coletor pode ser obtida fazendo-se vácuo no espaço acima da placa absorvedora o que exige o projeto de um coletor com tubo para evacuação.

Coletor de Tubos Evacuados – Vacuum Colector

Esse tipo de coletor pode atingir temperaturas extremamente altas (65⁰C até 177⁰C), o que o torna mais apropriado para aplicações comerciais e industriais. No entanto, esses coletores são mais caros do que os coletores de placa plana comuns, isto é um metro quadrado dele custa duas vezes mais do que o metro quadrado do coletor de placa plana comum.

Normalmente são feitos de linhas paralelas de tubos de vidro transparentes. Cada tubo contém um tubo externo também de vidro e um tubo absorvedor feito de metal e conectado a um tubo revestido com camada absorvedora a fim de melhor absorver a energia solar além de evitar a perda de calor. A radiação solar que chega é absorvida na superfície e parcialmente conduzida para o inteiror através das paredes do tubo. O tubo interno é cheio de água e assim, o calor é transferido para a água (sifão térmico). A perda de calor por convecção para o ambiente é significativamente reduzida devido ao vácuo que é feito na região anular (o ar é removido ou evacuado do espaço entre os dois tubos de vidro, formando assim um vácuo que elimina as perdas de calor por condução e convecção).

eficiente a altas temperaturas.

Evacuated tube – tube evacuado

Glazing – vidraria do coletor

Inflow – entrada do fluido

Outflow – saída do fluido

Reflector – refletor

Cross section – seção reta

Outer glass tube – tubo de vidro exterior

Absorbing coating – revestimento absorçor

Inner glass tube – tubo de vidro interno

Fluid tubes – tubos dos fluidos

Copper sheet – folha de cobre

Evacuated space – região evacuada

Flow – entrada do fluido

Return – retorno do fluido

Seal – vedação

Dark strip absorbs light – revestimento absorvedor

Vacuum - vácuo

Coletor Integrado com Sistema de Armazenamento – Integral Collector Storage

O sistema utiliza coletores e tanque de armazenamento. Diferente do coletor de placas planas que usa placas de metais para absorver energia solar para transferir o calor, o coletor integrado começa e termina com água, isto é, a própria água é o coletor. Ela é colocada em um tanque pintado de preto e montado dentro de uma caixa isolante revestida de vidro em um lado. Quando o sol brilha sobre a parte de vidro, e atinge a superfície preta, a água dentro do tanque começa a aquecer e é retirada pelo topo do tanque.

A água fria passa primeiramente pelo coletor solar que pré aquece a água que é direcionada para o tanque de armazenagem; tornando o sistema uma fonte de água quente. Um pouco da água pode ser armazenada no coletor até que seja necessário usá-la.

Collector – coletor

Storage – armazenagem

Hot water home – saída da água quente

city water in – entrada de água fria

Coletor Concentrador – Focusing Collector

Quando são necessárias temperatura maiores, torna-se necessário concentrar a radiação. Isto é obtido utilizando um coletor de foque ou coletor concentrador. Um esboço de um coletor concentrador é ilustrado na figura abaixo.

O coletor consiste de um concentrador e de um receptor. O concentrador ilustrado é um espelho refletor consistindo de parábola cilíndrica que focaliza a luz do sol sobre o seu eixo, onde é absorvida pela superfície do tubo absorsor e transferida para o fluido que passa por ele. Uma superfície de vidro concêntrica em torno desse tubo ajuda a prevenir perdas de calor por convecção e condução para o ambiente.

Focusing collector.

Absorber tube – tubo asorvedor

Reflector - refletor

De maneira que a luz do Sol permanece focalizada no tubo absorvedor, o concentrador deve ser rotacionado. Este movimento é tecnicamente conhecido como tracking, que numa livre tradução seria o rastreamento do Sol. No caso de concentradores parabólicos cilíndricos, a rotação em relação a apenas um eixo é suficiente.

A temperatura do fluido que passa pelo tubo pode chegar até os 400⁰C. A geração de temperaturas de trabalho ainda mais elevadas é possível mediante o uso de refletores parabolóides, que possuem um ponto focal.

Coletor em forma de parabolóide.