Coletores Solares
Autor: Francisco Jaborandi | Publicado: 2012-02-27T14:38:00-08:00



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.