Coletor solar térmico - Solar thermal collector

Sistema de aquecimento de água quente implantado em cobertura plana. Os tubos que transportam o calor podem ser vistos embutidos no absorvedor, uma placa plana pintada de preto. Neste exemplo, o calor é armazenado no tanque acima dos painéis.

Um coletor solar térmico recolhe aquecer por absorção de luz solar . O termo "coletor solar" comumente se refere a um dispositivo para aquecimento solar de água quente , mas pode se referir a grandes instalações de geração de energia, como calhas parabólicas solares e torres solares ou dispositivos sem aquecimento de água , como aquecedores solares de ar .

Os coletores solares térmicos são não-concentradores ou concentradores. Em coletores não concentrados, a área de abertura (ou seja, a área que recebe a radiação solar ) é aproximadamente a mesma que a área de absorção (ou seja, a área que absorve a radiação). Um exemplo comum de tal sistema é uma placa de metal pintada em uma cor escura para maximizar a absorção da luz solar. A energia é então coletada pelo resfriamento da placa com um fluido de trabalho , geralmente água ou glicol que passa em tubos presos à placa.

Os coletores de concentração têm uma abertura muito maior do que a área de absorção. A abertura tem normalmente a forma de um espelho focado no absorvedor, que na maioria dos casos são os tubos que transportam o fluido de trabalho. Devido ao movimento do sol durante o dia, os coletores de concentração geralmente requerem alguma forma de sistema de rastreamento solar e, às vezes, são chamados de coletores "ativos" por este motivo.

Os coletores não concentradores são normalmente usados ​​em edifícios residenciais, industriais e comerciais para aquecimento de ambientes , enquanto os coletores concentradores em usinas de energia solar concentrada geram eletricidade aquecendo um fluido de transferência de calor para acionar uma turbina conectada a um gerador elétrico .

Coletores solares térmicos aquecendo água

Os coletores solares de placa plana e tubo a vácuo são usados ​​principalmente para coletar calor para aquecimento de ambientes, água quente sanitária ou resfriamento com um resfriador de absorção . Em contraste com os painéis solares de água quente, eles usam um fluido circulante para deslocar o calor para um reservatório separado. O primeiro coletor térmico solar projetado para telhados de construção foi patenteado por William H. Goettl e denominado " Coletor de calor solar e radiador para telhados de construção ".

Coletores solares de placa plana evacuados são uma inovação mais recente e podem ser usados ​​para Calor Solar para Resfriamento Industrial (SHIC) e Ar Condicionado Solar (SAC), onde temperaturas superiores a 100 ° C (212 ° F) são necessárias. Esses coletores não concentradores captam tanto a luz difusa quanto a direta e podem usar vapor em vez de água como fluido.

Coletores de placa plana

Dois coletores solares de placa plana lado a lado

Os coletores de placa plana são a tecnologia solar térmica mais comum na Europa . Eles consistem em um (1) invólucro contendo (2) uma placa absorvente de cor escura com passagens de circulação de fluido e (3) uma tampa transparente para permitir a transmissão de energia solar para o invólucro. As laterais e a parte traseira do gabinete são normalmente isoladas para reduzir a perda de calor para o ambiente. Um fluido de transferência de calor é circulado pelas passagens de fluido do absorvedor para remover o calor do coletor solar. O fluido de circulação em climas tropicais e subtropicais é normalmente água. Em climas onde o congelamento é provável, um fluido de transferência de calor semelhante a uma solução anticongelante automotiva pode ser usado em vez de água ou em uma mistura com água. Se um fluido de transferência de calor for usado, um trocador de calor é normalmente empregado para transferir calor do fluido do coletor solar para um tanque de armazenamento de água quente. O projeto de absorvedor mais comum consiste em tubos de cobre unidos a uma folha de metal de alta condutividade (cobre ou alumínio). Um revestimento escuro é aplicado no lado voltado para o sol do conjunto absorvedor para aumentar sua absorção de energia solar. Um revestimento absorvente comum é a tinta esmalte preta.

Em projetos de coletores solares de alto desempenho, a tampa transparente é vidro sodado-cal temperado com teor de óxido de ferro reduzido , igual aos painéis solares fotovoltaicos . O vidro também pode ter um padrão pontilhado e um ou dois revestimentos anti-reflexos para aumentar ainda mais a transparência . O revestimento absorvedor é tipicamente um revestimento seletivo, onde seletivo significa ter a propriedade ótica especial de combinar alta absorção na parte visível do espectro eletromagnético acoplada a baixa emitância no infravermelho . Isso cria uma superfície seletiva , que reduz a emissão de energia do corpo negro do absorvedor e melhora o desempenho. A tubulação pode ser soldada a laser ou ultrassom à folha absorvente para reduzir os danos ao revestimento seletivo, que é normalmente aplicado antes da união a grandes bobinas em um processo roll-to-roll .

As configurações da tubulação do absorvedor incluem:

  • harpa : design tradicional com risers de tubo inferior e tubo de coleta superior, usado em termossifão de baixa pressão e sistemas bombeados;
  • serpentina : um tubo contínuo em forma de S que maximiza a temperatura, mas não o rendimento total de energia em sistemas de fluxo variável, usado em sistemas compactos de água quente doméstica solar (sem função de aquecimento ambiente);
  • inundado: consiste em duas folhas de metal moldadas para produzir uma ampla zona de circulação que melhora a transferência de calor ;
  • camada limite : consiste em várias camadas de folhas transparentes e opacas que permitem a absorção em uma camada limite. Como a energia é absorvida na camada limite, a conversão de calor pode ser mais eficiente do que para coletores, onde o calor absorvido é conduzido através de um material antes de ser acumulado no líquido circulante.

Um coletor de placa plana que faz uso de uma estrutura em favo de mel para reduzir a perda de calor também no lado do vidro também foi disponibilizado comercialmente. A maioria dos coletores de placa plana tem uma expectativa de vida de mais de 25 anos.

Coletores de tubos evacuados

Coletor de tubo evacuado
Tubo evacuado de fluxo direto
Tubo evacuado de tubo de calor
Uma série de coletores de tubos evacuados em um telhado

Coletores de tubos evacuados são a tecnologia solar térmica mais comum na China e no mundo. Eles fazem uso de um tubo de vidro para envolver o absorvedor com alto vácuo e resistir efetivamente à pressão atmosférica . O vácuo que envolve o absorvedor reduz muito a perda de calor por convecção e condução , conseguindo assim maior eficiência de conversão de energia . O absorvedor pode ser metálico, como no caso dos coletores de placa plana, ou um segundo tubo de vidro concêntrico ("Sydney Tube"). O fluido de transferência de calor pode fluir para dentro e para fora de cada tubo ou estar em contato com um tubo de calor que alcança o interior do tubo. Para este último, os tubos de calor transferem calor para o fluido em um trocador de calor denominado "manifold" colocado transversalmente em relação aos tubos. O coletor é envolto em material isolante ( lã de vidro ) e coberto por uma caixa protetora de metal ou plástico também usada para fixação em suportes.

Os tubos de vidro-metal evacuados são feitos com folhas de metal absorventes planas ou curvas, iguais às das placas planas. Essas folhas são unidas a tubos ou tubos de calor para fazer "aletas" e colocadas dentro de um único tubo de vidro de borosilicato . Um revestimento anti-reflexo pode ser depositado nas superfícies interna e externa de tais tubos para melhorar a transparência. Tanto o revestimento seletivo quanto o antirreflexo (superfície do tubo interno) não se degradarão até que o vácuo seja perdido. Uma vedação de metal de vidro à prova de alto vácuo é, entretanto, necessária em um ou ambos os lados de cada tubo evacuado. Este selo é alternado entre a temperatura ambiente e a do fluido a cada dia de operação do coletor e pode levar a falhas com o tempo.

Tubos de vidro de vácuo são feitos com dois tubos de vidro de borosilicato fundidos em uma ou ambas as extremidades (semelhante a uma garrafa de vácuo ou frasco dewar). A aleta do absorvedor é colocada dentro do tubo interno à pressão atmosférica. Os tubos de vidro-vidro têm uma vedação muito confiável, mas as duas camadas de vidro reduzem a quantidade de luz solar que atinge o absorvedor. O revestimento seletivo pode ser depositado no tubo interno de borosilicato (lado de alto vácuo) para evitar isso, mas o calor deve então fluir através da espessura de vidro pouco condutora do tubo interno neste caso. Além disso, a umidade pode entrar na área não evacuada dentro do tubo interno e causar corrosão por absorção, em particular quando feita de materiais diferentes ( corrosão galvânica ).

Uma bomba getter de bário é comumente evaporada dentro do espaço de alto vácuo entre os tubos para manter a pressão interna estável ao longo do tempo.

As altas temperaturas que podem ocorrer dentro dos tubos evacuados podem exigir um projeto especial para evitar o superaquecimento . Alguns coletores de tubos evacuados funcionam como uma válvula térmica unidirecional devido aos seus tubos de calor. Isso lhes dá uma temperatura operacional máxima inerente que atua como um recurso de segurança. Coletores de tubos evacuados também podem ser fornecidos com refletores de baixa concentração na parte de trás dos tubos, realizando um coletor CPC.

Comparações de coletores de placa plana e tubo evacuado

Um argumento antigo existe entre os proponentes dessas duas tecnologias. Parte disso pode estar relacionado à estrutura dos coletores de tubos evacuados que possuem uma área de absorbância descontínua. Uma série de coletores de tubos evacuados em um telhado tem espaço entre os tubos individuais e uma lacuna de vácuo entre cada tubo e seu absorvedor interno, cobrindo apenas uma fração da área de instalação em um telhado. Se tubos evacuados forem comparados com coletores de placa plana com base na área ocupada do telhado (área bruta), uma conclusão diferente pode ser alcançada do que se as áreas de absorção ou abertura fossem comparadas. A recente revisão da norma ISO 9806 afirma que a eficiência dos coletores solares térmicos deve ser medida em termos de área bruta e isso pode favorecer as placas planas em relação aos coletores de tubos evacuados em comparações diretas.

Uma série de coletores de placa plana evacuados ao lado de concentradores solares compactos
SolarCollectorsCompare1.jpg Uma comparação da produção de energia (kW.h / dia) de um coletor de placa plana (linhas azuis; Termodinâmica S42-P; absorvedor 2,8 m 2 ) e um coletor de tubo evacuado (linhas verdes; SunMaxx 20EVT; absorvedor 3,1 m 2. Dados obtidos a partir de documentos de certificação SRCC na Internet. Tm-Ta = diferença de temperatura entre a água no coletor e a temperatura ambiente. Q = insolação durante as medições. Em primeiro lugar, como (Tm-Ta) aumenta, o coletor de placa plana perde eficiência mais rapidamente do que o coletor de tubo de evac. Isso significa que o coletor de placa plana é menos eficiente na produção de água acima de 25 graus C acima do ambiente (ou seja, à direita das marcas vermelhas no gráfico). Em segundo lugar, embora a saída de ambos os coletores caia fortemente sob condições nubladas (baixa insolação), o coletor de tubo de evacuação rende significativamente mais energia sob nebulosidade do que o coletor de placa plana. Embora muitos fatores obstruam a extrapolação de dois coletores para duas tecnologias diferentes, acima, as relações básicas entre suas eficiências permanecem válidas.
Panelcomp2.jpg Um teste de campo ilustrando as diferenças discutidas na figura à esquerda. Um coletor de placa plana e um coletor de tubo evacuado de tamanho semelhante foram instalados adjacentes em um telhado, cada um com uma bomba, controlador e tanque de armazenamento. Várias variáveis ​​foram registradas durante um dia com chuva e nuvens intermitentes. Linha verde = irradiação solar. A linha marrom superior indica a temperatura do coletor de tubo de evacuação para o qual o ciclo da bomba é muito mais lento e até mesmo parando por cerca de 30 minutos durante as partes frias do dia (irradiação baixa), indicando uma taxa lenta de coleta de calor. A temperatura do coletor de placa plana caiu significativamente durante o dia (linha roxa inferior), mas começou a ciclar novamente no final do dia quando a irradiação aumentou. A temperatura no tanque de armazenamento de água do sistema de tubo de evacuação (gráfico em azul escuro) aumentou 8 graus C durante o dia, enquanto a do sistema de placa plana (gráfico em azul claro) apenas permaneceu constante. Cortesia ITS-solar.

Os coletores de placa plana geralmente perdem mais calor para o ambiente do que os tubos evacuados porque não há isolamento no lado do vidro. Os coletores de tubos evacuados têm intrinsecamente um absorvedor menor para a relação de área bruta (normalmente 60-80% menos) do que as placas planas porque os tubos devem ser espaçados. Embora várias empresas europeias fabricem coletores de tubos evacuados (principalmente do tipo vidro-metal), o mercado de tubos evacuados é dominado por fabricantes na China, com algumas empresas tendo histórico de 15-30 anos ou mais. Não há evidência inequívoca de que os dois projetos diferem na confiabilidade de longo prazo. No entanto, a tecnologia de tubo evacuado (especialmente para variantes mais recentes com vedações de metal de vidro e tubos de calor) ainda precisa demonstrar tempos de vida competitivos. A modularidade dos tubos evacuados pode ser vantajosa em termos de extensibilidade e manutenção, por exemplo, se o vácuo em um tubo de tubo de calor for perdido, ele pode ser facilmente substituído com o mínimo esforço.

Gráfico mostrando coletores de placa plana superando tubos evacuados até 67 ° C (120 ° F) acima do ambiente e, sombreado em cinza, a faixa normal de operação para sistemas solares de água quente sanitária.

Na maioria dos climas, os coletores de placa plana geralmente são mais econômicos do que os tubos evacuados. No entanto, os coletores de tubo a vácuo são adequados para ambientes frios e funcionam bem em situações de baixa irradiância solar, fornecendo calor de forma mais consistente ao longo do ano. Os coletores planos não esmaltados são os dispositivos preferidos para o aquecimento da água da piscina. Os coletores não envidraçados podem ser adequados em ambientes tropicais ou subtropicais se a água quente doméstica precisar ser aquecida a menos de 20 ° C (36 ° F) acima da temperatura ambiente. Coletores de tubos evacuados têm menos resistência aerodinâmica, o que pode permitir uma instalação mais simples em telhados em locais com vento. As lacunas entre os tubos podem permitir que a neve caia através do coletor, minimizando a perda de produção em algumas condições de neve, embora a falta de calor irradiado dos tubos também possa impedir o derramamento eficaz da neve acumulada. Os coletores de placa plana podem ser mais fáceis de limpar. Outras propriedades, como aparência e facilidade de instalação, são mais subjetivas e difíceis de comparar.

Coletores de placa plana evacuados

Os coletores solares de placa plana evacuados fornecem todas as vantagens dos coletores de placa plana e de tubo evacuado combinados. Eles circundam um absorvedor de folha de metal de grande área com alto vácuo dentro de um envelope plano feito de vidro e metal. Eles oferecem a mais alta eficiência de conversão de energia de qualquer coletor térmico solar não concentrador, mas requerem tecnologia sofisticada de fabricação. Eles não devem ser confundidos com coletores de placa plana com baixo vácuo interno. O primeiro coletor com isolamento de alto vácuo foi desenvolvido no CERN , enquanto a TVP SOLAR SA da Suíça foi a primeira empresa a comercializar coletores certificados Solar Keymark em 2012.

Os coletores solares de placa plana evacuados requerem uma vedação de metal de vidro para unir a placa de vidro ao resto do envelope de metal e uma estrutura interna para suportar tal placa contra a pressão atmosférica. O absorvedor deve ser segmentado ou provido de orifícios adequados para acomodar tal estrutura. A união de todas as peças deve ser hermética a alto vácuo e apenas materiais com baixa pressão de vapor podem ser usados ​​para evitar a liberação de gás . A tecnologia de vedação de vidro-metal pode ser baseada em vidro metalizado ou metal vitrificado e define o tipo de coletor. Diferentes dos coletores de tubo evacuado, eles fazem uso de bombas getter não evaporáveis (NEG) para manter a pressão interna estável ao longo do tempo. Esta tecnologia de bomba getter tem a vantagem de fornecer alguma regeneração in-situ por exposição à luz solar. Os coletores solares de placa plana evacuados foram estudados para a condição do ar solar e comparados com os concentradores solares compactos.

Coletores de placa plana de polímero

Esses coletores são uma alternativa aos coletores de metal e agora estão sendo produzidos na Europa. Estes podem ser totalmente de polímero ou podem incluir placas de metal na frente de canais de água tolerantes ao congelamento feitos de borracha de silicone . Os polímeros são flexíveis e, portanto, tolerantes ao congelamento e podem empregar água pura em vez de anticongelante, de modo que podem ser canalizados diretamente para tanques de água existentes, em vez de necessitarem de trocadores de calor que reduzem a eficiência. Ao dispensar um trocador de calor, as temperaturas não precisam ser tão altas para que o sistema de circulação seja ligado, de modo que tais painéis de circulação direta, sejam de polímero ou não, podem ser mais eficientes, particularmente em níveis baixos de irradiância solar . Alguns dos primeiros coletores de polímero com revestimento seletivo sofreram superaquecimento quando isolados, pois as temperaturas de estagnação podem exceder o ponto de fusão do polímero. Por exemplo, o ponto de fusão do polipropileno é 160 ° C (320 ° F), enquanto a temperatura de estagnação dos coletores térmicos isolados pode exceder 180 ° C (356 ° F) se as estratégias de controle não forem usadas. Por esta razão, o polipropileno não é frequentemente usado em coletores solares com revestimento seletivo envidraçado. Cada vez mais, polímeros como os silicones de alta temperatura (que derretem a mais de 250 ° C (482 ° F)) estão sendo usados. Alguns coletores solares envidraçados não baseados em polímero de polipropileno são revestidos em preto fosco em vez de revestidos seletivamente para reduzir a temperatura de estagnação para 150 ° C (302 ° F) ou menos.

Em áreas onde o congelamento é uma possibilidade, a tolerância ao congelamento (a capacidade de congelar repetidamente sem rachaduras) pode ser alcançada pelo uso de polímeros flexíveis. Tubos de borracha de silicone têm sido usados ​​para essa finalidade no Reino Unido desde 1999. Os coletores de metal convencionais são vulneráveis ​​a danos por congelamento, portanto, se forem cheios de água, devem ser cuidadosamente encanados para que drenem completamente por gravidade antes do congelamento. rachadura. Muitos coletores de metal são instalados como parte de um sistema de trocador de calor selado. Em vez de a água potável fluir diretamente pelos coletores, é usada uma mistura de água e anticongelante, como o propilenoglicol. Um fluido de troca de calor protege contra danos por congelamento até uma temperatura de risco determinada localmente que depende da proporção de propilenoglicol na mistura. O uso de glicol reduz a capacidade de transporte de calor da água marginalmente, enquanto a adição de um trocador de calor extra pode diminuir o desempenho do sistema em níveis baixos de luz.

Uma piscina ou coletor não vidrado é uma forma simples de coletor plano sem tampa transparente. Normalmente, polipropileno ou borracha EPDM ou borracha de silicone é usado como um absorvedor. Usado para aquecimento de piscinas, pode funcionar muito bem quando a temperatura de saída desejada está próxima da temperatura ambiente (ou seja, quando está quente no exterior). Conforme a temperatura ambiente fica mais fria, esses coletores se tornam menos eficazes.

Colecionadores de tigelas

Uma tigela solar é um tipo de coletor térmico solar que opera de forma semelhante a um prato parabólico , mas em vez de usar um espelho parabólico rastreador com um receptor fixo, possui um espelho esférico fixo com um receptor rastreador. Isso reduz a eficiência, mas torna mais barato construir e operar. Os designers o chamam de sistema de energia solar com foco distribuído por espelho fixo . A principal razão para seu desenvolvimento foi eliminar o custo de mover um grande espelho para rastrear o sol, como acontece com os sistemas de parabólicas.

Um espelho parabólico fixo cria uma imagem do sol com formas variadas à medida que ele se move no céu. Somente quando o espelho é apontado diretamente para o sol a luz se concentra em um ponto. É por isso que os sistemas de parabólicas rastreiam o sol. Um espelho esférico fixo focaliza a luz no mesmo lugar independente da posição do sol. A luz, entretanto, não é direcionada a um ponto, mas é distribuída em uma linha da superfície do espelho até a metade do raio (ao longo de uma linha que atravessa o centro da esfera e o sol).

Densidade de energia típica ao longo da linha focal de comprimento de 1/2 raio de um refletor esférico

Conforme o sol se move no céu, a abertura de qualquer coletor fixo muda. Isso causa mudanças na quantidade de luz solar capturada, produzindo o que é chamado de efeito sinusal de saída de energia. Os proponentes do design da bacia solar afirmam que a redução na produção geral de energia em comparação com o rastreamento de espelhos parabólicos é compensada por custos mais baixos do sistema.

A luz solar concentrada na linha focal de um refletor esférico é coletada usando um receptor de rastreamento. Este receptor é girado em torno da linha focal e geralmente é contrabalançado. O receptor pode consistir em tubos que transportam fluido para transferência térmica ou células fotovoltaicas para conversão direta de luz em eletricidade.

O projeto da bacia solar resultou de um projeto do Departamento de Engenharia Elétrica da Texas Technical University, liderado por Edwin O'Hair, para desenvolver uma usina de 5 MWe. Uma bacia solar foi construída para a cidade de Crosbyton, Texas, como uma instalação piloto. A tigela tinha um diâmetro de 65 pés (20 m), inclinada em um ângulo de 15 ° para otimizar a relação custo / rendimento (33 ° teria rendimento maximizado). A borda do hemisfério foi "aparada" em 60 °, criando uma abertura máxima de 3.318 pés quadrados (308,3 m 2 ). Este tanque piloto produziu eletricidade a uma taxa de pico de 10 kW.

Uma tigela solar Auroville de 15 metros (49 pés) de diâmetro foi desenvolvida a partir de um teste anterior de uma tigela de 3,5 metros (11 pés) em 1979–1982 pelo Tata Energy Research Institute . Esse teste mostrou o uso da tigela solar na produção de vapor para cozinhar. O projeto em grande escala para construir uma tigela solar e cozinha foi executado a partir de 1996 e estava totalmente operacional em 2001.

Em locais com média de energia solar disponível, os coletores de placa plana têm aproximadamente 1,2 a 2,4 decímetros quadrados por litro de uso diário de água quente.

Formulários

O principal uso dessa tecnologia é em edificações residenciais, onde a demanda por água quente tem grande impacto nas contas de energia. Isso geralmente significa uma situação com uma família grande ou uma situação em que a demanda de água quente é excessiva devido à lavagem frequente da roupa. As aplicações comerciais incluem lavanderias, lava-louças, lavanderias militares e restaurantes. A tecnologia também pode ser usada para aquecimento ambiente se o edifício estiver localizado fora da rede ou se a energia da rede elétrica estiver sujeita a interrupções frequentes. Os sistemas de aquecimento solar de água têm maior probabilidade de ser econômicos para instalações com sistemas de aquecimento de água que são caros para operar ou com operações como lavanderias ou cozinhas que requerem grandes quantidades de água quente. Coletores de líquido não vitrificado são comumente usados ​​para aquecer água para piscinas, mas também podem ser aplicados para pré-aquecimento de água em grande escala. Quando as cargas são grandes em relação à área do coletor disponível, a maior parte do aquecimento da água pode ser feita em baixa temperatura, mais baixa do que as temperaturas da piscina onde os coletores não vidrados estão bem estabelecidos no mercado como a escolha certa. Como esses coletores não precisam resistir a altas temperaturas, eles podem usar materiais mais baratos, como plástico ou borracha. Muitos coletores não vitrificados são feitos de polipropileno e devem ser totalmente drenados para evitar danos por congelamento quando a temperatura do ar cair abaixo de 44 ° F (7 ° C) em noites claras. Uma porcentagem menor, mas crescente, de coletores não vitrificados são flexíveis, o que significa que podem resistir ao congelamento de água sólida dentro de seu absorvedor. A preocupação com o congelamento só precisa ser a tubulação cheia de água e os coletores do coletor em uma condição de congelamento forte. Os sistemas de água quente solar não envidraçados devem ser instalados para "drenar de volta" para um tanque de armazenamento sempre que a radiação solar for insuficiente. Não há problemas de choque térmico com sistemas não vitrificados. Comumente usados ​​no aquecimento de piscinas desde o início da energia solar, os coletores solares não vidrados aquecem a água da piscina diretamente, sem a necessidade de anticongelante ou trocadores de calor. Os sistemas solares de água quente requerem trocadores de calor devido às possibilidades de contaminação e no caso de coletores não vidrados, a diferença de pressão entre o fluido de trabalho solar (água) e a carga (água fria da cidade pressurizada). Aquecedores solares de água quente não envidraçados em grande escala, como o do Minoru Aquatic Center em Richmond, BC, operam em temperaturas mais baixas do que os sistemas de tubo evacuado ou de coletores envidraçados e envidraçados. Embora exijam trocadores de calor maiores e mais caros, todos os outros componentes, incluindo tanques de armazenamento ventilados e tubulação de PVC de plástico não isolado, reduzem drasticamente os custos desta alternativa em comparação com os tipos de coletores de alta temperatura. Ao aquecer água quente, estamos na verdade aquecendo de frio para morno e de morno para quente. Podemos aquecer de frio a quente com a mesma eficiência com coletores não vitrificados, da mesma forma que podemos aquecer de quente a quente com coletores de alta temperatura.

Coletores solares térmicos aquecendo o ar

Um simples coletor de ar solar consiste em um material absorvente, às vezes tendo uma superfície seletiva, para capturar a radiação do sol e transferir essa energia térmica para o ar por meio de transferência de calor por condução. Este ar aquecido é então conduzido para o espaço do edifício ou para a área de processo, onde o ar aquecido é usado para o aquecimento do ambiente ou para as necessidades de aquecimento do processo. Funcionando de maneira semelhante a uma fornalha de ar forçado convencional, os sistemas de ar térmico solar fornecem calor circulando o ar sobre uma superfície de coleta de energia, absorvendo a energia térmica do sol e conduzindo o ar que entra em contato com ela. Coletores simples e eficazes podem ser feitos para uma variedade de aplicações de processo e condicionamento de ar.

Muitas aplicações podem utilizar tecnologias de aquecimento do ar solar para reduzir a pegada de carbono do uso de fontes de calor convencionais, como combustíveis fósseis, para criar um meio sustentável de produção de energia térmica. Aplicações como aquecimento de ambientes, extensão da estação de efeito estufa, pré-aquecimento de ventilação de ar de reposição ou calor de processo podem ser tratadas por dispositivos de aquecimento solar de ar. No campo da ' cogeração solar ', as tecnologias de energia solar térmica são combinadas com fotovoltaica (PV) para aumentar a eficiência do sistema, retirando o calor dos coletores PV, resfriando os painéis fotovoltaicos para melhorar seu desempenho elétrico enquanto, simultaneamente, aquece o ar para aquecimento ambiente.

Aquecimento e ventilação do ambiente

O aquecimento ambiente para aplicações residenciais e comerciais pode ser feito através do uso de painéis solares de aquecimento de ar. Esta configuração opera extraindo ar da envolvente do edifício ou do ambiente exterior e passando-o através do coletor onde o ar aquece por condução do absorvedor e é então fornecido ao espaço de vida ou de trabalho por meios passivos ou com a ajuda de um fã. Uma figura pioneira neste tipo de sistema foi George Löf, que construiu um sistema de ar com aquecimento solar em 1945 para uma casa em Boulder, Colorado. Mais tarde, ele incluiu uma cama de cascalho para armazenamento de calor.

Ventilação, ar fresco ou ar de reposição são necessários na maioria dos edifícios comerciais, industriais e institucionais para atender aos requisitos do código. Ao aspirar o ar através de um coletor de ar transpirado não vitrificado adequadamente projetado ou de um aquecedor de ar, o ar fresco aquecido por energia solar pode reduzir a carga de aquecimento durante a operação diurna. Muitos aplicativos estão agora sendo instalados onde o coletor transpirado pré-aquece o ar fresco que entra em um ventilador de recuperação de calor para reduzir o tempo de degelo dos HRVs. Quanto mais alta a ventilação e a temperatura, melhor será o tempo de retorno.

Aquecimento de processo

O calor do ar solar também é usado em aplicações de processo, como secagem de roupas, plantações (ou seja, chá, milho, café) e outras aplicações de secagem. O ar aquecido por um coletor solar e depois passado por um meio para ser seco pode fornecer um meio eficiente de reduzir o teor de umidade do material.

Tipos de coletores de aquecimento solar de ar

Os coletores são comumente classificados por seus métodos de dutos de ar como um dos três tipos:

  • coletores de passagem
  • passe frontal
  • passe de volta
  • combinação de coletores de passe frontal e traseiro

Os coletores também podem ser classificados por sua superfície externa:

  • vidrado
  • não vidrado

Coletor de ar de passagem

Oferecendo a mais alta eficiência de qualquer tecnologia solar, a configuração de passagem, o ar canalizado para um lado do absorvedor passa por um material perfurado e é aquecido a partir das propriedades condutoras do material e das propriedades convectivas do ar em movimento. Os absorvedores de passagem têm a maior área de superfície, o que permite taxas de transferência de calor condutor relativamente altas, mas a queda de pressão significativa pode exigir maior potência do ventilador, e a deterioração de determinado material absorvedor após muitos anos de exposição à radiação solar pode, adicionalmente, criar problemas com a qualidade do ar e desempenho .

Coletor de ar de passagem traseiro, frontal e combinado

Nas configurações de passagem traseira, passagem frontal e combinação, o ar é direcionado para a parte traseira, dianteira ou em ambos os lados do absorvedor para ser aquecido do retorno aos coletores dos dutos de alimentação. Embora a passagem de ar em ambos os lados do absorvedor forneça uma área de superfície maior para a transferência de calor condutiva, problemas com poeira (incrustação) podem surgir da passagem de ar na parte frontal do absorvedor, o que reduz a eficiência do absorvedor, limitando a quantidade de luz solar recebida . Em climas frios, a passagem de ar próximo à vidraça também causará maior perda de calor, resultando em desempenho geral inferior do coletor.

Sistemas envidraçados

Os sistemas envidraçados geralmente têm uma folha superior transparente e painéis laterais e traseiros isolados para minimizar a perda de calor para o ar ambiente. As placas absorventes em painéis modernos podem ter uma absortividade de mais de 93%. Coletores solares envidraçados (tipos de recirculação normalmente usados ​​para aquecimento de ambientes). O ar normalmente passa pela frente ou por trás da placa absorvente enquanto remove o calor diretamente dela. O ar aquecido pode então ser distribuído diretamente para aplicações como aquecimento e secagem de ambiente ou pode ser armazenado para uso posterior. O retorno para painéis de aquecimento solar de ar envidraçado pode ser inferior a 9-15 anos, dependendo do combustível a ser substituído.

Sistemas não vidrados

Os sistemas não vidrados ou sistemas de ar transpirado têm sido usados ​​para aquecer o ar de reposição ou ventilação em aplicações comerciais, industriais, agrícolas e de processos. Eles consistem em uma placa absorvente pela qual o ar passa através ou através da qual remove o calor do absorvedor. Os materiais de envidraçamento não transparentes são mais baratos e reduzem os períodos de retorno esperados. Os coletores transpirados são considerados "não vitrificados" porque suas superfícies coletoras estão expostas aos elementos, muitas vezes não são transparentes e não são hermeticamente seladas.

Coletores solares transpirados não vidrados

Fundo

O termo "coletor de ar não envidraçado" refere-se a um sistema de aquecimento solar de ar que consiste em um absorvedor de metal sem qualquer vidro ou vidraça por cima. O tipo mais comum de coletor não esmaltado no mercado é o coletor solar transpirado. A tecnologia foi amplamente monitorada por essas agências governamentais, e a Natural Resources Canada desenvolveu a ferramenta de viabilidade RETScreen ™ para modelar a economia de energia dos coletores solares transpirados. Desde aquela época, vários milhares de sistemas coletores solares transpirados foram instalados em uma variedade de aplicações comerciais, industriais, institucionais, agrícolas e de processo em países ao redor do mundo. Essa tecnologia foi originalmente usada principalmente em aplicações industriais, como fábricas e montadoras, onde havia altos requisitos de ventilação, calor estratificado do teto e, muitas vezes, pressão negativa no prédio. Com o crescente impulso para instalar sistemas de energia renovável em edifícios, coletores solares transpirados são agora usados ​​em todo o estoque do edifício por causa da alta produção de energia (até 750 watts térmicos de pico / metro quadrado), alta conversão solar (até 90%) e custos de capital mais baixos quando comparados com o aquecimento solar fotovoltaico e o aquecimento solar de água.

O aquecimento solar do ar é uma tecnologia térmica solar em que a energia do sol, a insolação solar, é captada por um meio absorvente e utilizada para aquecer o ar.

O aquecimento solar de ar é uma tecnologia de aquecimento de energia renovável usada para aquecer ou condicionar o ar para edifícios ou para processar aplicações de calor. É normalmente a mais econômica de todas as tecnologias solares, especialmente em aplicações de grande escala, e aborda o maior uso de energia de construção em climas de aquecimento, que é o aquecimento de ambientes e aquecimento de processos industriais. Eles são vidrados ou não.

Método de operação

Os coletores de ar não envidraçados aquecem o ar ambiente (externo) em vez do ar recirculado do prédio. Os coletores solares transpirados são geralmente montados na parede para capturar o menor ângulo do sol nos meses de aquecimento do inverno, bem como o reflexo do sol na neve e alcançar seu desempenho ideal e retorno sobre o investimento ao operar em taxas de fluxo entre 4 e 8 CFM por pé quadrado (72 a 144 m3 / h.m2) de área coletora.

A superfície externa de um coletor solar transpirado consiste em milhares de minúsculas microperfurações que permitem que a camada limite de calor seja capturada e atraída uniformemente para uma cavidade de ar atrás dos painéis externos. Este ar de ventilação aquecido é puxado sob pressão negativa para o sistema de ventilação do edifício, onde é então distribuído por meios convencionais ou usando um sistema de dutos solares.

O ar quente que pode entrar em um sistema HVAC conectado a um coletor transpirado que possui saídas de ar posicionadas ao longo da parte superior do coletor, particularmente se o coletor estiver voltado para oeste. Para combater esse problema, a Matrix Energy patenteou um coletor transpirado com uma posição de saída de ar inferior e estrutura de cavidade perfurada para perpetrar turbulência de ar aumentada atrás do absorvedor perfurado para melhor desempenho.

Esta vista em corte mostra os componentes do coletor solar transpirado MatrixAir e o fluxo de ar. A entrada de ar inferior atenua a entrada de ar aquecido para o sistema HVAC durante a operação de verão.

O monitoramento extensivo pelo Natural Resources Canada e NREL mostrou que os sistemas coletores solares transpirados reduzem entre 10-50% da carga de aquecimento convencional e que o RETScreen é um indicador preciso do desempenho do sistema. Os coletores solares transpirados atuam como uma tela de chuva e também capturam a perda de calor que escapa da envoltória do edifício, que é coletada na cavidade de ar do coletor e puxada de volta para o sistema de ventilação. Não há necessidade de manutenção com sistemas de aquecimento solar de ar e a expectativa de vida é de mais de 30 anos.

Variações de coletores solares transpirados

Os coletores transpirados não vidrados também podem ser montados no telhado para aplicações em que não haja uma parede voltada para o sul adequada ou para outras considerações arquitetônicas. A Matrix Energy Inc. patenteou um produto montado no telhado chamado "Delta", um sistema de aquecimento solar de ar modular montado no telhado onde fachadas voltadas para o sul, leste ou oeste simplesmente não estão disponíveis.

Cada módulo de dez pés (3,05 m) fornecerá 250 CFM (425 m3 / h) de ar fresco pré-aquecido, normalmente proporcionando economia de energia anual de 1100 kWh (4 GJ) anualmente. Este coletor transpirado modular de dois estágios, montado no telhado, opera com uma eficiência de quase 90%, cada módulo fornecendo mais de 118 L / s de ar pré-aquecido por coletor de dois metros quadrados. Até sete coletores podem ser conectados em série em uma linha, sem limite para o número de linhas conectadas em paralelo ao longo de um duto central, normalmente rendendo 4 CFM de ar pré-aquecido por pé quadrado de área de telhado disponível.

Os coletores transpirados podem ser configurados para aquecer o ar duas vezes para aumentar a temperatura do ar fornecida, tornando-os adequados para aplicações de aquecimento ambiente, bem como aquecimento de ar de ventilação. Em um sistema de 2 estágios, o primeiro estágio é o coletor transpirado típico e o segundo estágio tem um envidraçamento cobrindo o coletor transpirado. A vidraça permite que todo aquele ar aquecido do primeiro estágio seja direcionado através de um segundo conjunto de coletores transpirados para um segundo estágio de aquecimento solar.

Coletores solares térmicos gerando eletricidade

Calhas parabólicas , pratos e torres descritos nesta seção são usados ​​quase exclusivamente em estações de geração de energia solar ou para fins de pesquisa. Calhas parabólicas têm sido usadas para alguns sistemas comerciais de ar condicionado solar . Embora simples, esses concentradores solares estão muito longe da concentração máxima teórica. Por exemplo, a concentração de vale parabólica é cerca de 1/3 do máximo teórico para o mesmo ângulo de aceitação , ou seja, para as mesmas tolerâncias gerais para o sistema. Aproximar-se do máximo teórico pode ser alcançado usando concentradores mais elaborados baseados em ótica de não imagem . Os coletores solares térmicos também podem ser usados ​​em conjunto com os coletores fotovoltaicos para obter calor e energia combinados.

Calha parabólica

Calha parabólica

Este tipo de coletor é geralmente usado em usinas solares . Um refletor parabólico em forma de calha é usado para concentrar a luz solar em um tubo isolado (tubo Dewar ) ou tubo de calor , colocado no ponto focal , contendo refrigerante que transfere o calor dos coletores para as caldeiras na usina.

Prato parabólico

Prato parabólico solar

Com um coletor parabólico, um ou mais pratos parabólicos concentram a energia solar em um único ponto focal, semelhante à maneira como um telescópio refletor foca a luz das estrelas ou uma antena parabólica foca as ondas de rádio. Esta geometria pode ser usada em fornos solares e usinas de energia solar.

O formato de uma parábola significa que os raios de luz que chegam, paralelos ao eixo do prato, serão refletidos em direção ao foco, não importa onde eles cheguem no prato. A luz do sol chega à superfície da Terra quase completamente paralela, e o prato é alinhado com seu eixo apontando para o sol, permitindo que quase toda a radiação incidente seja refletida em direção ao ponto focal do prato. A maioria das perdas em tais coletores deve-se a imperfeições na forma parabólica e reflexão imperfeita.

As perdas devido à dispersão atmosférica são geralmente mínimas. No entanto, em um dia nebuloso ou nebuloso, a luz é difundida em todas as direções através da atmosfera, o que reduz significativamente a eficiência de um prato parabólico. Em projetos de usinas de energia de prato , um motor de stirling acoplado a um dínamo é colocado no foco do prato. Isso absorve a energia concentrada nele e a converte em eletricidade.

Torre de energia

Torre de energia solar

Uma torre de energia é uma grande torre cercada por espelhos rastreadores chamados helióstatos . Esses espelhos se alinham e focam a luz do sol no receptor no topo da torre, o calor coletado é transferido para uma estação de energia abaixo. Este projeto atinge temperaturas muito altas. Altas temperaturas são adequadas para geração de eletricidade usando métodos convencionais como turbina a vapor ou uma reação química direta de alta temperatura, como sal líquido. Ao concentrar a luz solar, os sistemas atuais podem obter melhor eficiência do que células solares simples. Uma área maior pode ser coberta usando espelhos relativamente baratos em vez de células solares caras . A luz concentrada pode ser redirecionada para um local adequado por meio de um cabo de fibra óptica para usos como iluminação de edifícios. O armazenamento de calor para produção de energia durante condições nubladas e noturnas pode ser realizado, geralmente por armazenamento em tanque subterrâneo de fluidos aquecidos. Os sais fundidos têm sido usados ​​com bons resultados. Outros fluidos de trabalho, como metais líquidos, também foram propostos devido às suas propriedades térmicas superiores.

No entanto, os sistemas de concentração requerem rastreamento solar para manter o foco da luz solar no coletor. Eles são incapazes de fornecer energia significativa em condições de luz difusa . As células solares são capazes de fornecer alguma saída mesmo se o céu ficar nublado, mas a produção de energia dos sistemas de concentração cai drasticamente em condições nubladas, pois a luz difusa não pode ser bem concentrada.

Padrões

  • Métodos de teste ISO para coletores solares.
  • EN 12975 : Sistemas e componentes solares térmicos. Coletores solares.
  • EN 12976 : Sistemas e componentes solares térmicos. Sistemas feitos de fábrica.
  • EN 12977 : Sistemas e componentes solares térmicos. Sistemas sob medida.
  • Solar Keymark: Sistemas e componentes solares térmicos. Certificação de série EN 1297X de nível superior que inclui visitas à fábrica.
  • International Code Council / Solar Rating & Certification Corporation: Os testes são realizados por laboratórios independentes e normalmente incluem a seleção de um coletor a ser testado a partir de um grupo de amostra de pelo menos seis coletores solares.
  • ICC 901 / ICC-SRCC ™ 100: Padrão de coletor solar térmico
  • ICC 900 / ICC-SRCC ™ 300: Padrão de sistema solar térmico
  • ICC 902 / APSP 902 / ICC-SRCC ™ 400: Padrão de sistema de aquecimento solar para piscina e spa

Veja também

Referências

links externos