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Um sistema de aquecimento solar composto por quatro coletores e um boiler.
Esquema de funcionamento do termosifao. Note que e necessario fornecer tambem agua fria, para repor a agua quente utilizada, o que nao esta representado no esquema.
O
aquecimento solar
e o uso de
energia solar
para o
aquecimento
de
agua
para
banho
,
piscina
e processos industriais, interessante ser uma fonte energetica abundante e gratuita.
O aquecimento de agua pela utilizacao de coletores solares tem representado, assim como as
celulas fotovoltaicas
, uma das aplicacoes de maior viabilidade de uso, residencial ou industrialmente.
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Os aquecedores solares domesticos, largamente empregados na atualidade para producao de energia termica solar a baixas temperaturas, tem sido objeto de varias pesquisas e estudos desde a decada de 1950.
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Coletor solar PTC em corte. Observe, de cima para baixo: vidro, tubos absorvedores, chapa absorvedora, isolante termico e carcaca.
Tubos absorvedores paralelos (PTC) acima. Abaixo, tubo absorvedor em serpentina (STC).
Para aquecer agua com energia solar sao utilizados os coletores, e os sistemas de aquecimento geralmente possuem mais de um, ligados em paralelo por um armazenador termico de cobre ou inox e tubos para conducao de calor, geralmente o
PVC
(copolimero vinilico).
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O regime de trabalho mais utilizado e o de
termosifao
, mas fluxo forcado tambem tem uso consideravel.
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Os coletores dividem-se em dois grupos: os planos e os alternativos, onde os planos tem maior utilizacao.
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Em geral sao constituidos por tubos absorvedores de cobre e chapa absorvedora de cobre ou aluminio, fechados por uma placa de vidro e isolados termicamente por la de vidro.
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Normalmente esta grade absorvedora e construida com configuracao em paralelo.
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O custo dos coletores equivale a metade do custo total de um sistema de aquecimento de agua.
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O melhor arranjo dos tubos e aquele de espacamento zero entre estes.
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Diversas grandezas podem ser atribuidas aos coletores, mas, a mais comum e sua capacidade de absorcao de calor, em geral referida a area de exposicao, que geralmente e de cor preta fosca.
Coletores com duas placas paralelas (TPPC) tem eficiencia 6% maior que coletores com tubo em serpentina (STC) e 10% maior do que os que tem tubos paralelos (PTC).
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Corte de um coletor solar comum.
Um colector solar tem uma cobertura transparente. Normalmente esta area e feita de
pyrex
ou vidro isolado, com sistema de caixa de ar.
A reflexao e transferencia de energia termica para o fluido e feita atraves de uma placa reflectora, constituida por metais como aluminio ou cobre. Em colectores de alto rendimento e utilizado dioxido de cobre (II),
silicio
,
dioxido de silicio
, aco banhado a ouro ou ainda cobre banhado a niquel. Claro que estes materiais sao caros e, por isso, menos utilizados.
O fluido utilizado para aquecer a agua da rede e normalmente agua misturada com anticongelante, para que nos dias de inverno esta agua nao congele, podendo danificar os sistemas caso isso acontecesse, ou glicol. Tanto a agua como o glicol tem elevada capacidade termica, sendo por isso as substancias escolhidas nestes sistemas.
A caixa isolada, ou seja, o exterior do colector, e isolada termicamente para minimizar as perdas, e tambem e bastante resistente, ja que e esta que ira proteger o colector dos agentes externos.
A cobertura do colector solar e de vidro, e logo, e transparente a radiacao visivel. Esta radiacao ira, entao, entrar no colector, aquecendo o seu interior, principalmente a placa coletora. Esta, e feita de um material bom absorsor (absorve muita radiacao), e logo, bom emissor (emite tambem muita radiacao). Desta forma, a radiacao solar que entrou no colector sera absorvida pela placa, emitindo de seguida radiacao menos energetica, a
infravermelha
. Em principio, achariamos este processo de absorcao/emissao pouco rentavel, mas na verdade nao e. O facto e que o vidro, de que e feita a cobertura, e opaco a radiacao infravermelha. Logo, a energia emitida pela placa colectora nao saira facilmente do aparelho, contribuindo este processo para o aquecimento mais rapido do sistema, e logo, da agua que nele circula.
Verifica-se assim
efeito de estufa
. A temperatura da placa coletora ira aumentar, e este, por sua vez, ira transferir energia sob a forma de calor para a serpentina de tubos com o
fluido
que se encontra por baixo, ate que se atinja o equilibrio termico entre o metal e o fluido no interior dos tubos de cobre. Como o fluido com temperatura elevada e menos denso, ira subir ate ao deposito com agua da rede. Ao passar no seu interior, o fluido ira transferir energia sob a forma de calor para a agua no deposito. Esta, por sua vez, sera utilizada na casa para as variadas tarefas. Apos esta transferencia, o fluido tera arrefecido, ficando mais denso e descendo de volta ao colector, onde reiniciara o seu ciclo.
Um coletor solar a vacuo.
Coletor solar a vacuo em corte. Note que os tubos e que possuem a camada absorvedora, e no lugar da placa absorvedora do modelo comum ha neste uma placa refletora.
Detalhe de um coletor solar a vacuo onde se observam os tubos absorvedores.
A tecnologia de aquecimento solar para agua evoluiu a partir dos meados de 1995, quando na Alemanha foram desenvolvidos os coletores solares em forma tubular com sistema de isolamento termico a vacuo.
O
aquecedor solar a vacuo
recebe este nome devido ao isolamento termico existente em seus coletores solares. Sao coletores compostos basicamente por dois tubos concentricos, um interno ao outro, unidos em suas extremidades e retirado entre suas paredes todos os gases existentes, formando desta forma um vacuo, que e o melhor isolante termico existente, mas devido a grande dificuldade para obter-se e manter condicoes de vacuo, e empregado em muito poucas ocasioes, limitadas em escala.
Aliado ao isolamento termico a vacuo, temos ainda o fato de que os coletores sao confeccionados em vidro borossilicato temperado que possuem capacidade de absorcao da energia solar de ate 96%, quase 3X superior aos vidros convencionais, possuem formato tubular que converge e amplia os raios solares para o seu interior recebendo ainda radiacao solar perpendicular na maior parte do dia.
Devido a sua grande eficiencia em isolamento termico e enorme absorcao da energia solar incidente, existem coletores Solares a Vacuo que atingem temperaturas de ate 350 °C e aquecem a agua a temperatura de 100 °C.
Existem diversas variacoes da tecnologia e diversos fabricantes de tubos a vacuo, os modelos mais comuns comercializados no Brasil sao os tubos de 47X1500 mm e 58X1800 mm, as empresas mais especializadas no ramo oferecem ainda medidas de 58X2100 mm e 70X1700 mm, variacao na pintura seletiva interna dos tubos e ainda material absorvedor e potencializador interno aos tubos como barras lacradas ou tubos de cobre.
A tecnologia de aquecimento solar a vacuo e o unico meio de utilizacao da energia solar termica em muitos locais do mundo onde as temperaturas sao sempre muito baixas, muitas vezes abaixo de 0 °C, principalmente no hemisferio setentrional.
Um coletor solar com o boiler logo acima.
Os reservatorios empregados convencionalmente sao nomeados
boiler
, e sao normalmente feitos de aco inoxidavel, cobre ou aco carbono, para volumes de ate 15 mil litros.
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Possuem duas superficies, uma interna e outra externa, separadas por um isolante termico que em geral e a la de vidro.
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Podem ser horizontais ou verticais.
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Dividem-se em baixa pressao ou alta pressao:
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- os de baixa pressao sao mais economicos e mais apropriados para construcoes onde a caixa de agua fria estiver pouco acima do boiler, com no maximo 2 metros de desnivel para os de cobre e 5 para os de aco inox.
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Nao podem ser pressurizados ou ligados na rede publica;
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- os de alta pressao sao mais apropriados para sistemas pressurizados ou onde a caixa de agua fria estiver muito acima do boiler, com no maximo 40 metros de desnivel.
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O reservatorio termico e o elemento mais custoso em um sistema de aquecimento solar, custando, por exemplo R$ 1.000,00 para 200 litros em 2007 (o volume mais utilizado em residencias de pequeno porte).
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Deve ser instalado, se possivel, no interior das habitacoes (para proteccao atmosferica e termica) a um nivel superior aos colectores, por forma a que a canalizacao seja o mais vertical possivel, dispensando assim a bomba de circulacao.
Referencias
- ↑
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
k
l
m
n
o
p
q
r
≪VIABILIDADES TERMICA, ECONOMICA E DE MATERIAIS DE UM SISTEMA SOLAR DE AQUECIMENTO DE AGUA A BAIXO CUSTO PARA FINS RESIDENCIAIS≫
(PDF)
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Universidade Federal do Rio Grande do Norte
. Junho de 2007. pp. 1?2;8?9;15?16
. Consultado em 24 de abril de 2017
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O aquecimento de agua atraves da utilizacao de coletores solares tem representado, juntamente com as celulas fotovoltaicas, conversoras de energia solar em eletricidade, uma das aplicacoes mais viaveis de utilizacao, tanto residencial quanto industrial [...]. [...] Os dispositivos utilizados para a producao de agua quente atraves da utilizacao da energia solar sao os coletores que podem ser divididos em dois grupos os planos e os alternativos, sendo os planos mais utilizados. Tais coletores geralmente sao constituidos por tubos absorvedores de cobre, chapa absorvedora de cobre ou aluminio, cobertura de vidro e isolamento termico de la de vidro e a grade absorvedora e confeccionada na configuracao em paralelo. Os sistemas de aquecimento sao geralmente constituidos por mais de um coletor, ligados geralmente em paralelo, trabalhando em regime de termossifao ou fluxo forcado, sendo a primeira opcao a mais empregada; por um armazenador termico geralmente de cobre ou inox e de tubos para a conducao de calor, geralmente o CPVC (Copolimero vinilico). Tais sistemas sao de preco ainda relativamente caro, nao estando acessivel a maioria da populacao. Para uma residencia com quatro pessoa, o sistema fica em torno de R$ 3.000,00. [...] O principal objetivo do estudo de coletores alternativos e a reducao do custo de fabricacao, [...] uma vez que o custo dos mesmos representa 50% do custo total de investimento para a aquisicao de um sistema solar para aquecimento de agua. [...] Os aquecedores solares domesticos de agua sao largamente utilizados atualmente para a producao de energia termica solar a baixas temperaturas. Estes tipos de coletores tem sido objeto de numerosos estudos e pesquisas desde 1950. [...] Van Niekerk et al., concluiram que a melhor configuracao foi obtida para um espacamento entre tubos igual a zero. [...] Matrawy e Farkas, em 1997, compararam um coletor com duas placas paralelas (TPPC), com, respectivamente, um coletor com tubos paralelos (PTC) e um coletor com tubos em serpentina (STC). Sob o mesmo ambiente e condicoes de desempenho, a eficiencia do TPPC foi respectivamente 6,0 e 10% maior que o STC e PTC. [...] Os reservatorios termicos convencionalmente utilizados em sistemas solares de aquecimento, chamados boiler, sao geralmente fabricados em aco inoxidavel, cobre ou aco carbono, para volumes de ate 15 mil litros. Podem ser horizontais ou verticais, sendo constituidos por duas superficies cilindricas, uma interna e outra externa, tendo entre as mesmas, um isolamento termico, geralmente a la de vidro. [...] Podem ser de Baixa Pressao e Alta Pressao. Os de Baixa Pressao sao mais economicos e sao indicados para instalacoes nos projetos em que a caixa de agua fria esteja logo acima do boiler, sendo que seu nivel de agua devera estar no maximo com 2 m para os modelos em cobre e 5 m para os modelos em inox. os modelos de baixa pressao nao podem ser pressurizados ou alimentados com agua da rede publica. Os de Alta Pressao sao recomendados para sistemas pressurizados e instalacoes onde a caixa de agua fria esta muito elevada, no maximo 40 m. [...] Os reservatorios termicos alternativos estao [...] ser o elemento constituinte de um sistema de aquecimento solar de agua de maior custo (alcancando valores em torno de R$ 1.000,00 para um volume de 200 litros, que e o mais utilizado nas instalacoes residenciais de pequeno porte) [...].