Aquecimento solar

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Um sistema de aquecimento solar composto por quatro coletores e um boiler.
Esquema de funcionamento do termosifão. Note que é necessário fornecer também água fria, para repor a água quente utilizada, o que não está representado no esquema.

O aquecimento solar é o uso de energia solar para o aquecimento de água para banho, piscina e processos industriais, interessante ser uma fonte energética abundante e gratuita.

O aquecimento de água pela utilização de coletores solares tem representado, assim como as células fotovoltaicas, uma das aplicações de maior viabilidade de uso, residencial ou industrialmente.[1] Estes sistemas com coletores, entretanto, são ainda relativamente caros e por isto inacessíveis à maior parte da população.[1] Por exemplo, para uma residência com quatro pessoas o custo ficava em torno de R$ 3.000,00 em 2007.[1]

Os aquecedores solares domésticos, largamente empregados na atualidade para produção de energia térmica solar a baixas temperaturas, têm sido objeto de várias pesquisas e estudos desde a década de 1950.[1]

Componentes[editar | editar código-fonte]

Coletor solar[editar | editar código-fonte]

Coletor solar PTC em corte. Observe, de cima para baixo: vidro, tubos absorvedores, chapa absorvedora, isolante térmico e carcaça.
Tubos absorvedores paralelos (PTC) acima. Abaixo, tubo absorvedor em serpentina (STC).

Para aquecer água com energia solar são utilizados os coletores, e os sistemas de aquecimento geralmente possuem mais de um, ligados em paralelo por um armazenador térmico de cobre ou inox e tubos para condução de calor, geralmente o CPVC (copolímero vinílico).[1] O regime de trabalho mais utilizado é o de termosifão, mas fluxo forçado também tem uso considerável.[1]

Os coletores dividem-se em dois grupos: os planos e os alternativos, onde os planos tem maior utilização.[1] Em geral são constituídos por tubos absorvedores de cobre e chapa absorvedora de cobre ou alumínio, fechados por uma placa de vidro e isolados termicamente por lã de vidro.[1] Normalmente esta grade absorvedora é construída com configuração em paralelo.[1]

O custo dos coletores equivale a metade do custo total de um sistema de aquecimento de água.[1] O melhor arranjo dos tubos é aquele de espaçamento zero entre estes.[1]

Diversas grandezas podem ser atribuídas aos coletores, mas, a mais comum é sua capacidade de absorção de calor, em geral referida a área de exposição, que geralmente é de cor preta fosca.

Coletores com duas placas paralelas (TPPC) tem eficiência 6% maior que coletores com tubo em serpentina (STC) e 10% maior do que os que tem tubos paralelos (PTC).[1]

Coletor solar comum[editar | editar código-fonte]

Corte de um coletor solar comum.

Um colector solar tem uma cobertura transparente. Normalmente esta área é feita de pyrex ou vidro isolado, com sistema de caixa de ar.

A reflexão e transferência de energia térmica para o fluido é feita através de uma placa reflectora, constituída por metais como alumínio ou cobre. Em colectores de alto rendimento é utilizado dióxido de cobre (II), silício, dióxido de silício, aço banhado a ouro ou ainda cobre banhado a níquel. Claro que estes materiais são caros e, por isso, menos utilizados.

O fluido utilizado para aquecer a água da rede é normalmente água misturada com anticongelante, para que nos dias de Inverno esta água não congele, podendo danificar os sistemas caso isso acontecesse, ou glicol. Tanto a água como o glicol têm elevada capacidade térmica, sendo por isso as substâncias escolhidas nestes sistemas.

A caixa isolada, ou seja, o exterior do colector, é isolada termicamente para minimizar as perdas, e também é bastante resistente, já que é esta que irá proteger o colector dos agentes externos.

Funcionamento[editar | editar código-fonte]

A cobertura do colector solar é de vidro, e logo, é transparente à radiação visível. Esta radiação irá, então, entrar no colector, aquecendo o seu interior, principalmente a placa colectora. Esta, é feita de um material bom absorsor (absorve muita radiação), e logo, bom emissor (emite também muita radiação). Desta forma, a radiação solar que entrou no colector será absorvida pela placa, emitindo de seguida radiação menos energética, a infravermelha. Em princípio, acharíamos este processo de absorção/emissão pouco rentável, mas na verdade não é. O facto é que o vidro, de que é feita a cobertura, é opaco à radiação infravermelha. Logo, a energia emitida pela placa colectora não sairá facilmente do aparelho, contrubuindo este processo para o aquecimento mais rápido do sistema, e logo, da água que nele circula. Verifica-se assim efeito de estufa. A temperatura da placa coletora irá aumentar, e este, por sua vez, irá transferir energia sob a forma de calor para a serpentina de tubos com o fluido que se encontra por baixo, até que se atinja o equilíbrio térmico entre o metal e o fluido no interior dos tubos de cobre. Como o fluido com temperatura elevada é menos denso, irá subir até ao depósito com água da rede. Ao passar no seu interior, o fluido irá transferir energia sob a forma de calor para a água no depósito. Esta, por sua vez, será utilizada na casa para as variadas tarefas. Após esta transferência, o fluido terá arrefecido, ficando mais denso e descendo de volta ao colector, onde reiniciará o seu ciclo.

Coletor solar a vácuo[editar | editar código-fonte]

Um coletor solar a vácuo.
Coletor solar a vácuo em corte. Note que os tubos é que possuem a camada absorvedora, e no lugar da placa absorvedora do modelo comum há neste uma placa refletora.
Detalhe de um coletor solar a vácuo onde se observam os tubos absorvedores.

A tecnologia de aquecimento solar para água evoluiu a partir dos meados de 1995, quando na Alemanha foram desenvolvidos os coletores solares em forma tubular com sistema de isolamento térmico a vácuo.

O aquecedor solar a vácuo recebe este nome devido ao isolamento térmico existente em seus coletores solares. São coletores compostos basicamente por dois tubos concêntricos, um interno ao outro, unidos em suas extremidades e retirado entre suas paredes todos os gases existentes, formando desta forma um vácuo, que é o melhor isolante térmico existente, mas devido à grande dificuldade para obter-se e manter condições de vácuo, é empregado em muito poucas ocasiões, limitadas em escala.

Aliado ao isolamento térmico a vácuo, temos ainda o fato de que os coletores são confeccionados em vidro borossilicato temperado que possuem capacidade de absorção da energia solar de até 96%, quase 3X superior aos vidros convencionais, possuem formato tubular que converge e amplia os raios solares para o seu interior recebendo ainda radiação solar perpendicular na maior parte do dia.

Devido a sua grande eficiência em isolamento térmico e enorme absorção da energia solar incidente, existem coletores Solares a Vácuo que atingem temperaturas de até 350ºC e aquecem a água à temperatura de 100ºC.

Existem diversas variações da tecnologia e diversos fabricantes de tubos a vácuo, os modelos mais comuns comercializados no Brasil são os tubos de 47X1500mm e 58X1800mm, as empresas mais especializadas no ramo oferecem ainda medidas de 58X2100mm e 70X1700mm, variação 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 vácuo é o único meio de utilização da energia solar térmica em muitos locais do mundo onde as temperaturas são sempre muito baixas, muitas vezes abaixo de 0ºC, principalmente no hemisfério Norte.

Reservatório térmico[editar | editar código-fonte]

Um coletor solar com o boiler logo acima.

Os reservatórios empregados convencionalmente são nomeados boiler, e são normalmente feitos de aço inoxidável, cobre ou aço carbono, para volumes de até 15 mil litros.[1] Possuem duas superfícies, uma interna e outra externa, separadas por um isolante térmico que em geral é a lã de vidro.[1] Podem ser horizontais ou verticais.[1]

Dividem-se em baixa pressão ou alta pressão:[1]

  • os de baixa pressão são mais econômicos e mais apropriados para construções onde a caixa de água fria estiver pouco acima do boiler, com no máximo 2 metros de desnível para os de cobre e 5 para os de aço inox.[1] Não podem ser pressurizados ou ligados na rede pública;[1]
  • os de alta pressão são mais apropriados para sistemas pressurizados ou onde a caixa de água fria estiver muito acima do boiler, com no máximo 40 metros de desnível.[1]

O reservatório térmico é 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 residências de pequeno porte).[1]

Deve ser instalado, se possível, no interior das habitações (para protecção atmosférica e térmica) a um nível superior aos colectores, por forma a que a canalização seja o mais vertical possivel, dispensando assim a bomba de circulação.

Referências

  1. a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t VIABILIDADES TÉRMICA, ECONÔMICA E DE MATERIAIS DE UM SISTEMA SOLAR DE AQUECIMENTO DE ÁGUA A BAIXO CUSTO PARA FINS RESIDENCIAIS (PDF) 1-2;8-9;15-16 pp. Universidade Federal do Rio Grande do Norte (Junho de 2007). Visitado em 23 de outubro de 2011. "O aquecimento de água através da utilização de coletores solares tem representado, juntamente com as células fotovoltáicas, conversoras de energia solar em eletricidade, uma das aplicações mais viáveis de utilização, tanto residencial quanto industrial [...]. [...] Os dispositivos utilizados para a produção de água quente através da utilização da energia solar são os coletores que podem ser divididos em dois grupos os planos e os alternativos, sendo os planos mais utilizados. Tais coletores geralmente são constituídos por tubos absorvedores de cobre, chapa absorvedora de cobre ou alumínio, cobertura de vidro e isolamento térmico de lã de vidro e a grade absorvedora é confeccionada na configuração em paralelo. Os sistemas de aquecimento são geralmente constituídos por mais de um coletor, ligados geralmente em paralelo, trabalhando em regime de termossifão ou fluxo forçado, sendo a primeira opção a mais empregada; por um armazenador térmico geralmente de cobre ou inox e de tubos para a condução de calor, geralmente o CPVC (Copolímero vinílico). Tais sistemas são de preço ainda relativamente caro, não estando acessível à maioria da população. Para uma residência com quatro pessoa, o sistema fica em torno de R$ 3.000,00. [...] O principal objetivo do estudo de coletores alternativos é a redução do custo de fabricação, [...] uma vez que o custo dos mesmos representa 50% do custo total de investimento para a aquisição de um sistema solar para aquecimento de água. [...] Os aquecedores solares domésticos de água são largamente utilizados atualmente para a produção de energia térmica solar a baixas temperaturas. Estes tipos de coletores têm sido objeto de numerosos estudos e pesquisas desde 1950. [...] Van Niekerk et al., concluíram que a melhor configuração foi obtida para um espaçamento 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 condições de desempenho, a eficiência do TPPC foi respectivamente 6,0 e 10% maior que o STC e PTC. [...] Os reservatórios térmicos convencionalmente utilizados em sistemas solares de aquecimento, chamados boiler, são geralmente fabricados em aço inoxidável, cobre ou aço carbono, para volumes de até 15 mil litros. Podem ser horizontais ou verticais, sendo constituídos por duas superfícies cilíndricas, uma interna e outra externa, tendo entre as mesmas, um isolamento térmico, geralmente a lã de vidro. [...] Podem ser de Baixa Pressão e Alta Pressão. Os de Baixa Pressão são mais econômicos e são indicados para instalações nos projetos em que a caixa de água fria esteja logo acima do boiler, sendo que seu nível de água deverá estar no máximo com 2 m para os modelos em cobre e 5 m para os modelos em inox. os modelos de baixa pressão não podem ser pressurizados ou alimentados com água da rede pública. Os de Alta Pressão são recomendados para sistemas pressurizados e instalações onde a caixa de água fria está muito elevada, no máximo 40 m. [...] Os reservatórios térmicos alternativos estão [...] ser o elemento constituinte de um sistema de aquecimento solar de água de maior custo (alcançando valores em torno de R$ 1.000,00 para um volume de 200 litros, que é o mais utilizado nas instalações residenciais de pequeno porte) [...]."

Ver também[editar | editar código-fonte]