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title: Aquecimento solar
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author:
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- Diogo Guerreiro
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- João Coutinho
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date: 2019-02-20
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tags: #utilidades
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# Aquecimento solar
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- **Autor**:
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- Diogo Guerreiro
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- João Coutinho
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- **Data**: 2019-02-20
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## Introdução
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Um sistema de aquecimento solar, geralmente designado por coletor solar,
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transfere energia térmica, através da absorção da radiação solar
24
aumentada pelo efeito de estufa, para um fluido, seja ar ou uma mistura
25
de água e anticongelante, de forma a aumentar a sua temperatura.
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27
28
## Aplicações
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30
Os sistemas de aquecimento solar têm várias aplicações, quer a nível doméstico
31
como a nível industrial. Ao nível industrial, os sistemas de aquecimento solar
32
podem ser utilizados em indústrias que requerem energia sob a forma de calor
33
numa gama de temperaturas média e média-alta, entre 80º C e 250º C, mais
34
concretamente nas indústrias alimentar, têxtil, pasta e papel e química.
35
36
Os processos que se adequam ao consumo de energia térmica solar podem-se
37
identificar como:
38
39
- Aquecimento de banhos para líquidos para lavagem, tinturaria ou
40
processos químicos.
41
- Aquecimento de ar para processos de secagem.
42
- Geração de vapor de baixa pressão.
43
44
45
## Coletores de placa plana
46
47
Os coletores de placa plana são os tipos de colectores solares mais
48
comuns e o seu princípio de funcionamento é relativamente simples e,
49
tendo uma superfície plana escura que absorve a energia térmica por
50
radiação por via da incidência dos raios solar.
51
52
A superfície de um coletor solar de placa plana é normalmente
53
constituída por uma placa de cobre ou alumínio, escurecidos
54
quimicamente, de forma a absorver o máximo de energia solar. A energia
55
absorvida por esta placa é depois transferida através de condução
56
térmica para um fluido de transporte, que circula em tubos de cobre que
57
percorrem toda a placa, de modo a garantirem uma área de transferência
58
de calor maior.
59
60
A base da estrutura que sustenta o sistema é feita de uma material
61
isolante que permite minorar as possíveis perdas de energias. O topo da
62
estrutura, que vai cobrir a placa é composto de plástico ou vidro
63
translúcido, de forma a proteger a placa e a permitir a entrada dos
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raios solares. Entre a placa e a superfície translúcida existe ar, que
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forma um isolamento e reduz as perdas de calor para o exterior [^1].
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![Coletor de placa plana](./image1.png)
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_Figura 1 - Coletor de placa plana._
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## Coletores com concentrador parabólico
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Os coletores solares com concentrador parabólico (CPC) apresentam uma
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curvatura côncava, designada de concentrador, que permite focar todos os
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raios solares incidentes, independentemente do local onde incidem, no
77
tubo onde circula o fluido. Desta forma atinge-se uma temperatura maior
78
que nos coletores de placa plana.
79
80
Os CPC apresentam superfícies de elevados comprimentos que refletem os
81
raios solares para um tubo central, onde circula o fluido, para o qual é
82
transferida a energia absorvida pela radiação solar reflectida. Este
83
tubo é composto por uma superfície exterior transparente que permite a
84
entrada dos raios solares e minimiza a dissipação da energia ali
85
concentrada. A parte interna do tubo é composta por um material de cor
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escura e com grande capacidade de absorção.
87
88
O concentrador nos CPC permite que a energia solar recebida no tubo
89
aumente por metro quadrado, o que, juntamente com a menor área de
90
absorção comparativamente a outros tipos de coletores, resulta numa
91
maior eficiência, sendo possível atingir temperaturas de aquecimento de
92
cerca 200ºC.
93
94
Devido ao fato do coletor não ser plano, o ângulo de incidência torna-se
95
mais relevante que nos coletores de placas planas, o que torna este tipo
96
de equipamentos limitados em determinadas condições, tal como dias
97
nublados [^2].
98
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![Concentrador parabólico](./image2.png)
100
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_Figura 2 - Funcionamento Coletor Concentrador Parabólico._
102
103
![Coletor concentrador parabólico](./image3.png)
104
105
_Figura 3 - Coletor Concentrador Parabólico._
106
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108
## Coletores a Tubos de Vácuo
109
110
Os coletores de tubos a vácuo (CTV) são constituídos por um sistema de
111
tubos dentro dos quais existe vácuo, que é o melhor isolante conhecido,
112
de modo a reduzir as perdas térmicas e atingir uma maior temperatura de
113
aquecimento.
114
115
O vácuo no interior dos tubos funciona como uma camada isolante,
116
minimizando a transferência de calor para o exterior por mecanismos de
117
conveção e condução, o que resulta numa maior temperatura de operação. O
118
isolamento é assim mais eficaz que aquele apresentado nos outros tipos
119
de coletores, particularmente em climas mais frios. Em situações com
120
climas mais quentes, a sua utilização pode ser também vantajosa, quando
121
são requeridas maiores temperaturas de operação, como no caso de
122
processos industriais.
123
124
A existência de vácuo, que pode durar 25 anos ou mais, também leva a uma
125
maior durabilidade dos componentes, especificamente, a camada refletora
126
que se encontra dentro dos tubos e que não se irá degradar enquanto
127
existir vácuo dentro dos tubos.
128
129
O aquecimento da água nos CTV pode ser realizado por via direta ou
130
indireta.
131
132
No aquecimento por via direta, a água a aquecer circula diretamente num
133
tubo no interior do tubo a vácuo, existindo desta forma um aquecimento
134
direto da água. O funcionamento deste tipo de coletores é semelhante aos
135
coletores planos com a exceção da existência de vácuo no interior dos
136
tubos.
137
138
No aquecimento por via indireta, existe um tubo metálico, _heatpipe_, no
139
interior dos tubos de vácuo ligado a uma placa absorvedora e dentro do
140
qual circula uma mistura de água e anticongelante. Esta mistura
141
é aquecida até ao ponto de mudança de fase sendo o vapor formado
142
condensado num permutador de calor no topo dos tubos, onde o calor
143
latente de evaporação é usado para aquecer a água. Este conjunto dos
144
tubos e condensador encontra-se isolado de forma a reduzir as perdas
145
energéticas [^6], [^7], [^8], [^9].
146
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![Heatpipe](./image4.jpeg)
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_Figura 4 - Funcionamento com heatpipe._
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![Escoamento direto](./image5.png)
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_Figura 5 - Funcionamento com escoamento direto._
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![CTV](./image6.jpeg)
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_Figura 6 - Coletores a Tubos de Vácuo._
158
159
160
## Coletores a ar
161
162
Os coletores a ar, de forma semelhante aos coletores planos, aquecem
163
diretamente o ar por via da exposição direta à radiação solar. Estes são
164
geralmente constituídos por um material que absorve a radiação solar e
165
transfere essa energia térmica por condução e para o ar que circula no
166
interior do coletor.
167
168
Esse ar aquecido pode ser utilizado para aquecimento de divisões ou para
169
fins processuais, como para processos de secagem, recorrendo-se ao uso
170
de ventoinhas para a sua distribuição.
171
172
Estes coletores podem-se dividir em vários tipos, de acordo com o tipo
173
de escoamento, natural ou forçado e a presença de cobertura na
174
superfície exterior.
175
176
No escoamento forçado sem cobertura, o ar ambiente exterior entra na
177
placa absorvedora perfurada onde é aquecido no seu interior e
178
distribuído por via de uma ventoinha.
179
180
No escoamento natural com cobertura, o ar ambiente interior é
181
recirculado através do espaço entre a cobertura e a placa absorvedora
182
onde é aquecido. A circulação destas correntes de ar frio e quente é
183
devida a uma diferença de densidade do ar, função da sua temperatura.
184
185
Além do aquecimento do ar ambiente e aquecimento processual, os
186
coletores a ar podem também ser usados no arrefecimento ambiente
187
noturno, onde o ar ambiente interior quente é recirculado através do
188
coletor e transfere energia para o exterior via radiação térmica,
189
promovendo o seu arrefecimento [^10].
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![Escoamento forçado](./image7.gif)
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_Figura 7 - Escoamento forçado sem cobertura._
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![Escoamento natural](./image8.png)
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_Figura 8 - Escoamento natural com cobertura._
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## Vantagens e desvantagens da utilização de coletores solares
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### Vantagens da utilização de coletores solares
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- Tecnologia renovável e não poluente
205
- Substitui os combustíveis fósseis
206
- Baixa manutenção
207
- Retorno do investimento
208
- Versatilidade geográfica
209
- Permite autossuficiência por parte do utilizador
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### Desvantagens da utilização de coletores solares
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- Investimento inicial considerável
214
- Não satisfaz inteiramente as necessidades energéticas do consumidor
215
- Impossibilidade de produzi energia durante o período noturno
216
- Necessidade de utilização de baterias para acumulação de energia
217
- Eficiência dependente das condições meteorológicas
218
- Baixa produtividade nos meses de Inverno [^11].
219
220
221
## Panorama Nacional
222
223
Portugal apresenta-se como um dos países da Europa com maior número de
224
horas de sol por ano, tornando as tecnologias de aproveitamento de luz
225
solar uma opção bastante viável.
226
227
Em 2009, o governo lançou incentivos à compra de tecnologias de
228
aproveitamento da luz solar, tendo sido instalados cerca de 180 000
229
m<sup>2</sup> de nova área, só no ano de 2010.
230
231
Os avanços no desenvolvimento dos coletores solares e as melhorias nas
232
suas eficiências têm também servido de incentivo ao aumento da sua
233
utilização. Porém os valores de área coberta são muito baixos e existe
234
uma grande margem de progressão que pode ser feita. Portugal tem as
235
condições geográficas e meteorológicas ideias para tirar o melhor
236
partido deste tipo de tecnologias.
237
238
239
## Referências
240
241
[^1]: Alternative Energy Tutorials, [Flat Plate
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242
Collector](http://www.alternative-energy-tutorials.com/solar-hot-water/flat-plate-collector.html), Consultado a 24/2/2019.
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243
244
[^2]: Alternative Energy Tutorials, [Parabolic Trough Reflector](http://www.alternative-energy-tutorials.com/solar-hot-water/parabolic-trough-reflector.html), Consultado a 25/2/2019.
245
246
[^3]: [SkyFuel](http://www.skyfuel.com/), Consultado a 25/2/2019.
247
248
[^4]: [Revista Renováveis Magazine Nº 31 - 3º Trimestre de 2017](https://issuu.com/wendelrocha2/docs/renovaveis-magazine-3trimestre-2017), Consultado a 25/2/2019.
249
250
[^5]: **R.K. Musunuri**, **D. Sánchez**, **R. Rodriguez**, _Solar Thermal Energy_, **Energy Engineering**, University of Gavle, October (2007).
251
252
[^6]: [Evacuated Tube Collectors](http://www.solar365.com/solar/thermal/evacuated-tube-collectors), Consultado a 25/2/2019.
253
254
[^7]: [Solar Evacuated Tube Collectors for Hot Water](http://www.alternative-energy-tutorials.com/solar-hot-water/evacuated-tube-collector.html), Consultado a 25/2/2019.
255
256
[^8]: **Lun Jiang**, **Roland Winston**, [Integrated nonimaging optical design for evacuated tube solar thermal collector](http://ucsolar.org/files/public/documents/Poster-1.pdf), Consultado a 25/2/2019.
257
258
[^9]: **F. Mahjouri**, [Vacuum Tube Liquid-Vapor (Heat-Pipe) Collectors](https://www.sssolar.co.za/docs/vacuum%20tube%20paper.pdf), Columbia, Maryland (2004).
259
260
[^10]: Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs, [Solar Facts](http://www.omafra.gov.on.ca/english/engineer/facts/sol_air.htm), Ontario, Canada, Consultado a 25/2/2019.
261
262
[^11]: [Solar Power Advantages and Disadvantages](https://www.sepco-solarlighting.com/blog/bid/115086/Solar-Power-Advantages-and-Disadvantages), Consultado a 25/2/2019.