Aquecimento solar

Trabalho Realizado por:

Diogo Guerreiro, João Coutinho.

Introdução

Um sistema de aquecimento solar, geralmente designado por coletor solar, transfere energia térmica, através da absorção da radiação solar aumentada pelo efeito de estufa, para um fluido, seja ar ou uma mistura de água e anticongelante, de forma a aumentar a sua temperatura.

Aplicações

Os sistemas de aquecimento solar têm várias aplicações, quer a nível doméstico como a nível industrial. Ao nível industrial, os sistemas de aquecimento solar podem ser utilizados em indústrias que requerem energia sob a forma de calor numa gama de temperaturas média e média-alta, entre 80º C e 250º C, mais concretamente nas indústrias alimentar, têxtil, pasta e papel e química.

Os processos que se adequam ao consumo de energia térmica solar podem-se identificar como:

• Aquecimento de banhos para líquidos para lavagem, tinturaria ou processos químicos.
• Aquecimento de ar para processos de secagem.
• Geração de vapor de baixa pressão.

Coletores de placa plana

Os coletores de placa plana são os tipos de colectores solares mais comuns e o seu princípio de funcionamento é relativamente simples e, tendo uma superfície plana escura que absorve a energia térmica por radiação por via da incidência dos raios solar.

A superfície de um coletor solar de placa plana é normalmente constituída por uma placa de cobre ou alumínio, escurecidos quimicamente, de forma a absorver o máximo de energia solar. A energia absorvida por esta placa é depois transferida através de condução térmica para um fluido de transporte, que circula em tubos de cobre que percorrem toda a placa, de modo a garantirem uma área de transferência de calor maior.

A base da estrutura que sustenta o sistema é feita de uma material isolante que permite minorar as possíveis perdas de energias. O topo da estrutura, que vai cobrir a placa é composto de plástico ou vidro translúcido, de forma a proteger a placa e a permitir a entrada dos raios solares. Entre a placa e a superfície translúcida existe ar, que forma um isolamento e reduz as perdas de calor para o exterior ¹.

Figura 1 - Coletor Placa Plana.

Coletores com concentrador parabólico

Os coletores solares com concentrador parabólico (CPC) apresentam uma curvatura côncava, designada de concentrador, que permite focar todos os raios solares incidentes, independentemente do local onde incidem, no tubo onde circula o fluido. Desta forma atinge-se uma temperatura maior que nos coletores de placa plana.

Os CPC apresentam superfícies de elevados comprimentos que refletem os raios solares para um tubo central, onde circula o fluido, para o qual é transferida a energia absorvida pela radiação solar reflectida. Este tubo é composto por uma superfície exterior transparente que permite a entrada dos raios solares e minimiza a dissipação da energia ali concentrada. A parte interna do tubo é composta por um material de cor escura e com grande capacidade de absorção.

O concentrador nos CPC permite que a energia solar recebida no tubo aumente por metro quadrado, o que, juntamente com a menor área de absorção comparativamente a outros tipos de coletores, resulta numa maior eficiência, sendo possível atingir temperaturas de aquecimento de cerca 200ºC.

Devido ao fato do coletor não ser plano, o ângulo de incidência torna-se mais relevante que nos coletores de placas planas, o que torna este tipo de equipamentos limitados em determinadas condições, tal como dias nublados ².

Figura 2 - Funcionamento Coletor Concentrador Parabólico.

Figura 3 - Coletor Concentrador Parabólico.

Coletores a Tubos de Vácuo

Os coletores de tubos a vácuo (CTV) são constituídos por um sistema de tubos dentro dos quais existe vácuo, que é o melhor isolante conhecido, de modo a reduzir as perdas térmicas e atingir uma maior temperatura de aquecimento.

O vácuo no interior dos tubos funciona como uma camada isolante, minimizando a transferência de calor para o exterior por mecanismos de conveção e condução, o que resulta numa maior temperatura de operação. O isolamento é assim mais eficaz que aquele apresentado nos outros tipos de coletores, particularmente em climas mais frios. Em situações com climas mais quentes, a sua utilização pode ser também vantajosa, quando são requeridas maiores temperaturas de operação, como no caso de processos industriais.

A existência de vácuo, que pode durar 25 anos ou mais, também leva a uma maior durabilidade dos componentes, especificamente, a camada refletora que se encontra dentro dos tubos e que não se irá degradar enquanto existir vácuo dentro dos tubos.

O aquecimento da água nos CTV pode ser realizado por via direta ou indireta.

No aquecimento por via direta, a água a aquecer circula diretamente num tubo no interior do tubo a vácuo, existindo desta forma um aquecimento direto da água. O funcionamento deste tipo de coletores é semelhante aos coletores planos com a exceção da existência de vácuo no interior dos tubos.

No aquecimento por via indireta, existe um tubo metálico, heatpipe, no interior dos tubos de vácuo ligado a uma placa absorvedora e dentro do qual circula uma mistura de água e anticongelante. Esta mistura é aquecida até ao ponto de mudança de fase sendo o vapor formado condensado num permutador de calor no topo dos tubos, onde o calor latente de evaporação é usado para aquecer a água. Este conjunto dos tubos e condensador encontra-se isolado de forma a reduzir as perdas energéticas ⁶, ⁷, ⁸, ⁹.

Figura 4 - Funcionamento com heatpipe.

Figura 5 - Funcionamento com escoamento direto.

Figura 6 - Coletores a Tubos de Vácuo.

Coletores a ar

Os coletores a ar, de forma semelhante aos coletores planos, aquecem diretamente o ar por via da exposição direta à radiação solar. Estes são geralmente constituídos por um material que absorve a radiação solar e transfere essa energia térmica por condução e para o ar que circula no interior do coletor.

Esse ar aquecido pode ser utilizado para aquecimento de divisões ou para fins processuais, como para processos de secagem, recorrendo-se ao uso de ventoinhas para a sua distribuição.

Estes coletores podem-se dividir em vários tipos, de acordo com o tipo de escoamento, natural ou forçado e a presença de cobertura na superfície exterior.

No escoamento forçado sem cobertura, o ar ambiente exterior entra na placa absorvedora perfurada onde é aquecido no seu interior e distribuído por via de uma ventoinha.

No escoamento natural com cobertura, o ar ambiente interior é recirculado através do espaço entre a cobertura e a placa absorvedora onde é aquecido. A circulação destas correntes de ar frio e quente é devida a uma diferença de densidade do ar, função da sua temperatura.

Além do aquecimento do ar ambiente e aquecimento processual, os coletores a ar podem também ser usados no arrefecimento ambiente noturno, onde o ar ambiente interior quente é recirculado através do coletor e transfere energia para o exterior via radiação térmica, promovendo o seu arrefecimento ¹⁰.

Figura 7 - Escoamento forçado sem cobertura.

Figura 8 - Escoamento natural com cobertura.

Vantagens e desvantagens da utilização de coletores solares

Vantagens da utilização de coletores solares

• Tecnologia renovável e não poluente
• Substitui os combustíveis fósseis
• Baixa manutenção
• Retorno do investimento
• Versatilidade geográfica
• Permite autossuficiência por parte do utilizador

Desvantagens da utilização de coletores solares

• Investimento inicial considerável
• Não satisfaz inteiramente as necessidades energéticas do consumidor
• Impossibilidade de produzi energia durante o período noturno
• Necessidade de utilização de baterias para acumulação de energia
• Eficiência dependente das condições meteorológicas
• Baixa produtividade nos meses de Inverno ¹¹.

Panorama Nacional

Portugal apresenta-se como um dos países da Europa com maior número de horas de sol por ano, tornando as tecnologias de aproveitamento de luz solar uma opção bastante viável.

Em 2009, o governo lançou incentivos à compra de tecnologias de aproveitamento da luz solar, tendo sido instalados cerca de 180 000 m² de nova área, só no ano de 2010.

Os avanços no desenvolvimento dos coletores solares e as melhorias nas suas eficiências têm também servido de incentivo ao aumento da sua utilização. Porém os valores de área coberta são muito baixos e existe uma grande margem de progressão que pode ser feita. Portugal tem as condições geográficas e meteorológicas ideias para tirar o melhor partido deste tipo de tecnologias.

Referências