Coletores solares térmicos (também conhecidos como coletores solares) são dispositivos projetados para capturar e converter a energia do sol em calor útil. Esta tecnologia é essencial para aplicações que requerem aquecimento de água, aquecimento ambiente ou processos industriais.
Comparados aos painéis fotovoltaicos, que convertem a luz solar diretamente em eletricidade, os coletores solares térmicos são especializados na produção de calor. A sua eficácia e diversas aplicações tornaram-nos numa escolha popular para melhorar a eficiência energética e reduzir a dependência de combustíveis fósseis.
Existem muitos tipos de instalações de energia solar térmica dependendo do objetivo para o qual foram concebidas. Alguns usos comuns de coletores solares são:
- Sistemas de aquecimento.
- Aquecimento da água da piscina.
- Água quente sanitária (AQS)
- Produção de eletricidade em grandes centrais solares térmicas.
Principio de funcionamento
Os coletores solares térmicos funcionam com base no princípio da absorção de energia solar. Apesar de existirem diferentes tipos de coletores solares, como veremos mais adiante, o princípio de funcionamento é semelhante em todos eles.
Primeiro, a radiação solar atinge uma superfície absorvente que converte a energia radiante em energia térmica. Esta energia térmica é transferida para um fluido de transferência (normalmente água ou uma mistura de água e anticongelante) que circula através do coletor.
Finalmente, o fluido quente é então utilizado de forma diferente dependendo da aplicação em que é utilizado ou armazenado para uso posterior.
Tipos de coletores solares térmicos
Existem muitos tipos de coletores solares. O coletor solar utilizado dependerá do uso que lhe será dado. Atualmente, no mercado de energia solar podemos diferenciar os seguintes tipos de coletores solares:
Coletores solares planos (ou de placa plana)
Os coletores solares planos são o tipo mais comum e são usados principalmente para aquecer água para uso doméstico, piscinas e aplicações industriais.
Este tipo de coletor capta a radiação solar recebida em uma superfície para aquecer um fluido. O efeito estufa é frequentemente usado para reduzir as perdas de calor.
O conjunto de tubos é envolvido por uma tampa na parte superior que normalmente é de vidro duplo, e na parte inferior por um material isolante.
Características principais
- Design simples: A construção de coletores solares planos é relativamente simples, o que contribui para o seu baixo custo em comparação com outros tipos de coletores.
- Eficiência em climas moderados: São mais eficientes em climas quentes e moderados onde as perdas térmicas são menores. Em climas frios, podem perder mais calor, o que pode reduzir a sua eficiência.
- Aplicações comuns: Comumente usado em sistemas de aquecimento de água residencial e de piscina, bem como em aplicações comerciais e industriais.
Operação de um coletor plano
Em um coletor solar plano, a placa absorvedora fica exposta ao sol e aquece absorvendo a radiação solar. O fluido de transferência de calor, que circula através de tubos na parte traseira da placa, absorve o calor da placa.
O fluido quente é transportado para o sistema de armazenamento para que possa ser utilizado quando necessário para aquecer água ou ar.
Coletores de tubo de vácuo
Um coletor solar de tubo evacuado é semelhante a um coletor solar de placa plana, mas os tubos de metal são substituídos por tubos de vidro. Esses tubos de vidro são encapsulados, um a um, em outro tubo de vidro entre os quais é criado um vácuo como isolamento. Cada tubo contém um tubo absorvente interno que está em contato com o fluido de transferência de calor.
Esses tipos de painéis solares térmicos têm desempenho superior, mas seu custo é maior.
Características principais
- Alta eficiência: Os coletores de tubo de vácuo são mais eficientes que os coletores planos, especialmente em climas frios e nublados. O vácuo entre os tubos de vidro proporciona excelente isolamento térmico, reduzindo as perdas de calor.
- Maior desempenho em condições climáticas adversas: Seu design permite manter alta eficiência mesmo em dias frios e nublados, pois o vácuo entre os tubos atua como barreira contra a perda de calor.
- Aplicações especiais: São utilizados em aplicações que exigem alto desempenho em condições climáticas adversas, como aquecimento de água em regiões frias ou para processos industriais que exigem temperaturas elevadas.
Operação de um coletor de tubo de vácuo
Nos coletores de tubo a vácuo, a radiação solar atinge os tubos de vidro, aquecendo o tubo absorvente interno. O fluido de transferência de calor circula dentro do tubo absorvente, onde coleta o calor e o transporta para o sistema de armazenamento.
A característica que os torna especiais é que o vácuo entre os tubos de vidro minimiza as perdas de calor para o ambiente e, portanto, é mais eficiente.
Coletores de ar
Os coletores de ar são um tipo menos comum de coletor solar térmico que aquece o ar em vez da água. Esses coletores são projetados para aplicações de aquecimento ambiente e secagem de produtos agrícolas.
Características principais
- Design simples: Os coletores de ar são geralmente mais simples de construir do que os coletores de água mencionados acima, pois não requerem um sistema de tubos de transferência de calor.
- Utilização em aquecimento de ambientes: São adequados para aquecimento de espaços, como estufas ou edifícios, e também para processos de secagem onde é necessário ar quente.
- Menor custo: Geralmente apresentam custo menor que os coletores de água tradicionais devido ao seu design mais simples e menor complexidade.
Funcionamento
Num coletor de ar, a radiação solar aquece o ar que circula pelo coletor. O ar quente é coletado e utilizado para aquecer um ambiente ou para aplicações industriais. Esses coletores são geralmente do tipo plano ou de tubo de vácuo, mas com adaptações específicas para o fluxo de ar em vez de fluido líquido.
Coletores híbridos (fotovoltaico-térmicos ou PVT)
Os coletores híbridos combinam tecnologias solares fotovoltaicas e térmicas, permitindo a geração simultânea de eletricidade e calor. Esses sistemas são projetados para melhorar a eficiência geral da coleta de energia solar, aproveitando ambos os tipos de energia.
Características gerais
- Geração Dupla de Energia: Os coletores PVT produzem eletricidade e calor, o que pode ser mais eficiente em termos de espaço e uso de recursos.
- Diversidade de aplicações: São adequados para usos residenciais e comerciais onde são necessários aquecimento e geração de eletricidade, como em sistemas de aquecimento de água e geração de energia doméstica.
- Custo e complexidade: Possuem custo inicial mais elevado e maior complexidade em comparação com coletores solares térmicos ou fotovoltaicos individuais.
Funcionamento
Os coletores híbridos combinam painéis fotovoltaicos com uma placa absorvente para geração de calor. A radiação solar é convertida em eletricidade através de células fotovoltaicas e em calor através da placa absorvente.
Por um lado, o calor produzido é transferido para um sistema de armazenamento, enquanto a eletricidade pode ser utilizada diretamente ou armazenada em baterias.
Coletores solares concentradores
Este tipo de coletor capta a radiação recebida em uma superfície relativamente grande e a concentra por meio de espelhos planos em uma superfície menor.
Embora os coletores concentradores tenham características e aplicações diferentes em comparação aos coletores planos e de tubo de vácuo, eles ainda são uma forma de coletores solares térmicos, pois todos têm o objetivo comum de converter energia solar em calor.
Normalmente este tipo de coletores solares são utilizados para gerar vapor d'água em altíssima pressão e gerar energia elétrica como em uma usina termelétrica convencional .
Existem vários tipos de concentradores solares que descrevemos a seguir:
Coletores parabólicos cilíndricos
Os coletores parabólicos cilíndricos usam espelhos cilíndricos em forma de parabolóide para concentrar a luz solar em um tubo receptor localizado ao longo do eixo do espelho. A luz solar refletida aquece um fluido térmico dentro do tubo, que é então usado para gerar vapor e produzir eletricidade em uma usina de energia solar.
Este tipo de coletor é altamente eficiente na conversão de energia solar em calor e é utilizado em aplicações industriais e instalações de geração de eletricidade em grande escala.
Coletores da torre central
Os coletores da torre central consistem em uma torre cercada por um campo de espelhos (helióstatos) que seguem o movimento do sol para refletir a luz solar para um receptor localizado no topo da torre. O receptor capta a luz concentrada e a converte em calor, que pode ser utilizado para gerar vapor e produzir eletricidade.
Esse tipo de coletor é ideal para grandes usinas solares, pois pode atingir temperaturas extremamente elevadas e oferece alta eficiência na geração de energia.
Concentradores Lineares Fresnel
Os concentradores lineares Fresnel usam uma série de espelhos planos ou ligeiramente curvos para concentrar a luz solar em um receptor linear fixo. A concentração de luz aquece um fluido térmico que circula pelo receptor, e esse calor é utilizado para gerar vapor ou eletricidade.
Esses coletores são mais econômicos que os coletores parabólicos cilíndricos e são adequados para aplicações de médio porte, oferecendo um bom equilíbrio entre custo e eficiência em áreas com alta irradiação solar.
Vantagens e desvantagens dos coletores solares térmicos
Vantagens
- Custos de energia reduzidos: Os coletores solares térmicos podem reduzir significativamente os custos de energia aproveitando a energia solar gratuita.
- Sustentabilidade ambiental: Contribuem para a redução das emissões de gases com efeito de estufa e para a utilização de fontes de energia renováveis.
- Diversidade de aplicações: São versáteis e podem ser utilizados nas mais diversas aplicações, desde aquecimento doméstico até processos industriais.
- Baixa manutenção: Geralmente requerem pouca manutenção e têm uma longa vida útil.
Desvantagens
- Custo inicial: O custo inicial de instalação de colectores solares térmicos pode ser elevado, embora muitas vezes seja recuperado ao longo do tempo através da poupança nos custos de energia.
- Dependência climática: A eficiência dos coletores solares térmicos depende da disponibilidade de luz solar, o que pode limitar a sua eficácia em regiões nubladas ou durante o inverno.
- Espaço necessário: Os sistemas de coletores solares térmicos requerem uma área de superfície adequada para instalação, o que pode ser uma limitação em áreas com espaço limitado.
- Armazenamento de calor: Um sistema de armazenamento é necessário para utilizar o calor quando não há sol, o que pode aumentar o custo e a complexidade do sistema.
Poupança de energia
A utilização de coletores solares térmicos numa habitação normal pode gerar poupanças energéticas significativas em comparação com uma habitação que não os utiliza. Os colectores solares térmicos, ao aproveitarem a energia do sol para aquecer água, reduziriam significativamente a necessidade de sistemas tradicionais de aquecimento de água, que normalmente dependem de electricidade ou combustíveis fósseis.
Um estudo da Agência Internacional de Energias Renováveis (IRENA) indica que os sistemas de colectores solares térmicos podem cobrir entre 50% e 80% das necessidades de água quente sanitária numa casa típica, dependendo da localização geográfica e da eficiência do sistema.
Por outro lado, segundo a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) , os sistemas solares térmicos podem reduzir os custos de aquecimento de água em 50% a 70%. Na Europa, um agregado familiar típico poderia poupar cerca de 200 a 280 euros anuais numa conta média de 400 euros por ano dedicada ao aquecimento de água.
Por todas estas razões, estima-se que o investimento inicial em sistemas de colectores solares térmicos possa ser recuperado num período de 5 a 10 anos graças às poupanças energéticas acumuladas, dependendo dos incentivos locais e do custo dos combustíveis tradicionais.
Futuro e desenvolvimento
A tecnologia dos coletores solares térmicos continua a evoluir, com avanços em materiais, design e eficiência.
Atualmente, a investigação centra-se na melhoria da eficiência dos coletores solares térmicos através de novos materiais absorventes e técnicas de isolamento.
Por outro lado, os sistemas híbridos que combinam tecnologias fotovoltaicas e térmicas estão a ganhar popularidade, oferecendo maior eficiência e versatilidade.
Do lado dos custos, a redução dos custos de produção e a adoção de novas tecnologias podem tornar os coletores solares térmicos mais acessíveis para uma gama mais ampla de aplicações.