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Instalação solar térmica

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Termelétrica

Coletores solares térmicos

Coletores solares térmicos

Um coletor solar térmico, também conhecido como coletor solar térmico, é um componente de uma instalação solar térmica. Um coletor solar é um tipo de painel solar responsável por capturar a radiação solar e transformá-la em energia térmica. Por esse motivo, essa fonte de energia renovável é chamada de energia solar térmica.

O objetivo deste tipo de painel solar é realizar uma transformação de energia: a irradiação solar sofrida pelos módulos solares é transformada em energia térmica. Em alguns tipos de instalações solares térmicas, esse calor é usado para gerar vapor e obter eletricidade, mas não é função do coletor solar. Por outro lado, os painéis fotovoltaicos têm a capacidade de gerar eletricidade diretamente na forma de corrente contínua. Os painéis fotovoltaicos são um elemento indispensável das instalações de energia solar fotovoltaica.

Do ponto de vista físico, os coletores solares térmicos usam a termodinâmica para realizar transformações de energia. Por outro lado, os painéis fotovoltaicos não usam as leis da termodinâmica para converter energia solar, mas é um processo elétrico.

Tipos de coletores solares térmicos

De coletores solares, existem muitos tipos. O coletor solar usado dependerá do uso que será dado. Por exemplo, se queremos aquecer uma piscina a uma temperatura de 25 a 28 graus Celsius, na primavera, precisamos de um coletor solar simples, pois facilmente a temperatura ambiente será dessa ordem ou até mais alta. Por outro lado, se quisermos aquecer um fluido a temperaturas de 200ºC, precisaremos de coletores de concentração solar para concentrar a radiação solar e transferi-la para um pequeno volume de fluido.

Atualmente, no mercado de energia solar, podemos diferenciar os seguintes tipos de coletores solares térmicos:

  • O coletor solar térmico de placa plana ou plana. Esse tipo de painel solar captura a radiação solar recebida em uma superfície para aquecer um fluido. O efeito estufa é frequentemente usado para capturar calor.
  • O coletor solar térmico de concentração de radiação solar. Esse tipo de coletor captura a radiação recebida em uma superfície relativamente grande e a concentra através de espelhos em uma superfície menor.
  • O coletor solar térmico de tubos de vácuo. Este coletor solar térmico consiste em um conjunto de tubos cilíndricos, formados por um absorvedor seletivo, localizado em um local refletivo e cercado por um cilindro de vidro transparente.

Em aplicações solares a baixa temperatura, são utilizados principalmente coletores térmicos solares de placa plana. Uma aplicação solar é considerada realizada a uma temperatura baixa quando a temperatura do fluido de trabalho estiver abaixo de 80 ° C; como o aquecimento de piscinas, a produção de água quente sanitária ou mesmo para fornecer aquecimento. Essas chapas planas utilizadas podem ser transportadas sem tampa envidraçada ou não dependendo da aplicação.

Coletores solares de placa plana

coletor solar de placa planaA alma de um coletor solar de placa plana é um portão vertical de tubos metálicos, para simplificar, que conduzem a água fria em paralelo, conectados de baixo por um tubo horizontal à saída de água fria e de cima por outro semelhante ao retorno.

A grade é embutida em uma cobertura, como descrito acima, geralmente com vidro duplo e isolamento atrás.

Em alguns modelos de coletores solares de placa plana, os tubos verticais são soldados a uma placa de metal para aproveitar a insolação entre o tubo e o tubo.

Coletores solares de tubos de vácuo "todo em vidro"

Num coletor solar de tubos de vácuo, os tubos metálicos do sistema anterior são substituídos por tubos de vidro. Os tubos de vidro são encapsulados, um a um, em outro tubo de vidro entre o qual o vácuo é feito como isolamento.

As grandes vantagens dos coletores solares de tubos a vácuo são o alto desempenho. Por outro lado, no caso de um dos tubos quebrar, não é necessário mudar o painel inteiro para um novo, mas apenas o tubo afetado deve ser substituído. Pelo contrário, como inconveniente, temos que, em relação aos coletores solares de placas planas, estes são mais caros.

Coletores solares de tubos de vácuo com "heat pipes" por mudança de fase

Os painéis solares que usam esse sistema aproveitam a mudança de fase de vapor para líquido dentro de cada tubo, para fornecer energia a um segundo circuito de líquido de transporte.

Os elementos são tubos fechados que contêm o líquido que, quando aquecido pelo sol, ferve e se transforma em vapor. Estes tubos são geralmente de cobre. O vapor gerado sobe para o topo, onde há uma cabeça mais larga (zona de condensação). A parte externa da zona de condensação está em contato com o líquido transportador. Como o líquido transformador está a uma temperatura abaixo do vapor do tubo, ele captura o calor graças a um processo de convecção termodinâmico e faz com que o vapor se condense. O líquido condensado volta para a parte inferior do tubo para iniciar o ciclo novamente.

O líquido no tubo pode ser água que terá um baixo ponto de ebulição para funcionar mesmo com a insolação dos raios infravermelhos em caso de nuvem. O tubo de calor pode ser envolvido com materiais isolantes para minimizar as perdas de irradiação.

Finalmente, o tubo de calor é fechado dentro de outro tubo de vidro entre o qual o vácuo é feito para isolar. Tubos de vidro resistentes são geralmente usados ​​para reduzir danos em caso de lama pequena.

Coletores solares de concentração

coletores solares de concentraçãoNa energia solar, um coletor solar de concentração é um painel solar que utiliza uma técnica de concentração da radiação solar para obter altas temperaturas. Esta técnica é usada em instalações solares de alta e muito alta temperatura.

Dependendo da aplicação de energia que você deseja fornecer, existem diferentes tecnologias para aplicar essa técnica de obtenção de energia renovável. Desta forma, podemos encontrar, a título de exemplo, coletores solares parabólicos através de coletores solares ou concentrando fornos solares para obter temperaturas mais altas.

Componentes de um coletor solar

Os coletores solares padrão são compostos dos seguintes elementos:

  • Capa: A capa de um coletor solar é transparente, pode ou não estar presente. Geralmente é feito de vidro, embora também seja usado plástico, uma vez que é mais barato e gerenciável, mas deve ser um plástico especial. Sua função é minimizar as perdas devido à convecção e radiação e, portanto, deve ter a maior transmitância solar possível. A presença do telhado melhora o desempenho termodinâmico do painel solar.
  • Canal de ar: É um espaço (vazio ou não) que separa a tampa da placa absorvente. Sua espessura será calculada levando em consideração o objetivo de equilibrar as perdas por convecção e as altas temperaturas que podem ocorrer se for muito estreita.
  • Placa absorvente: A placa absorvente é o elemento que absorve a energia solar e a transmite ao líquido que circula pelos tubos. A principal característica da placa é que ela deve ter uma ótima absorção solar e uma emissão térmica reduzida. Como os materiais comuns não atendem a esse requisito, os materiais combinados são usados ​​para obter a melhor taxa de absorção / emissão.
  • Tubos ou conduítes: Os tubos estão tocando (às vezes soldados) na placa absorvente, para que a troca de energia seja a maior possível. Para os tubos circula o líquido que será aquecido e irá para o tanque de acumulação.
  • Camada isolante: O objetivo da camada isolante é cobrir o sistema para evitar e minimizar perdas. Como o isolamento é o melhor possível, o material isolante deve ter uma baixa condutividade térmica para reduzir a transferência termodinâmica de calor para o exterior.
  • Acumulador: o acumulador é um elemento opcional, às vezes é parte integrante do painel solar e, nesses casos, costuma ser visível imediatamente acima ou nas imediações. Muitas vezes, o acumulador não faz parte do painel solar, mas do sistema térmico.

Uso de coletores solares

Os coletores solares são usados ​​principalmente para fornecer água quente e aquecimento ou para gerar eletricidade.

No caso de coletores para água quente e aquecimento doméstico, o tanque armazena a água doméstica que entra em contato com o fluido por meio de uma bobina. A bobina permite que o fluido transfira a energia térmica armazenada para a água sem contaminar a água. Essa água pode ser usada como água quente em residências (80% de integração) ou como complemento do aquecimento de piso dos quartos (10% de integração). Os painéis solares térmicos são capazes de fornecer água quente em boas quantidades, mas não podem substituir completamente os métodos habituais de aquecimento devido à falta de energia solar.

Os coletores solares destinados à geração de eletricidade exigem que o trocador de calor seja aquecido até ferver. Depois que o líquido conclui a mudança de fase termodinâmica e passa para a fase gasosa, ele é enviado para uma turbina termoelétrica que converte o movimento do vapor de água em energia elétrica. Esse tipo de sistema é chamado termodinâmica solar e requer grandes espaços para a instalação de painéis solares e presença constante de sol. Exemplos dessas plantas foram instaladas nos desertos.

Conexão de coletores solares térmicos

Ao definir e instalar uma instalação solar térmica, deve-se levar em consideração que uma distribuição de coletores solares deve ser feita em grupos.

Esses grupos de coletores solares térmicos devem sempre ser formados por unidades do mesmo modelo e com uma distribuição o mais uniforme possível.

Existem duas opções ou tipos básicos para agrupar dois ou mais coletores: série ou paralelo. Além disso, um campo de captação pode ser configurado combinando os dois agrupamentos, que é o que chamamos de agrupamentos ou circuitos mistos.

Conexão de coletores solares em série

Em conexão em série, a saída do primeiro coletor solar é conectada diretamente com a entrada do próximo, e assim por diante. A temperatura do fluido de entrada de cada coletor é maior que a do coletor anterior, de modo que, na saída de um grupo de coletores, podemos obter temperaturas mais altas do que se trabalhassemos com o salto térmico de um único coletor.

Esse tipo de conexão tem a desvantagem de que o desempenho dos sensores diminui proporcionalmente com o aumento da temperatura de trabalho; Portanto, esse tipo de conexão é usado apenas em aplicações muito particulares e com um máximo de 6 a 10 m2 de coletores solares térmicos conectados em série, dependendo da zona climática.

Em relação ao comportamento hidráulico dessa configuração, o fluxo total do grupo de painéis solares será equivalente ao fluxo de um único painel e, pelo contrário, a perda de carga causada pelo grupo será equivalente à soma da perda de carga de todos os coletores solares.

Conexão de coletores solares em paralelo

Na conexão de coletores solares paralelos, a saída e a entrada dos coletores são conectadas aos pontos de entrada e saída comuns ao restante dos coletores.

Com essa configuração, a temperatura do fluido de entrada é a mesma em todos os coletores e o mesmo ocorre com as temperaturas de saída, de modo que, na saída da bateria ou do grupo de sensores, obtemos a temperatura como se trabalhassemos com o salto coletor único térmico.

Portanto, todos os coletores trabalham no mesmo ponto na curva de desempenho. Essa conexão é a mais comum em instalações solares térmicas a baixa temperatura.

Hidraulicamente, essa configuração apresenta um fluxo total do grupo, que é equivalente à soma dos fluxos parciais de cada coletor, enquanto a perda de carga do grupo será equivalente ao de um único coletor solar térmico.

Conexão mista de coletores solares

Em algumas ocasiões, o volume dos coletores e / ou a necessidade de temperaturas mais altas resultam em instalações que combinam o arranjo em série e em paralelo. Chamamos esse tipo de conexão de painéis solares mistos.

Equilibrando o campo de recebimento

Basicamente, existem duas metodologias para equilibrar o fluxo de fluido de transporte de calor em um campo de coletores solares térmicos:

  • Combinando o comprimento dos circuitos. Isso é alcançado com o que é chamado retorno invertido. Ou seja, equalize o comprimento dos tubos de conexão de todos os coletores solares para que o fluido tenha a mesma queda de pressão.
  • Inserção de perdas de carga através do fornecimento de válvulas de balanceamento na entrada das baterias do coletor. Assim, em um menor comprimento do circuito, mais perda de pressão é aplicada com a válvula correspondente.
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Última revisão: 7 de novembro de 2019