Para que um coletor solar dê o retorno necessário e seja eficaz, é necessário entender em detalhes não apenas como funcionam os coletores solares (princípio geral de funcionamento) e como são feitos, mas também saber sobre a existência de variedades desses dispositivos. É do tipo de coletor que dependem em grande parte as características de sua operação, design e custo. Os mais comuns e práticos em operação são os coletores solares planos e tubulares (vácuo). Existem também coletores de ar e abertos, mas possuem características próprias e uma gama limitada de aplicações. Para entender qual coletor é necessário em seu caso específico, você precisa saber como os diferentes tipos de coletores diferem, suas vantagens e desvantagens.
- Coletores solares abertos
- Coletores solares de ar
- Coletores solares planos
- Coletores solares tubulares a vácuo
Coletores solares abertos
Este é o tipo mais primitivo e simples de coletores solares. É um recipiente de plástico com água e uma superfície de plástico ou borracha, que absorve bem os raios do sol. Normalmente, os coletores abertos são usados apenas no verão em casas particulares, em casas de veraneio para aquecimento de água em uma piscina ou chuveiro ao ar livre. A superfície de tal coletor não é coberta com vidro. Com baixo custo e simplicidade de projeto, esse tipo de coletor apresenta baixa eficiência, além de curta vida útil (de 1 a 3 anos). Como o desempenho deste tipo de coletor depende diretamente das condições climáticas e da temperatura ambiente, é aconselhável utilizá-lo apenas nas regiões do sul do país.
Coletores solares de ar
Esses dispositivos solares são usados para aquecimento e ar condicionado em salas, plantas de secagem, sistemas de recuperação de ar, etc. Esses coletores são menos comuns que os de vácuo ou planos, e o papel do transportador de calor neles é desempenhado não pelo líquido, mas ar.
O design do coletor de ar é uma placa metálica nervurada (às vezes perfurada) com um revestimento preto seletivo ou um sistema de tubos metálicos com boa condutividade térmica. O coletor de ar funciona com base no princípio de fornecimento forçado ou natural de ar aquecido pela ação da luz solar na sala. O dispositivo é conectado ao ambiente por meio de dutos de ar para entrada e entrada de ar, nos quais são instalados ventiladores que proporcionam a convecção e circulação das massas de ar. O próprio ar é aquecido pelo contato direto com o metal condutor de calor, que absorveu a energia dos raios solares. O design do coletor de ar é confiável e simples, a vida útil atinge 10 a 20 anos. Das desvantagens – o uso de energia adicional para ventiladores, o que aumenta o custo de sua operação.
Coletores solares planos
O coletor solar de placa plana tem uma estrutura em camadas. Na verdade, trata-se de uma placa de metal com uso intensivo de calor, que pode ser revestida com uma composição seletiva preta que promove melhor absorção e transformação da luz solar com reflexão quase nula – o chamado absorvedor. De baixo, tubos finos são soldados à placa – paralelos ou enrolados (na forma de um tubo de bobina) – um fluido de transferência de calor circula por eles. Os raios do sol absorvidos pelo absorvedor aquecem o refrigerante e, em seguida, o calor é transferido para o sistema.
O absorvedor (placa) é colocado em uma carcaça isolante térmica feita de perfis de alumínio, e no topo é coberto com vidro protetor (comum ou temperado) com transmissão de luz mínima para criar uma espécie de “efeito estufa”. Para minimizar a perda de calor, é importante fazer um isolamento térmico confiável entre as paredes da carcaça e o absorvedor. Como regra, a camada de isolamento térmico é colocada em uma placa contínua sob a placa absorvedora.
Externamente, um coletor solar plano parece uma laje sólida e volumosa, não é fácil de instalar, especialmente em telhados com inclinação acentuada. As desvantagens também incluem perdas de calor significativas na estação fria, mesmo com uma caixa selada e uma boa camada de isolamento térmico. Devido às características de projeto, a eficiência de tal coletor solar pode ser baixa, mesmo com um bom nível de absorção da luz solar. Portanto, faz sentido usar coletores planos principalmente na temporada de verão.
Os coletores de vácuo de placa plana, um tipo de coletor de placa plana, são mais eficientes. Nesse tipo de dispositivo, as perdas são minimizadas pelo vácuo entre o absorvedor e o vidro. Ao mesmo tempo, a eficiência do coletor aumenta, pois a interação da placa absorvedora e do vidro é minimizada, e o próprio sistema funciona com base no princípio da reflexão do espelho, independentemente do ângulo de incidência dos raios solares. Com uma maior eficiência, o que é uma vantagem, as desvantagens incluem a complexidade de instalação e o alto custo de um coletor desse design.
Coletores solares tubulares a vácuo
Este tipo de coletores solares é o mais fácil de instalar e ao mesmo tempo tem a melhor eficiência em comparação com os coletores planos. Em todos os dispositivos desse tipo, independentemente do fabricante ou tipo de construção, existe um vácuo, e o princípio da reflexão do espelho também funciona, o que aumenta a eficiência do trabalho.
A principal e fundamental diferença entre coletores tubulares e coletores planos é a forma do absorvedor. Para converter a energia solar em energia térmica, em vez de uma placa, é usado um tubo evacuado (sistema de tubos) feito de vidro especial com uma haste de metal dentro dele com um fluido de transferência de calor e um revestimento seletivo. Os coletores solares tubulares a vácuo são equipados com uma estrutura especial e podem ser montados em partes – isso explica sua facilidade de instalação.
O projeto de tal coletor é uma rede hidráulica, onde os tubos são fixados ao corpo do trocador de calor e se comunicam com ele através de canais térmicos localizados no meio da placa absorvedora. No entanto, o próprio trocador de calor do corpo e os tubos podem ter um design e princípio de operação diferentes.
O tubo coaxial clássico de aquecimento direto é bastante simples e semelhante a uma garrafa térmica. É um frasco com duas paredes, entre as quais existe um vácuo. Uma haste (na maioria das vezes de cobre) é usada como canal térmico dentro de tal tubo. Com este design, o canal de calor está em contato direto com a superfície de absorção de calor do absorvedor, de modo que as perdas de calor nos coletores com esses tubos são muito pequenas. Esses coletores funcionam principalmente sazonalmente, no verão, e com pressão não superior a 0,2 atm. São de baixo custo e fáceis de instalar.
Tubo de vácuo coaxial com sistema tipo U
O trocador de calor dentro de cada tubo deste tipo tem uma forma em U, está localizado dentro do tubo e é integral a ele. Esses dispositivos são considerados altamente eficientes, proporcionam perda mínima de calor e são fáceis de instalar. A desvantagem é o alto preço, a intensidade de mão de obra e o alto custo dos reparos – se um dos elementos estruturais falhar, todos os outros devem ser substituídos.
Tubo de vácuo coaxial com termotubos ou com sistema de tubo de calor
Dentro dos tubos de cobre deste tipo de coletor existe um líquido em rápida ebulição (uma mistura de água, misturas nitrogenadas, amônia, aldeído, metanol, etc.).
Os raios do Sol, incidindo na parede de um termotubo deste tipo, aquecem-no, o líquido ferve, evapora e transfere o calor recebido em forma de vapor ascendente para o permutador de calor. Então, tendo liberado calor, o líquido na forma de condensado retorna ao termotubo. Esses termotubos são conectados ao trocador de calor usando dispositivos especiais (mangas) e juntos formam um sistema de tubo de calor (tubo quente).
Os coletores solares com esse arranjo de tubos são fáceis de instalar e reparar, têm baixo custo e podem funcionar de forma produtiva em qualquer clima. A prática mostra como esses coletores solares funcionam no inverno – eles são eficazes até geadas severas (até -30-35Cº).
Tubos de penas com sistema de tubo de calor
Esses tubos são considerados os mais eficientes, produtivos e modernos. Eles têm uma estrutura ligeiramente diferente, mas o princípio de operação é o mesmo dos tubos coaxiais.
Os tubos de penas são frascos com uma parede forte e espessa, dentro da qual há um tubo de cobre de absorção de calor com uma placa corrugada e uma camada de absorção. Graças a este design, o vácuo é formado diretamente no canal de calor, e o canal de calor e o absorvedor são parcialmente integrados ao frasco. O sistema de tubo de calor com uma placa absorvente de penas e um canal térmico embutido nele é semi-aberto e imerso no vácuo com o lado aberto.
Os coletores solares com este tipo de tubos são caracterizados por alta eficiência. Ao mesmo tempo, eles são muito caros em custo, complexos e caros para reparar – se um elemento falhar, todo o sistema deve ser alterado.
Existe também um tipo de coletor solar como um coletor de vácuo com tubos coaxiais de aquecimento direto (com transferência direta de calor) e com um tanque com um trocador de calor embutido. Aqui, o trocador de calor, que é fornecido com vapor de um líquido em ebulição, é embutido em um tanque de metal. Após a transferência de calor, o líquido retorna ao tubo na forma de condensado. Em tal dispositivo, a perda de calor é mínima, o sistema é altamente eficiente e pode operar mesmo em temperaturas ambientes muito baixas (até -30-35Cº).
Nos coletores solares, os tipos de tubos e canais térmicos podem ser combinados entre si de diferentes maneiras. E cada combinação terá suas próprias características de desempenho, vantagens e desvantagens. Portanto, para escolher melhor o design que combina com você e descobrir quanto custam os coletores solares, você precisa formular corretamente a tarefa atribuída a ele e, para obter confiabilidade, recorrer a profissionais para selecionar e calcular o sistema.