Aquecimento solar de casa particular: opções e esquemas de estrutura

A utilização da energia “verde”, fornecida pelos elementos da natureza, permite reduzir significativamente as despesas com serviços públicos. Por exemplo, ao instalar o aquecimento solar em uma casa particular, você fornecerá um fluido térmico praticamente gratuito para radiadores de baixa temperatura e sistemas de piso aquecido. Concorde, isso já é economia.

Você aprenderá tudo sobre as “tecnologias verdes” no artigo que apresentamos. Com a nossa ajuda, você entenderá facilmente os tipos de instalações solares, os métodos de instalação e as especificidades de funcionamento. Certamente se interessará por uma das opções populares que são amplamente utilizadas no mundo, mas ainda pouco procuradas por aqui.

Na análise apresentada a você, são examinadas as características estruturais dos sistemas e descritos detalhadamente os esquemas de ligação. É dado um exemplo de cálculo do circuito de aquecimento solar para avaliar a realidade da sua instalação. Para ajudar os mestres autônomos, são anexadas seleções de fotos e vídeos.

Tecnologias “verdes” para obtenção de calor

Em média, 1 m² da superfície terrestre recebe 161 W de energia solar por hora. Naturalmente, no equador esse índice será muitas vezes maior do que no Ártico. Além disso, a densidade da radiação solar depende da estação do ano.

Na região de Moscou, a intensidade da radiação solar em dezembro-janeiro difere da de maio-julho em mais de cinco vezes. No entanto, os sistemas modernos são tão eficientes que são capazes de funcionar praticamente em qualquer lugar da Terra.

Os sistemas solares modernos são capazes de funcionar eficientemente em tempo nublado e frio até -30°C

A tarefa de utilizar a energia da radiação solar com máxima eficiência é resolvida de duas maneiras: aquecimento direto em coletores térmicos e painéis solares fotovoltaicos. Os painéis solares primeiro convertem a energia dos raios solares em eletricidade, depois transmitem através de um sistema especial para os consumidores, por exemplo, uma caldeira elétrica.

Os coletores térmicos, ao aquecerem sob a ação dos raios solares, aquecem o fluido térmico dos sistemas de aquecimento e de água quente.

Os coletores térmicos são de vários tipos, incluindo sistemas abertos e fechados, construções planas e esféricas, coletores concentradores hemisféricos e muitas outras variantes. A energia térmica obtida dos coletores solares é usada para aquecer água quente ou o fluido térmico do sistema de aquecimento.

A indústria produz uma ampla variedade de sistemas de coletores para inclusão em uma rede de aquecimento independente. No entanto, a opção mais simples para uma casa de campo pode ser feita manualmente:

Apesar do claro progresso no desenvolvimento de soluções para coleta, armazenamento e uso da energia solar, existem vantagens e desvantagens.

Uso eficiente da energia solar

A vantagem mais óbvia do uso da energia solar é sua acessibilidade universal. Na verdade, mesmo no tempo mais nublado e chuvoso, a energia solar pode ser coletada e utilizada.

A segunda vantagem – são as emissões zero. Basicamente, é a forma de energia mais ecológica e natural. Painéis solares e coletores não produzem ruído. Na maioria dos casos, são instalados nos telhados dos edifícios, sem ocupar área útil do terreno suburbano.

A eficiência do aquecimento solar em nossas latitudes é bastante baixa, o que se explica pelo número insuficiente de dias ensolarados para o funcionamento regular do sistema (+)

As desvantagens relacionadas ao uso da energia solar residem na inconstância da iluminação. No período noturno, não há o que coletar, e a situação se agrava pelo fato de o pico da estação de aquecimento coincidir com os dias mais curtos do ano. É necessário monitorar a limpeza óptica dos painéis, pois uma pequena sujeira reduz drasticamente a eficiência.

Além disso, não se pode dizer que a operação do sistema de energia solar seja totalmente gratuita; existem custos contínuos com a depreciação do equipamento, o funcionamento da bomba de circulação e da eletrônica de controle.

Uma desvantagem significativa do aquecimento baseado no uso de coletores solares é a falta de capacidade de armazenar energia térmica. O sistema inclui apenas um tanque de expansão (+)

Coletores solares abertos

O coletor solar aberto é um sistema de tubos não protegido contra influências externas, pelos quais circula o fluido térmico aquecido diretamente pelo sol.

Como fluido térmico, utiliza-se água, gás, ar, anticongelante. Os tubos são fixados em um painel de suporte em forma de serpentina ou conectados em fileiras paralelas ao tubo de saída.

Os coletores solares do tipo aberto não são capazes de lidar com o aquecimento de uma casa particular. Devido à falta de isolamento, o fluido térmico esfria rapidamente. Eles são usados no verão principalmente para aquecer água em chuveiros ou piscinas.

Os coletores abertos geralmente não possuem isolamento. A estrutura é muito simples, portanto tem baixo custo e muitas vezes é feita por conta própria.

Devido à falta de isolamento, praticamente não retêm a energia recebida do sol, apresentando baixa eficiência. Eles são usados principalmente no verão para aquecer água em piscinas ou chuveiros de verão.

São instalados em regiões ensolaradas e quentes, com pequenas variações de temperatura do ar ambiente e da água aquecida. Funcionam bem apenas em dias ensolarados e sem vento.

O coletor solar mais simples, com um receptor de calor feito de um rolo de tubos poliméricos, fornecerá água aquecida na casa de campo para irrigação e necessidades domésticas.

Variedades de coletores tubulares

Coletores solares tubulares são montados a partir de tubos individuais, por onde circula água, gás ou vapor. Este é um dos tipos de sistemas solares de circuito aberto. No entanto, o fluido de transferência de calor já está muito melhor protegido contra influências externas. Especialmente em sistemas a vácuo, construídos com o princípio de garrafas térmicas.

Cada tubo é conectado ao sistema separadamente, em paralelo uns aos outros. Se um tubo falhar, é fácil substituí-lo por um novo. Toda a estrutura pode ser montada diretamente no telhado do edifício, o que facilita bastante a instalação.

O coletor tubular possui estrutura modular. O principal elemento é o tubo a vácuo; a quantidade de tubos varia de 18 a 30, o que permite selecionar com precisão a potência do sistema.

Uma grande vantagem dos coletores solares tubulares é a forma cilíndrica dos elementos principais, que permite capturar a radiação solar durante todo o dia sem a necessidade de sistemas caros de rastreamento do movimento do sol.

Um revestimento multicamada especial cria uma espécie de armadilha óptica para os raios solares. No diagrama, a parede externa do bulbo a vácuo é parcialmente mostrada, refletindo os raios nas paredes do bulbo interno (+)

Quanto à construção dos tubos, distinguem-se coletores solares de pena e coaxiais.

O tubo coaxial é um vaso Dewar ou uma garrafa térmica familiar a todos. É feito de dois bulbos entre os quais o ar foi removido. Na superfície interna do bulbo interno é aplicado um revestimento altamente seletivo que absorve eficientemente a energia solar.

Com a forma cilíndrica do tubo, os raios solares sempre incidem perpendicularmente à superfície.

A energia térmica da camada seletiva interna é transferida para o tubo de calor ou para o trocador de calor interno feito de placas de alumínio. Nesta etapa, ocorrem perdas de calor indesejadas.

O tubo tipo pena é um cilindro de vidro com um absorvedor de pena inserido no interior.

O sistema recebeu esse nome do absorvedor tipo pena, que envolve firmemente o canal térmico feito de metal condutor de calor.

Para um bom isolamento térmico, o ar é removido do tubo. A transferência de calor do absorvedor ocorre sem perdas, portanto a eficiência dos tubos tipo pena é maior.

Quanto ao método de transferência de calor, existem dois sistemas: de fluxo direto e com tubo de calor (heat pipe). O tubo de calor é um recipiente selado com um líquido de fácil evaporação.

Como o líquido de fácil evaporação flui naturalmente para o fundo do tubo térmico, o ângulo mínimo de inclinação é de 20°C.

Dentro do tubo térmico há um líquido facilmente evaporável que absorve o calor da parede interna do bulbo ou do absorvedor de aletas. Sob a ação da temperatura, o líquido ferve e sobe na forma de vapor. Depois que o calor é transferido para o fluido de aquecimento ou para o fornecimento de água quente, o vapor se condensa em líquido e escorre para baixo.

Como líquido facilmente evaporável, frequentemente é usada água sob baixa pressão. No sistema de fluxo direto, utiliza-se um tubo em forma de U, através do qual circula água ou fluido de aquecimento do sistema de aquecimento.

Uma metade do tubo em U é destinada ao fluido frio, a outra conduz o fluido aquecido. Com o aquecimento, o fluido se expande e entra no tanque de armazenamento, garantindo a circulação natural. Assim como nos sistemas com tubo térmico, o ângulo mínimo de inclinação deve ser de pelo menos 20⁰.

Com a conexão de fluxo direto, a pressão no sistema não pode ser alta, pois dentro do bulbo há vácuo técnico.

Os sistemas de fluxo direto são mais eficientes, pois aquecem imediatamente o fluido de transferência. Se os sistemas de coletores solares forem planejados para uso durante todo o ano, são injetados anticongelantes especiais.

A aplicação de coletores solares tubulares apresenta uma série de vantagens e desvantagens. A construção do coletor solar tubular é composta por elementos idênticos, que são relativamente fáceis de substituir.

Vantagens:

• baixas perdas de calor;
• capacidade de trabalhar a temperaturas de até -30⁰C;
• desempenho eficiente durante todo o dia de luz;
• bom funcionamento em regiões de clima temperado e frio;
• baixa resistência ao vento, devido à capacidade dos sistemas tubulares de permitir a passagem de massas de ar;
• possibilidade de produzir alta temperatura do fluido de transferência.

Estruturalmente, a construção tubular tem uma superfície de abertura limitada.

Possui as seguintes desvantagens:

• não é capaz de autolimpeza de neve, gelo, geada;
• alto custo.

Apesar do alto custo inicial, os coletores tubulares se pagam mais rapidamente. Têm uma longa vida útil.

Os coletores tubulares são do tipo heliotérmico aberto, portanto não são adequados para uso durante todo o ano em sistemas de aquecimento (+)

Sistemas planos fechados

O coletor plano consiste em uma estrutura de alumínio, uma camada absorvente especial – o absorvedor, uma cobertura transparente, tubulação e isolamento.

Como absorvedor, utiliza-se cobre folheado enegrecido, que possui condutividade térmica ideal para a criação de sistemas solares. Ao absorver a energia solar, o absorvedor transfere a energia recebida para o fluido de transferência de calor que circula pelo sistema de tubos adjacente ao absorvedor.

Do lado externo, o painel fechado é protegido por uma cobertura transparente. Ela é feita de vidro temperado resistente a impactos, com uma faixa de transmissão de 0,4-1,8 µm. Essa faixa corresponde ao máximo da radiação solar. O vidro resistente a impactos oferece boa proteção contra granizo. Na parte traseira, todo o painel é bem isolado termicamente.

Os coletores solares planos se destacam pela máxima produtividade e construção simples. Sua eficiência é aumentada pelo uso do absorvedor. Eles são capazes de captar radiação solar difusa e direta.

Na lista de vantagens dos painéis planos fechados estão:

• simplicidade da construção;
• boa produtividade em regiões de clima quente;
• possibilidade de instalação em qualquer ângulo com dispositivos para alterar a inclinação;
• capacidade de autolimpeza de neve e geada;
• baixo preço.

Os coletores solares planos são especialmente vantajosos se seu uso for planejado ainda na fase de projeto. A vida útil de produtos de qualidade é de 50 anos.

Entre as desvantagens, podemos citar:

• altas perdas de calor;
• grande peso;
• alta resistência ao vento quando os painéis estão inclinados em relação ao horizonte;
• limitações na produtividade com diferenças de temperatura superiores a 40°C.

O escopo de aplicação dos coletores fechados é muito mais amplo do que o das instalações solares de tipo aberto. No verão, eles podem atender completamente à demanda por água quente. Em dias frios, que não são incluídos pelas concessionárias no período de aquecimento, eles podem funcionar em vez de aquecedores a gás e elétricos.

Para quem deseja construir um coletor solar com as próprias mãos para montar um sistema de aquecimento em uma casa de campo, sugerimos conferir os esquemas comprovados na prática e instruções passo a passo de montagem.

Comparação das características dos coletores solares

O indicador mais importante de um coletor solar é a eficiência. A produtividade útil de diferentes tipos de coletores solares depende da diferença de temperatura. Além disso, os coletores planos são significativamente mais baratos que os tubulares.

Os valores de eficiência dependem da qualidade de fabricação do coletor solar. O objetivo do gráfico é mostrar a eficácia de diferentes sistemas dependendo da diferença de temperatura.

Ao escolher um coletor solar, é importante observar uma série de parâmetros que indicam a eficiência e a potência do dispositivo.

Para coletores solares, existem várias características importantes:

• coeficiente de absorção – mostra a relação entre a energia absorvida e a energia total;
• coeficiente de emissão – mostra a relação entre a energia transferida e a energia absorvida;
• área total e área de abertura;
• eficiência.

A área de abertura é a área útil do coletor solar. Em um coletor plano, a área de abertura é máxima. A área de abertura é igual à área do absorvedor.

Formas de conexão ao sistema de aquecimento

Como os dispositivos de energia solar não podem fornecer um suprimento estável e contínuo de energia, é necessário um sistema resistente a essas deficiências.

Para a região central da Rússia, os dispositivos solares não podem garantir um fluxo estável de energia, por isso são usados como sistema auxiliar. A integração em um sistema existente de aquecimento e água quente sanitária difere para o coletor solar e o painel solar.

Esquema com coletor solar de água

Dependendo dos objetivos do uso do coletor térmico, diferentes sistemas de conexão são aplicados. Pode haver várias opções:

1. Opção de verão para água quente sanitária
2. Opção de inverno para aquecimento e água quente sanitária

A opção de verão é a mais simples e pode funcionar até mesmo sem bomba de circulação, utilizando a circulação natural da água.

A água é aquecida no coletor solar e, devido à expansão térmica, flui para o tanque acumulador ou boiler. Ocorre então a circulação natural: a água fria do tanque é sugada para o lugar da água quente.

No inverno, com temperaturas negativas, o aquecimento direto da água não é possível. Um anticongelante especial circula em um circuito fechado, garantindo a transferência de calor do coletor para o trocador de calor no tanque.

Como qualquer sistema baseado em circulação natural, ele não funciona de forma muito eficiente, exigindo a observância das inclinações necessárias. Além disso, o tanque acumulador deve estar acima do coletor solar. Para que a água permaneça quente o máximo possível, o tanque deve ser bem isolado.

Se você realmente deseja obter o funcionamento mais eficiente do coletor solar, o esquema de conexão se torna mais complexo.

Para que o coletor não se transforme em um radiador de resfriamento à noite, é necessário interromper a circulação da água de forma forçada.

Pelo sistema do coletor solar circula um fluido térmico anticongelante. A circulação forçada é fornecida por uma bomba controlada por um controlador.

O controlador gerencia o funcionamento da bomba de circulação com base nas leituras de pelo menos dois sensores de temperatura. O primeiro sensor mede a temperatura no tanque de armazenamento, o segundo – no tubo de alimentação do fluido térmico quente do coletor solar.

Assim que a temperatura no tanque exceder a temperatura do fluido térmico, no coletor o controlador desliga a bomba de circulação, interrompendo a circulação do fluido térmico pelo sistema. Por sua vez, quando a temperatura no tanque de armazenamento cai abaixo do valor definido, a caldeira de aquecimento é ligada.

Uma novidade e alternativa eficaz aos coletores solares com fluido térmico são os sistemas com tubos a vácuo, cujo princípio de funcionamento e estrutura convidamos você a conhecer.

Esquema com painel solar

Seria tentador aplicar um esquema de conexão de painel solar semelhante à rede elétrica, como é feito no caso do coletor solar, acumulando a energia recebida durante o dia. Infelizmente, para o sistema de fornecimento de energia de uma casa particular, criar um bloco de baterias com capacidade suficiente é muito caro. Portanto, o esquema de conexão é o seguinte.

Quando a potência da corrente elétrica do painel solar diminui, o bloco ATS (chave de transferência automática) garante a conexão dos consumidores à rede elétrica geral.

Das placas solares, a carga vai para o controlador de carga, que desempenha várias funções: garante a recarga constante das baterias e estabiliza a tensão. Em seguida, a corrente elétrica vai para o inversor, onde ocorre a conversão de corrente contínua de 12V ou 24V em corrente alternada monofásica de 220V.

Infelizmente, nossas redes elétricas não estão adaptadas para receber energia, podem funcionar apenas em uma direção, da fonte ao consumidor. Por esse motivo, você não poderá vender a eletricidade gerada ou pelo menos fazer o medidor girar no sentido contrário.

O uso de painéis solares é vantajoso porque eles fornecem um tipo de energia mais universal, mas não podem ser comparados em eficiência com os coletores solares. No entanto, estes últimos não têm a capacidade de armazenar energia, ao contrário dos painéis solares fotovoltaicos.

Exemplo de cálculo da potência necessária

Ao calcular a potência necessária de um coletor solar, frequentemente se cometem erros ao fazer cálculos baseados na energia solar recebida nos meses mais frios do ano.

O fato é que, nos outros meses do ano, todo o sistema estará constantemente superaquecendo. A temperatura do fluido de transferência de calor na saída do coletor solar pode atingir 200°C no aquecimento de vapor ou gás, 120°C de anticongelante, 150°C de água. Se o fluido de transferência de calor ferver, ele evaporará parcialmente. Como resultado, ele terá que ser substituído.

Os fabricantes recomendam basear-se nos seguintes números:

• fornecimento de água quente sanitária não mais que 70%;
• fornecimento do sistema de aquecimento não mais que 30%.

O restante do calor necessário deve ser gerado por equipamentos de aquecimento padrão. No entanto, com esses indicadores, economiza-se em média cerca de 40% ao ano em aquecimento e água quente.

A potência gerada por um tubo de sistema de vácuo depende da localização geográfica. O indicador de energia solar incidente por ano em 1 m² de solo é chamado de insolação.

Conhecendo o comprimento e o diâmetro do tubo, pode-se calcular a abertura – a área efetiva de absorção. Resta aplicar os coeficientes de absorção e emissão para calcular a potência de um tubo por ano.

Exemplo de cálculo:

O comprimento padrão do tubo é 1800 mm, o efetivo é 1600 mm. Diâmetro 58 mm. A abertura é a área sombreada criada pelo tubo. Assim, a área do retângulo de sombra será:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

A eficiência de um tubo médio é de 80%, a insolação solar para Moscou é de cerca de 1170 kWh/m² por ano. Assim, um tubo produzirá por ano:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh

É importante notar que este é um cálculo muito aproximado. A quantidade de energia gerada depende da orientação da instalação, do ângulo, da temperatura média anual, etc.

Com todos os tipos de fontes alternativas de energia e as formas de utilizá-las, você poderá se familiarizar no artigo apresentado.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Vídeo #1. Demonstração do funcionamento de um coletor solar no inverno:

Vídeo #2. Comparação de diferentes modelos de coletores solares:

Ao longo de toda a sua existência, a humanidade consome cada vez mais energia a cada ano. Tentativas de usar a radiação solar gratuita foram feitas há muito tempo, mas só recentemente se tornou possível usar o sol de forma eficaz em nossas latitudes. Sem dúvida, o futuro pertence aos sistemas solares.

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