Energia solar como fonte alternativa de energia: tipos e características dos sistemas solares

Na última década, a energia solar como fonte alternativa de energia tem sido usada com cada vez mais frequência para aquecimento e fornecimento de água quente aos edifícios. O principal motivo é a busca por substituir os combustíveis tradicionais por recursos energéticos acessíveis, ecologicamente corretos e renováveis.

A conversão da energia solar em energia térmica ocorre nos sistemas heliotérmicos – a estrutura e o princípio de funcionamento do módulo determinam as especificidades de sua aplicação. Neste artigo, vamos analisar os tipos de coletores solares e seus princípios de funcionamento, além de apresentar modelos populares de módulos solares.

Viabilidade do uso do sistema heliotérmico

O heliossistema é um complexo para converter a energia radiante solar em energia térmica, que é posteriormente transmitida a um trocador de calor para aquecer o fluido térmico do sistema de aquecimento ou abastecimento de água.

A eficiência de uma instalação heliotérmica depende da insolação solar – quantidade de energia que incide durante um dia de luz sobre 1 m² de superfície posicionada a um ângulo de 90° em relação à direção dos raios solares. A unidade de medida desse indicador é kWh/m², e o valor do parâmetro varia conforme a estação.

O nível médio de insolação solar para a região de clima temperado continental é de 1000-1200 kWh/m² (por ano). A quantidade de sol é o parâmetro determinante para calcular o desempenho do heliossistema.

O uso de uma fonte de energia alternativa permite aquecer a casa e obter água quente sem custos energéticos tradicionais – exclusivamente por meio da radiação solar.

A instalação de um sistema de aquecimento solar térmico é uma despesa elevada. Para que os custos de capital se justifiquem, é necessário um cálculo preciso do sistema e o cumprimento da tecnologia de instalação.

Exemplo. O valor médio de insolação solar para Tula no meio do verão é de 4,67 kW/m²*dia, com a instalação do painel do sistema sob um ângulo de 50°. O rendimento de um coletor solar com área de 5 m² é calculado da seguinte forma: 4,67*4=18,68 kW de energia térmica por dia. Esse volume é suficiente para aquecer 500 litros de água de 17 °C a 45 °C.

Como mostra a prática, ao usar uma instalação solar, os proprietários da casa de campo podem, no período de verão, migrar completamente do aquecimento elétrico ou a gás de água para o método solar.

Falando sobre a viabilidade de implementar novas tecnologias, é importante considerar as características técnicas de cada coletor solar. Alguns começam a funcionar com 80 W/m² de energia solar, enquanto outros precisam de apenas 20 W/m².

Mesmo em um clima do sul, o uso de um sistema de coletor exclusivamente para aquecimento não se pagará. Se a instalação for usada apenas no inverno, com falta de sol, o custo do equipamento não será recuperado nem em 15-20 anos.

Para usar o complexo solar da forma mais eficiente possível, é necessário integrá-lo ao sistema de abastecimento de água quente. Mesmo no inverno, o coletor solar permitirá «reduzir» as contas de energia para aquecimento de água em até 40-50%.

De acordo com especialistas, no uso doméstico, o sistema solar se paga em aproximadamente 5 anos. Com o aumento dos preços da eletricidade e do gás, o período de retorno do complexo será reduzido.

Além do benefício econômico, o «aquecimento solar» tem vantagens adicionais:

1. Sustentabilidade. A emissão de dióxido de carbono é reduzida. Em um ano, 1 m² de coletor solar impede a liberação de 350-730 kg de resíduos na atmosfera.
2. Estética. O espaço de um banheiro ou cozinha compacta pode ser liberado de caldeiras volumosas ou aquecedores a gás.
3. Durabilidade. Os fabricantes garantem que, seguindo a tecnologia de instalação, o complexo durará cerca de 25-30 anos. Muitas empresas oferecem garantia de até 3 anos.

Argumentos contra o uso da energia solar: sazonalidade acentuada, dependência do clima e altos investimentos iniciais.

Estrutura geral e princípio de funcionamento

Vamos considerar a opção de um sistema solar com coletor como principal elemento de trabalho do sistema. A aparência do dispositivo lembra uma caixa metálica, cuja face frontal é feita de vidro temperado. Dentro da caixa está o órgão de trabalho – uma serpentina com absorvedor.

O bloco de absorção térmica aquece o fluido de transferência de calor – o líquido circulante – e transfere o calor gerado para o circuito de abastecimento de água.

Componentes principais do sistema solar: 1 – campo de coletores, 2 – purga de ar, 3 – estação de distribuição, 4 – tanque de alívio de pressão excessiva, 5 – controlador, 6 – tanque de aquecimento de água, 7,8 – resistência elétrica e trocador de calor, 9 – válvula termostática de mistura, 10 – saída de água quente, 11 – entrada de água fria, 12 – dreno, T1/T2 – sensores de temperatura

O coletor solar deve funcionar em conjunto com um tanque de armazenamento. Como o fluido de transferência de calor é aquecido a temperaturas de 90-130°C, ele não pode ser fornecido diretamente para as torneiras de água quente ou radiadores de aquecimento. O fluido de transferência de calor entra no trocador de calor do boiler. O tanque de armazenamento é frequentemente complementado por um aquecedor elétrico.

Esquema de funcionamento:

1. O sol aquece a superfície do coletor.
2. A radiação térmica é transferida para o elemento absorvedor (absorvedor), que contém o fluido de trabalho.
3. O fluido de transferência de calor que circula pelos tubos da serpentina é aquecido.
4. O equipamento de bombeamento, a unidade de controle e monitoramento garantem a condução do fluido de transferência de calor através da tubulação até a serpentina do tanque de armazenamento.
5. O calor é transferido para a água no boiler.
6. O fluido de transferência de calor resfriado retorna ao coletor e o ciclo se repete.

A água aquecida do aquecedor de água é fornecida ao circuito de aquecimento ou aos pontos de consumo de água.

Ao configurar um sistema de aquecimento ou fornecimento de água quente durante todo o ano, o sistema é equipado com uma fonte de aquecimento adicional (caldeira, resistência elétrica). Esta é uma condição necessária para manter a temperatura definida.

Painéis solares na construção de casas particulares são mais frequentemente usados como fonte de energia elétrica de reserva:

Tipos de coletores solares

Independentemente da finalidade, o sistema heliotérmico é equipado com um coletor solar plano ou tubular esférico. Cada uma das opções possui uma série de características distintas em termos de especificações técnicas e eficiência operacional.

A vácuo – para climas frios e temperados

Estruturalmente, o coletor solar a vácuo lembra uma garrafa térmica – tubos estreitos com fluido térmico são colocados em ampolas de maior diâmetro. Entre os recipientes, forma-se uma camada de vácuo responsável pelo isolamento térmico (retenção de calor – até 95%). A forma tubular é a mais ideal para manter o vácuo e 'capturar' os raios solares.

Elementos básicos de uma instalação heliotérmica tubular: estrutura de suporte, corpo do trocador de calor, tubos de vidro a vácuo tratados com revestimento altamente seletivo para 'absorção' intensiva da energia solar

O tubo interno (térmico) é preenchido com uma solução salina de baixo ponto de ebulição (24-25 °C). Quando aquecida, o líquido evapora – os vapores sobem para o topo da ampola e aquecem o fluido térmico que circula no corpo do coletor.

Durante a condensação, as gotas de água escorrem para a ponta do tubo e o processo se repete.

Graças à presença da camada de vácuo, o líquido dentro da ampola térmica pode ferver e evaporar em temperaturas externas negativas (até -35 °C).

As características dos módulos solares dependem dos seguintes critérios:

• construção do tubo – de aleta, coaxial;
• dispositivo do canal térmico – «Heat pipe», circulação de fluxo direto.

Ampola de aleta – tubo de vidro que contém um absorvedor em placa e um canal térmico. A camada de vácuo percorre todo o comprimento do canal térmico.

Tubo coaxial – ampola dupla com uma 'inserção' de vácuo entre as paredes dos dois reservatórios. A transferência de calor é feita a partir da superfície interna do tubo. A ponta do tubo térmico é equipada com um indicador de vácuo.

A eficiência dos tubos de aleta (1) é maior em comparação com os modelos coaxiais (2). No entanto, os primeiros são mais caros e mais difíceis de instalar. Além disso, em caso de quebra, a ampola de aleta terá que ser substituída por completo.

Canal «Heat pipe» – a opção mais comum de transferência de calor em coletores solares.

O mecanismo de ação baseia-se na colocação de um líquido de fácil evaporação em tubos metálicos selados.

A popularidade do «Heat pipe» se deve ao custo acessível, à simplicidade de manutenção e à facilidade de reparo. Devido à complexidade do processo de troca de calor, o nível máximo de eficiência é de 65%.

Canal de fluxo direto – através do bulbo de vidro passam tubos metálicos paralelos, conectados em um arco em forma de U.

O fluido térmico, ao fluir pelo canal, é aquecido e direcionado ao corpo do coletor.

Variantes de construções do helicoletor a vácuo: 1 – modificação com tubo central de aquecimento «Heat pipe», 2 – sistema solar com circulação direta do fluido térmico.

Tubos coaxiais e tipo pena podem ser combinados de diferentes maneiras com os canais térmicos.

Variante 1. Bulbo coaxial com «Heat pipe» – a solução mais popular. No coletor, ocorre múltipla transferência de calor das paredes do tubo de vidro para o bulbo interno e, em seguida, para o fluido térmico. O rendimento óptico atinge 65%.

Esquema de construção do tubo coaxial «Heat pipe»: 1 – envoltório de vidro, 2 – revestimento seletivo, 3 – aletas metálicas, 4 – vácuo, 5 – bulbo térmico com substância de fácil ebulição, 6 – tubo interno de vidro.

Variante 2. O bulbo coaxial com circulação direta é conhecido como coletor em forma de U. Devido à construção, as perdas de calor são reduzidas – a energia térmica do alumínio é transferida para os tubos com o fluido térmico circulante.

Além do alto rendimento (até 75%), o modelo apresenta desvantagens:

• complexidade de instalação – os bulbos são integrados ao corpo de dois tubos do coletor (manifold) e são instalados como uma peça única;
• substituição de tubos individuais é impossível.

Além disso, o conjunto em forma de U é exigente quanto ao fluido térmico e mais caro que os modelos «Heat pipe».

Construção do helicoletor em forma de U: 1 – «cilindro» de vidro, 2 – revestimento absorvedor, 3 – «capa» de alumínio, 4 – bulbo com fluido térmico, 5 – vácuo, 6 – tubo interno de vidro.

Variante 3. Tubo tipo pena com princípio de funcionamento «Heat pipe». Características distintivas do coletor:

• altas características ópticas – rendimento em torno de 77%;
• o absorvedor plano transmite diretamente a energia térmica para o tubo com fluido térmico;
• devido ao uso de uma única camada de vidro, a reflexão da radiação solar é reduzida;

É possível substituir um elemento danificado sem drenar o fluido térmico do sistema solar.

Variante 4. Bulbo tipo pena de ação direta – a ferramenta mais eficiente para uso da energia solar como fonte alternativa para aquecimento de água ou aquecimento residencial. O coletor de alto desempenho opera com rendimento de 80%. Desvantagem do sistema – dificuldade de reparo.

Esquemas de dispositivos de coletores solares de aleta: 1 – sistema solar com canal 'Heat pipe', 2 – corpo de dois tubos do coletor solar com movimento direto do fluido térmico.

Independentemente do tipo de construção, os coletores tubulares possuem as seguintes vantagens:

• funcionamento em baixa temperatura;
• baixas perdas térmicas;
• longa duração de funcionamento durante o dia;
• capacidade de aquecer o fluido térmico a altas temperaturas;
• baixa resistência ao vento;
• facilidade de instalação.

A principal desvantagem dos modelos a vácuo é a impossibilidade de autolimpeza da cobertura de neve. A camada de vácuo não permite a passagem de calor para fora, então a camada de neve não derrete e bloqueia o acesso do sol ao campo do coletor. Desvantagens adicionais: alto preço e necessidade de manter o ângulo de inclinação dos tubos de trabalho de pelo menos 20°.

Equipamentos solares coletores que aquecem o fluido térmico de ar podem ser usados na preparação de água quente, se estiverem equipados com um tanque de armazenamento:

Leia mais sobre o princípio de funcionamento do coletor solar a vácuo com tubos.

De água – opção ideal para latitudes do sul

O coletor solar plano (painel) – uma placa retangular de alumínio coberta por uma tampa de plástico ou vidro. Dentro da caixa estão o campo de absorção, a serpentina metálica e uma camada de isolamento térmico. A área do coletor é preenchida por um duto de fluxo, por onde circula o fluido térmico.

Componentes básicos do coletor solar plano: caixa, absorvedor, cobertura protetora, camada de isolamento térmico e fixadores. Na montagem, utiliza-se vidro fosco com índice de transmissão na faixa espectral de 0,4-1,8 μm.

A absorção térmica do revestimento absorvente altamente seletivo atinge 90%. O duto metálico de fluxo está localizado entre o 'absorvedor' e o isolamento térmico. São usados dois padrões de colocação dos tubos: 'harpa' e 'meandro'.

O processo de montagem de coletores solares que aquecem o fluido térmico inclui várias etapas tradicionais:

Se o circuito de aquecimento for complementado com uma linha que fornece água sanitária para o AQS (Água Quente Sanitária), faz sentido conectar um acumulador térmico ao coletor solar. A opção mais simples seria um tanque de capacidade adequada com isolamento térmico capaz de manter a temperatura da água aquecida. Ele deve ser instalado em uma plataforma elevada:

O coletor tubular com líquido refrigerante atua como um efeito 'estufa' – os raios solares penetram através do vidro e aquecem a tubulação. Graças à vedação e ao isolamento térmico, o calor é retido dentro do painel.

A resistência do módulo solar é determinada em grande parte pelo material da tampa de proteção:

• vidro comum – o revestimento mais barato e frágil;
• vidro temperado – alto grau de dispersão de luz e resistência aprimorada;
• vidro antirreflexo – caracteriza-se pela máxima capacidade de absorção (95%) devido à presença de uma camada que elimina a reflexão dos raios solares;
• vidro autolimpante (polar) com dióxido de titânio – as impurezas orgânicas queimam ao sol, e os resíduos são lavados pela chuva.

O vidro de policarbonato é o que melhor resiste a impactos. Este material é instalado em modelos caros.

Reflexão dos raios solares e capacidade de absorção: 1 – revestimento antirreflexo, 2 – vidro temperado resistente a impactos. A espessura ideal do invólucro externo de proteção é de 4 mm

Características operacionais e funcionais dos sistemas solares de painel:

• em sistemas de circulação forçada, há uma função de degelo que permite remover rapidamente a cobertura de neve no campo solar;
• o vidro prismático capta uma ampla gama de raios em diferentes ângulos – no período de verão, a eficiência do sistema atinge 78-80%;
• o coletor não tem medo de superaquecimento – em caso de excesso de energia térmica, é possível o resfriamento forçado do líquido refrigerante;
• maior resistência a impactos em comparação com os modelos tubulares;
• possibilidade de instalação em qualquer ângulo;
• política de preços acessível.

Os sistemas não são isentos de desvantagens. Em períodos de deficiência de radiação solar, à medida que a diferença de temperatura aumenta, a eficiência do coletor solar plano cai significativamente devido ao isolamento térmico insuficiente. Portanto, o módulo de painel se justifica no verão ou em regiões de clima quente.

Sistemas heliotérmicos: particularidades de estrutura e operação

A diversidade de sistemas solares pode ser classificada de acordo com os seguintes parâmetros: método de uso da radiação solar, modo de circulação do líquido refrigerante, número de circuitos e sazonalidade de operação.

Complexo ativo e passivo

Em qualquer sistema solar de conversão de energia, há um receptor solar. Com base na forma de uso do calor obtido, distinguem-se dois tipos de complexos solares: passivos e ativos.

A primeira variedade é o sistema de aquecimento solar, onde os elementos estruturais do edifício atuam como elemento de absorção de calor da radiação solar. A superfície de recepção solar é composta pelo telhado, parede-coletor ou janelas.

Esquema de um sistema solar passivo de baixa temperatura com parede-coletor: 1 – raios solares, 2 – tela semitransparente, 3 – barreira de ar, 4 – ar aquecido, 5 – fluxos de ar exaurido, 6 – radiação térmica da parede, 7 – superfície absorvente de calor da parede-coletor, 8 – persianas decorativas

Nos países europeus, tecnologias passivas são utilizadas na construção de edifícios energeticamente eficientes. As superfícies receptoras solares são decoradas como janelas falsas. Atrás da cobertura de vidro, há uma parede de tijolos escurecida com aberturas para luz.

Como acumuladores de calor atuam os elementos da edificação – paredes e lajes, isolados externamente com poliestireno.

Sistemas ativos implicam o uso de dispositivos independentes que não fazem parte da edificação.

Nesta categoria se incluem os sistemas mencionados acima com coletores tubulares e planos – instalações solares térmicas, geralmente localizadas no telhado do edifício.

Sistemas termossifão e de circulação

Equipamento solar térmico com movimento natural do fluido de transferência de calor no circuito coletor-acumulador-coletor ocorre por convecção – o líquido quente, com baixa densidade, sobe, e o resfriado desce.

Em sistemas termossifão, o tanque de armazenamento é colocado acima do coletor, garantindo a circulação espontânea do fluido de transferência de calor.

O esquema de operação é característico de sistemas sazonais de circuito único. Não é recomendado usar o sistema termossifão para coletores com área superior a 12 m².

Sistema solar não pressurizado tem uma ampla lista de desvantagens:

• em dias nublados, o desempenho do sistema cai – é necessária uma grande diferença de temperatura para o movimento do fluido de transferência de calor;
• perdas térmicas devido ao movimento lento do líquido;
• risco de superaquecimento do tanque devido à falta de controle do processo de aquecimento;
• instabilidade de funcionamento do coletor;
• dificuldade de posicionamento do tanque acumulador – quando instalado no telhado, aumentam as perdas térmicas, aceleram-se os processos de corrosão e surge o risco de congelamento dos tubos.

Vantagens do sistema 'gravitacional': simplicidade de construção e acessibilidade de preço.

Os custos de capital para a instalação de um sistema solar de circulação (forçada) são significativamente maiores do que a instalação de um sistema não pressurizado. Uma bomba é inserida no circuito, garantindo o movimento do fluido de transferência de calor. O funcionamento da estação de bombeamento é controlado por um controlador.

A potência térmica adicional gerada no sistema forçado excede a potência consumida pelo equipamento de bombeamento. A eficiência do sistema aumenta em um terço.

Esse método de circulação é utilizado em instalações solares térmicas de dois circuitos durante todo o ano.

Vantagens do sistema completo:

• escolha ilimitada da localização do tanque acumulador;
• funcionamento fora de temporada;
• seleção do modo de aquecimento ideal;
• segurança – bloqueio do funcionamento em caso de superaquecimento.

Desvantagem do sistema – dependência de energia elétrica.

Solução técnica dos esquemas: de circuito único e duplo

Em instalações de circuito único, circula um líquido que posteriormente é fornecido aos pontos de captação de água. No inverno, a água do sistema deve ser drenada para evitar congelamento e rachaduras nos tubos.

Características dos complexos heliotérmicos de circuito único:

• recomendado o «abastecimento» do sistema com água purificada e não dura – a deposição de sais nas paredes dos tubos leva ao entupimento dos canais e à quebra do coletor;
• corrosão devido ao excesso de ar na água;
• vida útil limitada – entre quatro e cinco anos;
• alto rendimento no verão.

Em complexos heliotérmicos de dois circuitos, circula um fluido térmico especial (líquido anticongelante com aditivos antiespumantes e anticorrosivos), que transfere calor para a água através de um trocador de calor.

Esquemas de configuração do sistema heliotérmico de circuito único (1) e de dois circuitos (2). A segunda opção se destaca pela maior confiabilidade, possibilidade de operação no inverno e longa vida útil (20-50 anos)

Detalhes da operação do módulo de dois circuitos: leve redução no rendimento (3-5% menor que no sistema de circuito único), necessidade de substituição total do fluido térmico a cada 7 anos.

Condições para o funcionamento e aumento da eficiência

É melhor confiar o cálculo e a instalação do sistema heliotérmico a profissionais. A observância da técnica de instalação garantirá a operacionalidade e a obtenção do desempenho declarado. Para melhorar a eficiência e a vida útil, é necessário considerar alguns detalhes.

Válvula termostática. Nos sistemas tradicionais de aquecimento, o elemento termostático raramente é instalado, pois o gerador de calor é responsável pela regulação da temperatura. No entanto, ao projetar um sistema heliotérmico, não se pode esquecer da válvula de proteção.

O aquecimento do tanque até a temperatura máxima permitida aumenta o rendimento do coletor e permite aproveitar o calor solar mesmo em dias nublados

O posicionamento ideal da válvula é a 60 cm do aquecedor. Quando colocada muito próxima, o «termostato» aquece e bloqueia o fornecimento de água quente.

Posicionamento do tanque acumulador. O reservatório tampão de AQS (água quente sanitária) deve ser instalado em um local acessível. Ao posicioná-lo em um ambiente compacto, atenção especial deve ser dada à altura do teto.

Espaço livre mínimo acima do tanque – 60 cm. Este espaço é necessário para manutenção do tanque de armazenamento e substituição do ânodo de magnésio.

Instalação do tanque de expansão. O elemento compensa a expansão térmica durante o período de estagnação. A instalação do tanque acima do equipamento de bombeamento provocará superaquecimento da membrana e seu desgaste prematuro.

O local ideal para o tanque de expansão é abaixo do grupo de bombeamento. A exposição à temperatura com essa instalação é significativamente reduzida, e a membrana mantém a elasticidade por mais tempo.

Conexão do circuito solar. Ao conectar os tubos, recomenda-se organizar um loop. O 'termoloop' reduz as perdas de calor, impedindo a saída do fluido aquecido.

A variante tecnicamente correta da implementação do 'loop' do circuito solar. A negligência do requisito resulta em uma diminuição da temperatura no tanque de armazenamento de 1-2°C durante a noite.

Válvula de retenção. Evita a 'inversão' da circulação do fluido de transferência de calor. Com falta de atividade solar, a válvula de retenção não permite que o calor acumulado durante o dia se dissipe.

Modelos populares de módulos “solares”

Os sistemas solares de empresas nacionais e estrangeiras são populares. Os produtos dos seguintes fabricantes conquistaram boa reputação: NPO Mashinostroeniya (Rússia), Gelion (Rússia), Ariston (Itália), Alten (Ucrânia), Viessman (Alemanha), Amcor (Israel), entre outros.

Sistema solar 'Sokol'. Coletor solar plano equipado com revestimento óptico multicamadas com deposição magnetrônica. A capacidade mínima de emissão e alto nível de absorção garantem eficiência de até 80%.

Características operacionais:

• temperatura de trabalho – até -21 °C;
• emissão reversa de calor – 3-5%;
• camada superior – vidro temperado (4 mm).

Coletor SVK-A (Alten). Instalação solar a vácuo com área de absorção de 0,8-2,41 m² (dependendo do modelo). Fluido de transferência de calor – propilenoglicol, o isolamento térmico de 75 mm do trocador de calor de cobre minimiza as perdas de calor.

Parâmetros adicionais:

• corpo – alumínio anodizado;
• diâmetro do trocador de calor – 38 mm;
• isolamento – lã mineral com tratamento anti-higroscópico;
• revestimento – vidro borossilicato 3,3 mm;
• Eficiência – 98%.

Vitosol 100-F – coletor solar plano de montagem horizontal ou vertical. Absorvedor de cobre com serpentina tubular em forma de harpa e revestimento de titânio solar. Transmissão de luz – 81%.

Faixa de preços indicativa para sistemas solares: coletores solares planos – a partir de 400 u.e./m², coletores solares tubulares – 350 u.e./10 tubos de vácuo. Conjunto completo do sistema de circulação – a partir de 2500 u.e.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Princípio de funcionamento dos coletores solares e seus tipos:

Avaliação da funcionalidade do coletor plano em temperatura negativa:

Tecnologia de instalação do coletor solar panelado no exemplo do modelo Buderus:

A energia solar é uma fonte renovável de obtenção de calor. Considerando o aumento dos preços dos recursos energéticos tradicionais, a implementação de sistemas solares justifica os investimentos de capital e se paga nos próximos cinco anos, desde que a técnica de instalação seja seguida.

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