Como fazer um coletor solar para aquecimento por conta própria: guia passo a passo

O encarecimento das fontes de energia tradicionais leva os proprietários de casas particulares a procurar alternativas para aquecimento residencial e aquecimento de água. Concorde, o aspecto financeiro da questão não é o menos importante na escolha do sistema de aquecimento.

Uma das formas mais promissoras de fornecimento de energia – a conversão da radiação solar. Para isso, são utilizados sistemas solares. Compreendendo o princípio de seu funcionamento e o mecanismo de operação, fazer um coletor solar para aquecimento por conta própria não será uma tarefa difícil.

Vamos falar sobre as características construtivas dos sistemas solares, sugerir um esquema de montagem simples e descrever os materiais que podem ser utilizados. As etapas do trabalho são acompanhadas de fotografias ilustrativas, e o material é complementado com vídeos sobre a criação e colocação em funcionamento do coletor caseiro.

Princípio de funcionamento e características construtivas

Os sistemas solares modernos – um dos tipos de fontes alternativas de obtenção de calor. São utilizados como equipamento auxiliar de aquecimento, que converte a radiação solar em energia útil para os proprietários da casa.

Eles são capazes de garantir totalmente o abastecimento de água quente e o aquecimento na estação fria apenas nas regiões do sul. E mesmo assim, se ocuparem uma área suficientemente grande e estiverem instalados em locais abertos, não sombreados por árvores.

Apesar do grande número de variedades, o princípio de funcionamento é o mesmo. Qualquer sistema solar é um circuito com uma disposição sequencial de dispositivos que fornecem energia térmica e a transmitem ao consumidor.

Os principais elementos de trabalho são painéis solares fotovoltaicos ou coletores solares. A tecnologia de montagem de um gerador solar com placas fotovoltaicas é um pouco mais complexa do que a de um coletor tubular.

Neste artigo, consideraremos a segunda opção – o sistema solar de coletores.

Os coletores solares servem atualmente como fornecedores auxiliares de energia. Mudar completamente o aquecimento da casa para um sistema heliotérmico é perigoso devido à impossibilidade de prever a quantidade exata de dias ensolarados.

Os coletores consistem em um sistema de tubos conectados em série com a tubulação de saída e entrada, ou dispostos em forma de serpentina. Pelos tubos circula água técnica, fluxo de ar ou uma mistura de água com algum líquido anticongelante.

A circulação é estimulada por fenômenos físicos: evaporação, variação de pressão e densidade devido à transição de um estado de agregação para outro, etc.

O princípio de funcionamento dos coletores solares baseia-se na captação e armazenamento da energia solar, transmitida ao fluido térmico (+)

A coleta e o acúmulo de energia solar são feitos por absorvedores. Estes podem ser uma placa metálica contínua com superfície externa enegrecida, ou um sistema de placas individuais conectadas aos tubos.

Para a fabricação da parte superior do corpo, a tampa, são utilizados materiais com alta capacidade de transmissão de fluxo luminoso. Pode ser acrílico, materiais poliméricos semelhantes, tipos temperados de vidro tradicional.

Para evitar perdas de energia pela parte traseira do dispositivo, é colocada uma camada de isolamento térmico no compartimento.

É importante dizer que os materiais poliméricos suportam muito mal a influência dos raios ultravioleta. Todos os tipos de plástico têm um coeficiente de expansão térmica bastante elevado, o que muitas vezes leva à despressurização do corpo. Portanto, o uso de tais materiais para a fabricação do corpo do coletor deve ser limitado.

A água como fluido térmico só pode ser usada em sistemas destinados ao fornecimento de calor adicional no período outono/primavera. Se for planejado o uso durante todo o ano do sistema heliotérmico, antes da primeira queda de temperatura, a água técnica é substituída por uma mistura dela com anticongelante.

Em sistemas heliotérmicos a ar, o ar é usado como fluido térmico. Os canais para seu movimento podem ser feitos de chapa perfilada comum (+)

Se o coletor solar é instalado para aquecer uma pequena construção que não tem ligação com o aquecimento autônomo da casa ou com redes centralizadas, é construído um sistema de circuito único simples com um dispositivo de aquecimento no início.

Na cadeia não são incluídos bombas de circulação e dispositivos de aquecimento. O esquema é extremamente simples, mas só pode funcionar em verões ensolarados.

Ao incluir o coletor em uma instalação técnica de dois circuitos, tudo é muito mais complicado, mas a faixa de dias adequados para uso é significativamente ampliada. O coletor processa apenas um circuito. A carga predominante recai sobre a unidade de aquecimento principal, que funciona com eletricidade ou qualquer tipo de combustível.

Para fabricar um coletor solar, você pode usar um esquema pronto, ou construir seu próprio modelo piloto e testá-lo na prática (+)

Apesar da dependência direta do desempenho dos dispositivos solares em relação ao número de dias ensolarados, eles são procurados, e a demanda por dispositivos solares aumenta constantemente. Eles são populares entre os artesãos caseiros que se esforçam para direcionar todos os tipos de energia natural para um canal útil.

Classificação por critérios de temperatura

Existe um número bastante grande de critérios pelos quais várias construções de sistemas solares são classificadas. No entanto, para dispositivos que podem ser feitos com as próprias mãos e usados para aquecimento de água e aquecimento, a divisão mais racional é pelo tipo de fluido de transferência de calor.

Assim, os sistemas podem ser líquidos e a ar. O primeiro tipo é mais frequentemente aplicável.

Além disso, muitas vezes é usada a classificação por temperatura, até a qual os componentes de trabalho do coletor podem aquecer:

1. Baixa temperatura. Opções capazes de aquecer o fluido de transferência de calor até 50°C. São usadas para aquecer água em tanques de irrigação, em banheiras e chuveiros no verão e para melhorar as condições de conforto nas noites frias de primavera e outono.
2. Média temperatura. Fornecem uma temperatura do fluido de transferência de calor de 80°C. Podem ser usadas para aquecer ambientes. Essas opções são as mais adequadas para a montagem em casas particulares.
3. Alta temperatura. A temperatura do fluido de transferência de calor nessas instalações pode chegar a 200-300°C. São utilizadas em escala industrial, instaladas para aquecer galpões de produção, edifícios comerciais, etc.

Em sistemas solares de alta temperatura, utiliza-se um processo bastante complexo de transferência de energia térmica. Além disso, ocupam um espaço considerável, o que a maioria dos nossos amantes da vida no campo não pode permitir.

O processo de fabricação delas é trabalhoso e a execução requer equipamentos especializados. É praticamente impossível fazer esse tipo de sistema solar por conta própria.

Fazer painéis solares de alta temperatura com conversores fotovoltaicos em casa é bastante difícil

Construção do coletor por conta própria

A fabricação de um dispositivo solar com as próprias mãos – é um processo fascinante que traz muitos benefícios. Graças a ele, é possível aproveitar racionalmente a radiação solar gratuita e resolver várias tarefas domésticas importantes. Vamos analisar os detalhes da criação de um coletor plano que fornece água aquecida para o sistema de aquecimento.

Materiais para montagem por conta própria

O material mais simples e acessível para a montagem autônoma do corpo do coletor solar – é uma barra de madeira com tábua, compensado, placas OSB ou opções similares. Como alternativa, pode-se usar perfil de aço ou alumínio com chapas similares. O corpo metálico será um pouco mais caro.

Os materiais devem atender aos requisitos exigidos para estruturas utilizadas ao ar livre. A vida útil do coletor solar varia de 20 a 30 anos.

Portanto, os materiais devem possuir um conjunto específico de características operacionais que permitam o uso da estrutura durante todo o período.

A opção mais barata e simples de materiais para fabricação do corpo – o uso de madeira serrada e chapas de partículas

Se o corpo for feito de madeira, a durabilidade do material pode ser garantida por meio da impregnação com emulsões aquopoliméricas e revestimento com tintas e vernizes.

O princípio fundamental a ser seguido ao projetar e montar um coletor solar é a acessibilidade dos materiais em termos de preço e disponibilidade. Ou seja, eles podem ser encontrados no mercado ou fabricados manualmente a partir de meios disponíveis.

Detalhes do isolamento térmico

Para evitar perdas de energia térmica, um material isolante é montado no fundo da caixa. Pode ser isopor ou lã mineral. A indústria moderna produz uma nomenclatura bastante extensa de materiais isolantes.

Para isolar a caixa, podem ser usadas versões aluminizadas de isolantes. Dessa forma, é possível garantir tanto o isolamento térmico quanto a reflexão dos raios solares pela superfície aluminizada.

Se for usada uma placa rígida de isopor ou poliestireno expandido como material isolante, podem ser cortadas ranhuras para a colocação da serpentina ou do sistema de tubos. Normalmente, o absorvedor do coletor é colocado sobre o isolamento térmico e firmemente fixado ao fundo do corpo, por um método que depende do material usado na fabricação do corpo.

O isolamento térmico serve para reduzir as perdas de energia térmica através do fundo do corpo. Fabricar um dispositivo em corpo metálico sem isolamento térmico é irracional (+)

Receptor de calor do coletor solar

É um elemento absorvente. Consiste em um sistema de tubos, onde ocorre o aquecimento do fluido de transferência de calor, e peças geralmente feitas de folha de cobre. Os materiais ideais para a fabricação do receptor de calor são considerados tubos de cobre.

Os artesãos domésticos inventaram uma versão mais barata – um trocador de calor em espiral feito de tubos de polipropileno.

Uma solução econômica interessante – um absorvedor do sistema solar feito de tubo polimérico flexível. Para a conexão com os dispositivos de entrada e saída, são usadas conexões adequadas. A escolha de materiais disponíveis para fabricar o trocador de calor do coletor solar é bastante ampla. Pode ser o trocador de calor de uma geladeira velha, tubos de polietileno para água, radiadores de painel de aço, etc.

Um critério importante de eficiência é a condutividade térmica do material do qual o trocador de calor é feito.

Para fabricação caseira, a melhor opção é o cobre. Ele possui condutividade térmica de 394 W/m². No alumínio, esse parâmetro varia de 202 a 236 W/m².

Os tubos de cobre são considerados a opção mais ideal para a fabricação do receptor de calor devido às suas qualidades termotécnicas e resistência ao desgaste.

No entanto, a grande diferença nos parâmetros de condutividade térmica entre tubos de cobre e polipropileno não significa que um trocador de calor com tubos de cobre produza volumes centenas de vezes maiores de água quente.

Em condições iguais, o desempenho de um trocador de calor com tubos de cobre será 20% mais eficiente do que o desempenho de opções de metal-plástico. Portanto, trocadores de calor feitos de tubos poliméricos têm seu lugar. Além disso, essas opções serão muito mais baratas.

Independentemente do material dos tubos, todas as conexões, tanto soldadas quanto rosqueadas, devem ser estanques. Os tubos podem ser dispostos paralelamente entre si ou em forma de serpentina.

O esquema do tipo serpentina reduz o número de conexões – isso diminui a probabilidade de vazamentos e garante um movimento mais uniforme do fluxo do fluido térmico.

A parte superior da caixa onde está o trocador de calor é fechada com vidro. Como alternativa, podem ser usados materiais modernos, como acrílico ou policarbonato monolítico. O material translúcido pode não ser liso, mas sim texturizado ou fosco.

Na versão clássica, a caixa com o coletor é coberta com vidro temperado, acrílico, policarbonato ou material similar. Artesãos populares se adaptaram a usar polietileno em vez de vidro.

Esse tratamento reduz as propriedades reflexivas do material. Além disso, este material deve suportar cargas mecânicas significativas.

Em amostras industriais desses sistemas de aquecimento solar, é usado vidro solar especial. Esse vidro é caracterizado por baixo teor de ferro, o que proporciona menores perdas de energia térmica.

Tanque de armazenamento ou câmara de entrada

Como tanque de armazenamento, pode-se usar qualquer recipiente com volume de 20 a 40 litros. Uma série de tanques de volume um pouco menor, conectados por tubos em uma cadeia sequencial, também serve. Recomenda-se isolar o tanque de armazenamento, pois a água aquecida pelo sol em um recipiente sem isolamento perderá rapidamente energia térmica.

Em essência, o fluido térmico em um sistema de aquecimento solar deve circular sem acumulação, pois a energia térmica obtida dele precisa ser consumida durante o período de obtenção. O tanque de armazenamento funciona mais como um distribuidor de água aquecida e uma câmara de compensação, mantendo a estabilidade da pressão no sistema.

O tanque de armazenamento em sistemas de aquecimento solar funciona como um distribuidor de água e reservatório que mantém a pressão (+)

Etapas de montagem do sistema solar

Após a fabricação do coletor e a preparação de todos os elementos estruturais do sistema, pode-se prosseguir com a instalação propriamente dita.

Uma das opções de serpentina com tubos de polipropileno, conexões e tês ajuda a montar rapidamente um coletor solar (+)

O trabalho começa com a instalação da câmara de avanço, que geralmente é colocada no ponto mais alto possível: no sótão, em uma torre independente, em uma estrutura elevada, etc.

Ao realizar a montagem, deve-se considerar que, após o enchimento do sistema com fluido térmico líquido, essa parte da estrutura terá um peso considerável. Portanto, deve-se verificar a confiabilidade do piso ou reforçá-lo.

Após a instalação do reservatório, procede-se à instalação do coletor. Este elemento estrutural do sistema é posicionado no lado sul. O ângulo de inclinação em relação ao horizonte deve estar entre 35 e 45 graus.

Após a instalação de todos os elementos, eles são conectados com tubos, formando um sistema hidráulico integrado. A estanqueidade do sistema hidráulico é um critério importante, do qual depende o funcionamento eficaz do coletor solar.

Seguindo o esquema de montagem do sistema solar para abastecimento de água ao chuveiro de verão, é possível construir uma estrutura para aquecer a água para irrigação ou criar condições confortáveis em noites frescas (+)

Para conectar os elementos estruturais em um único sistema hidráulico, são utilizados tubos com diâmetro de uma polegada e meia polegada. O diâmetro menor é usado para a parte pressurizada do sistema.

A parte de pressão do sistema compreende a entrada de água na câmara de avanço e a saída do fluido térmico aquecido para o sistema de aquecimento e água quente. O restante é montado com tubos de diâmetro maior.

Para evitar perdas de energia térmica, os tubos devem ser cuidadosamente isolados. Para esse fim, pode-se usar isopor, lã de basalto ou versões aluminizadas de materiais isolantes modernos. O reservatório de armazenamento e a câmara de avanço também devem ser submetidos ao processo de isolamento.

A opção mais simples e acessível para o isolamento térmico do reservatório de armazenamento é construir uma caixa ao redor dele com madeira compensada ou tábuas. O espaço entre a caixa e o reservatório deve ser preenchido com material isolante. Pode ser lã de escória, uma mistura de palha e argila, serragem seca, etc.

O sistema solar é instalado de modo que os coletores solares estejam localizados no lado mais ensolarado da casa ou do terreno (+)

Teste antes da colocação em funcionamento

Após a instalação de todos os elementos do sistema e o isolamento de algumas estruturas, pode-se proceder ao enchimento do sistema com fluido térmico líquido. O enchimento inicial do sistema deve ser realizado através da conexão localizada na parte inferior do coletor.

Ou seja, o enchimento é feito de baixo para cima. Graças a essas ações, é possível evitar a provável formação de bolhas de ar.

A água ou outro fluido térmico líquido entra na antecâmara. O processo de enchimento do sistema termina quando a água começa a fluir do tubo de drenagem da antecâmara.

Com a ajuda de uma válvula de bóia, é possível ajustar o nível ideal de fluido na antecâmara. Após o enchimento do sistema com o fluido térmico, ele começa a aquecer no coletor.

O processo de aumento de temperatura ocorre mesmo em dias nublados. O fluido térmico aquecido começa a subir para a parte superior do tanque de armazenamento. O processo de circulação natural ocorre até que a temperatura do fluido térmico que entra no radiador se iguale à temperatura do fluido que sai do coletor.

Quando a água é consumida no sistema hidráulico, a válvula de bóia localizada na antecâmara será acionada. Dessa forma, um nível constante será mantido. Enquanto isso, a água fria que entra no sistema permanecerá na parte inferior do tanque de armazenamento. O processo de mistura da água fria e quente praticamente não ocorre.

No sistema hidráulico, é necessário prever a instalação de uma válvula de bloqueio que impedirá a circulação reversa do fluido térmico do coletor para o tanque de armazenamento. Isso ocorre quando a temperatura ambiente cai abaixo da temperatura do fluido térmico.

Essa válvula de bloqueio é geralmente usada durante o período noturno e vespertino.

A conexão aos pontos de consumo de água quente é feita com misturadores padrão. É melhor não usar torneiras simples comuns. Em dias ensolarados, a temperatura da água pode chegar a 80°C – não é conveniente usar essa água diretamente. Assim, os misturadores permitirão economizar significativamente água quente.

A eficiência desse aquecedor solar de água pode ser aumentada adicionando seções extras de coletores. O projeto permite montar de duas a um número ilimitado de unidades.

A eficiência do sistema solar térmico é aumentada instalando uma quantidade maior de coletores solares

A base desse coletor solar para aquecimento e abastecimento de água quente é o princípio do efeito estufa e o chamado efeito termossifão. O efeito estufa é utilizado no design do elemento de aquecimento.

Os raios solares passam livremente através do material transparente da parte superior do coletor e são convertidos em energia térmica.

A energia térmica fica confinada no espaço fechado graças à vedação da caixa da seção do coletor. O efeito termossifão é usado no sistema hidráulico quando o fluido térmico aquecido sobe, deslocando o fluido térmico frio e forçando-o a se mover para a zona de aquecimento.

Graças ao efeito termossifão, ocorre no sistema uma circulação natural estável e contínua do fluido térmico

Desempenho do coletor solar

O principal critério que afeta o desempenho dos sistemas solares térmicos é a intensidade da radiação solar. A quantidade de radiação solar potencialmente útil que incide sobre uma determinada área é chamada de insolação.

O valor da insolação em diferentes pontos do globo varia dentro de limites bastante amplos. Existem tabelas especiais para determinar os valores médios desse parâmetro. Elas exibem o valor médio da insolação solar para cada região.

Os dados de insolação solar em uma determinada região podem ser obtidos a partir de mapas e tabelas especiais (+)

Além do valor da insolação, o desempenho do sistema é influenciado pela área e pelo material do trocador de calor. Outro fator que afeta o desempenho é o volume do tanque de armazenamento. A capacidade ideal do tanque é calculada com base na área dos adsorvedores do coletor.

No caso de um coletor plano, é a área total dos tubos que estão na caixa do coletor. Esse valor, em média, equivale a 75 litros de volume do tanque por metro quadrado de área dos tubos do coletor. A capacidade de armazenamento funciona como uma espécie de acumulador térmico.

Preços dos dispositivos de fábrica

A maior parte dos custos financeiros para a construção de um sistema desse tipo incide na fabricação dos coletores. Não é surpreendente: mesmo em amostras industriais de sistemas solares térmicos, cerca de 60% do custo corresponde a esse elemento estrutural. Os custos financeiros dependerão da escolha do material.

Deve-se notar que tal sistema não consegue aquecer o ambiente, apenas ajuda a economizar nos custos, auxiliando no aquecimento da água do sistema de aquecimento. Considerando os gastos de energia bastante elevados que são consumidos no aquecimento da água, um coletor solar integrado ao sistema de aquecimento reduz significativamente tais custos.

O coletor solar é bastante simples de integrar no sistema de aquecimento e de água quente sanitária (+)

Para sua fabricação, são utilizados materiais bastante simples e acessíveis. Além disso, essa construção é totalmente independente de energia e não necessita de manutenção técnica. A manutenção do sistema se resume à inspeção periódica e limpeza do vidro do coletor contra sujeira.

Informações adicionais sobre a organização do aquecimento solar em casa são apresentadas neste artigo.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Processo de fabricação de um coletor solar elementar:

Como montar e colocar em funcionamento um sistema solar:

Naturalmente, um coletor solar feito por conta própria não conseguirá competir com modelos industriais. Usando materiais disponíveis, é bastante difícil obter a alta eficiência que os modelos industriais possuem. Mas os custos financeiros também serão muito menores em comparação com a aquisição de instalações prontas.

No entanto, um sistema de aquecimento solar caseiro aumentará significativamente o nível de conforto e reduzirá os gastos com energia proveniente de fontes tradicionais.

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