Coletor solar a vácuo: princípio de funcionamento + como montar você mesmo

Gastam-se recursos consideráveis com abastecimento de água quente e aquecimento de ambientes. Mas existe uma fonte alternativa de energia – o coletor solar a vácuo. Já ouviu falar? Ele permite reduzir significativamente os custos financeiros para manter o conforto, garantindo o máximo efeito de aquecimento com perdas mínimas de calor.

Este aparelho pode ser comprado de fabricantes de equipamentos domésticos ou montado por conta própria em casa. Para escolher o modelo adequado, é preciso estudar bastante informação. Nós o ajudaremos a definir os principais critérios de compra.

O artigo abordará o princípio de funcionamento e a estrutura do coletor a vácuo. Falaremos sobre as características de construção dos diferentes modelos e analisaremos as vantagens e desvantagens dessas instalações. Além disso, descreveremos em detalhes como fazer e instalar você mesmo um coletor solar a vácuo.

O material é acompanhado de vídeos com os quais você conhecerá as características importantes e os princípios de funcionamento dos coletores a vácuo.

Princípio de funcionamento da unidade a vácuo

O coletor solar a vácuo difere dos sistemas solares comuns pela forma de processar a energia solar. A bateria clássica simplesmente recebe a luz e a converte em eletricidade. O coletor, por sua vez, consiste em tubos de vidro com vácuo criado em seu interior. Eles são integrados em um único sistema por meio de unidades de conexão especiais.

Dentro de cada tubo há um canal composto por uma ou duas hastes de cobre com fluido térmico. Ao captar os raios solares, o elemento ativo aquece o material transportador de calor, garantindo assim o funcionamento do coletor.

Devido a essa estrutura, o nível de rendimento energético aumenta significativamente e as perdas de calor são substancialmente reduzidas, pois a camada de vácuo permite preservar cerca de 95% da energia solar captada.

O coletor solar a vácuo, instalado no telhado de uma casa particular, fornecerá água quente aos moradores durante todo o ano e, na estação fria, permitirá aquecer confortavelmente o ambiente sem gastar grandes recursos financeiros.

Além disso, diminui a dependência do desempenho do coletor em relação à sazonalidade, temperatura ambiente e diversas condições climáticas, como rajadas de vento, nebulosidade variável, precipitação, etc.

Como é construído o coletor do tipo a vácuo?

Os dispositivos modernos a vácuo, que fornecem calor e água quente aos ambientes por meio da energia solar, diferem tecnologicamente.

Os coletores são divididos nos seguintes tipos:

• tubular sem cobertura protetora de vidro;
• módulo com conversão reduzida;
• variante plana padrão;
• dispositivo com isolamento térmico transparente;
• unidade de ar;
• coletor a vácuo plano.

O coletor solar a vácuo é capaz de fornecer água quente e aquecimento em qualquer época do ano e em qualquer clima (+)

Todos eles têm uma semelhança estrutural comum, pois consistem em:

• tubo externo transparente, de onde o ar foi completamente extraído;
• tubo aquecido, localizado dentro do tubo grande, onde se move o fluido de transferência de calor líquido ou gasoso;
• um ou dois distribuidores coletores, aos quais são conectados tubos de maior calibre e entra o circuito de circulação dos tubos finos localizados no interior.

A construção como um todo lembra um termo com paredes transparentes, no qual foi mantido um nível excepcionalmente alto de isolamento térmico. Graças a essa característica, o corpo do tubo interno adquire a capacidade de aquecer adequadamente e transferir plenamente o recurso energético para o fluido de aquecimento que circula em seu interior.

Nuances de construção e classificação

Os coletores do tipo vácuo são classificados pelo tipo de tubos de vidro instalados na estrutura ou pelas características dos canais de calor. Os tubos geralmente são coaxiais e de pena, e os canais de calor são do tipo U-shaped de fluxo direto e do tipo heat pipe. .

Características dos tubos coaxiais

Os tubos coaxiais consistem em um frasco de vidro duplo tipo termo com um espaço a vácuo criado artificialmente entre as paredes. A superfície interna do tubo possui uma camada de revestimento especial de absorção de calor, portanto a transferência real de calor ocorre diretamente das paredes do frasco de vidro.

Os tubos coaxiais são feitos de vidro de alta resistência à base de borossilicatos, com alta capacidade de transmissão de luz. Os elementos, dependendo do fabricante, possuem até três camadas de revestimento por magnetrão, demonstram excelente resistência e durabilidade contra diversas condições atmosféricas (chuva, granizo, etc.), suportam pressão de 1 Mpa e funcionam de forma confiável por 15 anos.

Como elemento absorvente, um tubo de cobre contendo uma composição de éter é soldado dentro do tubo de vidro. Durante o aquecimento, ele evapora, transfere eficientemente seu calor, condensa e escorre para a parte inferior do tubo. Em seguida, o ciclo se repete, criando assim um processo contínuo de troca de calor.

Particularidades dos tubos com aletas

Os tubos de pena a vácuo têm espessura de parede maior que os coaxiais e consistem em um único frasco, não em dois. O elemento absorvente interno de cobre é equipado ao longo de todo o seu comprimento com um reforço resistente – uma placa corrugada com revestimento de absorção de energia de alto nível.

Devido a essa característica estrutural, o vácuo está localizado diretamente no canal de calor, parte do qual, juntamente com o absorvente, é integrada diretamente ao frasco.

O tubo de pena a vácuo contém internamente uma placa que lembra uma pena em sua forma. Em termos de eficiência, supera as capacidades de sua contraparte coaxial, mas tem um custo significativamente mais alto e é difícil de substituir em caso de danos à integridade do frasco ou falha do elemento de aquecimento.

Os coletores fabricados com base em tubos de pena a vácuo são considerados os mais eficientes em sua classe, lidam perfeitamente com as tarefas e funcionam de forma confiável por muitos anos.

Princípio de funcionamento do canal térmico heat pipe

Os canais térmicos heat pipe consistem em tubos fechados contendo uma composição líquida de fácil evaporação. Sob a ação dos raios solares, ela aquece, passa para a área superior do canal e se concentra em um coletor de calor especial (manifold).

Nesse momento, o fluido de trabalho libera todo o calor acumulado e desce novamente para reiniciar o processo.

A bucha do trocador de calor heat-pipe conecta-se ao trocador de calor do manifold por meio de um encaixe especial, soldado ao próprio trocador de calor de 1 tubo, ou é contornada por um trocador de calor de 2 tubos.

O elemento de trabalho do canal térmico heat pipe é fabricado em cobre, em casos mais raros, em alumínio. Apresenta alta resistência às cargas operacionais, serve de forma confiável por 15 anos, tem um custo razoável e é um dos elementos mais populares dos sistemas solares a vácuo modernos do tipo tubular.

O calor extraído do reservatório térmico é captado pelo fluido de transferência de calor e transportado pelo sistema, garantindo assim água quente nas torneiras e radiadores de aquecimento. O sistema heat pipe é fácil de instalar e demonstra alta eficiência em operação.

Os coletores equipados com tubos a vácuo heat pipe possuem um bom nível de confiabilidade e são adequados para uso não apenas doméstico, mas também em sistemas geotérmicos de alta pressão.

Em caso de quebra ou mau funcionamento, é possível substituir o componente danificado por um novo sem dificuldades, sem precisar reconstruir todo o sistema.

Os reparos podem ser facilmente realizados no local do coletor, sem desmontar o equipamento e sem esforços desnecessários.

Descrição do trocador de calor de fluxo direto em forma de U

O tubo do trocador de calor de fluxo direto tem a forma de U. Dentro dele circula água ou o fluido de trabalho do sistema de aquecimento. Uma parte do elemento é destinada ao fluido frio, e a outra remove corretamente o fluido já aquecido.

Quando aquecido, o fluido ativo expande e entra no tanque de acumulação, criando assim uma circulação natural do líquido no sistema. Um revestimento seletivo especial aplicado nas paredes internas aumenta a capacidade de absorção de calor e a eficiência geral do sistema.

Em comparação com os tubos do tipo heat-pipe, os produtos em forma de U têm maior resistência hidráulica, exigem requisitos mais elevados para o fluido de transferência de calor e são significativamente mais caros. Os coletores que funcionam com tubos U de fluxo direto não podem operar sob alta pressão e fornecem transferência de calor de qualidade apenas durante a estação quente.

Tubos em U demonstram alta performance e proporcionam uma sólida transferência de calor, mas possuem uma desvantagem significativa. Eles formam uma única estrutura com o manifold e são sempre montados junto com ele.

Não será possível substituir um único tubo avariado individualmente. Para o reparo, será necessário desmontar todo o conjunto completamente e instalar um novo no lugar.

Comparação de diferentes modificações

Na fabricação de helioagregados, os canais térmicos e os tubos de vidro a vácuo para coletores solares são combinados nas mais diversas combinações.

Os modelos coaxiais com canal térmico heat pipe são os mais populares entre os consumidores. Os compradores são atraídos pelo preço acessível dos aparelhos e pela manutenção muito simples e disponível durante toda a vida útil.

O coletor solar a vácuo com canal de trabalho heat pipe é perfeitamente reparável. A substituição dos tubos danificados é feita no local e não requer desmontagem do sistema ou transferência para outro local. No entanto, a troca de calor nesses modelos é complexa, resultando em uma eficiência de saída de no máximo 65%.

Os aparelhos a vácuo com canais heat pipe demonstram alta confiabilidade e não têm nenhuma restrição de uso, mesmo em complexos heliotérmicos de alta pressão.

Aparelhos com bulbo coaxial contendo canais em U de fluxo direto também estão na lista de demandados. Eles são caracterizados por parâmetros como baixa perda de calor e eficiência de 70% ou mais.

Para um funcionamento correto, o aparelho a vácuo com canal em U deve ser instalado corretamente. Idealmente, o ângulo mínimo de inclinação deve ser de pelo menos 20⁰. Somente assim será possível garantir a máxima eficiência.

A situação é um tanto prejudicada por: processo complexo de reparo, manutenção específica durante a operação e impossibilidade de substituir uma peça defeituosa individual. Se algo acontecer com o aparelho, ele é desmontado e um coletor totalmente novo é instalado no lugar.

Os tubos de pena estruturalmente são um único cilindro de vidro com paredes grossas e resistentes (dependendo do fabricante, a partir de 2,5 mm ou mais). O insert interno de absorvente de pena envolve firmemente o canal de trabalho, feito de metal condutor de calor.

O espaço de vácuo dentro do recipiente de vidro cria um isolamento quase perfeito. O absorvente transfere o calor absorvido sem perdas e fornece ao sistema uma eficiência de até 77%.

Em caso de falha, os coletores equipados com tubos de penas devem ser reparados. Não é necessário substituir todo o sistema, basta localizar o nó danificado, desmontá-lo e colocar um novo no lugar.

Os modelos com elemento de penas são um pouco mais caros do que os coaxiais, mas devido à alta eficiência, proporcionam conforto total no ambiente e se pagam rapidamente.

Os mais eficientes e produtivos são os tubos de penas com canais internos de fluxo direto. Sua eficiência real às vezes atinge marcas recordes de 80%.

Ao montar os tubos de penas no quadro, em cada haste é colocada uma porca de compressão resistente com anel e junta resistente ao calor. Isso garante a estanqueidade de toda a estrutura e permite que o coletor funcione plenamente em qualquer condição.

O preço dos produtos é bastante elevado e, ao realizar reparos, é necessário drenar todo o fluido térmico do sistema e só então começar a solucionar os problemas.

Como deve ser o coletor de calor?

O coletor de calor é outro elemento de trabalho muito importante do coletor a vácuo. Através deste nó, ocorre a transferência do calor acumulado dos tubos para o fluido térmico.

O coletor de calor está localizado na parte superior do dispositivo. Um de seus componentes, o núcleo de cobre, recebe a energia e a transfere para o fluido térmico principal que circula no sistema fechado 'trocador de calor do tanque-coletor'.

O funcionamento correto é garantido pela bomba de circulação conectada ao sistema. A automática que controla o conjunto de aquecimento monitora rigorosamente o nível de temperatura nos canais e, caso caia abaixo do mínimo crítico permitido (por exemplo, durante a noite), interrompe o funcionamento da bomba.

Isso evita o aquecimento reverso, quando o fluido térmico começa a retirar calor da água quente acumulada no tanque de armazenamento.

Vantagens e desvantagens dos coletores do tipo a vácuo

A principal vantagem dos aparelhos é a quase total ausência de perdas de calor durante a operação. Isso é proporcionado pelo ambiente de vácuo, que é um dos melhores isolantes naturais. Mas a lista de benefícios não para por aí.

Os dispositivos também têm outras vantagens claramente expressas:

• eficiência de trabalho em baixas temperaturas (até -30°C);
• capacidade de acumular temperatura até 300°C;
• máxima absorção possível de energia térmica, incluindo o espectro invisível;
• estabilidade operacional;
• baixa susceptibilidade a manifestações atmosféricas agressivas;
• baixa resistência ao vento, devido às características construtivas dos sistemas tubulares, capazes de permitir a passagem de massas de ar de diferentes densidades;
• alto nível de eficiência em regiões de clima temperado e frio com poucos dias claros e ensolarados;
• durabilidade ao cumprir as regras básicas de operação;
• facilidade de reparo e possibilidade de substituir não todo o sistema, mas apenas um fragmento defeituoso.

As desvantagens incluem a incapacidade dos coletores de se auto-limpar de geada, gelo, neve e o alto preço das peças necessárias para montar o conjunto em casa.

O coletor solar é um dispositivo eficiente que permite converter a energia solar em térmica praticamente sem perdas.

Montagem da unidade com as próprias mãos

O processo de montagem do coletor a vácuo começa com a fabricação de uma moldura-base para os elementos de trabalho. Ela é montada imediatamente no local designado para o conjunto.

O tamanho e as dimensões da moldura dependem inteiramente do modelo que se planeja fazer e geralmente são especificados no manual que acompanha os componentes.

A moldura pronta para o coletor é fixada no telhado de modo que fique bem posicionada e não balance. Se o telhado da construção for de amianto, usa-se uma viga de sarrafo e parafusos grossos de grande calibre. Para outros materiais de cobertura, usam-se âncoras comuns.

Os pontos de contato da moldura com a superfície do telhado são adicionalmente fixados com selante para evitar que a água entre na casa através dos furos no futuro. Em seguida, o tanque de armazenamento é levado ao local de montagem e parafusado na parte superior da moldura.

Na próxima etapa, montam-se o elemento de aquecimento (TEN), o sensor de temperatura e o purgador de ar automatizado. Todos os componentes auxiliares e peças relacionadas são colocados sobre as juntas amortecedoras fornecidas. Para fixar o sensor de temperatura, usa-se uma chave de boca.

Em seguida, providencia-se a conexão das tubulações de água. Para isso, utilizam-se tubos de qualquer material resistente a baixas temperaturas e capaz de suportar até 95°C. Têm se mostrado bem eficientes tubos e conexões de polipropileno.

Os tubos de polipropileno são ideais para conectar o coletor solar ao sistema de abastecimento de água de uma residência. Os acessórios possuem boas propriedades físicas e resistência operacional, funcionam de forma confiável por muitos anos e podem ser facilmente substituídos em caso de rachaduras ou rasgos.

Após conectar o abastecimento de água, encha o tanque de armazenamento com água e teste a estanqueidade. Se houver vazamentos em algum lugar dentro de 3-4 horas, corrija-os.

Por fim, instale os elementos de aquecimento. Para isso, envolva o tubo de cobre com uma folha de alumínio e coloque-o dentro de um tubo de vácuo de vidro. Na parte inferior do bulbo, coloque um copo de fixação e uma proteção contra poeira de borracha resistente e flexível.

O bocal de cobre superior do tubo é inserido completamente no condensador de latão. Não remova a pasta térmica viscosa dos tubos. Encaixe o mecanismo de fixação no suporte e, seguindo o mesmo princípio, monte todos os tubos de vidro restantes.

Os coletores solares tubulares requerem manutenção regular e limpeza obrigatória, especialmente durante períodos de queda de neve intensa. Se estas regras simples forem seguidas, eles funcionarão por muito tempo e manterão um alto nível de eficiência durante toda a vida útil.

Na estrutura, coloque um bloco de montagem, conecte a alimentação elétrica de 220 volts e conecte três blocos auxiliares ao sistema – o aquecedor elétrico, o purgador de ar e o sensor de temperatura.

Por último, conecte o controlador, projetado para gerenciar corretamente o sistema. No menu do controlador, insira os parâmetros de operação desejados e inicie o sistema no modo padrão.

Instruções passo a passo para construir um coletor solar são fornecidas neste artigo.

Como instalar corretamente o aparelho?

Para que o coletor de vácuo funcione plenamente e forneça eficientemente a energia necessária para a residência, é necessário encontrar o local mais adequado e orientar corretamente o aparelho em relação aos pontos cardeais.

Os coletores solares a vácuo são muito mais práticos do que seus equivalentes planos. Quando um dos tubos de trabalho é danificado e para de funcionar, é muito fácil substituí-lo por um novo. Após isso, o sistema continuará funcionando no modo anterior. Se não for possível substituir imediatamente o elemento danificado, não tem problema. O equipamento continuará cumprindo suas «obrigações», mesmo com um componente danificado.

Para localidades no hemisfério norte, é adequado posicionar o coletor na parte sul do telhado da casa ou no lado ensolarado do terreno. É desejável garantir um desvio mínimo para o plano do aparelho.

Se não for possível orientar a superfície para o sul, escolha entre oeste e leste o ângulo mais claro em um espaço aberto.

A alta eficiência operacional do coletor a vácuo também se deve ao fato de que ele funciona como um espelho e ajusta sua potência térmica de acordo com a altura atual do sol.

O complexo solar não deve ser obstruído por chaminés, fragmentos decorativos do telhado, galhos de árvores extensos ou edifícios altos residenciais ou técnicos. Isso reduzirá a eficiência e diminuirá o nível de aquecimento dos elementos ativos.

Se a unidade estiver posicionada corretamente, ela fornecerá praticamente a mesma transferência de calor durante todo o ano, independentemente da estação.

Se você não tem muita experiência em trabalhos complexos de reparo, montagem e serralheria, não é racional fazer a evacuação dos tubos em casa. Esse processo é muito trabalhoso e requer conhecimentos especiais e equipamentos especializados.

Além disso, os elementos de vácuo feitos por conta própria têm um nível de eficiência muito menor do que as peças de fábrica. Portanto, o mais sensato é adquirir o produto de um fabricante especializado e depois tentar montar algumas seções em casa.

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Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Descrição detalhada e minuciosa do tubo de vácuo, seu princípio de funcionamento e as características operacionais do coletor solar como um todo. O autor aborda algumas nuances interessantes e mostra que a instalação pode ser uma alternativa real à caldeira a gás.

Informações interessantes sobre o funcionamento do coletor solar no período de inverno.

Como montar corretamente um coletor solar a vácuo com as próprias mãos em casa. Todos os detalhes do processo, recomendações e dicas úteis.

Conhecendo o princípio básico de funcionamento de um coletor solar a vácuo tubular, é possível montar a unidade manualmente. A instalação atenderá plenamente às suas necessidades e exigências individuais.

Não é uma tarefa muito difícil, mas requer atenção redobrada, meticulosidade e certas habilidades; caso contrário, o risco de danificar a integridade do bulbo e comprometer sua vedação aumenta significativamente.

A todos os interessados na escolha, instalação ou montagem própria de um coletor solar, convidamos a deixar comentários e fazer perguntas. O formulário de contato está localizado no bloco inferior.