Um coletor solar térmico coleta calor absorvendo a luz do sol. O termo “coletor solar” geralmente se refere a painéis solares de água quente, mas pode se referir a instalações como calhas parabólicas solares e torres solares; ou instalações básicas, como aquecedores solares de ar. Usinas de energia solar concentrada geralmente usam coletores mais complexos para gerar eletricidade aquecendo um fluido para acionar uma turbina conectada a um gerador elétrico. Coletores simples são normalmente usados em edifícios residenciais e comerciais para aquecimento de ambientes. O primeiro colector solar térmico concebido para coberturas de edifícios foi patenteado por William H. Goettl e denominado “colector solar de calor e radiador para construção de tectos”.
Coletores solares térmicos de aquecimento líquido
Os coletores solares são não concentradores ou concentradores. No tipo não concentrador, a área do coletor (ou seja, a área que intercepta a radiação solar) é a mesma da área do absorvedor (ou seja, a área que absorve a radiação). Nestes tipos todo o painel solar absorve a luz. Os coletores de concentração têm um interceptor maior que o absorvedor.
Os coletores solares de tubo plano e evacuado são usados para coletar calor para aquecimento de ambientes, água quente doméstica ou resfriamento com um resfriador de absorção.
Coletores de placa plana
Coletores planos são a tecnologia térmica solar mais comum. Eles consistem de uma caixa (1) contendo (2) uma placa de cor escura absorvedor com passagens de circulação de fluido, e (3) uma tampa transparente para permitir a transmissão de energia solar para dentro do recinto. Os lados e parte de trás do gabinete são tipicamente isolados para reduzir a perda de calor para o ar externo. Um fluido é circulado através das passagens de fluido do absorvedor para remover o calor do coletor solar. O fluido de circulação em climas tropicais e subtropicais é tipicamente água. Em climas onde o congelamento é provável, um fluido de transferência de calor similar a uma solução anticongelante automotiva pode ser usado em vez de água, ou em uma mistura com água. Se um fluido de transferência de calor é usado, um trocador de calor é tipicamente empregado para transferir calor do fluido coletor solar para um tanque de armazenamento de água quente. O projeto de absorvedor mais comum consiste em tubos de cobre ligados a aletas de cobre ou alumínio termicamente condutivas. Um revestimento escuro é aplicado ao lado voltado para o sol do conjunto absorvedor para aumentar a absorção de energia solar. Um revestimento absorvedor comum é a tinta esmalte preta lisa.
Em projetos de coletores solares de maior desempenho, a cobertura transparente é de vidro temperado com baixo teor de óxido de ferro (a cor verde visível ao visualizar uma janela de vidro lateral). O vidro também pode ter um padrão pontiagudo, um revestimento anti-reflexo para reter mais energia solar, reduzindo a reflexão. O revestimento absorvedor é tipicamente um revestimento seletivo. Os revestimentos seletivos têm propriedades ópticas especiais para melhorar a eficiência, reduzindo a emissão de energia infravermelha do absorvedor.
Alguns fabricantes introduziram coletores solares de placa plana de baixo custo que empregam capas transparentes de policarbonato e conjuntos de absorvedores de polipropileno.
A maioria dos fabricantes de calor a ar e alguns fabricantes de calor de água têm um absorvedor completamente inundado que consiste em duas folhas de metal pelas quais o fluido passa entre elas. Como a área de troca de calor é maior, elas podem ser ligeiramente mais eficientes que os absorvedores tradicionais.
Em locais com energia solar média disponível, os coletores de placa plana são dimensionados de aproximadamente meio a um pé quadrado por galão de uso de água quente de um dia. As configurações de tubulação do absorvedor incluem:
harpa – projeto tradicional com risers de tubo inferior e tubo de coleta superior, usado em sistemas pressurizados de baixa pressão e bombeados;
Serpentina – um S contínuo que maximiza a temperatura, mas não o rendimento energético total em sistemas de fluxo variável, usado em sistemas compactos de água quente solar doméstica (sem função de aquecimento de espaço);
Absorvente inundado constituído por duas folhas de metal estampadas para produzir uma zona de circulação;
coletores de absorvedores de camada limite consistindo de várias camadas de folhas transparentes e opacas que permitem a absorção em uma camada limite. Uma vez que a energia é absorvida na camada limite, de conversão de calor pode ser mais eficiente do que para os colectores onde o calor absorvido é conduzida através de um material antes que o calor se acumula em um líquido que circula.
Os coletores de placas planas de polímeros são uma alternativa aos coletores de metal e agora estão sendo produzidos na Europa. Estes podem ser totalmente polímeros, ou podem incluir placas de metal na frente de canais de água tolerantes ao congelamento feitos de borracha de silicone. Os polímeros são flexíveis e, portanto, tolerantes ao congelamento e podem empregar água simples em vez de anticongelante, de modo que possam ser canalizados diretamente para os tanques de água existentes, em vez de precisarem de trocadores de calor que reduzam a eficiência. Ao dispensar um permutador de calor, as temperaturas não precisam de ser tão elevadas para o sistema de circulação ser ligado, pelo que esses painéis de circulação directa, quer sejam polímeros ou outros, podem ser mais eficientes, particularmente a baixos níveis de luz. Alguns coletores poliméricos seletivamente revestidos sofreram superaquecimento quando isolados, uma vez que as temperaturas de estagnação podem exceder o ponto de fusão do polímero. Por exemplo, o ponto de fusão do polipropileno é de 160 ° C (320 ° F), enquanto a temperatura de estagnação dos coletores térmicos isolados pode exceder 180 ° C (356 ° F) se as estratégias de controle não forem usadas. Por esta razão, o polipropileno não é utilizado com freqüência em coletores solares revestidos seletivamente envidraçados. Cada vez mais polímeros como silicones de alta temperatura (que fundem a mais de 250 ° C) estão sendo usados. Alguns coletores solares esmaltados à base de polímero não de polipropileno são revestidos de preto mate em vez de revestidos seletivamente para reduzir a temperatura de estagnação a 150 ° C (302 ° F) ou menos.
Coletores de tubos evacuados
A maioria dos coletores de tubo a vácuo são usados na Europa Central e usam tubos de calor para seu núcleo, em vez de passar líquido diretamente através deles. O fluxo direto é mais popular na China. Tubos de tubo de calor evacuado (EHPTs) são compostos de vários tubos de vidro evacuados, cada um contendo uma placa absorvente fundida a um tubo de calor. O calor é transferido para o fluido de transferência (água ou uma mistura anticongelante – tipicamente propilenoglicol) de um sistema de aquecimento de água quente doméstica ou hidrônica em um trocador de calor chamado “manifold”. O coletor é envolto em isolamento e coberto por uma chapa protetora de metal ou plástico. O vácuo dentro dos coletores de tubo evacuados tem a duração comprovada de mais de 25 anos, o revestimento reflexivo para o projeto é encapsulado no vácuo dentro do tubo, que não se degradará até que o vácuo seja perdido. O vácuo que envolve o exterior do tubo reduz muito a perda de calor por convecção e condução, obtendo maior eficiência do que os coletores planos, especialmente em condições mais frias. Essa vantagem é largamente perdida em climas mais quentes, exceto nos casos em que é desejável água muito quente, por exemplo, para processos comerciais. As altas temperaturas que podem ocorrer podem exigir um design especial para evitar o superaquecimento.
Alguns tubos evacuados (vidro-metal) são feitos com uma camada de vidro que se funde ao tubo de calor na extremidade superior e envolve o tubo de calor e o absorvedor no vácuo. Outros (vidro de vidro) são feitos com uma dupla camada de vidro fundido em uma ou ambas as extremidades com um vácuo entre as camadas (como uma garrafa de vácuo ou frasco), com o absorvedor e tubo de calor contidos na pressão atmosférica normal. Tubos de vidro de vidro têm uma vedação a vácuo altamente confiável, mas as duas camadas de vidro reduzem a luz que atinge o absorvedor. A umidade pode entrar na área não evacuada do tubo e causar corrosão do absorvedor. Tubos de metal-vidro permitem que mais luz alcance o absorvedor, e protegem o absorvedor e o tubo de calor da corrosão, mesmo que sejam feitos de materiais diferentes (veja corrosão galvânica).
As folgas entre os tubos podem permitir que a neve caia através do coletor, minimizando a perda de produção em algumas condições de neve, embora a falta de calor irradiado pelos tubos também possa impedir o derramamento efetivo de neve acumulada.
Comparações de coletores planos e evacuados
Existe um argumento de longa data entre os proponentes dessas duas tecnologias. Parte disso pode estar relacionado à estrutura física dos coletores de tubos evacuados, que possuem uma área de absorbância descontínua. Um conjunto de tubos evacuados em um telhado tem espaço aberto entre os tubos coletores e vácuo entre os dois tubos de vidro concêntricos de cada coletor. Os tubos coletores cobrem apenas uma fração de uma área de unidade em um telhado. Se os tubos evacuados forem comparados com os coletores de placa plana com base na área de cobertura ocupada, uma conclusão diferente pode ser alcançada do que se as áreas do absorvedor fossem comparadas. Além disso, a norma ISO 9806 é ambígua ao descrever a maneira como a eficiência dos coletores solares térmicos deve ser medida, uma vez que estes poderiam ser medidos em termos de área bruta ou em termos de área absorvente. Infelizmente, a potência não é dada para coletores térmicos como para painéis fotovoltaicos. Isso dificulta que compradores e engenheiros tomem decisões informadas.
Os coletores de placa plana geralmente perdem mais calor para o ambiente do que os tubos evacuados, como uma função crescente da temperatura. Eles são inadequados para aplicações de alta temperatura, como a produção de vapor de processo. Os coletores de tubo evacuados têm uma área de placa absorvente mais baixa em relação à área bruta (normalmente 60 a 80% da área bruta) em comparação com as placas planas. Com base na área da placa de absorção, a maioria dos sistemas de tubos evacuados são mais eficientes por metro quadrado do que os sistemas de placas planas equivalentes. Isto torna-os adequados onde o espaço do telhado é limitado, por exemplo, quando o número de ocupantes de um edifício é superior ao número de metros quadrados de espaço disponível e adequado no telhado. Em geral, por metro quadrado instalado, os tubos evacuados fornecem mais energia quando a temperatura ambiente é baixa (por exemplo, durante o inverno) ou quando o céu está nublado. No entanto, mesmo em áreas sem muito sol e calor solar, alguns coletores de placas planas de baixo custo podem ter um custo mais eficiente do que os coletores de tubo evacuados. Embora várias empresas européias fabricem coletores de tubos evacuados, o mercado de tubos evacuados é dominado pelos fabricantes no Oriente. Várias empresas chinesas têm registros de 15 a 30 anos. Não há evidência inequívoca de que os dois desenhos diferem em confiabilidade a longo prazo. No entanto, a tecnologia de tubo evacuado é mais nova e (especialmente para variantes mais novas com tubos de calor vedados) ainda precisa demonstrar uma vida útil competitiva. A modularidade dos tubos evacuados pode ser vantajosa em termos de extensibilidade e manutenção, por exemplo, se o vácuo em um tubo diminui.
Aplicações
O principal uso desta tecnologia é em edifícios residenciais onde a demanda por água quente tem um grande impacto nas contas de energia. Isso geralmente significa uma situação com uma família grande ou uma situação em que a demanda de água quente é excessiva devido à lavagem freqüente de roupas. Aplicações comerciais incluem lavanderias, lavagens de carros, lavanderia militar e estabelecimentos de alimentação. A tecnologia também pode ser usada para aquecimento de ambientes se o edifício estiver localizado fora da rede ou se a energia elétrica estiver sujeita a interrupções frequentes. sistemas de aquecimento solar de água são mais susceptíveis de ser rentável para instalações com sistemas de aquecimento de água que são caros para operar, ou com operações tais como lavanderias ou cozinhas que necessitam de grandes quantidades de água quente. Os coletores de líquido não vidrados são comumente usados para aquecer água para piscinas, mas também podem ser aplicados em pré-aquecimento de água em larga escala. Quando as cargas são grandes em relação à área do coletor disponível, a maior parte do aquecimento da água pode ser feita em baixa temperatura, abaixo da temperatura da piscina, onde os coletores não vidrados estão bem estabelecidos no mercado como a escolha certa. Como esses coletores não precisam suportar altas temperaturas, eles podem usar materiais menos caros, como plástico ou borracha. Muitos coletores não vitrificados são feitos de polipropileno e devem ser drenados completamente para evitar danos por congelamento quando a temperatura do ar cair abaixo de 44F em noites claras.
tigela
Uma bacia solar é um tipo de coletor solar térmico que opera de forma semelhante a um prato parabólico, mas em vez de usar um espelho parabólico de rastreamento com um receptor fixo, ele tem um espelho esférico fixo com um receptor de rastreamento. Isso reduz a eficiência, mas torna mais barato construir e operar. Designers chamam de um sistema de energia solar de foco distribuído espelho fixo. A principal razão para o seu desenvolvimento foi eliminar o custo de mover um espelho grande para rastrear o sol, como acontece com os sistemas de pratos parabólicos.
Um espelho parabólico fixo cria uma imagem do sol de várias formas à medida que se move pelo céu. Somente quando o espelho é apontado diretamente para o sol, a luz se concentra em um ponto. É por isso que os sistemas de pratos parabólicos rastreiam o sol. Um espelho esférico fixo focaliza a luz no mesmo lugar, independente da posição do sol. A luz, no entanto, não é dirigido para um ponto, mas é distribuído sobre uma linha a partir da superfície do espelho para uma meia distância (ao longo de uma linha que atravessa o centro da esfera e do sol).
À medida que o sol se move pelo céu, a abertura de qualquer coletor fixo muda. Isso causa mudanças na quantidade de luz solar capturada, produzindo o que é chamado de efeito sinusal da saída de energia. Os proponentes do projeto da cuba solar afirmam que a redução na potência total em comparação com os espelhos parabólicos de rastreamento é compensada por custos mais baixos do sistema.
A luz solar concentrada na linha focal de um refletor esférico é coletada usando um receptor de rastreamento. Este receptor é girado em torno da linha focal e é geralmente contrabalançado. O receptor pode consistir de tubos transportando fluido para transferência térmica ou células fotovoltaicas para conversão direta de luz em eletricidade.
O projeto da bacia solar resultou de um projeto do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Técnica do Texas, liderado por Edwin O’Hair, para desenvolver uma usina de 5 MWe. Uma bacia solar foi construída para a cidade de Crosbyton, Texas, como uma instalação piloto. A taça tinha um diâmetro de 65 pés (20 m), inclinada num ângulo de 15 ° para otimizar a relação custo / rendimento (33 ° teria um rendimento maximizado). A borda do hemisfério foi “aparada” a 60 °, criando uma abertura máxima de 3.318 pés quadrados (308,3 m2). Esta bacia piloto produziu eletricidade a uma taxa de 10 kW de pico.
Uma bacia solar Auroville de 15 metros de diâmetro foi desenvolvida a partir de um teste anterior de uma bacia de 3,5 metros em 1979-1982 pelo Tata Energy Research Institute. Esse teste mostrou o uso da tigela solar na produção de vapor para cozinhar. O projeto em grande escala para construir uma bacia solar e uma cozinha funcionou a partir de 1996, e estava totalmente operacional em 2001.
Coletores solares térmicos que aquecem o ar
Um simples coletor de ar solar consiste em um material absorvente, às vezes com uma superfície seletiva, para capturar a radiação do sol e transfere essa energia térmica para o ar através da transferência de calor de condução. Este ar aquecido é então canalizado para o espaço do edifício ou para a área de processo, onde o ar aquecido é utilizado para aquecimento ambiente ou para necessidades de aquecimento do processo. Funcionando de maneira semelhante a um forno a ar forçado convencional, os sistemas de ar térmico solar fornecem calor ao circular o ar sobre uma superfície de coleta de energia, absorvendo a energia térmica do sol e o ar da conduta entrando em contato com ela. Coletores simples e eficazes podem ser feitos para uma variedade de aplicações de ar condicionado e processos.
Uma variedade de aplicações pode utilizar tecnologias de aquecimento solar de ar para reduzir a pegada de carbono do uso de fontes de calor convencionais, como combustíveis fósseis, para criar meios sustentáveis para produzir energia térmica. Aplicações como o aquecimento do espaço, a extensão da estação de efeito estufa, o ar da composição da ventilação de pré-aquecimento ou o calor do processo podem ser abordados por dispositivos de aquecimento solar. No campo da “co-geração solar”, as tecnologias solares térmicas são combinadas com a energia fotovoltaica (PV) para aumentar a eficiência do sistema tirando calor dos coletores fotovoltaicos, resfriando os painéis fotovoltaicos para melhorar seu desempenho elétrico enquanto aquece simultaneamente o ar para aquecimento de ambientes.
Aquecimento ambiente e ventilação
O aquecimento de ambientes para aplicações residenciais e comerciais pode ser feito através do uso de painéis solares de aquecimento de ar. Esta configuração opera retirando o ar do envelope do edifício ou do ambiente externo e passando-o através do coletor, onde o ar se aquece por condução do absorvedor e é então fornecido ao espaço de trabalho ou de vida por meios passivos ou com a ajuda de um ventilador. Uma figura pioneira desse tipo de sistema foi George Löf, que construiu um sistema de ar aquecido a energia solar em 1945 para uma casa em Boulder, Colorado. Mais tarde, ele incluiu uma cama de cascalho para armazenamento de calor.
Ventilação, ar fresco ou ar de maquiagem são necessários na maioria dos edifícios comerciais, industriais e institucionais para atender aos requisitos do código. Ao aspirar o ar através de um coletor de ar transpirado não-polido adequadamente projetado ou de um aquecedor de ar, o ar fresco aquecido por energia solar pode reduzir a carga de aquecimento durante a operação diurna. Muitas aplicações estão agora sendo instaladas onde o coletor transpirado pré-aquece o ar fresco que entra em um ventilador de recuperação de calor para reduzir o tempo de degelo dos HRV’s. Quanto maior a sua ventilação e temperatura, melhor será o seu tempo de retorno.
Aquecimento de processo
O calor do ar solar também é usado em aplicações de processo, como secagem de roupa, culturas (chá, milho, café) e outras aplicações de secagem. O ar aquecido através de um coletor solar e depois passado sobre um meio a ser seco pode fornecer um meio eficiente para reduzir o teor de umidade do material.
Tipos de coletores de aquecimento solar
Os coletores são geralmente classificados por seus métodos de duto de ar como um dos três tipos:
coletores de passagem
frente-passagem
passe de volta
coletores de passagem frontal e traseira combinados
Os coletores também podem ser classificados pela sua superfície externa:
envidraçado
sem brilho
Coletor de ar de passagem
Oferecendo a mais alta eficiência de qualquer tecnologia solar na configuração de passagem, o ar canalizado para um lado do absorvedor passa através de um material perfurado e é aquecido a partir das propriedades condutoras do material e das propriedades convectivas do ar em movimento. Os absorvedores de passagem têm a maior área superficial que permite taxas de transferência de calor condutora relativamente altas, mas uma queda de pressão significativa pode exigir maior potência do ventilador, e a deterioração de certos materiais absorvedores após muitos anos de exposição à radiação solar pode criar problemas com qualidade e desempenho do ar .
Coletor de ar de passagem traseira, frontal e de combinação
Nas configurações de back-pass, front-pass e tipo de combinação, o ar é direcionado para as costas, frente ou em ambos os lados do absorvedor, para serem aquecidas a partir do retorno aos cabeçotes de dutos de suprimento. Embora a passagem do ar em ambos os lados do absorvedor forneça uma área de superfície maior para transferência de calor condutivo, problemas com poeira (incrustação) podem surgir da passagem de ar na parte frontal do absorvedor, o que reduz a eficiência do absorvedor limitando a quantidade de luz solar recebida . Em climas frios, o ar que passa próximo ao envidraçado também causa maior perda de calor, resultando em um desempenho geral mais baixo do coletor.
Sistemas de vidros
Os sistemas de vidro geralmente têm uma folha superior transparente e painéis laterais e traseiros isolados para minimizar a perda de calor para o ar ambiente. As placas absorvedoras em painéis modernos podem ter uma capacidade de absorção de mais de 93%. Coletores solares esmaltados (tipos de recirculação que são normalmente usados para aquecimento de ambientes). O ar normalmente passa ao longo da parte dianteira ou traseira da placa de absorção enquanto esfrega o calor diretamente a partir dela. O ar aquecido pode ser distribuído diretamente para aplicações como aquecimento e secagem de espaços ou pode ser armazenado para uso posterior. O retorno dos painéis de aquecimento solar de vidro pode ser inferior a 9-15 anos, dependendo do combustível a ser substituído.
Sistemas não vitrificados
Sistemas sem ar ou sistemas de ar transpirado têm sido usados para aquecer a composição ou a ventilação do ar em aplicações comerciais, industriais, agrícolas e de processo. Eles consistem de uma placa absorvedora pela qual o ar passa através ou através dele enquanto esfrega o calor do absorvedor. Materiais transparentes não transparentes são menos caros e diminuem os períodos de retorno esperados. Os coletores transpirados são considerados “não vidrados” porque suas superfícies coletoras são expostas aos elementos, muitas vezes não são transparentes e não hermeticamente fechadas.
Coletores solares transpirados não vidrados
fundo
O termo “colector de ar não esmaltado” refere-se a um sistema de aquecimento de ar solar que consiste num absorvente de metal sem qualquer vidro ou envidraçamento por cima. O tipo mais comum de colecionador não vidrado no mercado é o coletor solar transpirado. A tecnologia foi extensivamente monitorada por essas agências governamentais, e a Natural Resources Canada desenvolveu a ferramenta de viabilidade RETScreen ™ para modelar a economia de energia dos coletores solares transpirados. Desde aquela época, vários milhares de sistemas de coletores solares transpirados foram instalados em uma variedade de aplicações comerciais, industriais, institucionais, agrícolas e de processos em países em todo o mundo. Essa tecnologia era originalmente usada principalmente em aplicações industriais, como fábricas e fábricas de montagem, onde havia altos requisitos de ventilação, calor de teto estratificado e, muitas vezes, pressão negativa no prédio. Com o impulso crescente para instalar sistemas de energia renovável em edifícios, os coletores solares transpirados agora são usados em todo o estoque do prédio devido à alta produção de energia (até 750 Watts térmicos / metro quadrado), alta conversão solar (até 90%) e custos de capital mais baixos quando comparados com aquecimento solar fotovoltaico e solar.
O aquecimento de ar solar é uma tecnologia de aquecimento de energia renovável usada para aquecer ou condicionar ar para edifícios ou aplicações de calor de processo. É tipicamente a mais rentável de todas as tecnologias solares, especialmente em aplicações de grande escala, e aborda o maior uso de energia do edifício em climas de aquecimento, que é o aquecimento do espaço e o aquecimento dos processos industriais. Eles são ou vidrados ou não vidrados.
Método de operação
Os coletores de ar não vitrificados aquecem o ar ambiente (externo) em vez de recircular o ar do prédio. Os coletores solares transpirados geralmente são montados na parede para capturar o ângulo do sol inferior nos meses de aquecimento no inverno, bem como reflexo do sol na neve e alcançar seu desempenho ideal e retorno sobre o investimento ao operar a vazões entre 4 e 8 CFM por pé quadrado (72 a 144 m3 / h.m2) de área coletora.
A superfície externa de um coletor solar transpirado consiste em milhares de micro-perfurações minúsculas que permitem que a camada limite de calor seja capturada e uniformemente atraída para uma cavidade de ar atrás dos painéis externos. Este ar de ventilação aquecido é puxado sob pressão negativa para o sistema de ventilação do edifício, onde é então distribuído através de meios convencionais ou utilizando um sistema de condução solar.
Ar quente que pode entrar em um sistema HVAC conectado a um coletor transpirado que tenha saídas de ar posicionadas ao longo do topo do coletor, particularmente se o coletor estiver virado para o oeste. Para combater esse problema, a Matrix Energy patenteou um coletor transpirado com uma posição de saída de ar inferior e estrutura de cavidade perfurada para perpetuar a turbulência de ar aumentada atrás do absorvedor perfurado para aumentar o desempenho.
Esta vista em corte mostra os componentes do coletor solar transpirado MatrixAir e o fluxo de ar. A entrada de ar inferior reduz a entrada de ar aquecido no sistema HVAC durante a operação de verão.
O monitoramento extensivo da Natural Resources Canada e da NREL mostrou que os sistemas coletores solares transpirados reduzem entre 10-50% da carga de aquecimento convencional e que o RETScreen é um preditor preciso do desempenho do sistema. coletores solares transpirado actuar como um écran guarda-chuva e também capturar a perda de calor que escapa do invólucro do edifício que é recolhida na cavidade de ar do colector e retirada para dentro do sistema de ventilação. Não há necessidade de manutenção com sistemas de aquecimento solar e a expectativa de vida é de mais de 30 anos.
Variações de coletores solares transpirados
Coletores transpirados não vidrados também podem ser montados no teto para aplicações nas quais não há uma parede virada para o sul ou para outras considerações arquitetônicas. Matrix Energy Inc. patenteou um produto montadas no teto chamado de “Delta” uma modular, sistema de aquecimento solar do ar montado no telhado onde sul, fachadas leste ou oeste enfrentando simplesmente não estão disponíveis.
Cada módulo de 10 pés (3,05 m) fornecerá 250 CFM (425 m3 / h) de ar fresco pré-aquecido, proporcionando tipicamente uma economia anual de energia de 1100 kWh (4 GJ). Este coletor transpira- dor modular montado em telhado, de dois estágios, operando com quase 90% de eficiência em cada módulo, fornecendo mais de 118 l / s de ar pré-aquecido para cada coletor de dois metros quadrados. Até sete coletores podem ser conectados em série em uma linha, sem limite para o número de linhas conectadas em paralelo ao longo de um duto central, produzindo normalmente 4 CFM de ar pré-aquecido por pé quadrado da área de teto disponível. +
Os coletores transpirados podem ser configurados para aquecer o ar duas vezes para aumentar a temperatura do ar fornecida, tornando-o adequado para aplicações de aquecimento ambiente, bem como para aquecimento do ar de ventilação. Em um sistema de dois estágios, o primeiro estágio é o típico coletor transpirado não vidrado e o segundo estágio tem envidraçamento cobrindo o coletor transpirado. O envidraçamento permite que todo o ar aquecido do primeiro estágio seja direcionado através de um segundo conjunto de coletores transpirados para um segundo estágio de aquecimento solar.
Coletores solares térmicos gerando eletricidade
Calhas parabólicas, pratos e torres descritos nesta seção são usados quase exclusivamente em estações geradoras de energia solar ou para fins de pesquisa. Calhas parabólicas têm sido usadas para alguns sistemas comerciais de ar condicionado solar. Embora simples, estes concentradores solares estão muito longe da concentração máxima teórica. Por exemplo, a concentração da calha parabólica é de cerca de 1/3 do máximo teórico para o mesmo ângulo de aceitação, ou seja, para as mesmas tolerâncias globais para o sistema. Aproximar-se do máximo teórico pode ser alcançado usando concentradores mais elaborados baseados em ótica sem imagem. Coletores solares térmicos também podem ser usados em conjunto com coletores fotovoltaicos para obter calor e energia combinados.
Calha parabólica
Este tipo de coletor é geralmente usado em usinas de energia solar. Um refletor parabólico em forma de calha é usado para concentrar a luz solar em um tubo isolado (tubo de Dewar) ou tubo de calor, colocado no ponto focal, contendo refrigerante que transfere o calor dos coletores para as caldeiras na estação de energia.
Prato parabólico
Com um coletor de pratos parabólicos, uma ou mais antenas parabólicas concentram a energia solar em um único ponto focal, semelhante à maneira como um telescópio refletor concentra a luz das estrelas, ou uma antena parabólica concentra as ondas de rádio. Esta geometria pode ser usada em fornos solares e usinas de energia solar.
A forma de uma parábola significa que os raios de luz entrantes, que são paralelos ao eixo do prato, serão refletidos em direção ao foco, não importando aonde chegam os pratos. A luz do sol chega à superfície da Terra quase completamente paralela, e o prato está alinhado com o seu eixo apontando para o sol, permitindo que quase toda radiação recebida seja refletida em direção ao ponto focal do prato. A maioria das perdas nesses coletores se deve a imperfeições na forma parabólica e na reflexão imperfeita.
Perdas devido à dispersão atmosférica são geralmente mínimas. No entanto, em dias de neblina ou neblina, a luz é difundida em todas as direções pela atmosfera, o que reduz significativamente a eficiência de um prato parabólico.
Em projetos de usinas elétricas, um motor de stirling acoplado a um dínamo é colocado no foco do prato. Isso absorve a energia focada nela e a converte em eletricidade.
Torre de energia
Uma torre de energia é uma grande torre cercada por espelhos de rastreamento chamados heliostats. Esses espelhos se alinham e concentram a luz do sol no receptor no topo da torre, o calor coletado é transferido para uma estação de energia abaixo. Este design atinge temperaturas muito altas. Altas temperaturas são adequadas para geração de eletricidade usando métodos convencionais como turbina a vapor ou uma reação química direta a alta temperatura, como sal líquido. Ao concentrar a luz solar, os sistemas atuais podem obter melhor eficiência que as células solares simples. Uma área maior pode ser coberta usando espelhos relativamente baratos em vez de usar células solares caras. A luz concentrada pode ser redirecionada para um local adequado através de um cabo de fibra ótica para usos como iluminação de edifícios. O armazenamento de calor para produção de energia durante condições nubladas e durante a noite pode ser realizado, muitas vezes pelo armazenamento subterrâneo de líquidos aquecidos. Os sais fundidos foram usados com bons resultados. Outros fluidos de trabalho, como metais líquidos, também foram propostos devido às suas propriedades térmicas superiores.
No entanto, os sistemas de concentração exigem rastreamento solar para manter o foco da luz solar no coletor. Eles são incapazes de fornecer energia significativa em condições de luz difusa. As células solares são capazes de fornecer alguma saída, mesmo se o céu ficar nublado, mas a saída de energia dos sistemas de concentração cai drasticamente em condições nubladas, pois a luz difusa não pode ser concentrada.