Um coletor solar é um dispositivo, que utiliza a energia solar na forma ativa, capaz de transformar a radiação solar em energia térmica, através do aquecimento de um fluido.
No entanto, nem toda a radiação solar é aproveitada, como
em qualquer corpo, também no coletor solar pode haver perdas de três formas:
radiação, convecção e condução.
No caso do fluido ser a água, associado a um coletor solar temos um depósito
(ou dois) onde a água se encontra armazenada (este depósito não faz parte
do coletor, no entanto, existem fabricantes que incorporam o depósito nos
colectores). Se tivermos dois depósitos, um é para a água quente e outro para
a água fria.
A movimentação da água no depósito pode ser feita por termossifão, ou seja, a água quente flui (naturalmente) para a parte superior do depósito enquanto a água fria se concentra na parte inferior (isto acontece até toda a água do depósito se encontrar à mesma temperatura). Para isto acontecer sem o auxílio de nenhum motor o depósito tem de se localizar na parte superior do coletor (no mínimo 30 cm de distância entre o coletor e a base do depósito).
Em casas onde isto não é possível, ou seja, onde não é viável a colocação do depósito acima do coletor, coloca-se uma bomba que obriga à circulação da água – circulação forçada.
1767 – invenção do primeiro coletor solar chamado «caixa quente» por Horace Benedict de Saussure – na Suiça.
À invenção de Horace Saussure foi dado o nome de “caixa
quente” e consistiu na colocação de 5 caixas, de base quadrada, de vidro
transparente umas dentro das outras, variando o seu tamanho de 30 cm de base
por 15 cm de altura a 10 cm de base por 5 cm de altura. As cinco caixas foram
colocadas sobre uma tábua de madeira preta.
As radiações solares ao atravessar as paredes das cinco caixas aquecem o ambiente
interior pois o vidro é um isolante térmico. Horace, após ter deixado as caixas
durante algum tempo ao sol, mediu a temperatura no interior de todas as caixas
concluindo que a caixa exterior era a que registava a temperatura mais baixa,
aumentando a temperatura em cada caixa menor sucessiva.
O comportamento térmico desta «caixa quente» sugeriu a Horace de Saussure, que a atmosfera da terra teria um comportamento semelhante.
A terra tal como o fundo onde se apoiava a caixa quente recebe a radiação solar e transforma-a em calor.
Foram vários os cientistas que, durante o século XIX, construiram «caixas quentes». Porém, foi Sir John Herschel que, durante uma expedição em 1830 ao Cabo da Boa Esperança, construiu uma «caixa quente» onde cozinhou várias alimentos para as suas refeições, ficando por isso bastante conhecido.
Os relatos de Sir John Herschel chamaram a atenção de Samuel Pierpont Langley, astrofísico americano, que em 1881 realizou várias experiências com «caixas quentes».
Foi assim que, nos finais do século XIX se descobriu
que nas «caixas quentes» se conseguiam obter temperaturas superiores à da
ebulição da água – o protótipo dos coletores solares.
Os primeiros coletores solares a ser construídos, no séc. XIX, consistiam
em depósitos metálicos pintados de preto que eram colocados ao sol e de onde
se obtia água quente. O Climax, um coletor solar patenteado em Baltimore na
Califórnia em 1891, combinava a «caixa quente» com o depósito preto, conseguindo-se
assim conservar a água quente.
Foram vários os inventores que após este coletor tentaram
registar outras patentes com algumas variações deste coletor.
Em 1905, os direitos de fabricação do coletor Climax foram adquiridos pela
Solar Motor Company.
Apareceu, assim, o Climax Aperfeiçoado que consistia
num coletor semelhante ao Climax original mas onde o aquecimento, em dias
de sol, era mais acelerado e nos dias de mau tempo estava ligado a um sistema
de aquecimento de água alternativo (gás, por exemplo).
Em 1909, o engenheiro William J. Bailey colocou à venda um coletor solar onde
a água era aquecida e colocada num depósito à parte, para que à noite se pudesse
ter água ainda quente; este coletor ficou conhecido por “Dia e Noite”.
Este coletor funcionava por termossifão, ou seja, a água quente deslocava-se
para o depósito situado acima do coletor, enquanto que a água fria descia
por gravidade para a entrada do coletor (isto acontece pois a água quente
é mais leve que a água fria).
Com o passar dos anos a indústria dos coletores foi-se aperfeiçoando de forma a se obter uma menor perda térmica e um melhor aproveitamento da energia solar.
E assim, podemos ainda hoje usar os coletores solares, hoje em dia feitos com materiais não corrosivos e com uma maior eficiência energética.
Um coletor solar plano com cobertura é constituído por uma cobertura, uma placa absorvente, uma placa isoladora, um circuito com fluido (que pode ser um líquido ou ar) e uma caixa isoladora.
A cobertura é uma placa de vidro
temperado ou plástico transparente ou translúcido. A função desta cobertura
é a de produzir o efeito de estufa. Uma outra função da cobertura é proteger
todo o coletor das intempéries e reduzir as perdas de calor. Esta cobertura
tem um baixo coeficiente de condutividade térmica o que dificulta a transmissão
de calor de dentro para fora e elevada resistência mecânica. Normalmente é
feito um tratamento nos materiais usados de forma a ter uma superfície externa
anti-reflexo e interna com grande poder de reflexão.
A placa absorvente consiste numa placa de alumínio ou cobre
(são ambos bons condutores) de cor preta (as cores escuras absorvem mais energia
que as cores claras) que absorve os raios solares e os transforma em calor.
Ligado a esta placa está o circuito do fluido que por condução absorve a energia
da placa absorvente e a transmite ao fluido. Esta placa é revestida por um
material que retém a energia térmica de forma a facilitar a transmissão térmica,
geralmente Teflon.
A placa isoladora consiste numa camada de um material isolante
(por ex. poliuretano, lã de vidro ou esferovite) que não permite que o calor
absorvido pela placa absorvente seja perdido, ou seja, é uma camada que protege
a placa absorvente contra as perdas de energia por condução. Esta placa encontra-se
nas superfícies laterais e no fundo do coletor.
O circuito com fluido, constituído geralmente por tubos de
cobre, pode ser disposto numa sequência de tubos paralelos que se unem nas
extremidades ou em serpentina, o que assegura uma maior uniformidade no aquecimento
do fluido, no entanto, não é muito aconselhado em locais onde há muito gelo.
A caixa isoladora protege todo o sistema contra as perdas de energia e protege os componentes do coletor de maneira a o tornar durável e rentável. Para isolar convenientemente todos os componentes do coletor usam-se borrachas resistentes ao calor de forma a isolar e reter o mais possível todo o calor.
Existem vários tipos de coletores que se dividem em duas grandes categorias:
Coletores solares de baixa temperatura (até 70 ºC)
Coletores solares de alta temperatura (acima de 70ºC)
Coletores solares de baixa temperatura (até 70 ºC):
Coletor solar a ar
A aplicação principal deste tipo de coletores é a de aquecimento do ar de ventilação. Este tipo de coletores é semelhante ao coletor solar plano com cobertura, estando apenas a diferença no fluido de circulação. O ar é aquecido e insuflado nas divisões através de termoventilação por conveção ou por ventilação forçada.
Coletor solar plano com cobertura
A aplicação principal deste coletor é no aquecimento de água sanitária. O fluido, água proveniente de um depósito, percorre os tubos que se encontram no coletor e, por condução, aquece. O fluido é então conduzido, por convecção ou por bombeamento, novamente ao depósito (ficando na parte superior do mesmo) ou é conduzido para outro depósito.
Coletor solar plano sem cobertura
Este tipo de coletores são usados em piscinas ao ar livre, devido à periodicidade com que as piscinas funcionam, ou seja, geralmente estas são usadas em épocas do ano em que a radiação é mais elevada. O funcionamento destes coletores é análogo ao dos coletores planos com cobertura.
Coletor plano solar com concentrador parabólico (CPC)
A aplicação deste tipo de coletores é no aquecimento de água sanitária e também para usos industriais. O objetivo da construção destes coletores é a minimização das perdas de energia. Assim, a superfície absorvente, contrariamente ao que acontece com os coletores anteriores, não é uma superfície plana (ver figura), o que permite a captação dos raios solares provenientes da reflexão em espelhos que se encontram na parte inferior do tabuleiro. Esta superfície absorvente é de forma circunflexa o que permite uma maior focalização dos raios solares aumentando assim a capacidade térmica destes coletores. Junto à superfície absorvente circulam os tubos com o fluido a aquecer.
Coletor solar de tubos de vácuo
Este tipo de coletores solares com alto rendimento térmico, são usados para aquecimento de água sanitária e industrial (geração de vapor).
São constituídos por vários tubos concêntricos de vidro, material absorvente e cobre, onde circula o fluido (água).
Entre o tubo exterior e o tubo de material absorvente
é feito vácuo, o que reduz drasticamente as perdas de energia por conveção
e condução. Os tubos são individuais e estão dispostos paralelamente podendo
ser acrescentados ou retirados conforme a necessidade de água.
Coletores solares de alta temperatura (acima de 70ºC): Coletor solar
parabólico com um ou dois eixos de rotação
Este tipo de coletores de alta eficiência, usados para o aquecimento de fluidos
(em altas temperaturas - conseguem-se temperaturas acima dos 400 ºC), possuem
um ou dois eixos de rotação de forma a poderem captar as radiações solares
de uma forma mais rentável, a qualquer altura do dia. Ou seja, no caso do
coletor com um eixo de rotação, este acompanha o movimento solar apenas a
um nível, enquanto o coletor com dois eixos acompanha o movimento solar de
forma a que os raios solares incidam no coletor sempre de uma forma perpendicular
(o que aumenta a produção energética).
A energia solar é a energia mais
limpa e renovável que temos no nosso universo. As radiações solares são responsáveis
por muitas das manifestações energéticas que conhecemos.
Por ex. o vento (originado pelo aquecimento desigual da terra), a chuva, etc.
A energia solar é gratuita, é rentável, é segura e não produz qualquer tipo de resíduos.
O espectro eletromagnético da energia solar é constituído por raios gama, raios X, raios ultravioleta, luz visível, microondas, ondas rádio e raios infravermelhos.
Algumas destas radiações conseguem atravessar a atmosfera e chegar à superfície terrestre, assim, além da luz visível (cerca de 40%), também chegam até nós os raios ultravioletas, os raios infravermelhos e ondas rádio.
Estas radiações constituem o espectro solar. Podemos utilizar a energia solar térmica de duas formas: ativa ou passiva.
A ativa consiste em usar coletores ou painéis para aproveitamento (térmico ou elétrico) da energia do sol; a forma passiva consiste no aproveitamento da energia solar para aquecimento através da forma de conceber os edifícios (ou seja, por exemplo, a colocação de muitas janelas em edifícios, a posição das janelas na casa, etc).
O aproveitamento desta fonte de energia inesgotável e limpa torna-se, portanto, uma missão quase obrigatória.
Conclusão a energia solar é:
gratuita
limpa
segura
rentável.
Fonte: www.recet.pt
