Uma variante do efeito estufa é mostrada na figura abaixo.
Quanto ao que concerne à emissão infravermelha, o plástico se comporta analogamente ao vidro, a emissão infravermelha é absorvida pela colméia e parcialmente irradiada de volta. O desempenho deste desenho esta relacionado com o diâmetro das células da colméia e com sua altura.
Outro tipo de efeito de estufa existe, e pode ser usado independentemente ou combinado com a estufa do tipo de chapa negra / vidro comum. Este efeito se baseia em superfícies seletivas. Tais superfícies têm um elevado coeficiente de absorção na parte visível e infravermelha do espectro. Diferente do corpo negro, porém, têm um baixo coeficiente de emissão, e = 0,02 para o infravermelho, além de um comprimento de onda de 2 m m, aproximadamente. Logo, uma superfície seletiva sozinha, sem uma chapa de vidro aquecer-se-á à luz do Sol como uma estufa de chapa negra / vidro comum. Os revestimentos seletivos são obtidos pela deposição de películas de vários metais, por exemplo níquel negro eletrólito ou berílio; óxidos metálicos, por exemplo óxido de cobre obtido quimicamente, sobre alumínio polido, óxido de cobalto ou óxido de níquel, ou camadas de: Fe2O3, MgF2,SiO,SiN, depositadas a vapor, de modo a obter um efeito de interferência na luz. O silício e outros semicondutores, com sua alta absortância na faixa visível e transmitância no infravermelho, são também materiais seletivos. É importante combinar uma alta absortividade com uma elevada relação de absortância/emitância. Abaixo mostraremos algumas propriedades de alguns revestimentos seletivos.
| Película
|
Absortância Solar a |
Emitância Solar e |
Fator de Desempenho a / e |
|---|---|---|---|
| Tungstênio dentítrico |
0,96 |
0,26 |
3,7 |
| Silício sobre Prata |
0,76
|
0,06 (773 K) |
12 |
| Níquel Negro
|
0,90 |
0,08 (573 K) |
11 |
| Cromo Negro
|
0,98 |
0,19 (573 K) |
5,1 |
| Cromo Negro sobre níquel prateado |
0,93 |
0,19 (573 K) |
4,8 |
| Zr Ny sobre prata |
0,85 |
0,03 (600 K) |
24 |
O mecanismo nas superfícies seletivas é o seguinte: fixam-se tubos na chapa, que ficam nela integrados. Um líquido circula pelos tubos e transporta o calor ao consumidor. As chapas receptoras com os tubos são montados num material com baixa condutividade térmica. Na prática este desenho é muito ineficiente, por causa da perda de calor para o ar ambiente em contato com a chapa aquecida. Portanto uma chapa de vidro é sempre usada, porque não só irradia de volta metade da radiação térmica, mas também isola a chapa aquecida da convecção aérea. O novo dispositivo atinge 150oC, se nenhum calor for dele extraído. Seu desempenho pode ser aperfeiçoado ainda eliminando a maioria das perdas devidas a convecção aérea, se o ar entre a chapa de vidro e a chapa de absorção for evacuado, a temperatura de regime constante pode elevar-se ainda mais.
Que eficiência poderia ser atingidas com coletores de chapa plana? Não há resposta simples para esta pergunta, pois há toda uma faixa de rendimentos, dependendo não só do parâmetros do projeto, mas também da intensidade da luz e das condições climáticas, temperatura mínima da demanda, taxa de extração do calor, e outros. Uma outra complicação é que o rendimento de um dado coletor não é constante ao longo do dia: assim como uma sala não aquecida que inicialmente requer um calor extra antes de atingir uma temperatura constante, o coletor inteiro, isto é, o vidro, o absorvedor de metal e o isolamento à sua volta, bem como o ar que encerra, tem de ser aquecidos pelo Sol da manhã, depois de uma noite fria. Portanto, todos os coletores solares operam com saída máxima à tarde, quando a inércia térmica do sistema foi vencida.
Em operação normal, o rendimento global de um coletor de chapa plana, h c, de qualquer coletor térmico solar pode ser expresso como o produto de um rendimento óptico h o e de um rendimento de acumulação térmica, h t. O rendimento óptico é, em primeira aproximação, independente da temperatura de operação do sistema e da intensidade de luz, mas depende do ângulo de incidência da luz. O rendimento de acumulação térmica, por outro lado, é função da temperatura do sistema e da intensidade da luz.
O desempenho de um dado coletor de calor depende muito de sua localização. Nas regiões onde a maior parte do tempo a intensidade solar é adversamente afetada por nuvens, neblinas, e outros tipos de absorção atmosférica, o rendimento médio pode ser substancialmente inferior aos climas ensolarados; pode mesmo mostrar-se impraticável o uso do aquecimento solar durante parte do ano. Em qualquer caso, o uso dos coletores solares exige um dimensionamento cuidadoso, levando em consideração pormenores das condições climáticas do local do usuário. Isto demanda medidas precisas do perfil da intensidade solar durante dias, semanas e anos.
As aplicações domésticas dos captadores se mostram presentes em aquecimento de água sanitária, aquecimento de piscinas e de ambientes.
O aquecimento de água sanitária é bem simples, geralmente constituído por tubos, por onde a água passa, próximos ao coletor.
A circulação da água através do coletor é garantida pelo efeito de termo-sifão, provocado pela convecção por gravidade, ou seja, havendo Sol, o fluído aquecido no coletor se desloca para cima, pois sua densidade é inferior à do fluído não aquecido. No circuito estando fechado, o fluído quente por sua vez é substituído pelo frio que, então, é aquecido no coletor e se desloca para cima. A circulação continuará esquentando o coletor que continua sob a ação da radiação do Sol. A velocidade da circulação aumenta com a intensidade da insolação.
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Para garantir uma produção permanente de água quente, inclusive nos períodos ‘sem Sol’, é preciso associar um sistema convencional de aquecimento de água ao sistema solar, ou seja, o coletor sozinho não é um aquecedor completo; é preciso adicionar a ele uma tubulação, uma bomba de circulação e sobretudo um sistema de aquecimento auxiliar, convencional.
O aquecimento de piscinas se dá por um coletor solar separado. O coletor é instalado à volta da piscina como uma grade. O próprio coletor pode ser muito simples, consistindo de uma folha pintada de negro, encerrada em plástico. A água da piscina é alimentada ao coletor por uma bomba, podendo ser a mesma bomba do filtro, e então passa pela frente e pela traseira da chapa antes de voltar à piscina. Uma superfície aproximadamente igual a da piscina, no coletor, é precisa para elevar a temperatura da água de 1oC.
Quando falamos de aquecimento de ambientes, lembramos de casas solares, que não são uma idéia nova. As primeiras foram construídas na década de 30 nos EUA (casas solares do Massachusetts Institute of Technology) e a partir da década de 60 na Europa, sendo a primeira em Odeillo. Bom, como no caso do aquecimento de água sanitária, temos o problema da armazenamento térmico, afinal durante o dia, quando a energia é captada, é o período de menos necessidade, se não tivermos um sistema que conserve esta energia em forma de calor em nosso fluído, de nada adianta o sistema se quando mais necessitamos dele ele não nos atende. O processo pelo qual o fluído guarda a energia nada mais é do que o dado pela simples equação de calorimetria que aprendemos no colegial.
Nosso Q é medido em Cal (calorias), m em g (gramas), D q é nossa variação de temperatura (K) e o c é o calor específico, ele dá a capacidade de armazenamento de energia em forma de calor da substância, por isso é dado em Cal/g.K, na água este valor é 1.
Além dos coletores, precisamos de outros meios que nos permitem armazenar esta energia durante a noite. Estes sistemas compreendem:
Um sistema de transferência de calor para evacuar o calor solar do coletor (tubulação).
Um armazenamento térmico.
Um sistema de regulagem.
Nos climas temperados, em nenhum caso é possível renunciar a um aquecimento convencional de apoio integrado ao sistema de aquecimento solar.
Sem armazenamento , como já visto, o sistema solar forneceria aquecimento somente nas horas de maior radiação, quando não se tem real necessidade. O objetivo deste, portanto, é de, defasando a transferência de energia solar, garantir sua distribuição à noite e nas manhãs de céu nublado, quando o aquecimento é necessário.
