Artigo sobre energia solar térmica
Conteúdo
Parte II
Energia Solar Térmica
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O que é a energia solar térmica?
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História
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Coletores solares térmicos e aplicações
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Tipos de coletores solares para aquecimento
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Tipos de coletores solares para geração de eletricidade
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Aquecimento solar de águas
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Fontes
O que é a energia solar térmica?
A energia solar térmica é a conversão da energia solar em energia de calor utilizável.
A radiação que atinge a superfície terrestre diariamente (tendo em conta o período de 24h) é de cerca de 165
W/m2 (com significativas variações significativas dependendo da latitude, altitude e estado do tempo). De forma
a poder fazer uso deste recurso energético, o ser humano começou a olhar de forma mais intensa para a questão
da energia solar térmica (calor da radiação solar) e fotovoltaico ( eletricidade a partir do sol).
O total da energia que aquece da superfície da terra é mais de cinco mil vezes superior do que a energia
necessária para a humanidade, o potencial é maior do que qualquer outra energia renovável em conjunto.
História
A primeira aplicação prática do uso da energia solar térmica remota à antiguidade (800 AC – 600 DC) quando
espelhos queimados ou côncavos eram usados para focar os raios de luz. O uso passivo da energia solar era
aplicado no Egito, Mesopotâmia e nas primeiras civilizações Sul Africanas como se pode comprovar pela
arquitetura destes edifícios. Por exemplo, as portas eram colocadas de forma a estarem longe de lados solarengos
no pico do sol ao meio dia. Em climas frios as portas e as janelas eram orientadas de forma perfeita no lado da
casa protegido do vento mas tanto quanto possível no alinhamento do sol do meio dia.
No século 18 o cientista Horace-Bénédict de Saussure inventou o precursor dos atuais painéis solares.
Despoletado pela primeira crise do petróleo de meados 1970 as aplicações práticas para o uso da energia solar
estavam a ser desenvolvidas.
A primeira patente mundial para um sistema solar foi atribuída ao fabricante de metal Clarence M. Kemp de
Baltimore em 1891. Era um simples coletor de aquecimento de água.
A tocha Olímpica é tradicionalmente acendida através da focalização de espelhos desde tempos antigos.
Coletores solares térmicos e suas aplicações
Um coletor é um aparelho para converter a energia contida na radiação solar em forma de energia usável ou
possível de armazenar. A energia contida na luz solar encontra-se sob a forma de radiações eletromagnéticas
desde ondas infravermelhas (longas) a ultravioletas (curtas). A energia solar que atinge a superfície da terra
depende das condições atmosféricas assim como da localização e orientação da superfície, mas de forma geral,
varia entre 1,000 Watts por metro quadrado em dias de céu limpo e com a superfície diretamente perpendicular
aos raios solares.
Um coletor solar térmico é um coletor específico para recolher calor através da absorção da luz solar. O termo é
aplicado a painéis solares de água quente mas também pode ser usado para instalações mais complexas tais
como parabólicas solares, pias solares e torres solares ou ainda em instalações mais simples tais como
aquecimento solar do ar.
Os coletores mais complexos são normalmente usados em centrais energéticas solares onde o calor do sol é
usado para gerar eletricidade deforma a aquecer a água e gerar assim vapor acionando uma turbina ligada a um
gerador elétrico. Os coletores mais simples são tradicionalmente usados como espaço suplementar de
aquecimento em edifícios residenciais e comerciais.
Tipos de coletores solares para aquecimento
Os coletores solares enquadram-se em duas categorias gerais: não concentradores e concentradores. No tipo não
concentrador a área do coletor (por exemplo na área que interceta a radiação solar) é a mesma que a área de
absorção (por exemplo na área de absorção da radiação). Neste tipo a totalidade do painel solar absorve a luz.
Pratos rasos e coletores de tubo de evacuação são usados para recolher calor para aquecimento de espaços ou
águas sanitárias.
Coletores de prato raso
Sistema de prato termal raso para aquecimento num telhado plano.
Source: http://en.wikipedia.org/wiki/coletor termico solar, 25.11.2010
Coletores de prato, desenvolvidos 1950, são o tipo mais comum. Estes são compostos pratos rasos escuros para
absorver a energia solar, uma película transparente que permite a passagem da luz solar mas reduz a perdas de
calor, um líquido de aquecimento para transportar (ar, anticongelante ou água) o calor remoto do absorvedor e
um revestimento de fundo para calor. O absorvedor consiste de uma folha fina absorvente (feita de polímeros
térmicos estáveis, alumínio, aço ou cobre ao qual é aplicado uma tez preta ou outra escolhida) frequentemente
apoiada por uma grelha ou bobine de tubo fluído colocada numa caixa isolada com uma cobertura de vidro ou
poli-carbonato. Em painéis de aquecimento de águas o fluido circula através da turbina par transferir calor do
absorvedor para um tanque de água isolado. Isto pode ser alcançado de forma direta ou através de um alternador
de calor. Alguns dos fabricantes de ar aquecido ou de aquecimento de águas têm um absorvedor completamente
submerso que é composto por duas folhas de metal por entre as quais passa o fluído. Devido ao facto de a área de
transferência ser maior poderão ser mais eficazes do que os absorvedores tradicionais.
Existem variados tipos de configurações de canos de absorvedores:
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Em harpa – design tradicional com canos no fundo que se até ao topo, usados em sistemas de
termossifão e bomba
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Serpentinas – um S contínuo que maximiza as temperaturas mas não a totalidade do campo energético
em sistemas de corrente variável, usado em aparelhos compactos de uso doméstico para aquecimento de
águas ( não tem a função de aquecimento de espaços).
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Um absorvedor completamente submerso composto por duas folhas de metal estampado de formar a
criar uma zona de circulação. Devido ao facto de a zona de troca de calor ser superior poderão ser
bastante mais eficazes que os absorvedores tradicionais.
A maioria dos coletores de pratos rasos tem uma durabilidade de mais de 25 anos.
Coletores de Tubos evacuados
Fonte: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vakuumroehrenkollektor_01.jpg, 19,11,2010
A maior parte dos coletores de tubo em vácuo usam canos aquecidos para o seu interior ao contrário de fazer
passar o líquido diretamente por eles. Os canos aquecidos dos tubos de vácuo (EHPT's) são compostos por vários
tubos de vidro contendo cada um um prato absorvedor fundido a um cano aquecido. O calor vindo da
extremidade quente dos tubos aquecidos é depois transferido para o líquido de transferência (mistura de água ou
anticongelante – normalmente propileno de glicol) de um sistema de águas quentes sanitárias ou aquecimento
hidrónico de espaços num transferidor de calor chamado “mainfold”. O “mainfold” é embrulhado em isolamento e
coberto por uma folha de metal ou caixa de plástico de forma a protegê-lo da exposição aos elementos temporais.
O vácuo que envolve o exterior do tubo reduz de forma significativa perdas de calor, de convecção e de
condutância, para o exterior conseguindo assim maior eficácia que os coletores de pratos rasos , particularmente
em condições mais frias. Esta vantagem é bastante perdida em climas mais quentes exceto em casos em que o
calor extremo seja o intuito desejado, por exemplo a comercialização de água quente. As temperaturas elevadas
que podem ocorrer podem requerer um sistema especial para evitar ou mitigar condições de sobreaquecimento.
Tubo de vácuo vidro-vidro
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Evacuated_tube_diagram.jpg, 19,11,2010
Alguns tubos de vácuo (vidro-metal) são feitos de uma camada de vidro que
se funde com os canos de calor no cimo e encerra o cano e o absorvedor em
vácuo. Outros (vidro-vidro) são feitos com uma dupla camada de vidro
fundido junto por uma ou duas pontas com o vácuo entra as camadas ( como
se fosse uma garrafa ou frasco de vácuo ) com o absorvedor e os canos de
calor a uma pressão atmosférica normal. Os tubos de vidro-vidro têm um
vácuo bastante estável selado mas as duas camadas de vidro reduz a luz que
atinge o absorvedor e existe alguma possibilidade que a humidade penetre
na área que não esteja em vácuo e acabe por causar a corrosão do
absorvedor. Os tubos de metal-vidro permitem que mais luz atinja o absorvedor e protegem os tubos aquecidos
(contidos no vácuo) da corrosão mesmo que sejam feitos de materiais dissimilares (ver corrosão galvanizada).
Os espaços entre os tubos podem permitir que a neve caia através do coletor minimizando a perda de produção
em algumas condições de neve, apesar da falta calor irradiado dos tubos poder também prevenir o derretimento
efetivo da neve acumulada.
Coletores solares de ar aquecido
Coletor de ar “transpirado” envidraçado
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Transpired_Air_Collector.PNG
Os coletores Solares de Ar Aquecido diretamente para ar aquecido
são principalmente usados para aquecimento de espaços. Também são
usados para para a pré-instalação de aquecimento em sistemas HVAC
industriais e comerciais. Enquadram-se em duas categorias: Espelhados e
não espelhados.
Os sistemas espelhados têm uma folha superior transparente bem como
painéis laterais e traseiros isolados de forma a minimizar as percas de calor
para o ar ambiente. Os pratos absorvedores nos painéis modernos atingem
um poder de absorção de mais de 93 %. O ar passa ao longo da parte de trás ou da frente do prato absorvedor
enquanto que o calor passa diretamente através dele. O ar aquecido pode então ser distribuído diretamente por
aplicações tais como aquecimento de espaços e secagem ou pode também ser armazenado para uso posterior.
Os sistemas não espelhados, ou sistemas de ar transpirável, são compostos por um prato absorvedor pelo qual
atravessa ou sobre-passa o ar à medida que retira o calor do absorvedor. Estes sistemas são tradicionalmente
usados para a para a pré instalação de sistemas de aquecimento do ar em edifícios comerciais.
Estas tecnologias encontram-se entre as mais eficientes, fiáveis e das tecnologias disponíveis solares mais
económicas. O retorno dos painéis solares espelhados de ar aquecido podem ser inferiores a 9-15 anos
dependendo do combustível que seja substituído.
Tipos de coletores para a geração de eletricidade
As pias parabólicas, pratos e torres descritas nesta secção são usadas de forma quase exclusiva em estações de
produção de energia solar ou para propósitos de pesquisa.
Pias parabólicas
Este tipo de coletores é geralmente usada em centrais de energia solar. Um
refletor de parabólica em forma de pia é usado para concentrar a luz num tubo
isolado (tubo Dewar) ou cano de calor, colocados no ponto fulcral que contém
líquido de refrigeração que transfere calor para as caldeiras na central
de
energia.
Sistemas de produção de Energia Solar (SEGS), Califórnia, EUA
Ler mais acerca do projeto aqui
Prato Parabólico
É o género mais potente de coletor que concentra a luz solar num só ponto focal
através de um ou mais pratos de parabólicas – dispostos de forma semelhante
ao modo como um telescópio foca as estrelas, ou um prato de antena foca as
ondas rádio. Esta geometria pode ser usado em fornalhas solares e centrais de
energia solar.
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Energia solar concentrada, 25.11.2010
Torre de energia
A torre é uma torre larga rodeada por espelhos que rastreiam o sol chamados
heliostatos. Estes espelhos alinham-se e focam a luz solar no recetor colocado
no topo da torre, o calor recolhido é transferido para uma central de energia
em baixo.
Fonte: http://www.solartum-juelich.de/en
Leia mais no artigo Energia Solar Concentrada (CSP)
Aquecimento solar de água
Termossifão fechado e emparelhado montado no topo de um
telhado para aquecimento solar de águas, Fonte:
http://en.wikipedia.org/wiki/Aquecimento solar de agua
Os sistemas de aquecimento solar de água
(SWH)
contém várias inovações e muitas tecnologias já maduras de
energias renováveis
que foram já adotadas em muitos
países há vários anos. SWH tem sido bastante usado em
Israel, Austrália, Japão, Áustria e China.
Num sistema SWH “fechado e emparelhado” o
reservatório
é montado na horizontal e imediatamente por cima dos
coletores solares no
telhado. Não é necessário nenhum tipo de
bombeamento uma vez que a água
quente sobe
de forma natural para o tanque através do fluxo do termossifão. Num sistema com “bomba
circuladora” o reservatório é montado no chão ou no pavimento e encontra-se abaixo do nível dos coletores; uma
bomba circuladora move a água ou o líquido de transferência de calor entre o reservatório e os coletores.
Os sistemas SWH são concebidos para oferecer a maior quantidade possível de água quente para a quase
totalidade do ano.
Contudo, no inverno poderá por vezes não ser suficiente o calor solar gerado para fornecer água quente em
quantidade suficiente. Neste caso um esquentador a gás ou elétrico é normalmente usado para aquecer a água.
Japão
EUA
Outros
Austrália
Índia
Brasil
Turquia
União
Europeia
Novas instalações de aquecimento solar de águas
durante 2007 a nível mundial, Fonte:
http://en.wikipedia.org/wiki/File:SolarGlobal2007V2.png,
25.11.2010
O mundo assistiu a um crescimento rápido do uso de
sistemas de aquecimento solar de águas a partir de 1960,
sendo estes sistemas também comercializados no Japão e
Austrália. A inovação técnica melhorou o desempenho, a
durabilidade e a facilidade de utilização destes sistemas.
A instalação de sistemas de aquecimento solar de águas
tornou-se norma em países com radiação solar abundante,
tais como o Mediterrâneo, Japão e Austrália.
Em 2005 a Espanha tornou-se o primeiro país a nível
mundial a exigir a instalação de painéis fotovoltaicos de
Fonte
produção elétrica em edifícios novos e o segundo (depois de Israel) a requerer instalação de sistemas soares de
aquecimento de águas em 2006.
a Austrália possui um vasto leque de incentivos (nacionais e estaduais) e regulamentos (estado) para solares
térmicos introduzidos começando pelos MRET em 1997.
Os sistemas de aquecimento solar de águas tornaram-se populares na China, em que os modelos mais básicos
rondam os 1,500 yuan ( 190 dólares), muito mais baratos que nos países do Oeste (cerca de 80% mais baratos
para um determinado tamanho de coletor). Diz-se que pelo menos 30 milhões de habitações chinesas têm já um e
que a sua popularidade se prende com a eficácia dos tubos de vácuo, os quais permitem que os aquecedores
funcionem mesmo com céus encobertos e temperaturas abaixo de 0. Israel e Chipre são os utilizadores lideres
per capita na utilização de sistemas de aquecimento solar de água com cerca de 30% - 40% das habitações
equipadas com estes sistemas.
Fontes
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_collector, 25.11.2010
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vakuumroehrenkollektor_01.jpg, 19.11.2010
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Evacuated_tube_diagram.jpg, 19.11.2010
http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power, 25.11.2010
http://www.solarturm-juelich.de/en, 25.11.2010
http://www.solaripedia.com/13/32/solar_energy_generating_systems_%28mojave_desert,_californi
a,_usa%29.html
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Calefon_solar_termosifonico_compacto.jpg, 25.11.2010