Coletores solares: tipos, princípio de operação, projeto do sistema
Bombas de calor extrair energia do solo, água ou ar aquecido pelo sol. As caldeiras usam o calor liberado durante a combustão do combustível, que no final também é um produto da conversão de energia solar durante a longa evolução da Terra. Os coletores solares são, em certo sentido, únicos: eles recebem energia diretamente do sol.
Para ter a oportunidade amanhã de aquecer água para água quente sanitária absolutamente grátis ou aquecer sua casa, hoje você ainda precisa gastar dinheiro na compra de coletores solares. Dado o custo considerável de tais equipamentos, é muito importante não cometer erros ao escolher. Portanto, você deve ter pelo menos idéias gerais sobre as especificidades dos coletores solares e as nuances de seu trabalho.
Conteúdo:
As especificidades do uso de coletores solares
A principal característica dos coletores solares que os diferencia de outros tipos de geradores de calor é a natureza cíclica de seu trabalho. Sem sol - sem energia térmica. Como resultado, essas instalações são passivas à noite.
A produção média diária de calor depende diretamente da duração do horário de verão. Este último é determinado, primeiro, pela latitude geográfica da área e, segundo, pela época do ano. Durante o período de verão, durante o qual o pico de insolação cai no hemisfério norte, o coletor trabalha com a máxima eficiência. No inverno, sua produtividade cai, atingindo o mínimo entre dezembro e janeiro.
No inverno, a eficiência dos coletores solares diminui não apenas devido a uma diminuição na duração do horário de verão, mas também devido a uma mudança no ângulo de incidência da luz solar. As flutuações no desempenho do coletor solar durante o ano devem ser levadas em consideração no cálculo de sua contribuição para o sistema de suprimento de calor.
Outro fator que pode afetar a produtividade do coletor solar são as características climáticas da região. No território de nosso país, há muitos lugares onde, por mais de 200 dias por ano, o sol está escondido atrás de uma espessa camada de nuvens ou atrás de um véu de neblina. Em tempo nublado, o desempenho do coletor solar não cai para zero, pois é capaz de capturar a luz solar dispersa, mas é significativamente reduzido.
O princípio de operação e tipos de coletores solares
É hora de dizer algumas palavras sobre o dispositivo e o princípio de operação do coletor solar. O principal elemento de seu design é um adsorvedor, que é uma placa de cobre com um tubo soldado a ela. Absorvendo o calor da luz solar que cai sobre ele, o prato (e com ele o cano) esquenta rapidamente. Esse calor é transferido para o líquido de arrefecimento líquido que circula pelo tubo e, por sua vez, o transporta ainda mais pelo sistema.
A capacidade do corpo físico de absorver ou refletir os raios do sol depende, antes de tudo, da natureza de sua superfície. Por exemplo, uma superfície de espelho reflete perfeitamente luz e calor, mas o preto, pelo contrário, absorve. É por isso que um revestimento preto é aplicado à placa de cobre do adsorvedor (a opção mais simples é tinta preta).
O princípio de operação do coletor solar
1. Coletor solar.
2. Tanque tampão.
3. Água quente.
4. Água fria.
5. O controlador.
6. Trocador de calor.
7. Pump
8. Fluxo quente.
9. Fluxo frio.
É possível aumentar a quantidade de calor recebido do sol pela seleção adequada de vidro que cobre o adsorvedor. O vidro comum não é transparente o suficiente.Além disso, brilha, refletindo parte da luz do sol caindo sobre ele. Em coletores solares, em regra, eles tentam usar vidro especial com baixo teor de ferro, o que aumenta sua transparência. Para reduzir a fração da luz refletida pela superfície, um revestimento anti-reflexo é aplicado ao vidro. E para que a poeira e a umidade, que também reduzem a vazão do vidro, não entrem no coletor, a caixa é selada e, às vezes, até preenchida com um gás inerte.
Apesar de todos esses truques, a eficiência dos coletores solares ainda está longe de 100%, devido à imperfeição de seu design. A placa adsorvente aquecida irradia parte do calor recebido no ambiente, aquecendo o ar em contato com ela. Para minimizar a perda de calor, o adsorvedor deve ser isolado. A busca por um método eficaz de isolamento térmico do adsorvedor levou os engenheiros a criar várias variedades de coletores solares, sendo os mais comuns os de vácuo plano e tubular.
Coletores solares planos
Coletores solares planos.
O design de um coletor solar plano é extremamente simples: é uma caixa de metal coberta de vidro por cima. Para isolamento térmico do fundo e das paredes do corpo, como regra, é usada lã mineral. Esta opção está longe de ser ideal, pois a transferência de calor do adsorvedor para o vidro através do ar dentro do duto não é excluída. Com uma grande diferença de temperatura dentro e fora do coletor, a perda de calor é bastante significativa. Como resultado, um coletor solar plano, que funciona perfeitamente na primavera e no verão, se torna extremamente ineficiente no inverno.
Dispositivo coletor solar plano
1. Tubo de entrada.
2. Vidro de proteção.
3. A camada de absorção.
4. Moldura de alumínio.
5. Tubos de cobre.
6. Isolador térmico.
7. Tubo de saída.
Coletores solares a vácuo tubular
Coletores solares a vácuo tubulares.
O coletor solar a vácuo é um painel que consiste em um grande número de tubos de vidro relativamente finos. Dentro de cada um deles há um adsorvedor. Para excluir a transferência de calor por gás (ar), os tubos são evacuados. Devido à falta de gás perto dos adsorventes, os coletores de vácuo são caracterizados por baixas perdas de calor, mesmo em clima frio.
Dispositivo coletor de vácuo
1. Isolamento térmico.
2. Caixa do trocador de calor.
3. Trocador de calor (coletor)
4. Cortiça selada.
5. Tubo de vácuo.
6. Capacitor.
7. Placa absorvente.
8. Tubo de calor com fluido de trabalho.
Aplicações para coletores solares
O principal objetivo dos coletores solares, assim como de outros geradores de calor, é aquecer edifícios e preparar água para um sistema de abastecimento de água quente. Resta descobrir qual o tipo de coletor solar mais adequado para desempenhar uma função específica.
Os coletores solares planos, como descobrimos, são caracterizados por um bom desempenho na primavera e no verão, mas são ineficazes no inverno. Daqui resulta que não é prático utilizá-los para aquecimento, cuja necessidade surge precisamente com o início do tempo frio. Isso, no entanto, não significa que não haja negócios para este equipamento.
Os coletores planos têm uma vantagem indiscutível - eles são significativamente mais baratos que os modelos a vácuo; portanto, nos casos em que é planejado usar energia solar exclusivamente no verão, faz sentido comprá-los. Os coletores solares planos lidam perfeitamente com a tarefa de preparar água para a água quente no verão. Ainda mais frequentemente, eles são usados para aquecer a uma temperatura confortável da água em piscinas externas.
Os coletores de vácuo tubulares são mais versáteis. Com o advento dos resfriados de inverno, seu desempenho diminui não tão significativamente quanto no caso dos modelos planos, o que significa que eles podem ser usados o ano todo.Isso possibilita o uso de coletores solares não apenas para o abastecimento de água quente, mas também no sistema de aquecimento.
Comparação de coletores solares planos e a vácuo.
Localização dos coletores solares
A eficiência do coletor solar depende diretamente da quantidade de luz solar que cai no adsorvedor. Daqui resulta que o coletor deve estar localizado em um espaço aberto, onde nunca (ou pelo menos o máximo possível) a sombra de prédios vizinhos, árvores localizadas perto de montanhas, etc.
De grande importância não é apenas a localização do coletor, mas também a sua orientação. O lado mais "ensolarado" do nosso hemisfério norte é o lado sul, o que significa que, idealmente, os "espelhos" do coletor devem ser virados exatamente para o sul. Se for tecnicamente impossível fazer isso, escolha a direção o mais próximo possível do sul - sudoeste ou sudeste.
Não se deve ignorar um parâmetro como o ângulo de inclinação do coletor solar. A magnitude do ângulo depende do desvio da posição do Sol em relação ao zênite, que por sua vez é determinado pela latitude geográfica da área em que o equipamento será operado. Se o ângulo de inclinação não for definido corretamente, a perda de energia óptica aumentará significativamente, pois uma parte significativa da luz solar será refletida no vidro do coletor e, portanto, não alcançará o absorvedor.
Como escolher o coletor solar certo
Se você deseja que o sistema de aquecimento de sua casa lide com a tarefa de manter uma temperatura confortável nas instalações e água quente ao invés de morna que flui das torneiras, e ao mesmo tempo planeje usar um coletor solar como gerador de calor, é necessário calcular antecipadamente a energia necessária do equipamento. Nesse caso, um número bastante grande de parâmetros deverá ser levado em consideração, incluindo o objetivo do coletor (fornecimento de água quente, aquecimento ou uma combinação dos mesmos), a demanda de calor do objeto (área total de salas aquecidas ou consumo médio diário de água quente), características climáticas da região e características da instalação do coletor.
Em princípio, fazer esses cálculos não é tão difícil. O desempenho de cada modelo é conhecido, o que significa que você pode estimar facilmente o número de coletores necessários para fornecer calor à casa. As empresas que produzem coletores solares têm informações (e podem fornecer ao consumidor) sobre a mudança na potência do equipamento, dependendo da latitude geográfica do terreno, do ângulo de inclinação dos “espelhos”, do desvio de orientação do sul, etc., o que permite fazer as alterações necessárias ao calcular o desempenho do reservatório.
Ao selecionar a potência do coletor necessária, é muito importante alcançar um equilíbrio entre a falta e o excesso de calor gerado. Os especialistas recomendam concentrar-se na potência máxima possível do coletor, ou seja, usar o indicador para a temporada de verão mais produtiva nos cálculos. Isso contradiz o desejo do usuário médio de levar equipamentos com uma margem (ou seja, para calcular a potência do mês mais frio), para que o calor do coletor seja suficiente em dias menos ensolarados de outono e inverno.
No entanto, se você seguir o caminho de escolher um coletor solar de maior potência, no auge de seu desempenho, ou seja, em clima quente e ensolarado, encontrará um problema sério: mais calor será produzido do que consumido e isso ameaça o superaquecimento do circuito e outras conseqüências desagradáveis . Existem duas opções para solucionar esse problema: instalar um coletor solar de baixa energia e conectar paralelamente fontes de calor redundantes em paralelo ou adquirir um modelo com uma grande reserva de energia e fornecer maneiras de descarregar o excesso de calor na primavera-verão.
Estagnação do sistema
Vamos falar um pouco mais sobre os problemas associados ao excesso de calor gerado.Portanto, suponha que você tenha instalado um coletor solar suficientemente poderoso que possa fornecer calor totalmente ao sistema de aquecimento da sua casa. Mas chegou o verão e a necessidade de aquecimento desapareceu. Se você pode desligar a energia de uma caldeira elétrica, desligar o suprimento de combustível de uma caldeira a gás, não temos energia sobre o sol - não podemos desligá-lo quando está muito quente.
A estagnação do sistema é um dos principais problemas potenciais dos coletores solares. Se for retirado calor insuficiente do circuito coletor, o líquido de refrigeração superaquece. Em um determinado momento, o último pode ferver, o que levará à interrupção de sua circulação ao longo do circuito. Quando o líquido de arrefecimento esfria e condensa, o sistema retoma a operação. No entanto, longe de todos os tipos de refrigerantes, transfira calmamente a transição de um estado líquido para um estado gasoso e vice-versa. Alguns como resultado do superaquecimento adquirem uma consistência gelatinosa, o que torna impossível a operação adicional do circuito.
Somente a remoção estável do calor produzido pelo coletor ajudará a evitar estagnação. Se o cálculo da potência do equipamento for feito corretamente, a probabilidade de problemas é quase nula.
No entanto, mesmo neste caso, a ocorrência de circunstâncias de força maior não é excluída; portanto, devem ser previstas formas antecipadas de proteção contra superaquecimento:
1. Instalação de um tanque de reserva para acúmulo de água quente. Se a água no tanque principal do sistema de abastecimento de água quente atingir o máximo definido e o coletor solar continuar fornecendo calor, a comutação ocorrerá automaticamente e a água começará a aquecer já no tanque de reserva. O estoque criado de água quente pode ser usado para necessidades domésticas mais tarde, em tempo nublado.
2. Água aquecida na piscina. Os proprietários de casas com piscina (não importa, interna ou externa) têm uma ótima oportunidade de desviar o excesso de calor. O volume da piscina é incomparavelmente maior que o de qualquer dispositivo de armazenamento doméstico, o que implica que a água não aquece tanto que não consegue mais absorver o calor.
3. Escorra a água quente. Na ausência da capacidade de gastar calor em excesso, você pode simplesmente drenar de maneira útil a água aquecida do tanque de armazenamento de água quente para pequenos esgotos em pequenas porções. A água fria que entra no tanque abaixa a temperatura de todo o volume, o que continua a remover o calor do circuito.
4. Trocador de calor externo com ventilador. Se o coletor solar tiver uma capacidade alta, o excesso de calor também poderá ser muito grande. Nesse caso, o sistema está equipado com um circuito adicional preenchido com refrigerante. Este circuito adicional é conectado ao sistema por meio de um trocador de calor equipado com um ventilador e montado fora do edifício. Se houver risco de superaquecimento, o excesso de calor entra no circuito adicional e é "liberado" no ar através do trocador de calor.
5. A descarga de calor no chão. Se, além do coletor solar da casa, houver uma bomba de calor no solo, o excesso de calor poderá ser enviado ao poço. Nesse caso, você resolve dois problemas ao mesmo tempo: por um lado, protege o circuito do coletor contra superaquecimento e, por outro, restaura a reserva de calor empobrecido no solo durante o inverno.
6. Isolamento do coletor solar da luz solar direta. Este método é tecnicamente um dos mais simples. É claro que subir no telhado e fazer a cortina manual do coletor não vale a pena - é difícil e inseguro. É muito mais racional instalar uma tela controlada remotamente, como uma persiana. Você pode até conectar a unidade de controle de triagem ao controlador - se a temperatura no circuito aumentar perigosamente, o coletor será fechado automaticamente.
7. Dreno do líquido de refrigeração. Este método pode ser considerado cardeal, mas ao mesmo tempo é bastante simples. Se houver risco de superaquecimento, o líquido de refrigeração é descarregado através de uma bomba para um tanque especial integrado ao circuito do sistema.Quando as condições se tornarem favoráveis novamente, a bomba retornará o líquido de arrefecimento ao circuito e o coletor será restaurado.
Outros componentes do sistema
Não basta simplesmente coletar o calor irradiado pelo sol. Ele precisa ser transportado, acumulado, transferido para os consumidores, todos esses processos devem ser controlados etc. Isso significa que, além dos coletores localizados no teto, o sistema contém muitos outros componentes que podem ser menos visíveis, mas não menos importantes. Vamos nos concentrar apenas em alguns deles.
Refrigerante
A função do líquido de refrigeração no circuito coletor pode ser realizada com água ou com um fluido sem congelamento.
A água tem várias desvantagens que impõem certas restrições ao seu uso como refrigerante em coletores solares:
- Em primeiro lugar, a temperaturas baixas, congela. Para que o líquido de refrigeração congelado não quebre os tubos do circuito, ele deverá ser drenado com a aproximação do clima frio, o que significa que no inverno você não receberá nem mesmo pequenas quantidades de energia térmica do coletor.
- Em segundo lugar, um ponto de ebulição não muito alto da água pode causar estagnação frequente no verão.
O líquido não congelante, diferentemente da água, tem um ponto de congelamento significativamente mais baixo e um ponto de ebulição incomparavelmente mais alto, o que aumenta a conveniência de usá-lo como refrigerante. No entanto, em altas temperaturas, o “não congelamento” pode sofrer alterações irreversíveis, portanto deve ser protegido contra superaquecimento excessivo.
Bomba adaptada para sistemas solares
Para garantir a circulação forçada do líquido de refrigeração ao longo do circuito coletor, é necessária uma bomba adaptada para sistemas solares.
Trocador de calor AQS
A transferência de calor do circuito do coletor solar para a água utilizada no suprimento de água quente ou para o meio de aquecimento do sistema de aquecimento é realizada por meio de um trocador de calor. Como regra, para o acúmulo de água quente, é usado um tanque grande com um trocador de calor já embutido. É racional o uso de tanques com dois ou mais trocadores de calor: isso permitirá que você tire calor não apenas do coletor solar, mas também de outras fontes (caldeira a gás ou elétrica, bomba de calor, etc.).
Automação
Um sistema tão complexo não pode prescindir da automação, que controla e controla o processo. O controlador permite automatizar o trabalho do coletor: analisa a temperatura no circuito e no tanque de armazenamento, controla a bomba e as válvulas responsáveis pelo movimento do líquido de refrigeração ao longo do circuito. Se o líquido de arrefecimento no circuito superaquecer e a água no tanque superaquecer, o controlador dará um comando para liberar o calor para um dissipador de calor alternativo - um tanque de água adicional ou um trocador de calor externo.
Se no final do dia a temperatura da água no tanque de armazenamento exceder a temperatura do líquido de arrefecimento no circuito coletor, a automação interromperá a circulação do líquido de arrefecimento ao longo do circuito para que o calor acumulado não seja liberado na atmosfera através do próprio coletor. Os controladores modernos permitem monitorar remotamente a operação do sistema e, se necessário, fazer ajustes.
Hoje não será difícil encontrar um coletor solar e nenhum dos componentes necessários para sua operação no mercado. É bem possível montar um sistema a partir de elementos adquiridos separadamente. No entanto, os fabricantes oferecem kits prontos, que incluem coletor, bombas, tanques de armazenamento, automação de controle etc. A compra de um kit não é apenas uma economia de tempo, mas também uma garantia do desempenho do sistema.
