O coletor solar de placa plana (C.P.P.)
O coletor de placa plana costuma se integrar nos denominados
sistemas de energia solar de baixa temperatura que se caracterizam
por empregá-lo como elemento receptor de energia.
Sua principal aplicação é o aquecimento
de água para uso sanitário, sendo o sistema
ativo mais simples.
Elementos de um coletor solar de placa plana
Para fazer uma boa escolha do tipo de coletor, tem que se
conhecer as características dos elementos que o constituem.
Essa informação é útil para
poder avaliar a qualidade dos coletores e saber escolher
o mais adequado para a instalação a ser realizada,
o que dependerá das condições climaticas
às quais vai estar submetido, da finalidade da instalação
e do orçamento com o qual conta.
O coletor de placa plana é composto por quatro elementos
principais: a cobertura transparente, a placa coletora,
o isolante e a carcaça.
a) Cobertura transparente
É a encarregada de produzir o efeito estufa, reduzir
as perdas por convecção e garantir a estanqueidade
do coletor à água e ao ar, em união
com a carcaça e as juntas. O efeito estufa atingido
pela cobertura faz com que uma parte da radiação
que atravessou a cobertura e chega à placa coletora
seja refletida para a cobertura transparente, com uma longitude
de onda para a qual ela é opaca, retendo a radiação
no interior. Esse efeito nos define as características
da cobertura:
- Alto coeficiente de transmissão da radiação
solar, na faixa de 0,3 a 3m, o qual deve se conservar ao
longo dos anos.
- Baixo coeficiente de transmissão para as ondas
longas, superiores a 3m.
- Baixo coeficiente de condutividade térmica, que
dificulte a passagem de calor da superfície interior
para a exterior, minimizando assim as perdas.
- Alto coeficiente de reflexão para a longitude de
onda longa da radiação emitida pela placa
coletora, a fim de que ela retorne à placa.
Por causa disso, a face interior da cobertura estará
mais quente que a exterior e vai se dilatar mais, existindo
risco de quebra ou deformação, exigindo da
cobertura transparente um coeficiente de dilatação
pequeno.
Pode se usar uma dupla cobertura ou aumentar a espessura
da cobertura transparente para tentar minimizar as perdas
por convecção, mas essas soluções
aumentam as perdas por absorção do fluxo solar
incidente, além de encarecer o painel. Em geral, pode
se dizer que a dupla cobertura é tanto mais interessante
quanto mais baixa seja a temperatura exterior e mais forte
seja o vento.
Os principais materiais utilizados são:
- Vidro: São transparentes à radiação
de onda inferior a 3m e opacos às radiações
superiores. Existem vários vidros que se diferenciam
por sua composição química, suas características
mecânicas e ópticas, etc. Deve-se optar pelos
vidros recozidos ou temperados, já que melhoram suas
propriedades mecânicas sem alterar as ópticas.
- Materiais plásticos: Apresentam-se sob a forma de
filmes flexíveis de alguns décimos de milímetros
de espessura, ou sob a forma de placa rígida de alguns
milímetros. Suas principais características
são: baixa densidade, má condutividade térmica,
coeficiente de dilatação linear importante
e má resistência a temperaturas elevadas. Além
disso, sofrem deterioração física e
instabilidade química sob a ação dos
elementos exteriores.
Tratamentos especiais da cobertura:
- Tratamento anti-refletor sobre a superfície exterior
para diminuir as perdas por reflexão dos raios solares
incidentes.
- Tratamento sobre a superfície interior para que
reflita as radiações de grande longitude de
onda e não impeça a passagem da radiação
de curta longitude.
O problema desses tratamentos é o encarecimento dos
coletores solares.
b) Placa coletora
Tem a missão de absorver da forma mais eficiente possível
a radiação solar e transformá-la em energia
térmica utilizável mediante sua transferência
para o fluido portador de calor.
Existem diferentes modelos, dos quais os mais comuns são:
i) Duas placas metálicas de cobre separadas por uns
milímetros, entre as quais circula o fluido portador
de calor.
ii) Placa metálica de cobre sobre a qual estão
soldados ou embutidos os tubos pelos quais circula o fluido
portador de calor. Ao invés de uma placa metálica
é possível colocar umas aletas de cobre nos
tubos de cobre.
iii) Duas lâminas de metal de cobre unidas mediante
grande pressão exceto nos locais que formam o circuito
do fluido portador de calor, os quais foram abaulados mediante
insuflação de ar.
iv) Placas de plástico, usadas exclusivamente em climatização
de piscinas.
A face da placa coletora exposta ao sol tem de estar protegida
dos raios solares por meio de:
- Tinta preta ou escura, que absorve a radiação
solar. Apresenta o inconveniente de ter um coeficiente de
emissão sensivelmente igual ao de absorção,
portanto não é recomendada para altas temperaturas.
- Superfícies seletivas. Possui um coeficiente de
absorção de radiação solar alto
e um baixo coeficiente de emissão. Não existem
materiais simples que tenham essa propriedade, portanto ela
é obtida mediante a superposição de camadas
ou tratamentos especiais da superfície.
Características da placa coletora:
- Tratamentos da superfície: As tintas são
mais econômicas que os tratamentos seletivos, mas
se danificam antes.
- Perdas de carga: Se a instalação for funcionar
mediante termossifão, elas não devem ser superiores
a 3 mm de coluna de água por 1 m_ de coletor para
que a circulação seja a adequada e não
ocorram grandes mudanças térmicas.
- Corrosão interna: Não se devem misturar o
cobre e o aço para evitar a corrosão do aço.
- Inércia térmica da placa coletora: Quantidade
de calor necessária para elevar a temperatura da
placa e do fluido portador de calor em um tempo determinado.
A inércia térmica depende do volume de fluido
que possa conter e por isso pretende-se reduzi-lo ao mínimo
para melhorar o funcionamento do painel.
- Homogeneidade da circulação: Para que o
fluido portador de calor que circula pela placa tenha uma
distribuição de temperaturas equilibrada.
Isso é vital para os painéis com placa dupla
nos quais o projeto do circuito do fluido é muito
importante para o rendimento do painel.
- Transmissão de calor: Nos painéis com placa
dupla, a transmissão de calor é direta, não
ocorrendo o mesmo para os que possuem os tubos soldados
ou embutidos. Nesse último caso, a transferência
de calor vai depender: da condutividade da placa, da separação,
do diâmetro e da espessura dos tubos, do rendimento
e do regime do líquido e da boa execução
das soldas ou dos acoplamentos a pressão,
- Entradas e saídas do fluido na placa: Fazer com
que as perdas de cargas nestes locais sejam baixas e que
as soldas não estejam forçadas para impedir
possíveis fugas.
- Pontes térmicas: Revestir bem com isolante térmico
as entradas e saídas para evitar perdas importantes
devido à criação de pontes térmicas
entre a placa e os elementos não isolados.
- Resistência à pressão: Deve ser capaz
de suportar a pressão da rede. Caso os painéis
sejam instalados com um circuito primário isolado
da rede é preciso prever o aumento de pressão
devido à conexão da placa à rede, à
perda e carga e ao enchimento necessário do circuito
primário desde a rede.
- Obstrução do circuito primário:
Por causa de incrustações ou de tampões
de gelo, a instalação deve contar com a instalação
dos elementos necessários que evitem a produção
de sobrepressões.
c) Isolamento térmico
A placa coletora está protegida na sua parte posterior
e lateral mediante um isolamento térmico para evitar
as perdas de calor para o exterior. As características
desses isolantes são as seguintes:
- Resistir a altas temperaturas sem se deteriorar; muitas
vezes isso se consegue colocando entre a placa e o isolante
uma camada refletora que impeça que o isolante receba
diretamente a radiação.
- Desprender poucos vapores ao se descomporem pelo calor
e, se ocorrer, que não fiquem aderidos à cobertura.
- Não se degradarem pelo envelhecimento ou outro fenômeno
à temperatura habitual de trabalho.
- Suportar a umidade que possa se produzir no interior dos
painéis sem perder suas qualidades.
Os materiais mais usados são a fibra de vidro, a espuma
rígida de poliuretano e o poliestireno expandido. Qualquer
que seja o material escolhido, deve ter um coeficiente de
dilatação compatível com o dos demais
componentes do painel solar.
d) Carcaça:
É a encarregada de proteger e suportar os elementos
que constituem o coletor solar, além de servir de enlace
com o edifício, por meio dos suportes. Deve cumprir
os seguintes requisitos:
- Rigidez e resistência estrutural que assegure a estabilidade.
É muito importante já que deve resistir à
pressão do vento.
- Resistência dos elementos de fixação:
mecânica para os esforços a transmitir e química
para suportar a corrosão.
- Resistência à intempérie: Aos efeitos
corrosivos da atmosfera e à instabilidade química
devido às inclemências do tempo.
- Aeração do interior do coletor para evitar
a condensação da água. Realiza-se mediante
duas técnicas:
- Vácuo no interior do coletor quando ele está
frio, para que a carcaça não esteja submetida
a uma pressão muito alta quando o ar no seu interior
se esquente.
- Realizar orifícios na carcaça para permitir
a aeração do coletor, assim como a evacuação
da condensação. Os orifícios são
localizados na parte posterior para evitar a entrada de
água de chuva e a perda de ar quente no interior
do coletor.
- Evitar toda a geometria que permita a acumulação
de água-gelo ou neve no exterior do coletor.
- Facilitar a desmontagem da cobertura para poder ter fácil
acesso à placa coletora.
Funcionamento:
Se um coletor for exposto ao sol sem circulação
de fluido no seu interior, a temperatura da placa coletora
irá aumentando progressivamente. Essa placa irá
armazenando o calor e, ao mesmo tempo, terá perdas,
devido aos fenômenos de condução, convecção
e radiação, as quais aumentam com a temperatura.
Chega um momento em que as perdas são equiparadas
à energia que recebe a placa do sol e a temperatura
se estabiliza, sendo atingida a denominada temperatura de
equilíbrio estática, que depende das condições
exteriores às quais estiver submetida à placa
(quanto mais frio for o ambiente e mais vento houver, mais
baixa será ela).
Se nesse momento circular um fluido pelo coletor, este
receberá o calor da placa coletora e irá aumentando
a temperatura. Pelo contrário, a temperatura da placa
diminuirá.
Mantendo a circulação do fluido estacionária
ou constante, em um determinado momento será atingida
uma nova temperatura de equilíbrio, chamada de temperatura
de equilíbrio dinâmica, que é sempre
inferior à estática.
A máxima temperatura que um coletor instalado pode
atingir é a temperatura de equilíbrio estática,
que é necessário ser conhecida por duas razões:
a) Será a temperatura que a instalação
solar atingirá quando estiver parada.
b) A temperatura máxima teórica de utilização
da instalação será sempre inferior
à temperatura de equilíbrio estático.
