Aquecimento solar de água - Solar water heating

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O aquecimento solar de água ( SWH ) é o aquecimento de água pela luz solar , usando um coletor térmico solar . Uma variedade de configurações está disponível a custos variáveis ​​para fornecer soluções em diferentes climas e latitudes. SWHs são amplamente usados ​​para aplicações residenciais e algumas aplicações industriais.

Um coletor voltado para o sol aquece um fluido de trabalho que passa por um sistema de armazenamento para uso posterior. SWH são ativos (bombeados) e passivos ( acionados por convecção ). Eles usam apenas água, ou água e um fluido de trabalho. Eles são aquecidos diretamente ou por meio de espelhos concentradores de luz. Eles operam de forma independente ou como híbridos com aquecedores elétricos ou a gás. Em instalações de grande escala, os espelhos podem concentrar a luz do sol em um coletor menor.

Em 2017, a capacidade térmica global de água quente solar (SHW) é de 472 GW e o mercado é dominado pela China , Estados Unidos e Turquia . Barbados , Áustria , Chipre , Israel e Grécia são os países líderes em capacidade por pessoa.

História

Registros de coletores solares nos Estados Unidos datam de antes de 1900, envolvendo um tanque pintado de preto montado em um telhado. Em 1896, Clarence Kemp de Baltimore encerrou um tanque em uma caixa de madeira, criando assim o primeiro 'aquecedor de água em lote' como são conhecidos hoje. Frank Shuman construiu a primeira estação de energia solar térmica do mundo em Maadi, Egito , usando calhas parabólicas para alimentar um motor de 45 a 52 quilowatts (60 a 70 cavalos de potência) que bombeava 23.000 litros (6.000 galões americanos) de água por minuto do rio Nilo para campos de algodão adjacentes.

Coletores planos para aquecimento solar de água foram usados ​​na Flórida e no sul da Califórnia na década de 1920. O interesse cresceu na América do Norte após 1960, mas especialmente após a crise do petróleo de 1973 .

A energia solar está em uso na Austrália , Canadá , China , Alemanha , Índia , Israel , Japão , Portugal , Romênia , Espanha , Reino Unido e Estados Unidos .

Mediterrâneo

Israel, Chipre e Grécia são os líderes per capita no uso de sistemas de aquecimento solar de água para 30% a 40% das residências.

Os sistemas solares de placa plana foram aperfeiçoados e usados ​​em grande escala em Israel. Na década de 1950, a falta de combustível levou o governo a proibir o aquecimento de água entre 22h e 6h. Levi Yissar construiu o primeiro protótipo de aquecedor solar de água israelense e em 1953 lançou a NerYah Company, o primeiro fabricante comercial de aquecimento solar de água de Israel. Aquecedores solares de água eram usados ​​por 20% da população em 1967. Após a crise de energia na década de 1970, em 1980, Israel exigiu a instalação de aquecedores solares de água em todas as novas casas (exceto torres altas com área de telhado insuficiente). Como resultado, Israel se tornou o líder mundial no uso de energia solar per capita com 85% das famílias usando sistemas solares térmicos (3% do consumo de energia nacional primário), estimado para economizar 2 milhões de barris (320.000 m ³ ) ao país de óleo por ano.

Em 2005, a Espanha tornou-se o primeiro país do mundo a requerer a instalação de geração de eletricidade fotovoltaica em novos edifícios, e o segundo (depois de Israel) a requerer a instalação de sistemas de aquecimento solar de água, em 2006.

Ásia

Depois de 1960, os sistemas foram comercializados no Japão.

A Austrália possui uma variedade de regulamentações nacionais e estaduais para a energia solar térmica, começando com o MRET em 1997.

Os sistemas de aquecimento solar de água são populares na China, onde os modelos básicos custam cerca de 1.500 yuans (US $ 235), cerca de 80% menos do que nos países ocidentais para um determinado tamanho de coletor. Pelo menos 30 milhões de lares chineses têm um. A popularidade se deve aos eficientes tubos evacuados que permitem que os aquecedores funcionem mesmo sob céus cinzentos e em temperaturas bem abaixo de zero.

Requisitos de concepção

O tipo, complexidade e tamanho de um sistema de aquecimento solar de água são determinados principalmente por:

• Mudanças na temperatura ambiente e radiação solar entre verão e inverno
• Mudanças na temperatura ambiente durante o ciclo dia-noite
• Possibilidade de superaquecimento ou congelamento da água potável ou do fluido de coletor

Os requisitos mínimos do sistema são normalmente determinados pela quantidade ou temperatura da água quente necessária durante o inverno, quando a saída de um sistema e a temperatura da água de entrada estão normalmente no seu nível mais baixo. O rendimento máximo do sistema é determinado pela necessidade de evitar que a água no sistema fique muito quente.

Proteção contra congelamento

As medidas de proteção contra congelamento evitam danos ao sistema devido à expansão do fluido de transferência de congelamento. Os sistemas de drenagem drenam o fluido de transferência do sistema quando a bomba para. Muitos sistemas indiretos usam anticongelante (por exemplo, propilenoglicol ) no fluido de transferência de calor.

Em alguns sistemas diretos, os coletores podem ser drenados manualmente quando o congelamento é esperado. Essa abordagem é comum em climas onde temperaturas de congelamento não ocorrem com frequência, mas pode ser menos confiável do que um sistema automático, pois depende de um operador.

Um terceiro tipo de proteção contra congelamento é a tolerância ao congelamento, em que tubos de água de baixa pressão feitos de borracha de silicone simplesmente se expandem no congelamento. Um desses coletores agora tem a acreditação European Solar Keymark.

Proteção contra o superaquecimento

Quando nenhuma água quente é usada por um ou dois dias, o fluido nos coletores e no armazenamento pode atingir altas temperaturas em todos os sistemas sem retorno de drenagem. Quando o tanque de armazenamento em um sistema de retorno de drenagem atinge a temperatura desejada, as bombas param, encerrando o processo de aquecimento e evitando o superaquecimento do tanque de armazenamento.

Alguns sistemas ativos resfriam deliberadamente a água do tanque de armazenamento, circulando água quente pelo coletor em momentos de pouca luz solar ou à noite, perdendo calor. Isso é mais eficaz em encanamentos diretos ou de armazenamento térmico e é virtualmente ineficaz em sistemas que usam coletores de tubo a vácuo, devido ao seu isolamento superior. Qualquer tipo de coletor ainda pode superaquecer. Os sistemas térmicos solares selados de alta pressão dependem basicamente da operação das válvulas de alívio de temperatura e pressão . Aquecedores de baixa pressão com ventilação aberta têm controles de segurança mais simples e confiáveis, normalmente uma ventilação aberta.

Sistemas

Projetos simples incluem uma caixa isolada com topo de vidro simples com um absorvedor solar plano feito de folha de metal, ligado a tubos de trocador de calor de cobre e de cor escura, ou um conjunto de tubos de metal cercados por um cilindro de vidro evacuado (quase vácuo). Em casos industriais, um espelho parabólico pode concentrar a luz do sol no tubo. O calor é armazenado em um tanque de armazenamento de água quente . O volume deste tanque precisa ser maior com sistemas de aquecimento solar para compensar o mau tempo e porque a temperatura final ideal para o coletor solar é mais baixa do que um aquecedor de imersão ou combustão típico. O fluido de transferência de calor (HTF) para o absorvedor pode ser água, mas mais comumente (pelo menos em sistemas ativos) é um circuito separado de fluido contendo anticongelante e um inibidor de corrosão fornece calor para o tanque através de um trocador de calor (comumente um bobina de tubo de cobre do trocador de calor dentro do tanque). O cobre é um componente importante nos sistemas de aquecimento e resfriamento térmico solar devido à sua alta condutividade térmica, resistência à corrosão atmosférica e hídrica, vedação e união por solda e resistência mecânica. O cobre é usado tanto em receptores quanto em circuitos primários (tubos e trocadores de calor para tanques de água).

Outro conceito de baixa manutenção é o "dreno de volta". Nenhum anticongelante é necessário; em vez disso, toda a tubulação é inclinada para fazer com que a água escoe de volta para o tanque. O tanque não está pressurizado e opera à pressão atmosférica. Assim que a bomba é desligada, o fluxo é revertido e os tubos vazios antes que ocorra o congelamento.

As instalações térmicas solares residenciais se enquadram em dois grupos: sistemas passivos (às vezes chamados de "compactos") e ativos (às vezes chamados de "bombeados"). Ambos normalmente incluem uma fonte de energia auxiliar (elemento de aquecimento elétrico ou conexão a um sistema de aquecimento central a gás ou óleo combustível) que é ativada quando a água no tanque cai abaixo de uma configuração de temperatura mínima, garantindo que a água quente esteja sempre disponível. A combinação de aquecimento solar de água e aquecimento de reserva de uma chaminé de fogão a lenha pode permitir que um sistema de água quente funcione durante todo o ano em climas mais frios, sem a necessidade de calor suplementar de um sistema de aquecimento solar de água atendido com combustíveis fósseis ou eletricidade.

Quando um aquecimento solar de água e um sistema de aquecimento central de água quente são usados ​​juntos, o calor solar será concentrado em um tanque de pré-aquecimento que alimenta o tanque aquecido pelo aquecimento central , ou o trocador de calor solar substituirá o elemento de aquecimento inferior e o elemento superior permanecerá para fornecer calor suplementar. No entanto, a necessidade primária de aquecimento central é à noite e no inverno, quando o ganho solar é menor. Portanto, o aquecimento solar de água para lavar e tomar banho é muitas vezes uma aplicação melhor do que o aquecimento central, porque a oferta e a demanda são mais adequadas. Em muitos climas, um sistema de água quente solar pode fornecer até 85% da energia de água quente sanitária. Isso pode incluir sistemas térmicos solares de concentração não elétricos domésticos . Em muitos países do norte da Europa, os sistemas combinados de água quente e aquecimento ambiente (sistemas combinados solares ) são usados ​​para fornecer de 15 a 25% da energia de aquecimento doméstico. Quando combinado com o armazenamento , o aquecimento solar em grande escala pode fornecer 50-97% do consumo anual de calor para aquecimento urbano .

Transferência de calor

Direto

Os sistemas de circuito aberto ou direto circulam água potável pelos coletores. Eles são relativamente baratos. As desvantagens incluem:

• Eles oferecem pouca ou nenhuma proteção contra superaquecimento, a menos que tenham uma bomba de exportação de calor.
• Eles oferecem pouca ou nenhuma proteção contra congelamento, a menos que os coletores sejam tolerantes ao congelamento.
• Os coletores acumulam incrustações em áreas de água dura, a menos que um amaciante de troca iônica seja usado.

O advento de designs tolerantes ao congelamento expandiu o mercado de SWH para climas mais frios. Em condições de congelamento, os modelos anteriores eram danificados quando a água se transformava em gelo, rompendo um ou mais componentes.

Indireto

Os sistemas de circuito fechado ou indireto usam um trocador de calor para transferir calor do fluido de "transferência de calor" (HTF) para a água potável. O HTF mais comum é uma mistura anticongelante / água que normalmente usa propilenoglicol atóxico . Após o aquecimento nos painéis, o HTF segue para o trocador de calor, onde seu calor é transferido para a água potável. Os sistemas indiretos oferecem proteção contra congelamento e, normalmente, proteção contra superaquecimento.

Propulsão

Passiva

Os sistemas passivos contam com convecção acionada por calor ou tubos de calor para circular o fluido de trabalho. Os sistemas passivos custam menos e exigem pouca ou nenhuma manutenção, mas são menos eficientes. O superaquecimento e o congelamento são as principais preocupações.

Ativo

Os sistemas ativos usam uma ou mais bombas para circular água e / ou fluido de aquecimento . Isso permite uma gama muito mais ampla de configurações de sistema.

Os sistemas com bomba são mais caros de comprar e operar. No entanto, eles operam com maior eficiência e podem ser controlados com mais facilidade.

Os sistemas ativos possuem controladores com recursos como interação com um aquecedor de água elétrico ou a gás de reserva, cálculo e registro da energia economizada, funções de segurança, acesso remoto e telas informativas.

Sistemas diretos passivos

Um sistema de armazenamento de coletor integrado (ICS ou aquecedor de lote) usa um tanque que atua como armazenamento e coletor. Os aquecedores de lote são tanques retilíneos finos com um lado de vidro voltado para o sol ao meio - dia . Eles são simples e menos caros do que os coletores de placa e tubo, mas podem exigir reforço se instalados em um telhado (para suportar 400–700 lb (180–320 kg) lbs de água), sofrem de perda significativa de calor à noite desde o lado de frente para o sol não tem isolamento e é adequado apenas em climas moderados.

Um sistema de unidade de armazenamento de calor de convecção (CHS) é semelhante a um sistema ICS, exceto que o tanque de armazenamento e o coletor são fisicamente separados e a transferência entre os dois é conduzida por convecção. Os sistemas CHS normalmente usam o tipo de placa plana padrão ou coletores de tubo a vácuo. O tanque de armazenamento deve estar localizado acima dos coletores para que a convecção funcione corretamente. O principal benefício dos sistemas CHS sobre os sistemas ICS é que a perda de calor é amplamente evitada, pois o tanque de armazenamento pode ser totalmente isolado. Como os painéis estão localizados abaixo do tanque de armazenamento, a perda de calor não causa convecção, pois a água fria fica na parte mais baixa do sistema.

Sistemas indiretos ativos

Os sistemas anticongelantes pressurizados usam uma mistura de anticongelante (quase sempre propilenoglicol de baixa toxidade) e uma mistura de água para HTF a fim de evitar danos por congelamento.

Embora eficazes na prevenção de danos por congelamento, os sistemas anticongelantes têm desvantagens:

• Se o HTF ficar muito quente, o glicol se degrada em ácido e, em seguida, não fornece proteção contra congelamento e começa a dissolver os componentes do circuito solar.
• Os sistemas sem tanques de retorno de drenagem devem circular o HTF - independentemente da temperatura do tanque de armazenamento - para evitar que o HTF se degrade. Temperaturas excessivas no tanque causam aumento de incrustações e acúmulo de sedimentos, possíveis queimaduras graves se uma válvula de têmpera não for instalada e, se usada para armazenamento, possível falha do termostato.
• O HTF de glicol / água deve ser substituído a cada 3–8 anos, dependendo das temperaturas que experimentou.
• Algumas jurisdições exigem trocadores de calor de parede dupla mais caros, embora o propilenoglicol seja pouco tóxico.
• Mesmo que o HTF contenha glicol para evitar o congelamento, ele circula água quente do tanque de armazenamento para os coletores em baixas temperaturas (por exemplo, abaixo de 40 ° F (4 ° C)), causando perda substancial de calor.

Um sistema de dreno é um sistema indireto ativo onde o HTF (geralmente água pura) circula através do coletor, acionado por uma bomba. A tubulação do coletor não é pressurizada e inclui um reservatório de dreno de retorno aberto que está contido em um espaço condicionado ou semi-condicionado. O HTF permanece no reservatório de retorno de drenagem a menos que a bomba esteja operando e retorne para lá (esvaziando o coletor) quando a bomba for desligada. O sistema coletor, incluindo a tubulação, deve drenar por gravidade para o tanque de retorno de drenagem. Os sistemas de drenagem não estão sujeitos a congelamento ou superaquecimento. A bomba opera apenas quando apropriada para coleta de calor, mas não para proteger o HTF, aumentando a eficiência e reduzindo os custos de bombeamento.

Faça Você Mesmo (DIY)

Planos para sistemas de aquecimento solar de água estão disponíveis na Internet. Os sistemas DIY SWH são geralmente mais baratos do que os comerciais e são usados ​​tanto no mundo desenvolvido quanto no mundo em desenvolvimento.

Comparação

Característica	ICS (lote)	Termossifão	Direto ativo	Indireta ativa	Drainback	Bomba de bolha
Discreto - discreto			Y	Y	Y	Y
Coletor leve			Y	Y	Y	Y
Sobrevive ao tempo gelado			Y	Y	Y	Y
Baixa manutenção	Y	Y	Y		Y	Y
Simples: sem controle auxiliar	Y	Y				Y
Potencial de retrofit para loja existente			Y	Y	Y	Y
Economia de espaço: nenhum tanque de armazenamento extra	Y	Y
Comparação de sistemas SWH. Fonte: Fundamentos do aquecimento solar de água—homepower.com

Componentes

Colecionador

Os coletores solares térmicos capturam e retêm o calor do sol e o usam para aquecer um líquido. Dois princípios físicos importantes governam a tecnologia de coletores solares térmicos:

• Em última análise, qualquer objeto quente retorna ao equilíbrio térmico com seu ambiente, devido à perda de calor por condução , convecção e radiação. A eficiência (a proporção de energia térmica retida por um período de tempo predefinido) está diretamente relacionada à perda de calor da superfície do coletor. Convecção e radiação são as fontes mais importantes de perda de calor. O isolamento térmico é usado para diminuir a perda de calor de um objeto quente. Isso segue a segunda lei da termodinâmica (o 'efeito de equilíbrio').
• O calor é perdido mais rapidamente se a diferença de temperatura entre um objeto quente e seu ambiente for maior. A perda de calor é predominantemente governada pelo gradiente térmico entre a superfície do coletor e a temperatura ambiente. Condução, convecção e radiação ocorrem mais rapidamente em grandes gradientes térmicos (o efeito delta- t ).

Placa plana solar

Os coletores de placa plana são uma extensão da ideia de colocar um coletor em uma caixa do tipo 'forno' com o vidro diretamente voltado para o sol. A maioria dos coletores de placa plana tem dois tubos horizontais na parte superior e inferior, chamados cabeçalhos, e muitos tubos verticais menores conectando-os, chamados risers. Os risers são soldados (ou conectados de forma semelhante) a finas aletas absorvedoras. O fluido de transferência de calor (água ou mistura de água / anticongelante) é bombeado do tanque de armazenamento de água quente ou trocador de calor para o coletor inferior dos coletores e sobe pelos risers, coletando calor das aletas de absorção e, em seguida, sai do coletor para fora do cabeçalho superior. Os coletores de placa plana serpentina diferem ligeiramente deste projeto de "harpa" e, em vez disso, usam um único tubo que sobe e desce no coletor. No entanto, uma vez que eles não podem ser drenados corretamente, os coletores de placa plana serpentina não podem ser usados ​​em sistemas de dreno.

O tipo de vidro usado nos coletores de placa plana é quase sempre vidro temperado com baixo teor de ferro . Esse vidro pode suportar granizo significativo sem quebrar, que é uma das razões pelas quais os coletores de placa plana são considerados o tipo de coletor mais durável.

Os coletores não vidrados ou formados são semelhantes aos coletores de placa plana, exceto que não são isolados termicamente nem fisicamente protegidos por um painel de vidro. Conseqüentemente, esses tipos de coletores são muito menos eficientes quando a temperatura da água ultrapassa a temperatura do ar ambiente. Para aplicações de aquecimento de piscinas, a água a ser aquecida costuma ser mais fria do que a temperatura ambiente do telhado, ponto em que a falta de isolamento térmico permite que o calor adicional seja extraído do ambiente circundante.

Tubo evacuado

Os coletores de tubos evacuados (ETC) são uma forma de reduzir a perda de calor, inerente às placas planas. Uma vez que a perda de calor devido à convecção não pode atravessar um vácuo, ela forma um mecanismo de isolamento eficiente para manter o calor dentro dos tubos coletores. Uma vez que duas folhas de vidro planas geralmente não são fortes o suficiente para suportar o vácuo, o vácuo é criado entre dois tubos concêntricos. Normalmente, a tubulação de água em um ETC é, portanto, cercada por dois tubos concêntricos de vidro separados por um vácuo que admite o calor do sol (para aquecer o tubo), mas que limita a perda de calor. O tubo interno é revestido com um absorvedor térmico. A vida útil do vácuo varia de coletor para coletor, de 5 a 15 anos.

Os coletores de placa plana são geralmente mais eficientes do que o ETC em condições de plena luz do sol. No entanto, a produção de energia dos coletores de placa plana é reduzida um pouco mais do que os ETCs em condições nubladas ou extremamente frias. A maioria dos ETCs é feita de vidro recozido, que é suscetível ao granizo , falhando devido às partículas do tamanho de uma bola de golfe. ETCs feitos de "vidro de coque", que tem um tom verde, são mais fortes e menos propensos a perder o vácuo, mas a eficiência é ligeiramente reduzida devido à transparência reduzida. Os ETCs podem acumular energia do sol o dia todo em ângulos baixos devido ao seu formato tubular.

Bombear

Bomba fotovoltaica

Uma maneira de alimentar um sistema ativo é por meio de um painel fotovoltaico (PV) . Para garantir o desempenho e a longevidade adequados da bomba, a bomba (DC) e o painel PV devem ser devidamente combinados. Embora uma bomba movida a energia fotovoltaica não opere à noite, o controlador deve garantir que a bomba não opere quando o sol está alto, mas a água do coletor não está quente o suficiente.

As bombas fotovoltaicas oferecem as seguintes vantagens:

• Instalação e manutenção mais simples / baratas
• O excesso de produção fotovoltaica pode ser usado para uso doméstico de eletricidade ou colocado de volta na rede
• Pode desumidificar a sala de estar
• Pode operar durante uma queda de energia
• Evita o consumo de carbono com o uso de bombas movidas à rede

Bomba de bolha

Uma bomba de bolhas (também conhecida como bomba de gêiser) é adequada para painéis planos e sistemas de tubos a vácuo. Em um sistema de bomba de bolhas, o circuito fechado de HTF está sob pressão reduzida, o que faz com que o líquido ferva em baixa temperatura à medida que o sol o aquece. As bolhas de vapor formam um gêiser, causando um fluxo ascendente. As bolhas são separadas do fluido quente e condensadas no ponto mais alto do circuito, após o que o fluido flui para baixo em direção ao trocador de calor causado pela diferença nos níveis de fluido. O HTF normalmente chega ao trocador de calor a 70 ° C e retorna para a bomba de circulação a 50 ° C. O bombeamento normalmente começa em cerca de 50 ° C e aumenta à medida que o sol nasce até que o equilíbrio seja alcançado.

Controlador

Um controlador diferencial detecta diferenças de temperatura entre a água que sai do coletor solar e a água do tanque de armazenamento próximo ao trocador de calor. O controlador liga a bomba quando a água no coletor está suficientemente cerca de 8–10 ° C mais quente do que a água no tanque, e pára quando a diferença de temperatura atinge 3–5 ° C. Isso garante que a água armazenada sempre ganhe calor quando a bomba opera e evita que a bomba ligue e desligue excessivamente. (Em sistemas diretos, a bomba pode ser acionada com uma diferença de cerca de 4 ° C porque eles não têm trocador de calor.)

Tanque

O coletor mais simples é um tanque de metal cheio de água em um local ensolarado. O sol aquece o tanque. Foi assim que os primeiros sistemas funcionaram. Essa configuração seria ineficiente devido ao efeito de equilíbrio: assim que começa o aquecimento do tanque e da água, o calor ganho é perdido para o meio ambiente e continua até que a água no tanque atinja a temperatura ambiente. O desafio é limitar a perda de calor.

• O tanque de armazenamento pode ser situado abaixo dos coletores, permitindo maior liberdade no projeto do sistema e permitindo que tanques de armazenamento pré-existentes sejam usados.
• O tanque de armazenamento pode ser escondido da vista.
• O tanque de armazenamento pode ser colocado em espaço condicionado ou semi-condicionado, reduzindo a perda de calor.
• Podem ser usados ​​tanques de drenagem.

Tanque isolado

ICS ou coletores de lote reduzem a perda de calor ao isolar termicamente o tanque. Isso é obtido encerrando o tanque em uma caixa com tampo de vidro que permite que o calor do sol alcance o tanque de água. As demais paredes da caixa são isoladas termicamente, reduzindo a convecção e a radiação. A caixa também pode ter uma superfície reflexiva na parte interna. Isso reflete o calor perdido do tanque de volta para o tanque. De forma simples, pode-se considerar um aquecedor solar de água ICS como um tanque de água que foi encerrado em um tipo de 'forno' que retém o calor do sol e também o calor da água no tanque. O uso de uma caixa não elimina a perda de calor do tanque para o ambiente, mas reduz bastante essa perda.

Os coletores ICS padrão têm uma característica que limita fortemente a eficiência do coletor: uma pequena relação superfície-volume. Uma vez que a quantidade de calor que um tanque pode absorver do sol depende muito da superfície do tanque diretamente exposta ao sol, segue-se que o tamanho da superfície define o grau em que a água pode ser aquecida pelo sol. Objetos cilíndricos, como o tanque em um coletor ICS, têm uma relação superfície-volume inerentemente pequena. Os coletores tentam aumentar essa proporção para um aquecimento eficiente da água. Variações neste projeto básico incluem coletores que combinam recipientes de água menores e tecnologia de tubo de vidro evacuado, um tipo de sistema ICS conhecido como coletor de Lote de Tubo Evacuado (ETB).

Formulários

Tubo evacuado

ETSCs podem ser mais úteis do que outros coletores solares durante o inverno. Os ETCs podem ser usados ​​para fins de aquecimento e resfriamento em indústrias como farmacêutica e medicamentosa, papel, couro e têxtil e também para residências, hospitais, lares de idosos, hotéis, piscinas, etc.

Um ETC pode operar em uma faixa de temperaturas de média a alta para água quente solar, piscina, ar condicionado e fogão solar.

A faixa de temperatura operacional mais alta do ETC (até 200 ° C (392 ° F)) os torna adequados para aplicações industriais, como geração de vapor, máquina de calor e secagem solar.

Piscinas

Sistemas flutuantes de cobertura de piscina e STCs separados são usados ​​para aquecimento de piscina.

Os sistemas de cobertura de piscinas, sejam placas maciças ou discos flutuantes, atuam como isolantes e reduzem a perda de calor. Grande parte da perda de calor ocorre por meio da evaporação e o uso de uma tampa retarda a evaporação.

Os CTEs para uso de água não potável de piscina geralmente são feitos de plástico. A água da piscina é levemente corrosiva devido ao cloro. A água circula pelos painéis usando o filtro de piscina existente ou bomba suplementar. Em ambientes amenos, os coletores de plástico não vitrificado são mais eficientes como sistema direto. Em ambientes frios ou ventosos, tubos evacuados ou placas planas em uma configuração indireta são usados ​​em conjunto com um trocador de calor. Isso reduz a corrosão. Um controlador de temperatura diferencial bastante simples é usado para direcionar a água para os painéis ou trocador de calor girando uma válvula ou operando a bomba. Assim que a água da piscina atingir a temperatura necessária, uma válvula de desvio é usada para retornar a água diretamente para a piscina sem aquecimento. Muitos sistemas são configurados como sistemas de retorno de drenagem, onde a água é drenada para a piscina quando a bomba d'água é desligada.

Os painéis coletores são geralmente montados em um telhado próximo ou no solo em um rack inclinado. Devido à baixa diferença de temperatura entre o ar e a água, os painéis costumam ser coletores formados ou coletores planos não vitrificados. Uma regra prática simples para a área necessária do painel é 50% da área da piscina. Isso é para áreas onde as piscinas são usadas apenas no verão. Adicionar coletores solares a uma piscina externa convencional, em um clima frio, normalmente pode estender o uso confortável da piscina por meses e mais se uma cobertura de piscina isolante for usada. Quando dimensionados em 100% de cobertura, a maioria dos sistemas solares de água quente são capazes de aquecer uma piscina de 4 ° C para uma piscina exposta ao vento, a até 10 ° C para uma piscina protegida do vento coberta consistentemente com um painel solar cobertor de piscina.

Um programa de análise do sistema de energia solar ativo pode ser usado para otimizar o sistema de aquecimento solar da piscina antes de ser construído.

Produção de energia

A quantidade de calor fornecida por um sistema de aquecimento solar de água depende principalmente da quantidade de calor fornecida pelo sol em um determinado local ( insolação ). Nos trópicos, a insolação pode ser relativamente alta, por exemplo, 7 kWh / m ² por dia, contra, por exemplo, 3,2 kWh / m ² por dia em áreas temperadas . Mesmo na mesma latitude, a insolação média pode variar muito de local para local devido às diferenças nos padrões climáticos locais e à quantidade de tempo nublado. Calculadoras estão disponíveis para estimar a insolação em um local.

Abaixo está uma tabela que dá uma indicação aproximada das especificações e energia que poderiam ser esperadas de um sistema de aquecimento solar de água envolvendo cerca de 2 m ² de área de absorção do coletor, demonstrando dois tubos evacuados e três sistemas de aquecimento solar de água de placa plana. Informações de certificação ou números calculados a partir desses dados são usados. As duas linhas inferiores fornecem estimativas para a produção diária de energia (kWh / dia) para um cenário tropical e temperado . Essas estimativas são para aquecimento de água a 50 ° C acima da temperatura ambiente.

Com a maioria dos sistemas de aquecimento solar de água, a produção de energia é dimensionada linearmente com a área de superfície do coletor.

Produção diária de energia (kW _th .h) de cinco sistemas solares térmicos. Os sistemas de tubo de vácuo usados ​​abaixo têm 20 tubos.

Tecnologia	Placa plana	Placa plana	Placa plana	ETC	ETC
Configuração	Ativo direto	Termossifão	Indireto ativo	Indireto ativo	Ativo direto
Tamanho total (m 2 )	2,49	1,98	1,87	2,85	2,97
Tamanho do absorvedor (m 2 )	2,21	1,98	1,72	2,85	2,96
Eficiência máxima	0,68	0,74	0,61	0,57	0,46
Produção de energia (kWh / dia): - Insolação 3,2 kWh / m 2 / dia ( temperado ) - por exemplo, Zurique, Suíça	5,3	3,9	3,3	4,8	4,0
- Insolação 6,5 kWh / m 2 / dia (tropical) - por exemplo, Phoenix, EUA	11,2	8,8	7,1	9,9	8,4

Os valores são bastante semelhantes entre os coletores acima, produzindo cerca de 4 kWh / dia em um clima temperado e cerca de 8 kWh / dia em um clima tropical ao usar um coletor com um absorvedor de ² m ² . No cenário temperado , isso é suficiente para aquecer 200 litros de água em cerca de 17 ° C. No cenário tropical, o aquecimento equivalente seria de cerca de 33 ° C. Muitos sistemas termossifão têm saída de energia comparável a sistemas ativos equivalentes. A eficiência dos coletores de tubos evacuados é um pouco menor do que os coletores de placa plana porque os absorvedores são mais estreitos do que os tubos e os tubos têm espaço entre eles, resultando em uma porcentagem significativamente maior da área total do coletor inativo. Alguns métodos de comparação calculam a eficiência de coletores de tubos evacuados com base na área de absorção real e não no espaço ocupado como foi feito na tabela acima. A eficiência é reduzida em temperaturas mais altas.

Custos

Em locais ensolarados e quentes, onde a proteção contra congelamento não é necessária, um aquecedor solar de água ICS (tipo lote) pode ser econômico. Em latitudes mais altas, os requisitos de projeto para climas frios aumentam a complexidade e o custo do sistema. Isso aumenta os custos iniciais , mas não os custos do ciclo de vida. A maior consideração individual é, portanto, o grande gasto financeiro inicial de sistemas de aquecimento solar de água. Compensar essa despesa pode levar anos. O período de recuperação é mais longo em ambientes temperados. Como a energia solar é gratuita, os custos operacionais são pequenos. Em latitudes mais altas, os aquecedores solares podem ser menos eficazes devido à menor insolação, possivelmente exigindo sistemas de aquecimento maiores e / ou duplos. Em alguns países, os incentivos governamentais podem ser significativos.

Os fatores de custo (positivos e negativos) incluem:

• Preço do aquecedor solar de água (sistemas mais complexos são mais caros)
• Eficiência
• Custo de instalação
• Eletricidade usada para bombeamento
• Preço do combustível de aquecimento de água (por exemplo, gás ou eletricidade) economizado por kWh
• Quantidade de combustível de aquecimento de água usado
• Subsídio governamental inicial e / ou recorrente
• Custo de manutenção (por exemplo, anticongelante ou substituições de bomba)
• Economia na manutenção do sistema de aquecimento de água convencional (elétrico / gás / óleo)

Os tempos de retorno podem variar muito devido ao sol regional, custo extra devido às necessidades de proteção contra geada dos coletores, uso doméstico de água quente, etc. Por exemplo, no centro e sul da Flórida, o período de retorno pode facilmente ser de 7 anos ou menos, em vez dos 12,6 anos indicados em o gráfico para os Estados Unidos.

Custos e períodos de retorno para sistemas SWH residenciais com economia de 200 kWh / mês (usando dados de 2010), ex custos de manutenção, subsídios e custos de instalação

País	Moeda	Custo do sistema	Subvenção(%)	Custo efetivo	Custo de eletricidade / kWh	Economia de eletricidade / mês	Período de retorno (y)
Brasil	BRL	2500	0	2500	0,25	50	4,2
África do Sul	ZAR	14000	15	11900	0.9	180	5,5
Austrália	AUD	5000	40	3000	0,18	36	6,9
Bélgica	EUR	4000	50	2000	0,1	20	8,3
Estados Unidos	USD	5000	30	3500	0,1158	23,16	12,6
Reino Unido	GBP	4800	0	4800	0,11	22	18,2

O período de retorno é mais curto devido a maior insolação. No entanto, mesmo em áreas temperadas, o aquecimento solar de água é rentável. O período de recuperação dos sistemas fotovoltaicos tem sido historicamente muito mais longo. Os custos e o período de retorno do investimento são mais curtos se nenhum sistema complementar / de backup for necessário. estendendo assim o período de recuperação de tal sistema.

Subsídios

A Austrália opera um sistema de Créditos de Energia Renovável, com base em metas nacionais de energia renovável.

A Toronto Solar Neighborhoods Initiative oferece subsídios para a compra de unidades de aquecimento solar de água.

Pegada energética e avaliação do ciclo de vida

Pegada energética

A fonte de eletricidade em um sistema SWH ativo determina até que ponto um sistema contribui para o carbono atmosférico durante a operação. Os sistemas térmicos solares ativos que usam eletricidade da rede elétrica para bombear o fluido através dos painéis são chamados de 'solares de baixo carbono'. Na maioria dos sistemas, o bombeamento reduz a economia de energia em cerca de 8% e a economia de carbono da energia solar em cerca de 20%. No entanto, as bombas de baixa potência operam com 1-20W. Assumindo um painel coletor solar fornecendo 4 kWh / dia e uma bomba funcionando intermitentemente da rede elétrica por um total de 6 horas durante um dia ensolarado de 12 horas, o efeito potencialmente negativo de tal bomba pode ser reduzido para cerca de 3% do calor produzido.

No entanto, os sistemas térmicos solares ativos alimentados por PV normalmente usam um painel PV de 5–30 W e uma pequena bomba de diafragma de baixa potência ou bomba centrífuga para circular a água. Isso reduz o carbono operacional e a pegada energética.

Sistemas alternativos de bombeamento não elétrico podem empregar expansão térmica e mudanças de fase de líquidos e gases.

Avaliação de energia do ciclo de vida

Os padrões reconhecidos podem ser usados ​​para fornecer avaliações robustas e quantitativas do ciclo de vida (LCA). A LCA considera os custos financeiros e ambientais de aquisição de matéria-prima, fabricação, transporte, utilização, manutenção e descarte dos equipamentos. Os elementos incluem:

• Custos e ganhos financeiros
• Consumo de energia
• CO ₂ e outras emissões

Em termos de consumo de energia, cerca de 60% vai para o tanque e 30% para o coletor (placa termossifão neste caso). Na Itália, cerca de 11 giga-joules de eletricidade são usados ​​na produção de equipamentos SWH, sendo que cerca de 35% vai para o tanque e outros 35% para o coletor. O principal impacto relacionado à energia são as emissões. A energia usada na fabricação é recuperada nos primeiros 2-3 anos de uso (no sul da Europa).

Em contraste, o tempo de retorno de energia no Reino Unido é relatado como apenas 2 anos. Este valor foi para um sistema direto, adaptado para um reservatório de água existente, com bomba fotovoltaica, tolerante ao congelamento e com abertura de 2,8 m². Para efeito de comparação, uma instalação fotovoltaica demorou cerca de 5 anos a atingir o retorno da energia, de acordo com o mesmo estudo comparativo.

Em termos de emissões de CO ₂ , uma grande fração das emissões economizadas depende do grau em que o gás ou a eletricidade são usados ​​para complementar o sol. Usando o sistema de Eco-indicador 99 pontos como parâmetro (ou seja, a carga ambiental anual de um habitante europeu médio) na Grécia, um sistema puramente movido a gás pode ter menos emissões do que um sistema solar. Este cálculo assume que o sistema solar produz cerca de metade das necessidades de água quente de uma casa. Mas porque as emissões de metano (CH ₄ ) do ciclo de combustível do gás natural superam o impacto do efeito estufa do CO ₂ , as emissões líquidas do efeito estufa (CO ₂ e) de sistemas movidos a gás são muito maiores do que para aquecedores solares, especialmente se a eletricidade suplementar também for da geração livre de carbono.

Um sistema de teste na Itália produziu cerca de 700 kg de CO ₂ , considerando todos os componentes de fabricação, uso e descarte. A manutenção foi identificada como uma atividade com alto custo de emissão quando o fluido de transferência de calor (à base de glicol) foi substituído. No entanto, o custo das emissões foi recuperado em cerca de dois anos de uso do equipamento.

Na Austrália, as emissões do ciclo de vida também foram recuperadas. O sistema SWH testado teve cerca de 20% do impacto de um aquecedor elétrico de água e metade de um aquecedor a gás.

Analisando seu sistema de aquecimento solar de água tolerante ao congelamento de retrofit de baixo impacto, Allen et al. (qv) relatou um impacto de produção de CO ₂ de 337 kg, que é cerca de metade do impacto ambiental relatado no Ardente et al. (qv) estudo.

Especificação e instalação do sistema

• A maioria das instalações SWH requer aquecimento de backup.
• A quantidade de água quente consumida a cada dia deve ser substituída e aquecida. Em um sistema apenas solar, consumir uma grande fração da água no reservatório implica em variações significativas de temperatura do reservatório. Quanto maior o reservatório, menor é a variação diária de temperatura.
• Os sistemas SWH oferecem economias de escala significativas em custos de coletores e tanques. Assim, a balança mais economicamente eficiente atende 100% das necessidades de aquecimento da aplicação.
• Os sistemas diretos (e alguns sistemas indiretos que usam trocadores de calor) podem ser adaptados às lojas existentes.
• Os componentes do equipamento devem ser isolados para obter todos os benefícios do sistema. A instalação de um isolamento eficiente reduz significativamente a perda de calor.
• As bombas fotovoltaicas mais eficientes iniciam lentamente em níveis baixos de luz, portanto, podem causar uma pequena quantidade de circulação indesejada enquanto o coletor está frio. O controlador deve evitar que a água quente armazenada tenha esse efeito de resfriamento.
• As matrizes coletoras de tubos evacuadas podem ser ajustadas removendo / adicionando tubos ou seus tubos de calor, permitindo a personalização durante / após a instalação.
• Acima de 45 graus de latitude, os coletores voltados para o sol montados no telhado tendem a produzir mais do que os coletores montados na parede. No entanto, as matrizes de coletores íngremes montados na parede às vezes podem produzir mais energia útil porque os ganhos de energia usada no inverno podem compensar a perda de energia não usada (em excesso) no verão.

Padrões

Europa

• EN 806: Especificações para instalações no interior de edifícios com transporte de água para consumo humano. Em geral.
• EN 1717: Proteção contra a poluição da água potável em instalações de água e requisitos gerais de dispositivos para evitar a poluição por refluxo.
• EN 60335: Especificações para a segurança de aparelhos elétricos domésticos e similares. (2–21)
• UNE 94002: 2005 Sistemas solares térmicos para produção de água quente sanitária. Método de cálculo da demanda de calor.

Estados Unidos

• OG-300: Certificação OG-300 de Sistemas Solares de Aquecimento de Água.

Canadá

• CAN / CSA-F378 Série 11 (coletores solares)
• CAN / CSA-F379 Série 09 (sistemas solares de água quente sanitária empacotados)
• SRCC Standard 600 (Padrão mínimo para coletores de concentração térmica solar)

Austrália

• Lei de Energia Renovável (Eletricidade) de 2000
• Lei de Energia Renovável (Eletricidade) (Encargo de Falta de Geração em Grande Escala) de 2000
• Lei de Energia Renovável (Eletricidade) (Taxa de Falta de Tecnologia em Pequena Escala) de 2010
• Regulamentos de energia renovável (eletricidade) de 2001
• Regulamentos de Energia Renovável (Eletricidade) 2001 - Metodologia de Cálculo STC para Aquecedores Solares de Água e Aquecedores de Água com Bomba de Calor de Fonte de Ar
• Regulamentos de alteração (disposição transitória) de energia renovável (eletricidade) de 2010
• Regulamentos de alteração (disposições transitórias) de energia renovável (eletricidade) de 2009

Todos os participantes relevantes da Meta de Energia Renovável em Grande Escala e do Esquema de Energia Renovável de Pequena Escala devem cumprir as Leis acima.

Uso mundial

Principais países que usam energia solar térmica em todo o mundo (GW _th )

#	País	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012	2013
1	China	55,5	67,9	84,0	105,0	101,5	117,6	-	-	262,3
-	eu	11,2	13,5	15,5	20,0	22,8	23,5	25,6	29,7	31,4
2	Estados Unidos	1,6	1.8	1,7	2.0	14,4	15,3	-	-	16,8
3	Alemanha	-	-	-	7,8	8,9	9,8	10,5	11,4	12,1
4	Turquia	5,7	6,6	7,1	7,5	8,4	9,3	-	-	11,0
5	Austrália	1,2	1,3	1,2	1,3	5.0	5,8	-	-	5,8
6	Brasil	1,6	2,2	2,5	2,4	3,7	4,3	-	-	6,7
7	Japão	5.0	4,7	4,9	4,1	4,3	4,0	-	-	3,2
8	Áustria	-	-	-	2,5	3,0	3,2	2,8	3,4	3,5
9	Grécia	-	-	-	2,7	2,9	2,9	2,9	2,9	2,9
10	Israel	3,3	3,8	3,5	2,6	2,8	2,9	-	-	2,9
	Mundo (GW th )	88	105	126	149	172	196	-	-	-

União Européia

Aquecimento solar térmico na União Europeia (MW _th )

#	País	2008	2009	2010	2011	2012	2013
1	Alemanha	7.766	9.036	9.831	10.496	11.416	12.055
2	Áustria	2.268	3.031	3.227	2.792	3.448	3.538
3	Grécia	2.708	2.853	2.855	2.861	2.885	2.915
4	Itália	1.124	1.410	1.753	2.152	2.380	2.590
5	Espanha	988	1.306	1.543	1.659	2.075	2.238
6	França	1.137	1.287	1.470	1.277	1.691	1.802
7	Polônia	254	357	459	637	848	1.040
8	Portugal	223	395	526	547	677	717
9	República Checa	116	148	216	265	625	681
10	Suíça	416	538	627	-	-	-
11	Holanda	254	285	313	332	605	616
12	Dinamarca	293	339	379	409	499	550
13	Chipre	485	490	491	499	486	476
14	Reino Unido	270	333	374	460	455	475
15	Bélgica	188	204	230	226	334	374
16	Suécia	202	217	227	236	337	342
17	Irlanda	52	85	106	111	177	196
18	Eslovênia	96	111	116	123	142	148
19	Hungria	18	59	105	120	125	137
20	Eslováquia	67	73	84	100	108	113
21	Romênia *	66	80	73	74	93	110
22	Bulgária *	22	56	74	81	58	59
23	Malta*	25	29	32	36	34	35
24	Finlândia *	18	20	23	23	30	33
25	Luxemburgo *	16	19	22	25	23	27
26	Estônia*	1	1	1	3	10	12
27	Letônia *	1	1	1	3	10	12
28	Lituânia *	1	2	2	3	6	8
Total	EU27 + Sw (GW th )	19,08	21,60	23,49	25,55	29,66	31,39
* = estimativa, F = França como um todo

Veja também

• Concentração de energia solar
• Solar passivo
• Comercialização de energia renovável
• Calor renovável
• Certificado de energia renovável (Estados Unidos)
• Ar condicionado solar
• Aquecimento solar de ar
• Solar Combisystem
• Energia solar
• Água quente solar na Austrália
• Coletor térmico solar
• Energia solar térmica
• Design sustentável

Referências

links externos

• Partes de um sistema de aquecimento solar