Relatório Colectores Solares de Tubos de Vácuo

Curso de Engenharia de Sistemas de Energias renováveis

Disciplina de Tecnologias das Energias Renováveis

Módulo de Sistemas Solares Térmicos e Bombas de Calor

Ano lectivo de 2009/2010

Relatório

Colectores Solares de Tubos de Vácuo

Executado por:

Eva Kaná 6832

Fábio Oliveira 6844

Imanuel Gonçalves 6830

Ricardo Silva 6821

Orientado por:

Gaspar Rego

Entregue em:

21-01-2010

Colectores solares de tubos de vácuo

ESTG/IP de Viana do Castelo

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Índice

1. Objectivos .......................................................................................................... 3

2. Painéis solares de tubos de vácuo ...................................................................... 4

2.1 Constituição ....................................................................................................... 4

2.1.1 Tubo de cobre fechado ................................................................................ 5

2.1.2 Tubo em U .................................................................................................. 5

2.1.3 Sem tubo de cobre ....................................................................................... 5

2.2 Funcionamento ................................................................................................... 6

2.2.1 Tubo de cobre fechado ................................................................................ 6

2.2.2 Tubo de cobre em U .................................................................................... 6

2.2.3 Sem tubo de cobre ....................................................................................... 6

2.3 Técnicas de restrição da temperatura de funcionamento ................................... 6

2.4 Sistemas solares térmicos com colectores solares de tubos de vácuo ............... 7

2.4.1 Sistema termossifão .................................................................................... 7

2.4.2 Sistema de circulação forçada ..................................................................... 8

2.5 Vantagens ........................................................................................................... 8

2.6 Desvantagens ..................................................................................................... 9

3. Incentivos fiscais ................................................................................................ 9

4. Bibliografia ........................................................................................................ 9



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1. Objectivos

Os objectivos do presente trabalho são:

a) Análise dos colectores solares térmicos de tubos de vácuo:

Componentes;

Funcionamento;

Vantagens e desvantagens relativamente aos restantes;



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2. Painéis solares de tubos de vácuo

Os colectores solares de vácuo são a nova geração

de painéis solares térmicos para o aquecimento de água.

Estes colectores, nos meses mais frios, possuem um

rendimento superior aos tradicionais painéis planos

devido à maior capacidade de retenção de calor e ao

maior aproveitamento da energia solar.

A captação de energia térmica através de tubos de

vidro com vácuo tem a finalidade de aquecer águas,

quer para uso doméstico, quer para apoio de

aquecimento central e de piscinas.

2.1 Constituição

Estes colectores de vácuo são constituídos por uma série de tubos, montados em

paralelo, cujo número pode ser aumentado ou reduzido conforme as necessidades de

água quente serem maiores ou menores, respectivamente.

O tubo de vácuo é constituído por dois tubos de

vidro concêntricos de boro-silicato, o qual é conhecido

pela sua rigidez, e dentro dos quais existe vácuo. O

tubo externo transparente permite a livre passagem de

luz com o mínimo de reflexão. O tubo interno é

também em boro-silicato mas possui uma película

selectiva incrustada (nitrato de alumínio, óxido nítrico

de titânio,..) de forma a possuir uma baixa reflexão no

espectro da luz solar e baixa emissividade para a

radiação infravermelha para assim evitar perdas.

A parte superior dos tubos de vidro é fundida ficando, assim, os dois tubos unidos

entre si. O ar entre eles é retirado a altas temperaturas. Cria-se desta forma vácuo entre

os tubos concêntricos o qual é responsável pela elevada eficiência deste sistema em

comparação com outro tipo de colectores. Para retirar completamente os gases do

interior dos tubos, são utilizados getters que não são mais do que um revestimento

aplicado à superfície interior da zona evacuada. Estando o tubo devidamente selado e

sem ar no seu interior, as moléculas do gás residual tocam na superfície do getter e

combinam-se quimicamente com o material, retirando-se do espaço evacuado. Este

processo ocorre a altas temperaturas, sendo o boro um dos metais mais utilizados

devido às suas propriedades oxidantes. O depósito

resultante indica se existe ou não um bom vácuo:

um depósito cinzento indica uma boa qualidade do

vácuo no tubo, por outro lado, se o depósito for

esbranquiçado indica que ocorreu uma combinação

com o oxigénio proveniente de fracturas no vidro

no que resulta da perda do vácuo e consequente

fraco desempenho do sistema.



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Três tipos de colectores são distinguíveis devido ao seu método de transferência de

calor:

2.1.1 Tubo de cobre fechado

Este tipo usa um tubo selado de cobre (heat – pipe) que contém um líquido que

vaporiza à medida que é aquecido.

2.1.2 Tubo em U

Neste tipo de tubo, o fluído de transferência de calor é bombeado através de um tubo

de cobre em forma de „U‟ posicionado em cada tubo de vidro.

2.1.3 Sem tubo de cobre

Nesta configuração, o fluido está em contacto com o vidro do dos tubos de vácuo.



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2.2 Funcionamento

Os três tipos de tubos anteriormente apresentados podem ser utilizados em

configurações tanto de termossifão como circulação forçada.

2.2.1 Tubo de cobre fechado

Os tubos selados de cobre possuem no

interior água destilada e aditivos

especiais. Como é conhecido, o ponto de

ebulição da água é de 100 º C ao nível do

mar. Subindo uma montanha o seu ponto

de ebulição vai ser mais baixo, conclui-se

portanto, que o ponto de ebulição tem

uma relação directa com a pressão (quanto

menor a pressão, menor a temperatura a

que a água ferve). O tubo interior faz uso deste interessante princípio. A sua pressão

interior é regulada para que o ponto de ebulição seja atingido à temperatura que se

deseja que a água aqueça. Desta forma, quando se atingir essa temperatura no interior

do tubo, a água vaporiza e sobe até ao ponto mais alto do tubo, onde se encontra o

condensador (heat - transfer). A água fria percorre os vários condensadores do colector

solar consumindo assim o calor fornecido por estes e resultando na formação de água

quente. Por outro lado, o calor libertado pelo condensador baixa a temperatura do fluído

do tubo fazendo com que este condense e, por acção da gravidade, volte à parte inferior

do tubo, criando-se assim um ciclo de transferência de calor.

2.2.2 Tubo de cobre em U

Neste formato, uma entrada do tubo é dedicada à água fria enquanto a outra é

dedicada à água quente. O gradiente de densidades gerado pelo aquecimento da água vai

fazer com que ocorra o ciclo de transferência de calor.

2.2.3 Sem tubo de cobre

Nesta configuração, a água a ser utilizada pode ser aquecida directamente nos tubos

de vácuo ou então, à semelhança do que acontece com os tubos de cobre em forma de

U, utilizar um fluido específico e depois realizar a troca de calor através de um

permutador externo. Uma das principais desvantagens desta configuração reside no

facto de que se ocorrer algum dano num dos tubos de vidro, todo o sistema poderá ficar

comprometido.

2.3 Técnicas de restrição da temperatura de funcionamento

Uma das técnicas para limitar a temperatura de funcionamento é escolher o fluído

que circula no tubo de cobre ou no próprio tubo de vidro tendo em conta as suas

propriedades físicas e a quantidade a usar. Isto leva a que o tubo de cobre contenha

apenas vapor na situação crítica levando à paragem do mecanismo de transferência de

calor.

Nos tubos mais recentes, a temperatura máxima de trabalho é controlada através de

uma mola metálica de memória (válvula termodinâmica) que é posicionada dentro do

condensador. A válvula regula o fluxo de calor do tubo a um nível mínimo quando a



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temperatura de funcionamento se aproxima do seu limite. A válvula termodinâmica é

programada para mudar o seu formato a uma temperatura predefinida. Isto permite que

o fluído seja retido dentro do condensador. Quando a temperatura predefinida é

atingida, a mola metálica expande e empurra um selo contra o pescoço do heat – pipe,

bloqueando, desta forma, o retorno do fluído condensado e parando a transferência de

calor.

A inclinação dos painéis em relação à horizontal também contribui para a limitação

das temperaturas de funcionamento. Uma optimização para o Inverno fará com que no

Verão (intensidade solar maior) a radiação incidente seja menor, o que levará a

inferiores temperaturas de funcionamento.

2.4 Sistemas solares térmicos com colectores solares de tubos de vácuo

2.4.1 Sistema termossifão

Neste tipo de sistemas também designados por sistemas tipo “kit” o depósito de

acumulação tem de estar a uma cota superior ao colector, ou seja o colector tem o

depósito integrado.

Trata-se de um sistema autónomo que não necessita de bomba circuladora nem de

sistemas de controlo e praticamente não necessita de manutenção, sendo por isso a

escolha ideal para sistemas domésticos.

O princípio de funcionamento é simples. O utilizador define a temperatura a que

pretende utilizar a água quente, como por exemplo 45 ºC, se a temperatura da água no

termoacumulador for superior à temperatura do fluido nos colectores solares, o módulo

solar mistura com água fria a água proveniente do termoacumulador de modo que a

temperatura de envio para a utilização seja de 45 ºC. Caso a temperatura seja inferior a

45 ºC, então o módulo solar desvia a água até ao sistema de apoio, por exemplo

caldeira, que irá repor energia suficiente até que esta atinja os 45 ºC. Este tipo de

configuração evita também queimaduras, pois é normal em determinadas alturas do ano

a água proveniente do termoacumulador atingir temperaturas na ordem dos 70 ºC.

O aproveitamento de energia é máximo, pois mesmo em dias com pouca radiação

solar o sistema faz um pré-aquecimento da água. Ou seja, o sistema convencional de

aquecimento de água gastará menos energia para o aquecimento desta, em comparação

com uma situação em que não existisse o sistema solar.

Este tipo de colector representado na figura é

constituído por materiais resistentes à corrosão

provocada pelos iões de cloro, por água com sal ou

impurezas da água da rede, ou seja, preservam a

qualidade da água.

As perdas térmicas são reduzidas ao mínimo

através de um isolamento constituído por uma

camada de 75 mm de espuma de poliuretano. Este

equipamento está disponível em vários modelos que

diferem no número e no diâmetro dos tubos de

vácuo e com capacidades de depósito que podem

variar.



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2.4.2 Sistema de circulação forçada

Mais uma vez o princípio de funcionamento é muito simples. São instaladas sondas

para a medição da temperatura do fluído térmico no campo de colectores e da

temperatura da água no termoacumulador. Quando o controlador diferencial, detectar

que a temperatura do fluído térmico do campo de colectores é superior à da água na

zona mais fria (zona inferior) do termoacumulador, a bomba circuladora entra em

funcionamento, transferindo a energia para o termoacumulador. Esta transferência cessa

assim que o controlo diferencial detecte que a temperatura do termoacumulador na zona

mais fria supera a do campo de colectores. Supondo que o utilizador escolhe uma

temperatura de consumo de 45 ºC, a função do

sistema de apoio é manter a zona mais alta do

depósito a esta temperatura, zona esta, que só por si

deverá ter capacidade suficiente para satisfazer as

necessidades energéticas de AQS.

O sistema da figura é completo com um ou dois

painéis solares com tubos de vácuo, acumulador de

água quente em aço inox de 200 e 300 litros,

controlador electrónico programável e bomba de

circulação de água. O acumulador e o painel estão

fisicamente separados, podendo ligar-se o

acumulador de água ao seu sistema existente de água quente - caldeira a gasóleo, fogão

de sala, fogão a lenha, esquentador, cilindro, etc. A sua alta eficiência permite também a

sua utilização para aquecimento de piscinas, piso radiante, aquecimento central, assim

como para zonas industriais e comerciais.

2.5 Vantagens

O vácuo reduz consideravelmente a perda de calor por condução no interior dos

tubos. Possibilita a captação constante de energia mesmo com temperaturas

negativas, só sendo necessária a existência de luz solar. O vento e a chuva têm um

mínimo efeito na eficiência dos colectores;

Como não existe água no interior dos tubos não existe o risco de danificação devido

à expansão da água quando congela;

A incidência do sol é sempre perpendicularmente à superfície, o que reduz a reflexão

e maximiza a quantidade total de radiação solar a que os colectores estão expostos

durante o dia;

Os tubos de vácuo são duradouros e resistentes;

Vidro de boro-silicato de alta resistência capaz de suster o impacto de granizo;

Atingem temperaturas superiores, quando comparados com os outros tipos de

colectores;

Em caso de dano num dos tubos, o colector continua o seu funcionamento normal.

Os tubos são fáceis de substituir, visto que são ligados separadamente e

independentes uns dos outros;

Possuem um melhor desempenho em climas frios quando comparados com os

painéis planos, uma vez que apenas se baseiam na utilização da luz solar e não da

temperatura ambiente;



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Têm rendimentos razoáveis mesmo a baixas intensidades luminosas;

Em climas de neve, o espaço entre os tubos de vácuo permite que a neve caia,

evitando, desta forma, o bloqueio da luz solar que chega à área de absorção;

Podem ser instalados numa direcção considerada menos eficiente;

Devido à forma cilíndrica do tubo de vácuo, a incidência solar fica perpendicular à

superfície do vidro a maior parte do dia;

Apresenta boa eficiência, mesmo com elevadas diferenças de temperatura entre o

absorsor e o meio envolvente (por exemplo no verão);

Suporta cargas térmicas com mais eficiência do que os colectores planos;

Atinge elevadas temperaturas, possibilitando a utilização em sistemas de ar

condicionado e produção de vapor;

É facilmente transportado para qualquer local (apresenta um baixo peso e pode ser

montado no local da instalação);

Menores custos de instalação porque se evita a remoção de material do telhado;

2.6 Desvantagens

Não pode ser usado para instalações horizontais no caso dos sistemas de tubos de

aquecimento (inclinação no mínimo 25º).

Temperaturas elevadas e constantes podem originar uma fuga do fluído do heat –

pipe, por isso rigorosas considerações devem ser tiradas na instalação deste sistemas

em climas temperados;

A área de absorção ocupa apenas 50 % da área do painel nos designs mais antigos,

embora esta área vá aumentando à medida que a tecnologia vai evoluindo;

Preço superior aos dos painéis térmicos convencionais.

3. Incentivos fiscais

Hoje em dia, a falta de financiamento não pode ser uma desculpa para a não

instalação de um sistema térmico. O governo desenvolveu algumas medidas que visam

apoiar tanto particulares como empresas para a implementação de sistemas de energias

renováveis. Taxas reduzidas de IVA, benefícios fiscais no IRS e IRC são algumas das

medidas aprovadas. Pode ser deduzido no IRS 30% do custo com equipamentos novos

para utilização de energias renováveis (até ao máximo de 796 €).

4. Bibliografia

http://mentenergica.com/index.php?option=com_content&task=view&id=21&Itemid

=20

http://www.ancruzeiros.pt/ancastros-sol-dec.html

http://www.astro.iag.usp.br/~maciel/teaching/artigos/sol2.jpg

http://www.cenfim.pt/doc/artigos/energia_solar.pdf

http://www.energiasealternativas.com/energia-solar.html

http://www.energiasrenovaveis.com/



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http://www.made-in-

china.com/showroom/cnwxwk/productdetailNMrEqAoJJDcR/China-U-Pipe-Solar-

Collector.html

http://www.raplus.pt/destaque3.pdf

http://www.sbvacuo.org.br/artigoRobertoStempniak.pdf

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