O FPC (Flat-Plate Collectors) é o coração de qualquer sistema de coleta de energia solar projetado para operação na faixa de baixa temperatura (inferior a 60°C) ou na faixa de temperatura média (inferior a 100°C).
Visão global
É usado para absorver a energia solar, convertê-la em calor e, em seguida, transferir esse calor para o fluxo de líquidos ou gases. Eles usam radiações solares diretas e difusas, não requerem rastreamento do Sol e requerem pouca manutenção. São mecanicamente mais simples que os coletores concentradores. As principais aplicações dessas unidades são em aquecimento solar de água, aquecimento de edifícios, ar condicionado e aquecimento de processo industrial. Um FPC geralmente consiste nos seguintes componentes:
Componentes
- O envidraçamento consiste em uma ou mais folhas de vidro ou outro material transmissor de radiação.
- Tubos, aletas ou passagens para conduzir ou direcionar o HTF da entrada para a saída.
- As placas absorvedoras são placas planas, corrugadas ou ranhuradas, às quais os tubos, aletas ou passagens são fixados. A placa pode ser integral com os tubos.
- Cabeçalhos ou manifolds para admitir e descarregar o HTF.
- Isolamento para minimizar a perda de calor na parte traseira e nas laterais do coletor.
- Recipiente ou invólucro para envolver os outros componentes e protegê-los de poeira ou umidade. FPCs foram construídos em uma ampla variedade de projetos de muitos materiais diferentes (Fig. abaixo). Seu principal objetivo é coletar o máximo possível de energia solar com o menor custo total possível.
O coletor também deve ter uma longa vida útil, apesar: dos efeitos adversos da radiação ultravioleta do Sol; corrosão ou entupimento devido à acidez, alcalinidade ou dureza do HTF; congelamento ou retenção de ar no caso de água, ou deposição de poeira ou umidade no caso de ar.
Tipos
O vidro tem sido amplamente utilizado para esmaltar FPCs porque pode transmitir até 90% da radiação solar de ondas curtas enquanto transmite muito pouco da radiação de ondas longas emitida para fora da placa absorvedora. O vidro com baixo teor de ferro tem uma transmitância relativamente alta para a radiação solar (0,85–0,90 na incidência normal).
Filmes e folhas de plástico também possuem alta transmitância de ondas curtas, mas como a maioria das variedades utilizáveis também possui bandas de transmissão no meio do espectro de radiação térmica, sua transmitância de ondas longas pode chegar a 0,40.
O vidro geralmente usado em coletores solares pode ser de resistência simples (2,2–2,5 mm) ou dupla resistência (2,92–3,38 mm). Para radiação direta, a transmitância varia acentuadamente com o ângulo de incidência θ, conforme mostrado na Tabela abaixo.
Ângulo incidente de transmitância e absortância
Variação com ângulo incidente de transmitância e absortância
| Ângulo de incidência θ (°) | Transmitância τ | Absortância α (para tinta preta fosca) | |
| Vidro Simples | Vidros Duplos | ||
| 0.87 | 0.77 | 0.96 | |
| 10 | 0.87 | 0.77 | 0.96 |
| 20 | 0.87 | 0.77 | 0.96 |
| 30 | 0.87 | 0.76 | 0.95 |
| 40 | 0.86 | 0.75 | 0.94 |
| 50 | 0.84 | 0.73 | 0.92 |
| 60 | 0.79 | 0.67 | 0.88 |
| 70 | 0.68 | 0.53 | 0.82 |
| 80 | 0.42 | 0.25 | 0.67 |
| 90 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
O revestimento antirreflexo e a textura da superfície podem melhorar significativamente a transmissão. A placa absorvedora absorve o máximo possível da radiação através do envidraçamento, enquanto perde o mínimo possível de calor para a atmosfera e para baixo na parte traseira da caixa.
A placa absorvedora transfere o calor retido para o fluido de transporte. A absortância da superfície do coletor para radiação solar de ondas curtas depende da natureza e cor do revestimento e do ângulo de incidência, conforme mostrado na Tabela para uma tinta preta fosca típica.
Através de tratamentos eletrolíticos ou químicos adequados, superfícies seletivas podem ser produzidas com altos valores de absortância à radiação solar α e baixos valores de emitância de ondas longas ε. Superfícies seletivas são particularmente importantes quando a temperatura da superfície do coletor é muito maior que a temperatura do ar ambiente.
Os materiais mais frequentemente usados para placas absorvedoras são cobre, alumínio e aço inoxidável. Extrusões plásticas resistentes a UV são usadas para aplicações de baixa temperatura. Problemas potenciais de corrosão devem ser considerados para quaisquer metais.
Os materiais mais utilizados para isolamento são lã mineral, lã de vidro e espuma de vidro. A espuma de poliuretano é usada para aplicação em baixa temperatura e o isopor é usado muito raramente. As principais propriedades dos materiais de isolamento estão resumidas na Tabela abaixo.
Materiais de Isolamento
Principais propriedades dos materiais de isolamento
Não. | Materiais | Temperatura aceita (°C) | Densidade (kg/m3) | Condutividade Térmica (W/(m K)) |
1 | Lã mineral | >200 | 60–200 | 0.040 |
2 | Lã de vidro | >200 | 30–100 | 0.040 |
3 | Vidro de espuma | >200 | 130–150 | 0.048 |
4 | Espuma de poliuretano | <130 | 30-80 | 0.030 |
5 | isopor | <80 | 30-50 | 0.034 |
O FPC geralmente é permanentemente fixo na posição e não requer rastreamento do Sol. Os coletores devem ser orientados diretamente para o equador, voltados para o sul no hemisfério norte e para o norte no sul. O ângulo de inclinação ideal do coletor é igual à latitude do local com variações de ângulo de 10–15°C, mais ou menos dependendo da aplicação.
Coletor Solar de Ar
Os coletores solares de ar têm princípios operacionais semelhantes aos FPCs (Fig. abaixo).
A diferença é que, em vez de fluido líquido, um ventilador elétrico bombeia ar pelo coletor. Os principais componentes são: placa absorvedora (1), tampa de vidro (2), isolamento (3), carcaça (4) e exaustor (5).
Este tipo de coletor não é muito comum na Europa (cobre apenas 1–2% do mercado de coletores solares líquidos). As razões para isso podem ser, por um lado, a falta de experiência e o desconhecimento dos usuários finais e, por outro lado, este tipo de coletor não pode ser usado diretamente para a produção de AQS, que domina o mercado hoje.
Equilíbrio energético
Na figura abaixo está ilustrado o balanço de energia de um FPC padrão. Da radiação solar total IT incidente sobre a cobertura de vidro, uma parte (τ · IT) determinada de transmitância τ atinge a placa absorvedora onde é transformada em calor.
A tampa de vidro reflete na radiação do espaço (ρ · IT) e absorve radiação (α · IT), onde ρ e α são a refletância e a absortância da cobertura de vidro, respectivamente. Uma parte da radiação (τ · IT) incidente na placa absorvedora é refletida e a maior parte dessa radiação é transformada em calor. A soma dos coeficientes τ, ρ e α é
