A energia solar é o principal recurso de luz e calor da Terra. Pode fornecer energia eterna para manter a temperatura da atmosfera e germinar as plantas. Com os desenvolvimentos tecnológicos, a energia solar pode ser utilizada de forma cada vez mais eficiente e econômica.
Em um sistema de aquecimento e resfriamento solar, a energia solar tem o potencial de atender a uma grande proporção das necessidades de aquecimento e resfriamento de edifícios e indústrias. Existem também inúmeras tecnologias para diferentes temperaturas de fonte de calor e demandas específicas. Para garantir a utilização solar estável e de longo prazo, o armazenamento de calor também é essencial. Neste post, uma visão geral das tecnologias de aquecimento e resfriamento solar será fornecida.
Energia solar
A energia solar é a fonte de energia dos sistemas solares de aquecimento e resfriamento. Existem basicamente duas maneiras modernas de coletar energia solar. Uma delas é a adoção direta da energia térmica produzida pela radiação solar com uso de um coletor solar. O calor solar ganho poderia então ser transferido para aplicações de aquecimento ou resfriamento solar; esse tipo de sistema também é chamado de sistema solar térmico. A outra é transferir radiação solar em energia elétrica por meio de material fotovoltaico (PV); esse tipo de sistema também é chamado de sistema solar fotovoltaico.
Quando a energia solar é integrada aos sistemas de aquecimento e resfriamento, há muito mais opções para sistemas acionados por calor do que por sistemas elétricos. Neste caso, os coletores solares térmicos são enfatizados e os sistemas de acionamento térmico têm sido amplamente pesquisados e desenvolvidos. Devido à significativa redução de preço da energia solar fotovoltaica nos últimos anos, os sistemas movidos a energia solar fotovoltaica também estão se tornando atraentes.
Existem diferentes classificações do coletor solar. Ele pode ser classificado em não concentrador tipos e concentrando tipos. Também pode ser classificado em coletores de baixa temperatura, coletores de média temperatura e coletores de alta temperatura de acordo com a temperatura de trabalho. Os coletores de baixa, média e alta temperatura trabalham abaixo de 100°C, 100–200°C e acima de 200°C, respectivamente.
Neste post, os coletores solares são classificados em sem rastreamento coletores solares e rastreamento coletores solares. Uma breve introdução da tecnologia solar fotovoltaica também é fornecida.
Coletores solares sem rastreamento
Este tipo de coletor solar inclui principalmente o coletor de placa plana (FPC), o coletor de tubo evacuado (ETC) e o concentrador parabólico composto (CPC). Eles geralmente funcionam como coletores de baixa e média temperatura, adequados para aquecimento e resfriamento de ambientes. Água, ar ou óleo podem ser usados como meio de transporte térmico.
Coletor de Placa Plana
FPCs: Os FPCs geralmente contêm o envidraçamento, a placa absorvedora, o componente de transferência de calor e a camada de isolamento. Os FPCs são normalmente usados para aquecimento de ambientes ou fornecimento de água quente. Tem baixa temperatura de trabalho, mas é simples, econômico e tem longa vida útil. Também é facilmente integrado em edifícios.
Coletor de tubo evacuado
ETCs: Quando o clima não é tão quente ou a temperatura de trabalho é alta, o FPC não pode funcionar com eficiência devido às perdas de calor e os ETCs podem ser usados. No ETC, a superfície do absorvedor com revestimento seletivo (absortividade 95%, emissividade <5%) é colocada em um tubo de camada dupla com vácuo entre as duas camadas. O vácuo ao redor do absorvedor pode reduzir bastante as perdas de calor por convecção e condução. Neste caso, a eficiência pode ser aumentada.
Concentrador Parabólico Composto
CPCs: Para aumentar a eficiência do coletor solar, podem ser usados coletores concentradores como os CPCs. O CPC é um concentrador sem imagem com baixa taxa de concentração. O CPC usa uma superfície refletora parabólica composta para refletir e concentrar a radiação solar na linha focal. Um absorvedor tubular é usado como receptor. Em alguns coletores CPC recém-desenvolvidos, uma superfície parabólica composta e um receptor são integrados no tubo evacuado para evitar perdas de calor e aumentar a eficiência.
Rastreamento de coletores solares
Este tipo de coletor solar inclui principalmente coletores de rastreamento de eixo único e coletores de rastreamento de dois eixos. Os coletores de rastreamento de eixo único incluem coletores parabólicos lineares (PTCs), refletores Fresnel lineares (LFRs) e coletores cilíndricos (CTCs). Eles têm um efeito de concentração bidimensional. Os coletores de rastreamento de dois eixos incluem o coletor de prato parabólico e o coletor de torre solar (campo helióstato). Eles têm um efeito de concentração tridimensional. Os coletores de rastreamento geralmente funcionam como coletores de média e alta temperatura. Água, óleo ou sal fundido podem ser usados como fluido de trabalho.
Coletores de Calhas Parabólicas
PTC: O PTC utiliza um refletor de calha parabólica para concentrar a radiação solar. O receptor tubular integrado no tubo evacuado é colocado ao longo da linha focal do refletor. O coletor precisa rastrear o Sol ao longo de um único eixo para maximizar sua eficiência. Pode-se obter uma razão de concentração maior que a do CPC. Os PTCs podem efetivamente produzir calor em temperaturas entre 50°C e 400°C. Ele pode ser usado para geração de energia solar térmica, energia solar térmica para usos industriais e como fonte de calor para resfriamento solar eficiente.
Refletores lineares de Fresnel
LFRs: O LFR usa várias matrizes de espelhos planos para refletir e concentrar a radiação solar em conjunto. Comparado com os PTCs, o LFR é mais barato e ocupa menos espaço. As matrizes de espelhos são geralmente colocadas no chão. Isso torna a instalação mais fácil do que PTCs, especialmente em um sistema grande. No entanto, problemas de sombreamento e bloqueio podem reduzir sua eficiência. A tecnologia LFR compacta pode melhorar isso agora que é bem aceita para aquecimento industrial e resfriamento solar.
prato parabólico
prato parabólico: O prato parabólico utiliza o prato reflexivo para concentrar a radiação solar em um ponto. Neste caso, a taxa de concentração de um prato parabólico é maior do que o PTC e LFR. Maior eficiência ou maior temperatura de trabalho pode ser obtida. O absorvedor de um coletor de prato parabólico é colocado no ponto focal. Como a concentração tridimensional é adotada, o rastreamento de dois eixos é necessário. Pratos parabólicos têm sido usados com motores Stirling para gerar eletricidade.
torre solar
torre solar: A torre solar utiliza os heliostatos para concentrar a radiação solar para o receptor em uma torre. Os helióstatos são espelhos de rastreamento espalhados pela torre. Neste caso, a torre solar também é chamada de campo helióstato ou coletor receptor central. Como os heliostatos são componentes individuais instalados no solo, a área reflexiva total e a taxa de concentração podem ser grandes, o que aumenta a potência do sistema e a eficiência do trabalho. Os sistemas de torres solares têm sido considerados como um sistema eficiente para gerar eletricidade a partir da energia solar térmica. Os tipos de concentração, modos de rastreamento, temperaturas de trabalho e eficiências dos coletores mencionados são apresentados na Tabela 1.1. A eficiência dos coletores solares térmicos está intimamente relacionada com a temperatura de trabalho e a temperatura ambiente. Neste caso, as eficiências não são incluídas.
Coletores solares térmicos
Colecionador | Movimento | tipo de absorvedor | Taxa de concentração | Temperatura indicativa (°C) |
Prato plano | Estacionário | Plano | 1 | 30-80 |
Tubo evacuado | Estacionário | Plano | 1 | 50–200 |
CPC | Estacionário | Tubular | 1–5 | 60–240 |
PTC | Rastreamento de eixo único | Tubular | 15–45 | 60–300 |
LFR | Rastreamento de eixo único | Tubular | 10–40 | 60–250 |
prato parabólico | Rastreamento de dois eixos | Ponto | 100–1000 | 100–500 |
torre solar | Rastreamento de dois eixos | Ponto | 100–1500 | 150–2000 |
- CPC, concentrador parabólico composto;
- PTC, coletor de calha parabólica;
- LFR, refletor Fresnel linear.
Energia solar fotovoltaica
Quando a energia solar fotovoltaica é usada para um sistema de aquecimento e resfriamento, um sistema convencional de compressão de vapor pode ser adotado. Em um sistema solar fotovoltaico, a radiação solar pode ser convertida em eletricidade de corrente contínua através do efeito fotovoltaico dos materiais semicondutores. As células solares podem ser classificadas como células de silício, células de filme fino, células solares emergentes, E células solares multijunção, entre as quais células solares de silício e filme estão disponíveis no mercado.
células de silício
células de silício: O material à base de silício é o material fotovoltaico mais desenvolvido e comercializado. Também é chamada de tecnologia de “primeira geração”. Os materiais à base de silício representam a maior participação de mercado para produtos fotovoltaicos. O silício multicristalino e o silício monocristalino são os materiais mais comumente usados no mercado.
Células de filme fino
Células de filme fino: Uma célula de filme fino é feita depositando uma ou mais camadas finas de material PV de filme fino em um substrato. Sua espessura varia de nanômetros a dezenas de micrômetros, o que facilita a integração em edifícios. Também é chamada de tecnologia de “segunda geração”. As células solares de película fina comercializadas normalmente usam telureto de cádmio, seleneto de cobre, índio e gálio e silício de película fina amorfa (a-Si). Em 2014, as células de filme fino representaram aproximadamente 9% da implantação mundial, enquanto o restante compreendia células de silício cristalino.
Células solares emergentes
Células solares emergentes: As células solares emergentes também podem ser chamadas de células solares de “terceira geração”. Essas células solares têm o potencial de superar o limite de Shockley-Queisser para células solares de bandgap simples. Eles incluem as células sensibilizadas com corantes e células orgânicas. Outras tecnologias disponíveis incluem a célula de cobre, zinco e sulfeto de estanho, célula de perovskita, célula de polímero e célula de ponto quântico.
Células multijunção
Células multijunção: As células tradicionais têm apenas uma junção p–n e há um limite teórico de eficiência. Células solares multijunção têm múltiplas junções p-n feitas de diferentes materiais semicondutores. Uma eficiência teórica de até 86,8% pode ser alcançada por infinitas junções p-n. As células multijunção variam de número de junção e material. Estes incluem a célula InGaP/GaAs/InGaAs, célula de filme fino de silício amorfo/liga de hidrogênio (a-Si)/silício nanocristalino ou microcristalino (nc-Si)/nc-Si, célula de filme fino a-Si/nc-Si e breve.
Mais Informações
- [1] Kalogirou SA Coletores solares térmicos e aplicações. Prog Energy Combust Sci. 2004;30(3):231–295.
- [2] Relatório Fraunhofer ISE Photovoltaics. 2015.
- [3] Shockley W, Queisser HJ Limite de equilíbrio detalhado da eficiência de células solares de junção pn. J Appl Phys. 1961;32(3):510–519.
- [4] Dimroth F, Kurtz S. Células solares multijunção de alta eficiência. Sra Boi. 2007;32(03):230–235.
