Sistema de aquecimento solar

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Antecedentes

Em apenas um segundo, o Sol emite 13 milhões de vezes a energia que é gerada por toda a eletricidade consumida em um ano nos Estados Unidos. Apenas um milionésimo da energia do Sol chega à Terra, mas essa quantidade escassa seria mais do que suficiente para atender às necessidades de energia de todo o nosso planeta. A relativa dificuldade de extração de energia do Sol, quando comparada aos sistemas que derivam energia de combustíveis fósseis ou nucleares, tem dificultado seu desenvolvimento como fonte generalizada de energia. Em uma escala menor e em muitos projetos experimentais, entretanto, a energia solar tem se mostrado altamente eficaz na produção de eletricidade e calor.

A energia solar foi explorada pela primeira vez para fins elétricos na década de 1950, quando a necessidade de geração contínua de energia elétrica em satélites espaciais gerou o desenvolvimento de uma célula solar nos Laboratórios Bell Telephone dos Estados Unidos. Mesmo hoje, porém, a melhor célula solar de silício converte a luz do sol em energia elétrica com apenas 18% de eficiência. Ainda assim, os experimentos utilizaram eletricidade gerada pelo sol com grande sucesso. Um projeto altamente visível com foco na energia solar é a corrida anual internacional de automóveis movidos a energia solar.

A energia solar provou ser mais eficaz e tem sido mais amplamente utilizada para sistemas de aquecimento e resfriamento de água e ambiente. Como um aquecedor de água, a energia solar é mais comumente usada para aquecer piscinas. Para aquecimento ambiente, dois tipos principais de sistemas são usados. Um sistema de aquecimento solar passivo admite energia solar diretamente em um edifício através de grandes janelas voltadas para o sul (no hemisfério norte) e aquece diretamente o espaço interno (isso é conhecido como ganho direto e também conhecido como efeito estufa) ou através de uma parede ou telhado que absorve a radiação solar, armazena o calor resultante e transfere o calor para o edifício (isso é conhecido como ganho indireto). Um sistema passivo também pode utilizar um absorvedor e componentes de armazenamento (como um leito de rocha) que não fazem parte do edifício, mas estão contidos em sua própria câmara separada. Isso é conhecido como sistema de ganho isolado.

Os sistemas de aquecimento solar ativo usam água ou ar para transportar calor de coletores montados no lado sul (novamente, no hemisfério norte) do telhado de um edifício para leitos rochosos ou tanques de água. O calor armazenado pode ser permitido diretamente em uma sala ao utilizar camas de rocha e ar como o fluido de transferência, ou através de unidades fan-coil quando a energia solar aquece a água pela primeira vez. O calor é então transferido através das bobinas para aquecer o ar. Os sistemas de resfriamento também são divididos em sistemas passivos e ativos que utilizam ar noturno e condensação para resfriar o ar em um edifício.

Diferentes tipos de painéis coletores solares podem ser usados ​​e adequados ao tipo de instalação que está sendo aquecida ou resfriada. Um coletor de placa plana, uma caixa grande e plana com um topo de vidro e um fundo preto absorvente de calor contendo tubos que correm paralelos à parte superior e inferior, é mais adequado para uso doméstico. Um coletor de concentração, feito de materiais refletivos e em forma de calha ou tigela, é mais adequado para uso industrial.

História

O sol tem servido como fonte de calor desde o início dos tempos, mas o mais antigo documentado uso de um sistema de coleta solar construído por humanos remonta a 1776, quando o cientista suíço Horace de Saussure desenvolveu um coletor rudimentar comumente referido como uma "caixa quente". O astrônomo Sir John Herschel usou caixas quentes para cozinhar alimentos durante uma expedição à África na década de 1830, e o uso de energia solar térmica para cozinhar e destilar água tornou-se subsequentemente comum em certas partes da África.

Os primeiros pioneiros americanos do final dos anos 1800 usavam potes e panelas pretas para aquecer a água enquanto viajavam durante o dia, popularizando assim o uso da energia solar para aquecer a água. A ideia foi amplamente difundida em áreas do país que, de outra forma, teriam de importar combustível para aquecimento de água. Por exemplo, em 1897, quase 30% das casas em Pasadena, Califórnia, utilizavam aquecedores solares de água.

A energia solar continuou a ser usada moderadamente ao longo do século seguinte, mas cresceu em popularidade durante a crise de energia e petróleo da década de 1970. O uso da energia solar diminuiu com o declínio da crise energética, mas aumentou novamente em popularidade na década de 1990, à medida que as populações se tornavam cada vez mais conscientes dos riscos ambientais e de saúde pública causados ​​pela queima de combustíveis fósseis e o uso de energia nuclear.

Matérias-primas

Como existem muitos tipos de sistemas de aquecimento solar, existe uma grande variedade de matérias-primas que podem ser utilizadas em sua fabricação. Esta entrada se concentrará em um sistema passivo residencial básico e um sistema ativo residencial básico.

Um sistema de aquecimento solar passivo requer um painel coletor de placa plana preta feito de uma placa absorvente de aço coberta com duas folhas de vidro e uma almofada isolante feita de isolamento de fibra de vidro ou espuma de poliuretano com um revestimento de folha de alumínio, que atua como uma barreira de umidade . O sistema está contido em uma caixa rasa feita de madeira, aço galvanizado ou alumínio. O sistema também normalmente requer um compartimento de armazenamento de calor, contendo seixos ou pedras secas. Esta unidade armazena calor quando um edifício é suficientemente aquecido. Além disso, o sistema requer um termostato diferencial, um sistema eletrônico que permite o controle manual dos níveis de aquecimento e, portanto, da temperatura ambiente, e um módulo de tratamento do ar composto por dutos de conexão, filtros de ar, soprador e amortecedores automáticos.

Um sistema de aquecimento solar residencial ativo utilizando água como agente de armazenamento requer um coletor de placa plana construído com uma ou duas folhas de vidro ou plástico transparente com tubo de metal preto e uma almofada de isolamento feita de placa de fibra de vidro ou um material isolante semelhante. O sistema também requer bombas d'água, um tanque de armazenamento, bobinas de troca de calor, um aquecedor auxiliar, um ventilador, filtros e uma válvula de controle. Se rochas forem usadas como material de armazenamento, uma caixa isolada deve ser usado para contê-los e, obviamente, bombas d'água e serpentinas não são necessárias.

Todos os sistemas de aquecimento solar utilizam calafetagem, revestimento de alumínio e tiras de fechamento, provavelmente feitas de borracha, tinta e madeira.

O processo de fabricação

Colecionadores

• 1 Os coletores de placa plana são instalados em um telhado inclinado ou em paredes verticais, instalando bandejas coletoras rasas de folha de metal, que se assemelham a grandes assadeiras, em cada extremidade dos coletores e prendendo as bandejas às vigas do telhado ou parede . A calafetagem é então aplicada generosamente ao redor da borda superior das bandejas do manifold. A seguir, o revestimento é preso ao telhado ou parede e todas as costuras são calafetadas. As ranhuras do manifold são cortadas no revestimento e o bloqueio é fixado em todo o perímetro do revestimento.
• 2 A placa absorvente é instalada sobre o revestimento, estendendo-se até o bloqueio do manifold externo. As extremidades são seladas com tiras de fechamento de extremidade, normalmente feitas de borracha e calafetagem. As bordas superior e inferior também são calafetadas.
• 3 As ripas são fixadas à placa absorvente O, e um sistema de envidraçamento constituído por uma única camada de vidro no telhado ou uma dupla camada de vidro na parede é fixado.
• 4 Barras de envidraçamento de alumínio são instaladas ao redor do perímetro do coletor.

Sistema de controle e tratamento de ar

• 5 Em um sistema passivo, o sistema de tratamento do ar consiste unicamente em dutos instalados entre o coletor e a sala, bem como um ventilador e um controle manual para acionamento do ventilador. Um sistema de ganho isolado também incluiria uma câmara de armazenamento separada e dutos que conduzem de e para a câmara.
• 6 Em um sistema ativo, uma caixa de armazenamento contendo pedras ou água é necessária para armazenar o calor em excesso. Canalizações com amortecedores on-off são instaladas indo do coletor para a casa, do coletor para a caixa de armazenamento e da caixa de armazenamento para a casa. Dois ventiladores estão instalados.

Armazenamento

• 7 Um sistema de armazenamento de rocha é construído a partir de uma caixa isolada cheia de pequenas pedras de 2,5 a 12,7 cm (1-5 pol.) de largura. Espaço suficiente é permitido entre as rochas para facilitar o sopro de ar através das conexões de dutos em cada extremidade do silo.
• 8 Um sistema de armazenamento de água é semelhante ao sistema de armazenamento de rochas, usando água em vez de rochas.

Controle de qualidade

Para um sistema de aquecimento solar residencial, o encaixe dos fechos das extremidades e a adequação da calafetagem dos coletores podem ser testados por meio de uma bomba de fumaça para detectar eventuais vazamentos. O teste de fumaça é realizado antes da vitrificação.

O Futuro

À medida que mais protótipos de unidades residenciais e comerciais com aquecimento solar e movidas a energia solar são desenvolvidos, esta fonte de energia mostra sérios sinais de crescimento para uma fonte de calor e eletricidade que é mais do que experimental. Grupos de recursos ambientais e naturais, bem como e frequentemente em cooperação com o Departamento de Energia dos Estados Unidos e várias organizações internacionais, continuam a pressionar por uma dependência mais ampla do calor e da energia solar, bem como a desenvolver continuamente usos novos e inovadores para esta fonte de energia. Enquanto o trabalho dentro do Centro de Pesquisa de Energia Solar do Departamento de Energia se concentra na energia fotovoltaica, o próprio edifício é uma prova do sucesso da energia solar. O design inovador do edifício, com janelas em forma de escada, permite iluminação solar direta e aquecimento e é um exemplo de como a dependência da energia solar pode ser bem-sucedida - e como essa dependência pode se tornar predominante no futuro.

A American Solar Energy Society demonstra a praticidade da energia solar em seus tours anuais em casa. A organização também mantém seus membros informados sobre os desenvolvimentos legislativos relativos a questões de energia solar. Em julho de 1996, por exemplo, a organização fazia lobby para a aprovação de uma legislação de financiamento de energia renovável. Embora nenhuma legislação tenha sido promulgada até o momento, a introdução de tais projetos indica um interesse em questões de energia solar entre pelo menos alguns membros do Congresso. A International Solar Energy Society está preocupada com questões semelhantes em nível global e trabalha para uma maior dependência da energia solar em todo o mundo.