A Qualidade dos coletores solares

A energia solar é a proveniente da luz e do calor do Sol que é aproveitada e utilizada por meio de diferentes tecnologias, tais como aquecimento solar, energia solar fotovoltaica e energia heliotérmica. É considerado uma fonte de energia renovável e sustentável. Já a eficiência de um coletor ou painel solar é expressa em porcentagem e quantifica a capacidade de ele converter a luz solar em energia elétrica. Dada a mesma quantidade de luz solar brilhando durante o mesmo período de tempo em dois coletores solares com diferentes classificações de eficiência, o mais eficiente produzirá mais eletricidade do que o menos eficiente. Em termos práticos, para dois coletores solares do mesmo tamanho físico, se um tiver uma classificação de eficiência de 21% e o outro uma classificação de eficiência de 14%, o eficiente de 21% produzirá 50% mais kWh de eletricidade sob as mesmas condições do painel com 14% de eficiência. Assim, maximizar o uso de energia e a economia de contas depende muito da eficiência do coletor solar. Esses coletores necessitam ser produzidos conforme as normas técnica a fim de oferecer durabilidade, incluindo a resistência mecânica, confiabilidade, segurança e desempenho térmico.

coletor2Hayrton Rodrigues do Prado Filho –

A determinação da eficiência de um coletor solar é difícil, pois não é algo que possa ser desmontado e verificado, sendo que eles só podem ser avaliados usando equipamentos especializados que destacam pequenas falhas ou pontos quentes, mas isso pode mudar quando os painéis forem instalados por alguns anos. A radiação UV do sol e as altas temperaturas do verão criam condições extremas para qualquer coletor solar montado no teto e pode levar cinco anos ou mais para que problemas potenciais de qualidade se tornem aparentes. É por isso que o período de garantia do fabricante, histórico de serviço e reputação são essenciais para a seleção de um coletor solar de qualidade.

A tecnologia solar fotovoltaica está em constante evolução e muitas novas tecnologias de painéis estão disponíveis no mercado há alguns anos. Atualmente, eles devem ter uma vida útil de mais de 25 anos, portanto, é vital usar um fabricante que tenha uma reputação sólida e provavelmente ainda esteja em operação no futuro para fazer backup de quaisquer problemas de garantia.

A garantia do produto é a do fabricante que protege o cliente contra defeitos que ocorrem devido a problemas de fabricação, além de falhas de componentes ou materiais. Isso significa que o fabricante deve substituir ou fornecer um reembolso para os painéis solares que falharem dentro do período de garantia do produto. Em geral, os fabricantes de energia solar fotovoltaica devem fornecer a garantia mínima de dez anos para o produto.

A garantia de desempenho também chamada de garantia de saída de energia permite que o coletor solar ainda produza uma saída de energia mínima após um período específico de tempo. O padrão comum da indústria é a produção de 80 a 83% de energia retida após 25 anos. Contudo, alguns fabricantes garantem uma saída de energia de 86 a 92% na maioria dos módulos após 25 anos de uso. Há também um número crescente de fabricantes que oferecem agora 30 anos de garantia nos módulos solares duplos e solares bifaciais.

Importante saber que os coletores de energia solar são tipos especiais de trocadores de calor que transformam a energia da radiação solar em interna do meio de transporte. O principal componente de qualquer sistema solar é o coletor solar que é um dispositivo que absorve a radiação solar recebida, a converte em calor e transfere o calor para um fluido (geralmente ar, água ou óleo) que flui através do coletor.

A energia solar coletada é transportada do fluido circulante diretamente para a água quente ou para o equipamento de condicionamento do espaço ou para um tanque de armazenamento de energia térmica, do qual pode ser extraída para uso noturno ou em dias nublados.

Os coletores solares são componentes essenciais da maioria dos dispositivos de energia solar. De fato, uma fração bastante substancial do custo dos dispositivos solares é coberta pelo custo dos coletores. Já os aquecedores solares de água são uma extensão dos coletores solares e são os mais simples dos dispositivos de energia solar.

A energia solar é a forma mais abundante de energia disponível e indiretamente tem sido a fonte da energia fóssil armazenada na crosta terrestre. Ao passar pela atmosfera para alcançar a superfície da Terra, a radiação solar passa por várias mudanças. A radiação ultravioleta, que tem menos de 0,3 mícrons de comprimento de onda, é toda absorvida na atmosfera superior, principalmente pela camada de ozônio.

O infravermelho de ondas longas além de cerca de 2,6 mícrons é todo absorvido por vapores de água na atmosfera mais baixa. Entre estes, existem inúmeras ligações de absorção causadas por outros componentes da atmosfera, incluindo dióxido de carbono. Parte da radiação recebida é espalhada em todas as direções pelas moléculas de ar e a radiação direta do feixe é consideravelmente reduzida em intensidade à medida que passa pela atmosfera.

Um sistema básico de aquecimento de água por energia solar é composto de coletores solares (placas) e reservatório térmico (boiler). As placas coletoras são responsáveis pela absorção da radiação solar. O calor do sol, captado pelas placas do aquecedor solar, é transferido para a água que circula no interior de suas tubulações de cobre.

O reservatório térmico, também conhecido por Boiler, é um recipiente para armazenamento da água aquecida. São cilindros de cobre, inox ou polipropileno, isolados termicamente com poliuretano expandido sem CFC, que não agride a camada de ozônio. Dessa forma, a água é conservada aquecida para consumo posterior. A caixa de água fria alimenta o reservatório térmico do aquecedor solar, mantendo-o sempre cheio.

Em sistemas convencionais, a água circula entre os coletores e o reservatório térmico através de um sistema natural chamado termossifão. Nesse sistema, a água dos coletores fica mais quente e, portanto, menos densa que a água no reservatório. Assim a água fria empurra a água quente gerando a circulação. Esses sistemas são chamados da circulação natural ou termossifão. A circulação da água também pode ser feita através de motobombas em um processo chamado de circulação forçada ou bombeado, e são normalmente utilizados em piscinas e sistemas de grandes volumes.

Deve-se ressaltar que, quando os raios do sol atravessam o vidro da tampa do coletor, eles esquentam as aletas que são feitas de cobre ou alumínio e pintadas com uma tinta especial e escura que ajuda na absorção máxima da radiação solar. O calor passa então das aletas para os tubos (serpentina) que geralmente são de cobre. Daí a água que está dentro da serpentina esquenta e vai direto para o reservatório do aquecedor solar.

Os coletores são fabricados com o cobre e o alumínio, recebem isolamento térmico e ainda vedação com borracha de silicone. Eles têm cobertura de vidro liso e são instalados sobre telhados ou lajes, sempre o mais próximo possível do reservatório térmico. O número de coletores a ser usado em uma instalação depende do tamanho do reservatório térmico, mas pode também variar de acordo com o nível de insolação de uma região ou até mesmo de acordo com as condições do local.

A NBR 15747-1 de 08/2009 – Sistemas solares térmicos e seus componentes – Coletores solares – Parte 1: Requisitos gerais especifica os requisitos de durabilidade (incluindo resistência mecânica), confiabilidade, segurança e desempenho térmico dos coletores solares de aquecimento de líquidos. Também inclui as disposições para a avaliação das conformidades com esses requisitos. No anexo B são descritas informações os materiais e a fabricação dos coletores solares, incluindo aspectos de sua resistência a influências que podem ser encontradas durante a sua utilização, de forma a conservar sua confiabilidade operacional.

O coletor deve ser submetido a seguinte serie de ensaios: pressão interna do absorvedor; resistência a alta temperatura; exposição; choque térmico externo que pode estar combinado com o ensaio de resistência a alta temperatura ou de exposição; choque térmico interno que pode estar combinado com o ensaio de resistência a alta temperatura ou de exposição; penetração de chuva, somente para os coletores fechados; carga mecânica; eficiência térmica; resistência ao congelamento, somente em casos específicos; resistência ao impacto, somente se for solicitado; e inspeção final.

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Convém que os absorvedores sejam construídos com materiais apropriados, adaptados aos requisitos mecânicos, térmicos e químicos de sua aplicação. Convém que seja considerado o efeito dos processos de fabricação como corte, solda, soldas especiais, etc. nas propriedades do absorvedor.

Convém que os tubos do absorvedor que guiam o fluxo do fluido de transferência de calor, incluídas as linhas de conexão, sejam construídos de tal forma que possa efetuar-se a purga de ar durante a operação, assegurando a capacidade funcional do coletor. Convém que os absorvedores estejam dimensionados sobre a base de uma pressão correspondente a sobrepressão de trabalho admissível especificada pelo fabricante, levando em conta o fator de segurança.

As propriedades do fluido transportador também deveriam ser consideradas. Convém que seja considerado o efeito da máxima temperatura (temperatura de estagnação) do absorvedor na seleção do material. Os refletores difusos ou especulares são superfícies refletoras usadas para incrementar a radiação incidente no absorvedor. A superfície refletora deveria ser resistente as influências ambientais como a poluição do ar e a corrosão por chuva ou umidade.

Fora da caixa externa do coletor os refletores deveriam resistir também às cargas mecânicas por vento, neve e granizo, entretanto, por dentro, os refletores deveriam suportar as altas temperaturas. As barreiras de difusão são materiais usados entre os absorvedores e o material isolante para prevenir difusões fora do material isolante. Deveriam ser capazes de resistir, sem contrações, as altas temperaturas do absorvedor e a radiação UV. Deveriam também resistir a alta umidade ou condensações acumuladas, mantendo-se estanques.

A NBR 15747-2 de 08/2009 – Sistemas solares térmicos e seus componentes – Coletores solares – Parte 2: Métodos de ensaio especifica os métodos de ensaio para a validação dos requisitos de durabilidade, confiabilidade e segurança e desempenho térmico dos coletores solares de aquecimento de líquidos, que são especificados na NBR 15747-1. Esta parte da norma inclui também três métodos de ensaio para a caracterização do desempenho térmico dos coletores de aquecimento de líquido. Não é aplicável a coletores cuja unidade de armazenamento térmico seja parte integrante do coletor, até o ponto em que o processo de aquecimento não possa ser separado do armazenamento com a intenção de realizar medidas em ambos os processos.

Está parte é aplicável a coletores concentradores com sistema de rastreamento do sol, no entanto o ensaio de desempenho térmico descrito em 6.3 (ensaios quase dinâmicos) é também aplicável à maioria dos projetos de coletores concentradores, desde os concentradores estacionários de espelho como CPC (coletor parabólico concentrador), até projetos de alta concentração com sistema de rastreamento do sol. Os componentes da medição da radiação solar devem ser ajustados no caso de coletores com sistema de rastreamento do sol e quando um pireliômetro é usado para medir a radiação direta.

Os coletores que são fabricados sob medida (coletores integrados ao telhado, que não feitos em fábrica e sim montados diretamente no local da instalação) não podem ser ensaiados desta forma, visando a durabilidade, confiabilidade e desempenho térmico de acordo com esta parte da NBR 15747. No lugar disto, ensaia-se um módulo com a mesma estrutura que o coletor instalado. A superfície total do módulo no caso de coletores construídos sob medida deve ser de pelo menos 2 m².

O ensaio somente é válido para coletores maiores que os módulos ensaiados. O número de amostras e a sequência de realização dos ensaios de qualificação, que é mostrado na tabela abaixo, devem constar no relatório final. Partes dos coletores podem ser alteradas, de alguma forma, para os ensaios de qualificação; por exemplo, pode-se ter que realizar furos na parte atrás do coletor para colocar uma sonda de temperatura no absorvedor. Nestes casos deve-se ter cuidado para assegurar que qualquer dano causado não afete os resultados dos ensaios subsequentes de qualificação, por exemplo, permitindo a entrada de água no coletor previamente estanque à chuva.

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Pode-se fornecer uma orientação geral para a avaliação de incerteza no resultado do ensaio de coletor solar realizado de acordo com a presente norma. Laboratórios são frequentemente convidados a prestar uma declaração de incerteza nos resultados dos ensaios em ensaios quantitativos, no âmbito da sua acreditação ou de aplicação do produto em sistemas de certificação. Não é o objetivo definir em que situações o cálculo da incerteza dos resultados dos ensaios é necessário.

Esta orientação não diz respeito apenas no ensaio de eficiência do coletor devido à grande importância do resultado deste ensaio para o usuário, e às peculiaridades dos cálculos, uma vez que o resultado final dos ensaios de eficiência não é proveniente de uma única medição, mas por elaboração de um grande número de medições primárias. Nota-se que a metodologia proposta é uma das abordagens possíveis para a avaliação de incerteza, e outras abordagens podem ser implementadas. É de responsabilidade de cada laboratório escolher e implementar uma abordagem cientificamente válida para a determinação de incertezas, seguindo as recomendações de organismos de certificação, se for o caso.

O ensaio de exposição prevê um resultado confiável, indicando (ou simulando) condições de operação que provavelmente podem ocorrer durante a vida útil real e que permitem que o coletor se acomode, possibilitando que os ensaios subsequentes de qualificação, mais provavelmente, deem resultados repetidos. O coletor deve ser montado em ambiente externo e não deve ser cheio com o fluido. Um dos tubos de fluido deve ser selado para evitar esfriamento por circulação natural de ar, porém a outra deve permanecer aberta para permitir a expansão livre do ar no absorvedor.

A temperatura do ar deve ser registrada com uma incerteza de 1 K e a radiação global no plano do coletor deve ser registrada usando um piranômetro de classe I de acordo com a ISO 9060. Os valores de irradiação e temperatura média do ar devem ser registrados a cada 5 minutos e a queda de chuva deve ser registrada em diário. O coletor deve estar exposto até que as condições de ensaio sejam cumpridas.

Ao final da exposição, deve ser realizada uma inspeção visual para ver sinais de danos em que o coletor deve ser inspecionado de danos ou degradações. Os resultados da inspeção devem ser anotados junto com uma gravação das condições climáticas durante o ensaio, incluindo irradiação diária, temperatura do ar ambiente e chuva. Como condições de ensaio, deve ser usado um conjunto de condições como referência dada na tabela abaixo.

O coletor deve ser exposto ao menos durante 30 dias (que não necessitam ser consecutivos) com a irradiação mínima H dada na tabela abaixo. A irradiação é determinada registrando as medidas de radiação usando um piranômetro. O coletor deve ser exposto também durante pelo menos 30 h ao nível mínimo de radiação G dado na tabela abaixo, registrado mediante um piranômetro, com uma temperatura do ar ambiente maior que o valor mostrado na tabela, ou condições que resultem na mesma temperatura do coletor. Estas horas devem ser realizadas nos períodos de pelo menos 30 min.

Em regiões nas quais estas condições não podem ser alcançadas durante certos períodos do ano, a exposição de 30 h a altos níveis de radiação (tabela abaixo) pode ser realizada em simulador de radiação solar com características idênticas àquelas utilizadas para o ensaio de eficiência de coletores solares de aquecimento de líquido. O ensaio de exposição de 30 h deve ser realizado depois de o coletor ter completado ao menos dez dias, porém não mais que 15, de exposição ao mínimo nível de irradiação (tabela abaixo). Se os ensaios de choque térmico externo e interno estiverem combinados com os de exposição, deve ser realizado primeiramente choque término interno e externo durante as primeiras 10 h das 30 h definidas anteriormente, e o segundo durante as últimas 10 h das 30 h.

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O coletor deve ser inspecionado de danos ou degradações. Os resultados da inspeção devem ser anotados junto com uma gravação das condições climáticas durante o ensaio, incluindo irradiação diária, temperatura do ar ambiente e chuva. Os coletores podem, de vez em quando, estar expostos a repentinas tormentas de chuva em dias quentes e ensolarados, causando severos choques térmicos externos. O ensaio de choque térmico externo tem como objetivo determinar a capacidade de um coletor de suportar estes choques térmicos sem falhas.

Como equipamento e procedimento, o coletor deve ser montado no exterior ou em um simulador de radiação solar, porém não deve ser enchido com o fluido. Um dos tubos do fluido deve ser selado para evitar o esfriamento devido à circulação natural do ar, porém o outro deve permanecer aberto para permitir a expansão livre do ar no absorvedor. Pode ser colocado, opcionalmente, um sensor de temperatura no absorvedor para controlar a temperatura deste durante o ensaio.

O sensor deve ser posicionado a dois terços da altura do absorvedor e à metade da largura. Deve ser fixado firmemente em uma posição que assegure um bom contato térmico com o absorvedor. O sensor deve ser protegido da radiação solar. Quando é ensaiado coletor, tal como coletor de tubo em vácuo, e no qual não é apropriado medir a temperatura de estagnação no absorvedor, deve ser colocado o sensor de temperatura em uma localização adequada no coletor, e esta localização deve ser descrita claramente com os resultados do ensaio.

Em alguns casos, como em coletores em vácuo, pode ser difícil colocar um termopar no absorvedor. Nestes casos, em vez de acoplar um termopar no absorvedor, o laboratório de ensaios pode encher parcialmente o absorvedor com um fluido especial, selar o absorvedor e medir a pressão no absorvedor. A relação entre a pressão interna do absorvedor e a temperatura deve ser conhecida através da relação pressão de vapor/temperatura padrão do fluido.

Um grupo de fornecedores de água deve ser disponível para prover um orvalhado uniforme de água sobre o coletor. O coletor deve ser mantido abaixo de um alto nível de radiação solar durante o período de 1 h antes da pulverização de água. Depois esfriará com a pulverização de água durante 15 min antes de ser inspecionado. O coletor deve ser submetido a dois choques térmicos externos.



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