Coletor Solar de Absorção Direta

Uma tecnologia alternativa que vem se destacando mais recentemente é o coletor solar de absorção direta, tanto para uso com nanofluidos como em esquemas híbridos associados a coletores fotovoltaicos. O uso de nanofluidos específicos é uma boa alternativa, pois ele é utilizado para aumentar à absortividade dos raios solares fazendo com que a absorção da radiação ocorra na camada de fluido e não por uma superfície absorvedora. Sendo assim, como a geometria proposta por este estudo é similar ao coletor de absorção direta, apresentando apenas como diferença a presença de uma placa absorvedora, foi feita uma avaliação do estado da arte que tenham foco principal nesta geometria de coletores. Muitos destes estudos procuram avaliar experimentalmente o comportamento dos nanofluidos em relação aos fluidos convencionais, ou ainda buscarem quais as melhores características (diâmetro da partícula, concentração do fluido, qual o material da partícula, etc.) ideais para que as nanopartículas possam absorver a maior quantidade de energia.

No que se refere ao estudo dos fluidos de trabalho, Otanicar, Phelan e Golden (2009) realizaram um trabalho experimental no qual foi avaliada a capacidade absorvedora de quatro fluidos: água, propileno glicol, etileno glicol e Therminol® VP-1. O experimento consistia em enclausurar os fluidos, numa camada com 1,0 cm de espessura, entre duas camadas de Spectrosil® e submetê-los a radiação solar, como ilustrado na Figura 5, medindo quais comprimentos de onda da luz eles tinham maior facilidade em absorver. Os resultados obtidos mostraram que a água possui a melhor absorção solar (13,57%), contudo a quantidade de energia absorvida ainda é muito baixa quando comparada aos nanofluidos. Com base nisto, os autores concluem que uma taxa de absorção de 90% só seria possível com o aumento da espessura da camada de fluido para 1,0 m.

Outro estudo numérico foi realizado por Saidur et al. (2012) para demonstrar os efeitos dos nanofluidos na operação de coletores de absorção direta, utilizando uma mistura de água (fluido base) e alumínio (nanopartículas). Para suas análises, os autores comparam a transmissividade, que demonstra a efetiva absorção dos raios solares (quanto maior a

transmissividade, menor é a absortividade), da água pura e do nanofluido. Enquanto a água pura é praticamente transparente para a região visível do espectro de luz, a adição das nanopartículas reduz a transmissividade, em média, em 60% para a mesma região. Desta forma, verifica-se a superioridade destes em relação aos demais fluidos de trabalho. Outro ponto importante levantado neste estudo se refere às particularidades dos coletores solares de placa plana e de absorção direta, detalhando as diferenças de estrutura, funcionamento e utilização.

Figura 5: Sistema de 3 camadas (OTANICAR, PHELAN e GOLDEN, 2009, modificado)

Um trabalho semelhante foi realizado por Ladjevardi et al. (2013) utilizando nanopartículas de grafite, com diferentes diâmetros, dissolvidas em água (fluido base) para criar nanofluidos com concentrações volumétricas distintas. Com esta proposta, foi realizada uma análise numérica e experimental para determinar a melhor combinação de parâmetros que resulte na maior efetividade do coletor. Além disso, foi possível avaliar as aproximações feitas para o modelo numérico sujeito a uma situação real e verificar a coincidência dos resultados. Também foi observado o aspecto da absorção do espectro da luz para a água pura e para os nanofluidos. O estudo revelou que para uma espessura de 1,0 mm de fluido, a água pura é capaz de absorver uma energia de radiação solar de, aproximadamente, 300 W/m². Entretanto, uma pequena adição de nanopartículas de grafite, com fração volumétrica de

0,00001%, consegue absorver uma energia solar, aproximadamente, de 400 W/m², sendo que concentrações maiores são capazes de obter resultados ainda melhores.

Uma aplicação de um coletor com geometria semelhante ao que será analisado neste estudo, utilizando uma modificação do coletor de absorção direta com água como fluido de trabalho, foi desenvolvido por Purshottam e McKinney (2011). Neste caso, foi projetado um tipo de coletor para aquecer e esterilizar a água em circulação de um hospital. O coletor desenvolvido é composto por uma placa interna com ranhuras, por onde a água escoa, e por duas coberturas de vidro, sendo que a primeira é colocada sobre a placa interna e a segunda é posicionada acima da primeira cobertura, com um vácuo entre estas coberturas, para proporcionar um isolamento térmico de alta qualidade. Este coletor se mostrou capaz de aquecer a água rapidamente a partir de sua exposição direta aos raios solares. Neste caso, outro efeito benéfico é oriundo das propriedades germicidas dos raios UV, o qual é utilizado para esterilizar a água do sistema.

Uma pesquisa com foco diferente das anteriores e voltada para as análises econômica e ambiental destes sistemas foi proposta por Otanicar e Golden (2009). Neste trabalho foram analisados os aspectos econômicos e ambientais dos coletores de absorção direta utilizando nanofluidos e comparados aos coletores de placa plana tendo como referência a cidade de Phoenix (EUA). Foi utilizada a metodologia de Avaliação do Ciclo de Vida para determinar o impacto causado pelos diversos componentes de um sistema no meio ambiente, considerando as etapas desde a extração da matéria-prima, até o consumo. A análise econômica mostrou que o custo de investimento e manutenção para o coletor de absorção direta é U$ 120 e U$ 20, respectivamente, sendo mais caros que para um coletor solar convencional. Além disto, o tempo de retorno deste tipo de coletor é mais longo, devido aos custos para a fabricação dos nanofluidos. Entretanto, esta diferença de preço acaba sendo compensada pela sua maior eficiência e fração solar anual. No que tange à análise ambiental, o coletor de absorção direta também emite uma menor quantidade de CO2 para a atmosfera, ou, em termos absolutos, estima-se que durante os 15 anos de vida útil seriam emitidos 740 kg de CO2 a menos do que a operação do coletor convencional.

Assim, fica clara a vantagem do coletor solar de absorção direta sobre o coletor convencional considerando os aspectos de eficiência, de energia captada, econômicos e ambientais. Contudo, esbarra-se no problema tecnológico para a confecção dos nanofluidos e também na baixa absortividade térmica dos outros fluidos para que estes possam ser empregados como alternativa. Desta forma, é necessário realizar uma adaptação do modelo atual deste coletor. Para compensar a ausência das nanopartículas, que são responsáveis por

deixar o fluido de trabalho mais escuro, o que faz com que a absortividade dos raios solares seja maior, deve-se empregar uma placa absorvedora pintada de preto dentro da caixa do coletor, o que é a proposta deste estudo. Esta placa vai desempenhar um papel semelhante ao da placa absorvedora dos coletores convencionais, fazendo com que uma quantidade maior dos raios solares seja absorvida, melhorando a eficiência do coletor mesmo utilizando fluidos de trabalho diferentes, como a água.