Análise comparativa experimental de um coletor solar tubular do tipo heat-pipe com um do tipo water-in-glass

Abstract

O aquecimento de água ocupa um lugar importante na utilização da energia solar. O mercado mundial de coletores solares se multiplicou ano após ano. Os coletores de tubos evacuados, objeto de estudo neste trabalho, são equipamentos que trabalham através de tubos de vidro concêntricos com vácuo entre os dois, sendo o interno revestido com uma camada absorvedora. O vácuo reduz drasticamente as perdas por convecção e a superfície seletiva é responsável por absorver a radiação eletromagnética no espectro solar e por evitar perdas por radiação ao ambiente. Os coletores de tubos evacuados são fabricados em várias configurações. Entre elas estão a de contato direto (também conhecido como coletor de tubo preenchido ou water-in-glass) e as de contato indireto (tubo de calor ou heat-pipe). A primeira configuração é a mais simples que pode ser encontrada. Nela os tubos são preenchidos diretamente com o fluido de trabalho e aproveitam o mecanismo de termossifão para movimentar o fluido. Já o tipo heat-pipe usa um tubo de cobre com um fluido em seu interior. A troca de fase deste fluido transfere a energia para um pequeno condensador submerso no fluido de trabalho. Para a realização desta pesquisa, foi necessária a montagem e instrumentação de uma bancada de testes com dois coletores; um tipo heat-pipe e outro tipo water-in-glass. Os dois são montados em série a fim de garantir que a vazão de água fosse a mesma durante o experimento. Da mesma forma, os dois coletores são instalados no mesmo plano para que recebessem a mesma radiação. Para monitorar a quantidade de energia absorvida pelos coletores são instalados sensores de temperatura (PT 100) nas entradas e saídas dos coletores. Também são instalados sensores para medir a temperatura ambiente, temperatura da água no reservatório e para registrar a irradiância global incidente no plano dos coletores. Os resultados mostraram que o coletor heat-pipe apresenta um desempenho superior ao coletor water-in-glass em dias de céu limpo, produzindo até 20% a mais de energia em média. Por outro lado, o coletor de contato direto demonstrou comportar-se melhor em dias parcialmente nublados.

Water heating plays an important role in the use of solar energy. The global market for solar collectors has multiplied over the years. Evacuated tube collectors, the object of study in this work, are equipment that employ concentrical glass tubes with vacuum between them. The inner tube is coated with a selective absorber layer. The vacuum reduces dramatically the convection losses and the selective surface absorbs electromagnetic radiation in the solar spectrum and minimizes radiation losses to the environment. Evacuated tube collectors are manufactured in various configurations. Direct contact collectors, also known as water-in-glass, present the simplest possible configuration. The tubes are filled directly with the working fluid, employing the thermosyphon mechanism to move the fluid. Other common configuration is the indirect contact or heat-pipe collectors, which uses a copper tube containing a phase changing fluid that evaporates and transfers energy to a condenser submersed in the work fluid. To perform this research it was necessary to assemble an instrumented bench consisting in two solar water collectors (one heat-pipe type and the other a water-in-glass type). Both were mounted in series in order to guarantee the same flow through them. They were also tilted at the same angle and pointed to the same direction so they receive equal radiation. The temperatures at the inlets and outlets of the collectors, the ambient air temperature and the water temperature inside the thermal tank were sensed by thermoresistors (PT100). The irradiance on the plane of the collectors was monitored with a thermal pyranometer. Tests were conducted to analyze the daily performance under diverse environmental conditions. The results indicated that, in clear days, the heat-pipe collector presented efficiencies up to 20% superior when compared to the water-in-glass collector. In the other hand, the water-in-glass collector performed better on days with intermittent sunny/cloudy intervals.