A tecnologia por detrás do calor: inovação no design e nos materiais das placas absorventes solares

Introdução: A ciência de captar e manter o calor 

A eficiência de um coletor solar térmico não é obra do acaso; é o resultado direto da engenharia e da ciência dos materiais incorporadas no seu núcleo — a placa absorvente. A principal função deste componente é executar duas tarefas com excepcional proficiência: absorver ao máximo a radiação solar incidente e perder o menos possível o calor captado. A evolução da tecnologia das placas absorventes é uma viagem contínua de refinamento, uma busca incessante pela perfeição no delicado equilíbrio entre desempenho, durabilidade e custo. Este artigo oferece uma exploração abrangente das tecnologias de ponta, materiais avançados e processos de fabrico sofisticados que definem a moderna placa absorvedora solar, transformando uma simples chapa metálica num dispositivo de conversão de energia de alto desempenho.

A Alma da Placa: A Evolução dos Revestimentos Seletivos

O diferencial tecnológico mais crítico numa placa absorvente é o seu revestimento superficial. A transição da tinta preta não seletiva para revestimentos seletivos avançados marcou um salto quântico na eficiência térmica solar. 

O Princípio da Seletividade: A superfície absorvedora ideal tem duas propriedades principais: uma absortância solar (α) muito elevada, o que significa que capta quase toda a radiação solar incidente, e uma emitância térmica (ε) muito baixa, o que significa que irradia muito pouco do calor captado. Esta combinação é o que define um revestimento "seletivo". A tinta preta tem uma absortância elevada (~0,95), mas também uma emitância muito elevada (~0,90), o que a torna um revestimento de baixo desempenho, uma vez que perde calor facilmente. Os revestimentos avançados conseguem tanto uma elevada absortância (α ≥ 0,95) como uma baixa emitância (ε ≤ 0,05).

Revestimentos de "Titânio Azul" por Pulverização Catódica: O líder de mercado atual é o processo de pulverização catódica por magnetrão, que cria revestimentos de interferência multicamadas, frequentemente à base de óxido de nitreto de titânio ou compostos similares, conferindo-lhes a cor azul característica. Estes revestimentos de "titânio azul" são reconhecidos pelo seu excelente desempenho e respeito pelo ambiente, uma vez que o processo é a seco e evita a utilização de produtos químicos tóxicos. As primeiras gerações enfrentaram desafios com a estabilidade térmica a altas temperaturas de estagnação (quando não há dissipação de calor), mas as iterações modernas superaram largamente este problema, consolidando o seu domínio no mercado de gama média a alta.

Cromo Negro e a Procura de Alternativas: O cromo negro, depositado através de um processo eletroquímico, é um concorrente de longa data. É conhecido pela sua excecional estabilidade a altas temperaturas e aparência preta intensa. No entanto, a sua produção envolve cromatos tóxicos, o que representa desafios ambientais e regulamentares. A investigação para a próxima geração de revestimentos centra-se em atingir limites de desempenho ainda mais elevados, como superfícies "espectralmente seletivas", cujas propriedades podem otimizar dinamicamente o desempenho com base na temperatura, e no desenvolvimento de novos materiais que sejam de alto desempenho e amigos do ambiente.

O Corpo da Placa: Materiais, Estrutura e Técnicas de Colagem 

Enquanto o revestimento capta a energia solar, o material do substrato e a sua estrutura são responsáveis ​​por transferir eficientemente esse calor para o fluido que o vai utilizar.

A Trindade Material: Cobre, Alumínio e Compósitos:

Cobre: ​​​​O material premium de eleição. As placas absorventes de cobre oferecem uma condutividade térmica incomparável, o que garante que o calor é rapidamente dissipado da superfície de absorção para o fluido de transferência de calor. Apresentam também uma excelente resistência à corrosão e durabilidade a longo prazo. Embora mais caras, o seu desempenho superior torna-as o padrão para coletores de placas planas de alta eficiência e para as alhetas internas dos coletores de tubos de vácuo.

Alumínio: O concorrente mais económico. O alumínio é significativamente mais barato e mais leve do que o cobre, mas tem uma menor condutividade térmica e é mais suscetível à corrosão se não for devidamente protegido. Os avanços nos revestimentos protetores e nas técnicas de soldadura revitalizaram as chapas totalmente em alumínio, especialmente no mercado europeu para aplicações a baixa temperatura, como o aquecimento de piscinas, e em mercados emergentes sensíveis ao preço.

Compósitos de Cobre e Alumínio: O compromisso inteligente. Estas placas combinam um tubo de cobre (para um excelente contacto com os fluidos e resistência à corrosão) com uma aleta de alumínio (para absorção de luz e recolha de calor com uma boa relação custo-benefício). A ligação entre os dois metais é crucial. Quando bem executadas, normalmente por laminação mecânica ou soldadura por explosão, oferecem um excelente equilíbrio entre desempenho e custo, sendo uma das soluções mais populares a nível global.

A Ligação Crítica: Tecnologias Avançadas de Soldadura: O método utilizado para fixar os tubos condutores de fluido à lâmina absorvedora é fundamental. A soldadura tradicional com soldas e fluxo à base de estanho está a ser gradualmente descontinuada em produtos de alta qualidade. O fluxo pode causar corrosão interna ao longo do tempo, levando à falha do sistema.

Soldadura a Laser e Soldadura Ultrassónica: Estas técnicas modernas de soldadura em estado sólido revolucionaram o fabrico de placas absorvedoras. Criam uma ligação metalúrgica entre o tubo e a aleta sem necessidade de qualquer material intermédio. Isto resulta numa ligação com uma resistência térmica mínima, maior resistência mecânica e, principalmente, elimina o risco de corrosão induzida pelo fluxo. A soldadura a laser e ultrassónica são hoje marcas registadas de qualidade e padrão na produção de placas absorventes de alta qualidade e longa vida útil.

Conclusão 

A placa absorvedora solar é uma obra-prima da ciência dos materiais e da engenharia de precisão. Desde as camadas nanométricas de revestimentos pulverizados que captam habilmente a luz solar até às ligações robustas e termicamente eficientes criadas pelas soldas a laser, cada aspeto do seu design é otimizado para um único propósito: converter a luz solar em calor utilizável com a máxima eficiência. A inovação contínua em revestimentos, materiais e processos de fabrico garante que a tecnologia solar térmica se mantém uma solução competitiva e em constante melhoria no portefólio global de energia renovável, alargando os limites do que é possível aproveitar a energia do sol.