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Instalações e Serviços Industriais 12006

Energia solar para Energia solar para aquecimento de aquecimento de ááguasguas

Notas das aulas da disciplinade

INSTALAÇÕES E SERVIÇOS INDUSTRIAIS


Sol – Fonte de energia térmica

A quantidade de energia incidente sobre a Terra A quantidade de energia incidente sobre a Terra ééimensa, mas imensa, mas éé difusa, cdifusa, cííclica e sazonal.clica e sazonal.

Sol estrela mais próxima da Terra (1AU=1,496x108 km)A radiação solar extraterreste é atenuada por dois mecanismos:

• dispersão, devida às moléculas de ar, vapor de água e às poeiras na atmosfera

dispersão de Rayleigh - moléculas de gás, que provocam uma dispersão em todas as direcções de uma forma quase uniformedispersão de Mie - poeiras e partículas de aerossóis na atmosfera, concentra as radiações em direcções que estão vedadas aos raios solares

• absorção, especialmente pelo ozono, vapor de água e dióxido de carbono. A Terra no seu movimento à volta da Sol não mantém uma órbita estável.


Movimento da Terra à volta do Sol


Excentricidade do movimento da Terra

Excentricidade de uma elipse: e = c/ae = 0,0167www.astrofotoportugal.com/ siteapaa/GA/Excentricidade_Brasil_1.pdf

cf. Fig. pag. 2 0,983<Eo<1,017


Variação da distância da Terra ao Sol

Radiação solar sobre a Terra - inversamente proporcional ao quadrado da sua distância ao Sol• Eo=(ro / r)2 = 1+0,033 cos (2π dn / 365)

[Duffie and Beckman, 1980]

Eo – factor de correcção da excentricidade da Terradn – nº do dia do anoro = 1AU = 1,496x108 km


Radiação solar e movimento de inclinação e translação da Terra

A radiação solar extraterreste (Se) pode ser determinada pela expressão:

Se = S. Eo. cos (δ)S - constante solar (S = 1353 W/m2) [Fonte: NASA, 1971]

http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2003/0313irradiance.html

Eo - factor de correcção de excentricidade da órbita (0,983< Eo <1,017) – cf. Fig (pag. 2)

δ - ângulo entre o raio solar e o plano equatorial (normal ao eixo polar), chamado de ângulo de declinação solar


Oscilação da Terra em torno do eixo polarÂngulo de declinação - δ

δ = (0,006918 - 0,399912 cos Γ + 0,070257 sin Γ - 0,006758 cos 2 Γ + 0,000907 sin 2 Γ-0,002697 cos 3 Γ + 0,00148 sin 3 Γ)(180/π)

Γ = 2 π (dn-1)/365


Atenuação da radiação solar


Atenuação da radiação solar

A radiação emitida pelo Sol corresponde à radiação emitida por um corpo negro à temperatura de 5762 KA radiação solar extraterreste é atenuada por dois mecanismos:• dispersão, devida às moléculas de ar, vapor de

água e às poeiras na atmosferadispersão de Rayleigh - moléculas de gás, que provocam uma dispersão em todas as direcções de uma forma quase uniformedispersão de Mie - poeiras e partículas de aerossóis na atmosfera, concentra as radiações em direcções que estão vedadas aos raios solares

• absorção, especialmente pelo ozono, vapor de água e dióxido de carbono.


Radiação térmica

Propagação de uma onda electromagnética, por agitação molecular e atómica - fotões ou quanta

Velocidade de propagação da luz (c)c = λ.ν

Comprimento de onda Frequência – νVelocidade da luz no vácuo – co=2,998x108 m/s


Radiação térmica no Espectro de radiação electromagnética

(Radiação térmica) »» (0,1; 100) (µm)


Reacção das superfícies à radiação

Por efeito da irradiação ocorre: • transmissão (τ), • absorção (α)• reflexão (ρ)


Lei de Planck

A radiação total emitida por corpo negro é dada por uma distribuição contínua e não uniforme de radiações monocromáticas, i.e., para temperaturas seleccionadas

Radiação emitida varia continuamente com o comprimento de ondaPara cada comprimento de onda a intensidade da radiação aumenta com o aumento da temperaturaRadiação é mais intensa para baixos comprimento de onda, a que corresponde maiores temperaturas

E = σ.T4


Corpo negro

Superfície ideal• Absorve toda a irradiação incidente,

independentemente do comprimento de onda e da direcção

• Para uma dada temperatura e comprimento de onda nenhuma superfície emite mais radiação que a de um corpo negro nas mesmas condições (lei de Kirchhoff)

• A radiação emitida é independente da direcção, i.e. um corpo negro é um emissor difuso


Superfície real

Superfícies reais - para as quais os coef. de absorção e emissão são independentes do comprimento de onda

E = ε.σ.T4

ε - emissividade σ = 5,6697 x10-8 W/m2K4

A emissividade de superfícies metálicas é geralmente pequena

Para ouro e prata polida a emissividade é 0,02• A presença de uma camada de óxidos pode aumentar

significativamente a emissividade das superfícies metálicas- aço ligeiramente oxidado - 0,1- aço fortemente oxidado - 0,5


Emissividade de diferentes materiais


Emitância e Radiância

Emitância (E): Quantidade de energia térmica irradiada por unidade de superfície à temperatura absoluta T

E = ε σ.T4

Radiância (J): Energia total radiante que abandona uma dada superfície. Corresponde a toda a emitância mais a parte da energia recebida que éreflectida

J = ρ.G + E


Colectores solares

Objectivos: - captar radiação solar - concentrada ou não- transferi-la para um fluido- máximo rendimento » efeito de estufa + isolamento

Meios:- captação:

radiação directa + difusa + reflectida- armazenamento- apoio » eléctrico, caldeira


Conversão térmica da energia solar


Distribuição da energia solar em Portugal e nos países vizinhos

Fonte: Seminário Nacional JRA – Sever do Vouga – 18/11/04


data , Tar(C) , Tmax(C) , Tmin(C) , HR(%) , Rs(W/m2), v(m/s) , P (mm) , 01/05/05, 15.7, 23.1, 11.0, 54.1, 142.5, 2.3, 0.0, 02/05/05, 16.1, 23.5, 11.2, 50.7, 260.4, 2.3, 0.0, 03/05/05, 16.0, 24.1, 6.0, 44.2, 294.2, 2.3, 0.2, 04/05/05, 17.8, 26.0, 11.7, 39.2, 261.1, 3.4, 0.0, 05/05/05, 20.8, 29.2, 12.6, 31.5, 322.6, 2.7, 0.0, 06/05/05, 22.1, 30.9, 13.6, 23.3, 320.0, 2.7, 0.0, 07/05/05, 18.5, 29.6, 9.6, 44.8, 294.1, 2.5, 0.0, 08/05/05, 17.5, 25.2, 12.6, 45.8, 277.2, 2.0, 0.0, 09/05/05, 16.8, 23.6, 11.5, 50.7, 215.4, 2.5, 0.0, 10/05/05, 17.6, 25.1, 13.3, 44.8, 252.8, 2.2, 0.0, 11/05/05, 15.9, 22.8, 12.5, 57.7, 128.1, 1.3, 13.7, 12/05/05, 16.5, 22.2, 11.6, 57.1, 218.8, 2.3, 7.9, 13/05/05, 14.3, 20.1, 10.1, 52.9, 197.0, 2.5, 2.5, 14/05/05, 14.8, 23.1, 6.6, 42.2, 315.1, 2.0, 0.0, 15/05/05, 15.0, 22.4, 7.3, 43.5, 285.9, 2.0, 0.1, 16/05/05, 12.6, 18.7, 9.4, 56.3, 224.2, 2.8, 11.5, 17/05/05, 15.8, 23.1, 9.6, 42.5, 338.9, 3.5, 0.1, 18/05/05, 18.2, 26.8, 9.5, 40.2, 334.8, 2.5, 0.1,


Comparação da situação Portuguesa com a de outros países europeus

Na aplicação de água quente sanitária


Em Portugal


Energia solar em processos industriais

Na UE estima-se que o consumo de calor industrial a temperaturas entre 80ºC e 250ºC seja de 300 milhões de MWh, isto é, 8 % do consumo total de energia final. A percentagem de consumo de energia sob a forma de calor nas gamas de temperatura média e média-alta é muito elevada nas indústrias alimentar, de produção de papel, têxtil e química. Processos adequados são por exemplo: • aquecimento de banhos de líquidos para processos de lavagem,

tinturaria, processos químicos etc.; • aquecimento de ar para processos de secagem;• geração de vapor de baixa pressão para diversas aplicações. • produção de frio utilizando máquinas de absorção ou outros

equipamentos térmicos constitui outro grande campo de aplicações com vantagem reconhecida devido à coincidência entre os picos de consumo e os picos de disponibilidade de energia solar.


Colectores solares

Componentes:- colector » elemento de absorção: placa selectiva

ou não, tubos, isolamento, caixa- depósito de acumulação- bombas/ventiladores- permutadores- sistemas de segurança e controle- válvulas- tubos e isolamento

Dificuldades:- congelamento, vaporização, perdas de carga,

fixação (acção do vento), orientação e inclinação


Direcção dos raios solares e inclinação do colector


Tipos de colectores e concentradorese gamas de aplicação

Tipos de colectores solares- planos- cilíndricosTipos de concentradores - heliostatos• planos• parabólicos• lente convexa• lente concava

Gamas de aplicação- aquecimento de ar e de água- produção de vapor, produção de electricidade - fusão de materiais


Construção do colector solar


Concentradores


Colectores


Instalação para aquecimento de água


Instalações e equipamentos no aquecimento de águas sanitáriasCirculação• natural » termo sifão• forçada

Tipo de transmissão da energia• directo• indirecto

Sistemas de controle e segurança• célula solar• termóstato simples e/ou diferencial• sensor de temperatura nos painéis • sensor de temperatura no depósito de acumulação• válvula de segurança


Equipamentos em instalações de aquecimento de águas sanitárias

Vaso de expansão aberto ou fechadoPurgadores de arVálvula de retençãoVálvula reguladora de débito e debitómetroBombaTubagemPermutador Depósito de acumulação


Balanço térmico de um colector solar

Potência absorvida pela chapa absorvedoraQabs=Ac. α.τ .GT

Perdas da chapa absorvedoraQperd=Ac.UL(Tpm-Ta)

Potência útilQutil=Qabs-Qperd

Qutil=Ac[GT (τα) - UL(Tpm-Ta)]


Rendimento térmico de um colector solar

Correcção de Tpm (temp. média da água na chapa absovedora) para Ti (temp. da água à entrada)

Qutil = Ac Fr [GT(ατ) - UL (Ti-Ta)]

Rendimento de um colector solarηi = Fr (ατ) - Fr. UL (Ti-Ta)/GT

Potência transmitida ao fluido térmicoQutil = m cp (Ts-Ti)]


Curva de rendimento de um colector solar

Tipo de colector Fr (τα) Fr ULNão selectivo 0,7- 0,8 8 - 9

Selectivo 0,7 – 0,8 4,5 - 6CPC 0,75 4,2 /3,7 (1)

(1) Valores para orientação NS e EO respectivamente

Curva de rendimento

η = -5 (Ti-Ta)/GT + 0,8

00,20,40,60,8

1

0 0,04 0,08 0,12 0,16

(Ti-Ta)/GT

η


Temperaturas e tipo de instalação


Percentagem de anti-congelante e Cp do fluido térmico


Relações tipo anti-congelante/água

Temperatura ambiente mínima

[ºC]

Anti-congelanteEtileno-glicol

[%]

Água[%]

-5 15 85-15 30 70

- 25 40 60


Materiais e funcionamento do painel solarCondições tipo

Dimensões dos painéis solares: 2 x 1 x 0,1 m3

Cobertura transparente: vidro temperado (s=4 mm)Placa absorvente: chapa de aço, soldada, pintada de preto Caudal de circulação: 50 – 60 l/hIsolamento: fibra de vidro (s=50 mm)Tubagem de ligação: aço, inóx (d= 1’ – 1 ¼’)Peso (em vazio): 50 kgÁrea de colector: 30 – 50% da superfície dos locais a aquecer (habitações)


Ângulo recomendado para instalação de colectores solares na Península Ibérica

010203040506070

28 33 38 43Latitude (º)

Âng

ulo

de in

clin

ação

(º)

Fonte: Energia Solar para Vivendas, Juan de Cusa, 99


Consumo diário médioCondições tipo

60 – 70 l/pessoa240 – 280 l/família (4)• »» 2 – 3,5 m2 de superfície de recepção

480 – 560 l/família (8)• »» 6 – 7 m2 de superfície de recepção (8 pessoas)• »» 500 – 600 l depósito de acumulação


Exemplo tipoCálculos aproximados

cp = 4,18 kJ/kgºC1 kg = 1 l

– cp = 1,16 Wh/lºC

Vtanque = 100 lSe T no tanque descer 25ºC 2900 WhSe GT= 300 W/m2

Se ηcolector= 60% 180 W/m2

• Ac= 2 m2 360 W∆treposição temperatura = 8 horasSe 1kWhe = 0,9 € Poupança de 2,61 €• 200 dias 522 €


Observações sobre o dimensionamento de instalações com colectores solares

A qualidade térmica de um colector avalia-se com base no seu comportamento instantâneo, procurando-se que as condições de ensaio cubram as condições de funcionamento típicasOs colectores inseridos numa instalação irão funcionar num vasta gama de condições, em função dos dados meteorológicos e da utilizaçãoO dimensionamento das instalações térmicas solares não se faz para a carga de ponta, uma vez que a captação da energia solar não pode aumentar em função do aumento de utilização para além de escassos limites


Observações sobre o dimensionamento de instalações com colectores solares

O aproveitamento prático da energia solar é uma tarefa de carácter permanente em relação muito estreita com a capacidade de armazenagemA energia captada é tanto maior quanto mais baixa for a temperatura de entrada do fluido no colectorA opção por uma determinada solução, conhecidas as características técnicas, deverá ser condicionada a critérios económicos


Índice de ocupação do país

Aquecimento de água de piscinas cobertas

Isolar/Ac(m2) ≅ ( 350) €


Tempo de retorno energético e ambiental do KIT solar na substituição de um sistema tradicional

(taxa 50% de reciclagem)



Impacto ambiental dos colectores solaresno Protocolo de Quioto



Decreto-Lei que aprova o Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos

Edifícios - RCCTE

RCCTE - estabelece as regras a observar no projecto de todos os edifícios de habitação e dos edifícios de serviços sem sistemas de climatização centralizados.• Além da obrigatoriedade do recurso a colectores

solares, pretende-se que as exigências de conforto térmico, sejam de aquecimento ou de arrefecimento, de ventilação para garantia de qualidade do ar no interior edifícios, ou as necessidades de água quente sanitária, possam vir a ser satisfeitas sem dispêndio excessivo de energia e, por outro lado, que sejam minimizadas as situações patológicas nos elementos de construção provocadas pela ocorrência de condensações superficiais ou internas, com potencial impacto negativo na durabilidade dos elementos de construção e na qualidade do ar interior.


LINKS

http://www.spes.pt/tmp/http://www.ineti.pt/uo/uo/?uo=11039http://www.aguaquentesolar.com/publicacoes/2/http://pt.wikipedia.org/wiki/Painel_solarhttp://www.seia.org/solartypes.phphttp://www.fsec.ucf.edu/solar/http://www.solarserver.de/index-e.htmlhttp://www.soletrol.com.brhttp://www.cge.uevora.pt/bd.php3?op=dados&e=mit

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