energias renováveis - energia solar térmica

Energias Renováveis: Energia Solar Térmica

02-05-2023 Por : Luís Timóteo 1

ENERGIA SOLAR

TérmicaNão concordo com o acordo ortográfico



Energia Solar: Radiação solar...

O Sol é a fonte original de toda a energia que move algo na Terra (com excepção da energia nuclear). O Seu valor é altíssimo, assim como é muito alta a temperatura na superfície do Sol.

Por maior que seja o valor da energia que o Sol emite, esta energia se espalha pelo espaço, e a energia que chega a uma determinada área muito distante do Sol será cada vez menor, e fácil de ser medida.

A radiação solar fornece anualmente para a atmosfera terrestre 1,5 x 1018 kWh de energia, a qual, para além de suportar a vasta maioria das cadeias tróficas, sendo assim o verdadeiro sustentáculo da vida na Terra, é a principal responsável pela dinâmica da atmosfera terrestre e pelas características climáticas do planeta.

Radiação solar é a designação dada à energia radiante emitida pelo Sol, em particular aquela que é transmitida sob a forma de radiação electromagnética.

Cerca de metade desta energia é emitida como luz visível na parte de frequência mais alta do espectro electromagnético e o restante na do infravermelho próximo e como radiação ultravioleta.

http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&docid=MuUwqlYBncjIhM&tbnid=rJKgklwX04mCnM:&ved=0CAUQjRw&url=http://bekkiestheovervieweffect.blogspot.com/&ei=Hg7DU-DdDYaq0QXjm4DICg&bvm=bv.70810081,d.d2k&psig=AFQjCNEqpkjsNb7lJ43-kdJAR9h8PGUW-A&ust=1405378376440359



Energia Solar: Radiação solar...O Sol

http://energiasrenovaveis.com/images/upload/flash/anima_como_funciona/sol7.swf

http://energiasrenovaveis.com/images/upload/flash/anima_como_funciona/sol7.swf




Energia Solar recebida num ano

Reservas Carvão Reservas Urânio

Reservas Petróleo Reservas gás natural

Consumo anual de Energia

Energia solar anual que chega á Terra = 5.497.180.000.000.000.000.000.000 Jules

Terra

Raio da Terra: 6.371KmConstante solar : 1.360 W/m2

1,5 x 1018kWh

O Sol

• Diâmetro: 1.390.000 km.• Massa: 1,989 x 1030kg.• Distância média Sol – Terra: 1,496 x 108km (equivale a 1 UA –Unidade Astronómica).• Temperatura: 5.800 K (superfície), 15.600.000 K (núcleo).• 75% Hidrogénio, 25% Hélio.• Potência: 3,86 x 1026W.• Radiação se assemelha à de um corpo negro a 5777 K.• Constante solar –Isc= 1.360 W/m2.



Energia Solar: Radiação solar...As promessa da energia Solar….

É abundante (muito).Está distribuída uniformemente. É para sempre (para todos os efeitos).Mas…– É altamente variável no tempo.– Está muito diluída (intensidade relativamente baixa espalhada

por grandes áreas).– É cara de captar (pelo menos por agora).– Difícil e cara para converter para as principais utilizações

finais.



Energia Solar: Radiação solar...Recursos da energia Solar.

Reactor de Fusão Termo-nuclear muito grande₋ 1.4 x 106 km (870,000 milhas) de diâmetro.₋ 1.5 x 108 km (93,000,000 milhas) de distância.₋ Subentende um meio-ângulo de cerca de 4,7 milirradianos (0.27o).

Superfície é quase um perfeito corpo negro radiador.₋ T = 6000o K.- lmax = 500 nm (5000 Angstroms).

Potência de Saída₋ 3.8 x 1026 watts (1.3 x 1027 BTU’s/hr). ₋ 13 triliões Quad’s*/hr.

Potência Interceptada pela Terra₋ 1.7 x 1017 watts (5.7 x 1017 BTU’s/hr).₋ 590 Quads*/hr = ~10.000 vezes o consumo mundial de energia!

* Um Quad = 1 Quadrilião (1015) BTU’s.

O consumo anual de energia dos EUA é um pouco menos de 100 quads por ano.

1 BTU = 0.000293 Kilowatt-hora

1 Kilowatt-hora = 3,413 BTU



Energia Solar: Radiação solar...Recursos da energia Solar: (Cont.)

A “Constante Solar"- Imax = 1360 watts/m2 ( no espaço perto da Terra)

1000 watts/m2 ( ao meio dia). 170 watts/m2 ( média anual global).

- Total Anual de energia solar incidente na superfície dos EUA = 40.000 quads.- 0.5 % da área terrestre dos EUA a 50% eficiência = Consumo total dos EUA- A energia solar é abundante!

Problemas- Diluída

- Intermitente (ajudava se se pudesse armazenar! – “for a do âmbito desta apresentação”).

-A fonte é altamente colimada e em constante movimento.- Predominantemente de baixo grau térmico.

Simples Economia: (As fontes de energia convencionais ainda são muito baratas!)



0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0Comprimento de onda (mm-1)

Dist

ribui

ção

de E

nerg

ia (k

W/m

2 /mm

)

Energia Solar: Radiação solar...Distribuição da energia espectral do Sol

Distribuição espectral da energia dum corpo negro a 60000KActual distribuição de energia espectral do Sol

Irradiância: A quantidade de energia do sol que atinge a terra (antes de entrar na atmosfera).

· O valor médio de irradiância por ano é chamado de Constante Solar (GSC) e é equivalente a 1353, 1367 ou 1373 W / m2, dependendo da entidade de referência.

· 1360.8 (0.5%) (2008) – derived from measurements at very high atmosphere and used by NASA.

· 1367 (1%) Adopted by the World Radiation Centre.· 1373 (1-2%) from Frohlich (1978) - derived from

satellite data .

·~ 43% da energia é na faixa do visível.· ~ 49% na faixa do infravermelho próximo.

· ~ 7% na faixa dos ultravioletas.· <1% em raios-x, ondas gama e ondas de rádio.



Energia Solar: Radiação solar... Órbita da Terra não é circular

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec1,300

1,350

1,400

1,450

Irra

dian

ce (W

/m2)

Variação de radiação solar com a órbita da Terra

3601 0.033cos365on sc

nG G

· Gon = Irradiância.

· Gsc = Constante Solar· n = Número do dia (número de dias desde 1 de Janeiro).

Nota: Cosseno em graus.




81a365360sin23.45 Set 23

Declinação () = 0º

Mar 23

Declinação () = 0º

Jun 23

Declinação () = 23.45º

Dez 23

Declinação () = -23.45º

Posição do Sol. Ângulo de declinação

23,450 = 23027’





Afélio – quando a Terra se encontra mais distante do Sol (cerca de 1,52.108 km) (04/07).Periélio– quando a Terra se encontra mais próxima do sol (cerca de 1,47.108 km) (03/01).Unidade astronómica = distância média Terra-Sol = 1,496.108 km.

O movimento de Translação da Terra em torno do Sol provoca uma variação estacional da irradiância solar na superfície terrestre, gerando as estações do ano. Essa variação estacional se deve à inclinação do eixo terrestre em 23o27´em relação à normal ao plano da eclíptica. Isso faz com que um observador na superfície terrestre tenha a sensação de que o Sol se movimenta no sentido Norte-Sul ao longo do ano

VerãoOutono

PrimaveraInverno

1,52.108 km Afélio D1,47.108 km

Periélio

d23o27’N

23o27’S


A Terra descreve uma órbita elíptica em torno do Sol, situado num dos focos, em 365 dias e 6 horas e 4 segundos.

OBS: Apesar da variação da distância Terra-Sol promover variação na irradiância solar extraterrestre ao longo do ano, essa variação é muito pequena, da ordem de ± 3,3% e essa variação NÃO é a responsável pela formação das estações do ano.

A Terra tem uma inclinação de 23,450 do ano



21 de Junho

21 de Dezembro

S

N

W

E Painéis solares

Posição do Sol: Estações do Ano




No solstício de inverno (21 de Dezembro)· O pólo norte tem o seu ângulo máximo de inclinação longe do Sol.

· Em todos os lugares acima de 66.55 N (90-23.45) está na escuridão por 24 horas, em todos os lugares acima 66.55 S é dia durante 24 horas.

· O Sol passa directamente por cima do Trópico de Capricórnio (23.45 S).

No equinócio (22 de Março & 22 de Setembro)· Ambos os pólos estão equidistantes.

· O dia tem exactamente 12 horas de duração.

· O Sol passa directamente por cima do equador.

· O Sol rastreia uma linha recta através do céu.

No solstício de Verão (22 de Junho)· O inverso do solstício de inverno.

A Terra tem uma inclinação de 23,450- distância do Sol




Energia Solar: Radiação solar… Como a radiação solar varia ao longo do ano

http://www.uni.edu/morgans/astro/course/Notes/section1/geochrone.gif

http://www.uni.edu/morgans/astro/course/Notes/section1/geochrone.gif



Feixe deradiação

f


f = Latitude – É o ângulo entre o plano do equador e a normal à superfície de referência. A latitude mede-se para norte e para sul do equador, entre 900 sul, no Polo Sul (negativa), e 900 norte, no Polo Norte (positiva).

= Declinação – Define-se declinação solar como o ângulo entre a direcção da radiação solar e o plano do Equador: O ângulo de declinação (), varia a cada instante, devido à inclinação da terra sobre o seu eixo de rotação e a rotação da terra em torno do sol.

365

n28436023,45Sin

Geometria Solar : Declinação solar



Rotação

w

Feixe deradiação

Energia Solar: Radiação solar... Geometria Solar : Ângulo Hora

(w) O deslocamento angular leste-oeste do Sol no meridiano local, devido à rotação da Terra.· 150 por hora – ao meio-dia é zero, de modo negativo de manhã, e positivo à tarde.· Depende da Hora Solar aparente.

AST = Apparent solar time.LCT = Local clock time.TZ = Time zone.L = Longitude (west

= +ve).EQT = Equation of time.

60EQT

15LTZLCTAST



Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Equa

tion

of ti

me

(min

)

Energia Solar: Radiação solar... Geometria Solar :Equação do Tempo (Equation of time-EQT)

Nascer e pôr-do-sol são assimétricos· O plano do equador da Terra é inclinado em relação ao plano da órbita da Terra em torno do Sol.· A órbita da Terra em torno do Sol é uma elipse e não um círculo.



Energia Solar: Radiação solar... Geometria Solar :Equação do Tempo (Equation of time-EQT)

EQT = Equation of time.n = número do dia.

Onde:

2B0,04089Sins2B0,014615ConB0,032077SisB0,001868Co0,000075

2EQT 2.29

3653601nB

A diferença entre tempo que o seu relógio marca e a posição do sol (hora do relógio vs. Tempo solar) é chamada de Equação do tempo (Equation-of-Time).

Analema

· Se a Terra não estivesse inclinada, e se a sua órbita ao redor do Sol fosse perfeitamente circular, então, assim, seria. No entanto, os efeitos da inclinação de 23,450 da Terra e sua órbita ser ligeiramente elíptica se combinam para gerar o número "8" padrão, em relação ao aparecimento do Sol no mesmo ponto ao longo do ano. O padrão é chamada de analema.

· Se você olhar para o Sol à mesma hora todos os dias, a partir do mesmo lugar, será que o Sol aparece sempre no mesmo local no céu?

Julho

Janeiro



Geometria Solar : Ângulos solares

Horizontal

as

qz

f

Feixe deradiação




qz

as

s

Norte

SulE

W

Zénite


· Ângulo Zenital (qz) - o ângulo entre a vertical (zénite) e a linha do Sol .

· Ângulo da altura solar (as) - o ângulo entre a horizontal e a linha para o Sol.

· Ângulo de azimute Solar (s) - O ângulo da projecção do feixe de radiação no plano horizontal (com zero devido ao sul, leste negativo e positivo a oeste).

Geometria Solar :Ângulos solares



Energia Solar: Radiação solar... Geometria Solar :Ângulos solares · qZ = Ângulo Zenital.

· f = Latitude.· = Declinação· w = Ângulo Hora.· s = Ângulo Azimute solar.

· as = Ângulo da altura solar.Nota: & w devem ter o mesmo sinal.

fwfq SinSinCosCosCosCos z

ss aCos

SinSinCosSinSinCos

fwf

Ângulo do pôr-do-sol e comprimento do dia

·ws =Ângulo do pôr-do-Sol.· =Declinação.·f =Latitude.

fw tantanCos s

·Comprimento do dia: f tantanCos152 1

Nota:Comprimento do dia em horas.



f(f - )

Normal

Horizontal

q

Feixe deradiação

Energia Solar: Radiação solar... Geometria Solar : Ângulos Colectores



qz

qas

s

N

Sul E

W

Zénite


· - Inclinação - o ângulo entre o plano do colector e a horizontal.

· - Ângulo do azimute de superfície - o desvio da projecção num plano horizontal da normal do colector em relação ao meridiano local (com zero a sul, leste negativo, e positivo a oeste ).

· q - Ângulo de incidência - o ângulo entre o feixe de radiação sobre o colector e a normal.

Geometria Solar :Ângulos Colectores



Energia Solar: Radiação solar... Geometria Solar :Ângulos Colectores

· Para os casos gerais, em que o colector tem uma orientação não horizontal ( ≠ 0), o ângulo de incidência não é o mesmo que o ângulo zénite (qz). De facto, o ângulo zénite é um caso especial de um ângulo de incidência de superfícies horizontais, onde o zénite é referenciado para a abertura como uma projecção da normal.

· Os primeiro e segundo ângulos de inclinação e azimute de superfície ( e ) são normalmente conhecidos por superfícies fixas. O terceiro ângulo chave é o ângulo de incidência (q), que utiliza a seguinte equação bastante longa:

cosθ=sinϕ.sin.cosβ−cosϕ.sin.sinβcos+cosϕ.cos.cosβ.cosw+sinϕ.cos.sinβ.cos.cosw+cos.sinβ.sinsinw.· A fim de gerar um valor real para teta, precisaremos também tomar a arc-coseno da longa equação.

Para que sua calculadoras e programas de matemática, todos os argumentos são em termos de graus, e não radianos. Você vai precisar para converter graus em radianos na maioria dos programas.

· No entanto, esta é uma equação muito longa que pode realmente ser dividida em partes. Vamos acabar com a equação para o ângulo de incidência (theta, q) em três linhas. Dê uma olhada nela e procure argumentos comuns para as funções Seno e Cosseno:(ϕ, , β: latitude, declinação, e inclinação do

colector).(ϕ, , β, : latitude, declinação, inclinação do colector e depois azimute do colector). (ϕ, , β, , w: latitude, declinação, inclinação do colector, azimute do colector e ângulo hora).cosθ=sinϕsinδcosβ−cosϕsinδsinβcos+

cosϕcosδcosβcosω+sinϕcosδsinβcosγcosω + cosδsinβ sinγsinω



S

E

W Horizonte

Zénite

N

as

Azimute


s

https://www.e-education.psu.edu/eme810/node/576

Altitude solar (as)ao meio-dia ao longo de um ano em Lisboa:

·21.Junho -MA 1,04 - as= 75,0°

·21.Setembro - MA 1,37- as = 46.9°

·21.Dezembro -MA 2,12 - as = 28,2°

https://www.e-education.psu.edu/eme810/node/576




Ângulos Solares

Cos Sin sa

sSin Sin Sin CosCos q sassa Cos Sin Cos Cos

Ângulos Terrestes

ffq Cos Sin Cos -Cos Sin SinCos Cos Sin Sin-Cos CosCos Cos ffw

w Sin Sin Sin Cos

• q = Ângulo de incidência.• as =Ângulo da altura solar.• =Ângulo do azimute de superfície.• s =Ângulo do azimute solar.• =Ângulo de inclinação do colector.• =Declinação.• f =Latitude.• w =Ângulo Hora.

• wss =Ângulo do pôr-do-sol.

Ângulos Pôr-do-Sol·Hemisfério Norte tantanCos fw ss

·Hemisfério Sul tantanCos fw ssMassa de Ar: O factor “Massa de Ar” (MA) define-se como a medida do número de vezes que o

caminho da luz solar até à superfície da terra corresponde à espessura de uma atmosfera. Usando esta definição com o Sol numa posição vertical (s = 90°) obtém-se um valor de MA = 1.



NS

Sul Norte

Ângulo igual à Latitude

0o

Verão

Primavera Outono

Inverno

Energia Solar: Radiação solar... Geometria Solar :Ângulo Óptimo para Colectores

· Embora o ângulo de inclinação ideal para o seu colector seja um ângulo igual à sua latitude, a fixação do seu colector plano sobre um telhado inclinado não irá resultar numa grande diminuição no desempenho do sistema. Deverá, no entanto, ter em consideração o ângulo do telhado ao dimensionar seu sistema.

S N

(90- Latitude)

90o(Latitude)

Polo Norte celeste(180-Lat.)

Verão(90-Lat.+23,4.)

Equador CelestePrimavera/Outono

(90-Lat.)

Inverno(90-Lat.-23,4.)

Alinhamento N-S : eixo para o "norte verdadeiro" usando um bom mapa ou a direcção da estrela Polar, e não "norte magnético", conforme determinado por uma bússola.



• Efeitos atmosféricos– Absorção – Espalhamento– Variações locais

• Nuvens• Poluição• Tempo atmosférico

• Latitude• Estação do ano• Hora do dia

Densidade da Radiação solar na superfície terrestre: Factores de interferência




Energia Solar: Radiação solar...Entrada 100 %

29

Ozónio20-40 kmAbsorve 2%

Camada de pó Superior15-35 km

Absorve 1% 0.5% para o espaço

1% Para a Terra

Moléculas de Ar

0-30 kmAbsorve 8%

1% Para o espaço

4% para a Terra

Vapor de Água0-3 km

Absorve 6% 0.5% para o espaço

1% para a Terra

Camada inferior de pó 0-3 km

Absorve 1% 1% para a Terra

0.5% para o espaço

18% Absorvida

70% Directa naTerra

3% ReflectidaPara o espaço

7% reflectidaPara a Terra

Céu limpo:- Absorção & espalhamentos



Energia Solar: Radiação solar... Geometria Solar : Densidade da Radiação solar na superfície terrestre

Irradiância sobre uma superfície horizontal

znbb GG qCos,

,b nG

bGzq

Gb = Feixe de Irradiância normal à superfície terrestre (W/m2)

Gb,n = Feixe de Irradiância (W/m2)

qz = Ângulo Zenital.

Feixe de radiação sobre uma superfície Inclinada

qnbG ,

tbG ,

Gb,t = Feixe de Irradiância normal à superfície inclinada (W/m2)

Gb,n = Feixe de Irradiância (W/m2)

q = Ângulo de incidência.

qCos,, nbtb GG



Energia Solar: Radiação solar... Geometria Solar : Densidade da Radiação solar na superfície terrestre

Feixe de radiação sobre uma superfície inclinada

,b nG

bGzq

qnbG ,

tbG ,

Gb,t = Feixe de Irradiância normal à superfície inclinada (W/m2)

Gb,n = Feixe de Irradiância (W/m2).

qz = Ângulo Zenital.

q = Ângulo de incidência. b

tbtb G

GR ,

, zqq

CosCos

znb

nb

GG

qq

CosCos

,

,



Constante SolarPonto de entrada na atmosfera Intensidade ~ 1360,8 ± 0,5W/m2(*)

Atmosfera

Atmosfera8000 Km

Diâmetro da Terra12.800 Km

Energia Solar: Radiação solar... Constante solar

· Quantidade de radiação solar incidente por unidade de área num plano perpendicular aos raios solares.

· Inclui uma gama de comprimentos de onda (e não apenas a luz visível).(*)Valor calculado pela NASA em 2008.



NIO(W/m2)

Plano perpendicular aos raios solares


A constante solar (Gsc), é a intensidade média de radiação que incide sobre uma superfície imaginária, perpendicular aos raios do Sol e na camada mais alta da atmosfera da Terra.

O valor médio da constante solar é igual a 1360 W/m2. Valor ligeiramente impreciso, uma vez que o Sol varia de ± 0,25% de intensidade, devido aos ciclos das manchas solares.A intensidade da radiação solar que incide sobre uma superfície, é chamada de irradiância

ou insolação e é medida em W/m2 ou kW/m2.A constante solar pode ser usada para calcular a irradiância incidente (Gon), sobre uma

superfície perpendicular aos raios do sol na camada mais alta da atmosfera da Terra em qualquer dia do ano (ou seja, á medida que a distância entre o Sol e a Terra varia ao longo do ano):

· Gsc= Constante Solar =1360 W/m2

· n = o dia do ano de tal forma que para 1 de Janeiro n= 1.

· Gon = irradiância extraterrestre (fora da atmosfera) num plano perpendicular aos raios do sol (W/m2) conforme o dia do ano.

2scon mW

365n360Cos0,031GG /3

Densidade da Radiação solar

· n – Dia do ano



Portugal é um dos países da Europa, com maior disponibilidade...Horas de Sol anuais

Energia Solar: Radiação solar…

Médias Anuais

Energia solar …… O mundo evolui cada vez mais rápido a nível tecnológico, foram introduzidas nos últimos anos uma séria de novas

tecnologias no aproveitamento de energias renováveis como é o caso da energia solar. Além do uso progressivo da energia solar residencial, existe cada vez mais a sua utilização na produção de energia eléctrica em grande escala através de parques solares fotovoltaicos, e centrais térmicas, em todo o mundo…

Em Portugal



Portugal é um dos países da Europa, com maior disponibilidade...

Energia Solar: Radiação solar…Em Portugal

15,7kWh/m2/dia

10,8kWh/m2/dia10,5kWh/m2/dia

4,4kWh/m2/dia

21- Mar24- Jun24- Set18- Dez

· A figura seguinte mostra a sequência de irradiação durante um dia em Lisboa numa placa horizontal com uma superfície de 1 m2, para quatro dias ao longo do ano.

21 Março24 Setembro 24 Junho 18

Dezembro

Horas de Luz 12,1/12,0 14,8 9,3

Altura max. do Sol 52,0/51,0 75,0 28,2

Somatório da irradiação solar diária

10,8/10,5 kWh/m²

15,7 kWh/m²

4,4 kWh/m²

Latitude: 38°42 49.72″N ′Longitude: 9°8 21.79″W ′



Oceano T

Vento HidroPower Vapor

GeradorMecânico

TurboGerador

Boiler

BiomassaLixo urbano

PainéisSolares

ColectoresSolares

Processamento

ElectricidadeUtilitiesAgriculturaIndustria

users

AquecimentoHabitaçãoNegóciosAgriculturaIndustriaGoverno

users

Biofuels (gás/Liq.AutomóvelNegóciosAgriculturaIndustriaGoverno

Energia Solar: Radiação solar…

users

O Sol, é praticamente responsável por toda a energia da Terra .

Radiação solar – maior fonte de energia para a Terra, principal elemento meteorológico e um dos factores determinantes do tempo e do clima. Além disso, afecta diversos processos: físicos (aquecimento/ evaporação),bio-físicos (transpiração) e biológicos (fotossíntese).



Solar Fotovoltaica Solar Fuel Solar Térmica.001 TW PV

$0.30/kWh C/S armazenamento

CO2

AçúcarFotossíntese

natural

50 - 200 °CAquecimento de espaços e água

500 - 3000 °CAquecimento de

turbinas para produção de energia

eléctrica

1.5 TW electricidade $0.03-$0.06/kWh (fóssil)

1.4 TW solar fuel (biomassa)

~ 14 TW consumo previsto em 2050

0.002 TW

11 TW fuel fóssil(uso presente)

2 TW Aquecimento de espaços e água

H2O

O2

Energia Solar: Radiação solar…Conversão da energia solar

Fotossíntese artificial

H2O

O2

CO2

H2,CH4CH3OH

Conversão

e-

h+



Electricidade Solar Térmica

Electricidade fotovoltaica

(PV)

Calor

Arrefecimeto(A/C & Refrigeração

Água quente e aquecimento

ambiente

Aquecimento Industrial Produção de

Combustíveis e químicos(Hidrogénio!) Cozinha

Solar

Energia Solar: Radiação solar…Conversão da energia solar



Eu colocaria o meu dinheiro sobre o sol e na energia solar. Uma fonte poderosa de energia! Eu espero que não tenhamos que esperar até petróleo e carvão acabem, para tomar essa opção. "

Colector Solar para aquecimento de águaVivenda na Califórnia em 1906

Afinal o aproveitamento da energia solar já vem de longa data!

Thomas Edison

Energia Solar TérmicaAplicações antigas: Água quente solar



- Colector solar.

- Máquina a vapor.

- Tanque de água.

Energia Solar TérmicaAplicações antigas: Impressora solar

· Inventada por Abel Pifre em Paris a 6 de Agosto de 1882

Foi preciso passarem mais de 100 anos para se lembrarem destas tecnologias?



Produção de Água Quente Sanitária (AQS), para uso doméstico, hospitais, hotéis, etc.

Aquecimento de Piscinas.

Aquecimento Ambiente.

Produção de água a elevadas temperaturas destinada a uso industrial.

Energia Solar TérmicaAplicações



Energia Solar TérmicaSistema doméstico

· Os sistemas solares térmicos fornecem água quente para qualquer necessidade: água quente sanitária, apoio ao aquecimento central, aquecimento de piscinas, aplicações industriais… em qualquer situação, um sistema solar adequado garante um óptimo aproveitamento da energia solar, através de Colectores Solares Térmicos, contribuindo assim, para uma máxima poupança energética…

· As instalações solares para a produção de água quente doméstica, podem ser instaladas em praticamente todas as moradias uni familiares. A energia solar pode ser aproveitada, utilizando aparelhos de aquecimento de água instantâneos, esquentadores a gás ou combinados com qualquer sistema de aquecimento central a gás ou a electricidade...

· Ao contrário dos combustíveis fósseis, a energia solar é praticamente inesgotável, não emite carbono e é grátis. Os modernos sistemas e aquecimento podem ser combinados com painéis solares, tornando os sistemas de aquecimento solar viáveis para aquecimento de água ou para apoiar os sistemas de aquecimento central.

· O uso da radiação solar como energia de aquecimento é conhecido como aquecimento solar térmico. Não deve ser confundido com o fotovoltaico, que é a produção de electricidade usando a luz solar. As enormes oportunidades de utilização da energia solar são há muito conhecidas: as tecnologias, ensaiadas e testadas, têm provado o seu valor ao longo de muitos anos.



Energia Solar TérmicaSistema doméstico : Princípio de funcionamento

· A base de funcionamento dos painéis solares térmicos, é a utilização da luz solar para o aquecimento de água existe já desde há centenas de anos, e há muito que é uma solução usada para aquecimento da água em banhos, para a lavagem das mãos, ou para o aquecimento interior da habitação. Este processo é centenário, mas os materiais modernos, e as técnicas actuais tornaram estes sistemas muito mais eficientes.

· Apesar de existirem diferentes sistemas de aquecimento solar de água, na sua generalidade o sistema consiste de um painel solar térmico que contem tubos em cobre no seu interior, dentro desses tubos circula um liquido ou gás (não tóxico) especialmente seleccionado pelas suas características termodinâmicas, que se movimenta lentamente dentro do tubo de cobre, absorvendo assim o calor que existe nos tubos (proveniente da energia do sol). Dependendo do colector utilizado (fabricante, modelo, etc.) a temperatura do líquido pode mesmo atingir os 200ºC.

· Quando o líquido se encontra suficientemente quente, é transferido para um permutador de calor. O permutador de calor consiste de um cilindro de água semelhante ao utilizado para aquecer a água do chuveiro, mas em vez de utilizar resistências eléctricas para aquecer a água dentro do cilindro, é utilizado o calor elevado a que se encontra o fluído que circula dentro dos tubos de cobre. Assim, o fluído nunca entra em contacto com a água, e a água é aquecida pela transferência de calor do cobre para a água.

· A água aquecida é mantida num tanque isolado termicamente, assim, mesmo que a água tenha sido recolhida no dia anterior, ainda pode ser usada para tomar banho na manhã seguinte…



Colectores de Tubo de Vácuo (aquecimento de águas e produção de vapor)

Colectores Concentradores (CPC)com Cobertura (aquecimento de águas e produção

de vapor)

Colectores Planos com Cobertura (aquecimento de águas)

Colectores Planos sem Cobertura (aquecimento de piscinas)Te

mpe

ratu

ra

Energia Solar TérmicaSistema doméstico: Tipos de Colectores Solares Térmicos



· Os colectores solares térmicos servem para converter a maior quantidade de radiação solar disponível em calor e transferi-lo, com o mínimo de perdas, para o restante sistema. Assim, existem diferentes tecnologias e equipamentos, cujas aplicações variam consoante a gama de temperaturas que se pretenda atingir. Essas tecnologias são apresentadas na tabela seguinte:

Gama de temperatura Processo

<40 ºC Colectores sem cobertura ou colectores planos de baixo custo.

40-70 ºC Colectores planos com cobertura

70-100 ºCColectores de tubos de vácuo ou outros colectores estacionários de rendimento elevado. Colectores concentradores para sistemas de média e grande dimensão.

>100 ºC Colectores concentradores, colectores de tubos de vácuo com CPC.

Energia Solar TérmicaSistema doméstico : Tipos de colectores solares térmicos



Radiação Solar

A luz solar entra no colector através da cobertura de vidro.

A luz solar atinge e é absorvida pela placa de metal preto (absorvedor). A energia absorvida transforma-se em energia térmica.

O vidro retém o ar aquecido. O isolamento do colector ajuda a

reter o calor.

O calor transfere-se directamente para os tubos e

para o seu líquido. O calor também se irradia para o espaço

aéreo dentro do colector

Fluido frio que entra no colector.

Fluido frio que entra no colector.

Energia Solar Térm

ica





http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiKtdXF7cDKAhVL0xoKHRo_AVoQjRwIBw&url=http://care.india.tripod.com/solar/id3.html&psig=AFQjCNHBlcHQXF-hdEowiqhBrPO4bF9EuA&ust=1453668938663597



Energia Solar TérmicaSistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias

Colectores planos sem cobertura: Perdas

Radiação incidenteRadiação reflectida

Perdas pela traseira do colectorColector

Perdas via convecção

Absorvido e re-irradiado

Calor colectado

· Os colectores planos sem cobertura são constituídos somente por uma placa absorsora, não possuindo cobertura, revestimento ou isolamento térmico. Apresentam, por esta razão, uma menor complexidade e uma menor eficiência, sofrendo elevadas perdas de calor. Possuem a vantagem de reduzir os custos de aquisição de cobertura, visto a placa absorsora do colector substituir parte da cobertura do telhado. Além disso, podem instalar-se facilmente em diferentes tipos de cobertura, são uma solução estética para telhados de alumínio e são relativamente baratos. Contudo, devido à sua baixa performance, conduzem à necessidade de instalar uma superfície de colectores com uma área superior comparativamente a outros tipos de colectores . Uso sazonal.




Colectores planos sem cobertura· Estes colectores consistem basicamente em tubos de

plástico (propileno, policarbonato ou polivinil), colocados em forma de esteira e unidos por dois tubos de maior diâmetro nas partes inferior e superior e são basicamente usados no aquecimento de águas de piscinas…nos meses de Maio a Setembro em que a radiação solar é mais elevada.

· A utilização destes colectores permite a circulação directa da água da piscina pelos mesmos através da bobagem de circulação. Em termos económicos, são mais acessíveis do que os colectores com cobertura, embora o tempo de retorno do investimento seja bastante similar, pois têm menor eficiência e é exigida uma maior área de captação.

· De salientar que a utilização de colectores sem cobertura torna necessário que sejam colocados num local onde estes estejam abrigados do vento já que são particularmente sensíveis a velocidades do vento superiores a 1 m/s, que conduzem a uma diminuição drástica do seu rendimento.

· Para além deste aspecto, as temperaturas baixas do ar exterior no Inverno tornam igualmente inadequada a utilização destes colectores para o aquecimento de água de piscinas cobertas no Inverno, situação em que se justifica a utilização de colectores com cobertura.




Colectores planos sem cobertura

Baixo Custo. Baixa temperatura. Resistente. Leve. Aquecimento sazonal de piscinas.

FiltroBomba

Colectores

Água Fria

Água Quente



AbsorsorEsp

ectro

Solar

Cobertura

A radiação solar incidente é na sua maior parte transmitidas através da cobertura (vidro) (a transmitância do vidro é superior a 90%) e, em seguida é, absorvida e reabsorvida pelo absorvedor.

A placa absorsora aquece e, por sua vez emite energia radiante, mas no espectro infravermelho, relativamente às quais o vidro prova ser praticamente opaco (efeito de estufa).


Colectores planos com cobertura: Princípio de funcionamento

Radiação

infrave

rmelha



❷

❶

Radiação solar directa

Radiação difusa

Convecção: Vento, chuva, neve…

Perdas por convecção.

Perdas por condução térmica.

Calor radiado pelo absorvedor.

Calor radiado pelo vidro.

Entrada/Saída do colector.

Reflexões.


Colectores planos com cobertura: Perdas



• Tipicamente quando T é à volta de 80 °C, as perdas térmicas, são iguais à irradiação absorvida (ponto de estagnação).

Dada por: (1 - a)

Possível redução limitada a

pelo menos 15 - 20% para um colector plano vitrificado.

Energia para o fluído

Irradiação solar na área do colector

Perdas Ópticas

Perdas Térmicas

• Aproximadamente proporcional T. • Aumenta dramaticamente quando a

diferença de temperatura é elevada.• Explica o uso de ETCs (anticongelantes)

em climas severos.


Colectores planos com cobertura: Perdas

ETC -Electrothermal Chemical

Energia térmica utilizável

Perdas Térmicas

200W/m

400W/m

600W/m

800W/m

1000W/m

0 20 40 60 80 100 120 140

20

40

60

80

100

Diferença de temperatura entre o colector e o ambiente em oC

Eficiê

ncia

do

Cole

ctor

em

%

0

Perdas Ópticas



· Pcover =Potência que chega a cobertura do colector (W).· Pabsorber =Potência que chega ao absorvedor do colector (W).· Pabsorbed =Potência absorvida pelo absorvedor do colector (W).· Ac =Área do colector (m2).· Gt = Insolação da superfície inclinada (W m-2).· = Transmissividade.· a = Absorvidade.· ho = Eficiência óptica.

Gt

Tci

T

Gt 1tG a

tGa

1tG

cover c tP A G

absorber c tP A G

absorbed c t

c t o

P A GA G

ah


Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento

loss c L m AP A U T T

· Ploss =Perdas de potência (W).· Ac =Área do colector (m2).· UL= Coeficiente de perdas (W/m2 K).· Tm = Temperatura média do absorsor

(K).· TA = Temperatura ambiente (K).



Gt

Tci

T

Gt 1tG a

tGa

1tG


Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: Valores considerados Normais

Gt= Radiação solar no colector (300 – 1000 W m-2).UL= Coeficiente de perdas (1 – 5 W m-2 K). = Transmissividade da cobertura (0.85).A = Absortividade comprimentos de onda solares (0.95).ho = Eficiência óptica (0.9).



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias

Energia Solar Térmica

Gt

Gt1-

Parte traseira

R3

R4

TA

R2

R1

TA

Gt

Rfin

Isolamento

Placa absorsora

R2

R1

R3

R4

TA

TA

Gt

top lossback loss

1 3 4

1 1LU

R R R

Cobertura transparente

Contém um termo de radiação e um termo de convecção que actuam em paralelo.

Colectores planos com cobertura: Perdas – Cálculo de UL




Cálculo de Back loss


R2

R1

R3

R4

TA

TA

Gt

top lossback loss

1 3 4

1 1LU

R R R

total3 h

1R conrad hh

1

· htotal = Perda total (W m-1 K-1).

· hrad = Perdas por radiação.

· hcon = Perdas por convecção.

lk

· k= Condutividade do isolamento (W m-1 K-1).· l= Espessura do isolamento (m).

Cálculo de Top loss

Com placas a 450

0.31

0.071.14 1 0.0018 10conTh Tl

· hcon = Perdas por convecção (W m-1 K-1).· T = Diferença de temperatura entre o painel e

a cobertura (K).· T = Temperatura média entre o painel e a

cobertura (K).· l = Comprimento (cm).

1B R

1U

· Perdas Painel /Cobertura: Convecção







R2

R1

R3

R4

TA

TA

Gt

top lossback loss

1 3 4

1 1LU

R R R

· Perdas Painel /Cobertura: por radiação

total3 h

1R conrad hh

1

2 2

1 1 1

p c p crad

p c

T T T Th

· hrad = Perdas por radiação (W/m K).· Tp = Temperatura do painel .· Tc = Temperatura da cobertura.· p = Emissividade da placa (no infravermelho).· c = Emissividade da cobertura (no infravermelho).· = Constante Stefan Bolzman (5.6697 x 10-8)






R2

R1

R3

R4

TA

TA

Gt

· Cobertura /ar: Perdas por convecção

4.5 2.9conh V

· hcon = Perdas por convecção (W/m K).· V = Velocidade do vento.



· Cobertura /ar: Perdas por radiação

4 4c sky

rad coverc sky

T Th

T T

· hrad = Perdas por radiação (W/m K).

· Tc = Temperatura da cobertura (K).

· Tsky = Temperatura do céu (K). (podemos usar TA - 10 como uma estimativa).

· c = Emissividade da cobertura(nos infravermelhos).· = Constante Stefan Bolzman (5.6697 x 10-8)

total3 h

1R conrad hh

1





R2

R1

R3

R4

TA

TA

Gt

· Temperatura da cobertura



total3 h

1R conrad hh

1

4

1con rad p c c ah h T T T T

R

· hrad = Perdas por radiação (W/m K).

· hcon = Perdas por convecção (W/m K).

· Tc = Temperatura da cobertura (K).

· Tsky = Temperatura do céu (K). (podemos usar TA - 10 como uma estimativa).

· c = Emissividade da cobertura(nos infravermelhos).· = Constante Stefan Bolzman (5.6697 x 10-8)



Gt

Tci

T

Gt 1tG a

tGa

1tG


Colectores planos com cobertura: Eficiência Óptica: Reflectividade

· Quando a luz incide sobre um objecto, pode ser transmitida, reflectida ou absorvida…

1 g a · = Transmissividade.· = Reflectividade.· ag =Absortividade.

211

mm

· m = Índice refractivo

• Para vidro (m=1.5), = 0.044 (por cada camada).• 8.8% da luz é reflectida para cada lâmina de vidro• Melhor pode ser obtido com “echants”, mas a superfície fica frágil.

Colectores planos com cobertura: Eficiência Óptica: Absorção

0 explG G l · Gl = Insolação à profundidade l.

· Go = Insolação à superfície.· = Coeficiente de extinção.· l = Profundidade.

· O vidro flutuante tem um coeficiente de extinção de 0,03-1 – vidro de baixo ferro é melhor….



Gt

Tci

T

Gt 1tG a

tGa

1tG


Colectores planos com cobertura: Eficiência Óptica: Variação de , com ângulo de incidência · A maioria da variação é devida ao caminho mais longo, não à reflectividade.

o

n

Khhh

·Onde:

1

cos1b1K 0 qh

· Kh = Modificador de ângulo de incidência.· ho = Eficiência óptica.· hn = Eficiência óptica à incidência normal.· q = Ângulo de incidência.· bo = Coeficiente de ângulo de incidência (-0.1 para vidro simples, -0.17 para duplo).



Gt

Tci

T

Gt 1tG a

tGa

1tG


Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: ganho de calor com fluidos

Ganho de calor no fluido = calor para absorsor - perdas

·Qc=Potência transferida para a água (W).

· Tm= Temperatura média do absorsor (K).

· TA= Temperatura média ambiente (K).

)( AmLcotc TTUAGA hlossabsorbed PPQc

)( AmLotcc TTUGAQ h

· A temperatura média do absorsor (Tm), é desconhecida, mas a temperatura média do fluido (Tcm), pode ser medida.

·Assim, define uma resistência ao fluxo de calor a partir de Tcm para Tm (R, em K w-1 m2).

c

cmmc

QTTAR )(

cmmc

c TTRAQ

·R =A resistência ao fluxo de calor.·Tcm= Temperatura média do fluido (K).



Gt

Tci

T

Gt 1tG a

tGa

1tG


Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: Calor para o fluido

· Idealmente, a relação seria com a temperatura do fluido de entrada (Ti), que é conhecida em vez da temperatura média do fluido que tem que ser aferida.

· Se considerarmos o ganho de calor global em termos de fluido, teremos:

c p co ciQ mc T T

·m=Taxa de fluxo de massa de fluido (kg/s). · cp=Calor específico do fluido (J/kg), (4086 para a água).

Colectores planos com cobertura: Balanceamento: Eficiência do colector (h)· Uma equação pode ser derivada, em termos de função da taxa de fluxo e tamanho colector.

)( AmLotRc TTUGFAQ h

· FR é chamado o factor de remoção de calor, e é definido em termos de F’.



Gt

Tci

T

Gt 1tG a

tGa

1tG


Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: Eficiência do colector (h)

· FR é chamado o factor de remoção de calor, e é definido em termos de F’.

p

Lc

Lc

pR

mcUFAexp1

UFAmc

FF '

''

ct

c

AGQ

ct

AciLotRc

AGTTUGFA

h

Aci

t

LoR TT

GUF h

lectorente no coolar incidRadiação sra fluidoEnergia pa

h



Vidro

Absorsor

Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Balanceamento completo


100% Reflecção:

8%

Reflecção: 8%

Absorção: 2%

60%

Condução de calor: 3%

Radiação:

6%

Convecção:

13%



Unglazed (swimming pool)

Evacuated tubeselective

Single glazedselective

Single glazednon selective

Double glazednon selective

i AT TG

h

0.7

0.8

0.95


Eficiência de outros colectores sem concentradores (h)




Constante em tempo dos colectores· A constante de tempo de um colector é o tempo necessário para o fluido que deixa o

colector para atingir 63% do seu valor final constante após uma mudança de passo na radiação incidente.

· A constante de tempo do colector é uma medida do tempo necessário para que a seguinte relação seja aplicada:

0,368e1

TTTT

ioi

iot · Tot = Temperatura da água de saída do Colector após o tempo t (° C).

· Toi = Temperatura inicial da água de saída do Colector (° C).· Ti = Temperatura da água de entrada no colector (°C).

*O procedimento para realizar este teste é para operar o colector com a temperatura de entrada de fluido mantida à temperatura ambiente.

*A energia solar incidente deve ser então abruptamente reduzida a zero por blindagem no colector de placa plana, ou desfocagem no tipo com concentrador.

*As temperaturas do fluido de transferência são então continuamente monitorizadas em função do tempo até que a equação acima seja satisfeita.



Gt

Tci

T

Gt 1tG a

tG a

1tG


Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: Com permutadores de calorQuando no sistema é utilizado um permutador de calor…

Vertical ou Horizontal

Bomba de circulação

coT

ciT

pmc

iT

oT

1mcmc

mcUFAF

F

minp

cp

cp

LRcR

R

1

1´

· Onde:

AiLotRc TTUGFAQ h'

· = Eficácia do permutador de calor.

· (mcp)min = Fluxo térmico mínimo.



· Trata-se do colector mais convencional, constituído por uma superfície absorsora, fixada numa caixa estanque, com uma cobertura transparente, geralmente de vidro, que devido ao efeito de estufa, reduz as perdas térmicas. O isolamento térmico da parte posterior da caixa também contribui para minimizar as perdas. Este tipo de colector solar pode funcionar eficientemente durante todo o ano.

· Com a placa absorsora pintada de negro-mate atingem-se temperaturas máximas de funcionamento da ordem dos 50°C (temperatura habitual de utilização da água quente), com bom rendimento (cerca de 50%).

· Com os chamados recobrimentos selectivos podem conseguir-se, ainda com bom rendimento, temperaturas de 60 a 70°C reduzindo as perdas caloríficas por radiação. Estes revestimentos da placa absorsora obtêm-se através de um tratamento electroquímico ou de uma pulverização catódica que confere à placa propriedades ópticas que reduzem a emissão da radiação infravermelha, mantendo a sua capacidade de absorção tão boa como a da tinta negra.

· Este tipo de colectores, quando aplicados em piscinas, obriga utilização de sistemas indirectos, pelo facto de os materiais utilizados não serem compatíveis com o cloro contido na água da piscina. Daqui resulta a necessidade da introdução de um permutador de calor, entre o circuito dos colectores e o circuito de água da piscina.


Colectores planos com cobertura: Características




• Moldura posterior em liga de alumínio e moldura galvanizado.

• Isolamento Térmico

• Tubagem de cobre em serpentina


· Normalmente, um colector solar é constituído não só pela superfície absorsora mas também por elementos de protecção térmica e mecânica da mesma.

· Existem diversos tipos de colectores solares térmicos, diferindo na protecção térmica que utilizam, na utilização, ou não, de concentração e adequados a diferentes temperaturas de utilização.

Colectores planos com cobertura• Vidro temperado de alta

performance.

• Placa de alta absorvência e baixa emissividade.

Colectores planos com cobertura: Composição (Estrutura em serpentina)





• Tubagem serpenteante(cobre)

• Vidro temperado de alta performance.

Entrada de água fria

Água quente

• Tubo de fluxo (principal)

• Painel posterior

• Estrutura


Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Composição (Estrutura em serpentina)





• Padrão “S” na tubagem

• Placa absorvedora

• Cobertura de vidro especial

• Estrutura em folha de alumínio

• Custo moderado.• Temperatura mais elevada do que os sem cobertura.• Pode operar à pressão da rede de distribuição de água.• Mais pesado e mais frágil.

Colectores planos com cobertura

Colectores planos com cobertura: Composição (Estrutura em serpentina)




Saída de água quente




• Tubagem de fluxo (cobre)

• Tuba de fluxo (principal)

Os Colectores planos podem ter tubagens diferentes com tubos de fluxo isolados, encaixados dentro de uma placa absorvente, tudo montado numa estrutura, geralmente de alumínio ou aço galvanizado, e protegido por uma tampa transparente.

• Vidro temperado de alta performance.

Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Tubagem perpendicular

· Os colectores planos com cobertura são usados no aquecimento de águas sanitárias domésticas.

· Os colectores planos são os mais comuns e destinam-se à produção de água quente a temperaturas inferiores a 600C.



Placa Absorvente (1) • cobre e aletas para melhorar a transferência de

calor.• Alta Absorvência e baixa emissividade graças a uma

pintura selectiva.• Inclui o Rede de Tubagem em cobre (2) e tubagem

de ligação (3).Cobertura Transparente (5)

• Tipicamente um vidro relativamente espesso com elevada transmitância solar.

• Concebido para reduzir a reflexão.• Temperado para maximizar a resistência e

durabilidade.

Isolamento Térmico (6) • Espuma de poliuretano ou lã mineral.• Circundante da Placa Absorvente para evitar perdas

de calor do fluido transportador.• Folha de alumínio (4) actua como uma barreira

contra a saída de gás ou vapor.

Estrutura (7) • De plástico ou de alumínio.• Garante a força e resistência aos agentes atmosféricos.• Equipada para integração no telhado, ancoradouro ou

suporte.• Expansão diferencial da moldura e vidros é absorvida

por Juntas (8).• O conjunto é fechado por uma placa posterior (9),

geralmente feita de PVC.


Colectores planos com cobertura: Tubagem perpendicular




Placa de absorção: chapa de cobre texturizada (aumento da superfície de contacto) soldada por sobre a tubulação de cobre

Revestimento: fluoropolímeros (PTFE) para maximizar a absorção da energia.

Isolamento: espuma rígida de Poliuretano e Poliisocianurato para a máxima retenção de calor.

Vidro: Vidro temperado de alta performance é indispensável para reduzir reflexos, permitindo alta transmissão da luz solar.

Moldura: Alumínio para durabilidade, resistência à corrosão e boa aparência.

Tubulação: de cobre para obter fluxo optimizado da condução de calor e durabilidade.

Conexão de saída para o cabeçote ou tanque de armazenamento.

Fundo: Chapa de alumínio Chapa intermediária: Folha de alumínio

atua como barreira contra fluxo de ar quente para o segundo isolante.

http://www.newhome.com.br/HTMLs/Ekohome/Solar/T%C3%A9rmico/ColetorPlano.htm

Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Tubagem perpendicular

http://www.newhome.com.br/HTMLs/Ekohome/Solar/T%C3%A9rmico/ColetorPlano.htm



• Colector de Ar.

• Colector de placa plana a vácuo (com colunas).

• Colector de placa plana com isolador de calor transparente

Solar Thermal Energy

• Colector de placa plana Standard

• Colector de placa plana com convecção limitada

• Colector sem cobertura

Energia Solar TérmicaSistema doméstico : Colector Plano – Tecnologias




Colectores planos com cobertura

Custo moderado. Temperatura mais elevada do que os sem cobertura. Pode operar à pressão da rede de distribuição de água. Mais pesado e mais frágil.

Apresenta menor eficiência em relação aos colectores de vácuo e colectores parabólicos compostos (CPCs) devido aos elevados valores de perdas térmicas;

Não serve para gerar altas temperaturas, p.e. geração de vapor, fornecimento de calor para máquinas de refrigeração;

Exige mais espaço no telhado do que os colectores de vácuo.

Vantagens: Mais barato que um colector de vácuo e parabólico composto; Oferece múltiplas opções de montagem (sobre o telhado, integrado no

telhado, montado na fachada e de instalação livre); Tem um boa taxa de preço/performance; Permite montagem simples (kits de construção de colector).

Desvantagens:




Colectores planos com cobertura tipo CPC (“Compound Parabolic Concentrator")· Por forma a reduzir as perdas térmicas existentes nos colectores planos desenvolveu-se uma

tecnologia baseada na redução da área de absorção, em comparação com a área de captação da radiação solar. Desta forma reduzem-se as perdas térmicas, tendo em conta que são proporcionais à área do absorsor em contraposição com a área de abertura.

· Os CPCs consistem em sistemas de concentração da radiação solar, na placa absorsora, através dum sistema duplo de absorção da radiação, para obtenção de temperaturas mais elevadas, com alto rendimento, devido às menores perdas térmicas, mas com características de simplicidade que os tornam equivalentes, na montagem e utilização, aos colectores convencionais planos, pelo facto de se poderem colocar da mesma forma em telhados ou outras estruturas fixas e captar também a radiação solar difusa.

· Assim, os colectores são constituídos por: um sistema de absorsores que permite absorver a radiação de forma semelhante aos colectores

planos;um sistema de reflexão da radiação que permite a absorção da radiação na parte inferior do

absorsor.

Estes colectores são conhecidos como concentradores do tipo CPC (Colectores Parabólicos Compostos) devido à configuração da superfície reflectora em forma de parábola.




Colectores planos com cobertura tipo CPC (“Compound Parabolic Concentrator")· No mercado nacional comercializa-se um outro tipo de colector, do tipo CPC, vocacionado para

utilização a temperaturas mais elevadas (<110oC). A diferença entre este tipo e os mais convencionais colectores planos, reside no tipo de óptica utilizada e na geometria da superfície absorsora. Os convencionais, como o nome indica, são constituídos por uma placa absorsora plana à qual estão soldados, embutidos ou prensados, os tubos. Por seu lado, os do tipo CPC são compostos por uma série de reflectores, com uma forma que lhes confere uma óptica de baixa concentração, que lhes permite serem igualmente estacionários como os colectores planos.

· O design do reflector parabólico composto pode concentrar a luz solar a partir de vários ângulos num ponto focal comum. Assim, o colector solar CPC, não precisa de fazer seguimento solar, a fim de concentrar a energia do sol, para níveis muito mais elevados de densidade de energia.

· Por cima de cada reflector é colocada uma alheta (superfície absorsora) em contacto com o tubo por onde circula o fluido aquecer.




Colectores planos com cobertura tipo CPC (“Compound Parabolic Concentrator")



ReflectorIsolamento Alheta absorsora com tubo de cobre

Caixa Metálica

Cobertura transparente

1 – Caixa metálica.2 – Vedante.3 – Isolamento.4 – Reflector de alumínio espelhado.5 – Aleta absorsora selectiva em ambas faces.6 – Vidro temperado.7 – Tubo de cobre.



· A superfície reflectora, através da sua configuração, permite assim concentrar a radiação com a utilização de materiais espelhados com elevado nível de reflectividade.

· O ângulo de abertura destas superfícies permite captar a radiação directa e a difusa tal como nos colectores planos.





Vantagens:

Tem elevada eficiência mesmo com elevadas diferenças de temperaturas entre o absorsor e o meio envolvente (e.g. no verão);

Tem uma elevada eficiência com baixa radiação (e.g. no inverno); Suporta aplicações de calor com mais eficiência do que os colectores planos; Funciona com elevadas temperaturas, e.g. para condicionamento do ar.

Desvantagens:

Mais caro do que um colector plano…



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores Planos… a vácuo:


· Adicionalmente, este colector é “preenchido” com crípton a 50 mbar de modo a reduzir perdas térmicas através da condução. Para suportar as forças causadas pela diferença de pressão, entre a pressão exterior e interior, elementos de suporte são encaixados entre a base da caixa e a cobertura de vidro (espaçamento de 10 cm). Por causa disto, existe um número correspondente de buracos no absorsor.

· A sua construção é idêntica ao colector plano standard. A principal diferença é que o isolamento térmico é efectuado com um vácuo de 10-1 para 10-3bar (pressão do ar 1 bar = 1.000 mbar) em vez de ser utilizada fibra mineral ou espuma de poliuretano. Este vácuo reduz as perdas térmicas por convecção.

· De facto é mais correcto falar de um colector plano de vácuo parcial porque neste caso a pressão de vácuo é significativamente menor, comparada com a pressão dos tubos de vácuo. O colector plano de vácuo é evacuado depois da instalação e deve ser verificado para certos intervalos de tempo e re-evacuado quando necessário. Portanto uma linha de vácuo tem que ser instalada. A eficiência óptica do colector plano de vácuo é cerca de 0,8 e o valor de k é cerca de 2,6 W/m²K.




Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo

· Os colectores de tubos de vácuo consistem geralmente em tubos de vidro transparente cujo interior contém tubos metálicos (absorsores). A atmosfera interior dos tubos permite reduzir ou anular as perdas por convecção e condução devido ao efeito de vácuo que se forma entre o absorsor e o vidro e que aumenta bastante o efeito de estufa, tão importante na transformação da luz solar em energia.

· Para reduzir as perdas térmicas num colector, tubos de vidro (com absorsores internos) são sujeitos a vácuo. Por forma a eliminar as perdas de calor por convecção, a pressão dentro dos tubos de vidro deve ser pelo menos de 10-2bar. Um aumento adicional de evacuação reduz as perdas por condução térmica. Assim, as perdas de calor para a atmosfera são significativamente reduzidas, sendo de realçar que mesmo com uma temperatura de absorção de 120ºC ou maior, os tubos de vidro permanecem frios no seu exterior.

· A maioria dos tubos de vácuo são evacuados abaixo dos 10-5bar. No que diz respeito a perdas por radiação, uma vez que as características de perda do colector não dependem do meio em que este se encontra, não podem ser reduzidas pela criação de vácuo. Estas perdas de radiação mantêm-se reduzidas, como no caso de colectores planos, pela selecção de bons revestimentos (valor de baixo).




Colectores de tubos de vácuo: funcionamento· Nos colectores solares de tubos de vácuo com tubos de calor tipo (Heat pipe), consiste de

um tubo de calor selado, geralmente feito de cobre para aumentar a eficiência dos colectores em temperaturas frias, está ligado a uma placa absorsora de calor no interior do tubo selado a vácuo. O tubo de calor, oco, no interior do tubo é vácuo, mas contém uma pequena quantidade de um líquido de álcool / água a baixa pressão, além de alguns aditivos adicionais para prevenir a corrosão ou oxidação.

· O vácuo permite que o líquido de origem vaporize a temperaturas muito mais baixas do que normalmente à pressão atmosférica. Quando a luz solar sob a forma de radiação solar bate na superfície da placa absorsora no interior do tubo, o líquido no tubo de calor, rapidamente se transforma em vapor quente, devido à presença do vácuo. Como este vapor é agora mais leve, sobe para a parte superior do tubo de calor, fazendo com que o topo atinga uma temperatura muito elevada. A alta temperatura do tubo de calor, e, portanto, o tubo de vácuo, é ligada a um permutador de calor de cobre denominado "colector”.

· Quando a ponta do topo do tubo de calor entra no colector, a energia térmica do vapor é transferido para a água ou para o glicol, dependendo do fluido que flui através da tubagem de ligação. Como o vapor quente perde energia e esfria, condensa-se , passando a líquido que flui de volta para baixo o tubo de calor para ser reaquecido.



Vácuo

Calor da lu

z do So

l é abso

rvido pela

superfície

interna do tu

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o.

Líquido aquecid

o evapora

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do tubo de co

bre.

Câmara de Irradiação

O vapor resfriado liquefaz-se retornando à base do tubo de calor para repetir o ciclo.


Líquidos em ebulição a uma temperatura mais baixa quando a pressão do ar circundante diminui.

A fluido no tubo irá evaporar-se a temperatura do tubo de calor (heat Pipe) atinge 30 ° C.

Tubo Heat P

ipe em cobre

O vapor sobe para a parte superior do tubo de calor e através do condensador, transfere o calor para o fluido do colector aquecendo a á do depósito ou o fluido do colector (permutador de calor).

Líquidonão tóxico

Isto arrefece o vapor que se condensa e regressa ao fundo como líquido, repetindo-se o ciclo até a água do reservatório estar suficientemente quente.

Aleta colectora de alumínio integrada

Colectores de tubos de vácuo: Princípio de funcionamento (heat pipe)




• Reflector

Água quente

Água fria

tubo de calor (Heat pipe)

Tubo de Vácuo

Condensador

Tanque reservatório


· Este processo de conversão de um líquido para um gás, e gás para líquido, repete-se continuamente dentro do tubo selado de aquecimento (heat pipe), enquanto o sol brilhar...

Colectores de tubos de vácuo: Princípio de funcionamento (heat pipe)

· O tubo de calor e, portanto, os colectores de tubos de vácuo, devem ser montados de tal forma a terem um ângulo mínimo de inclinação (cerca de 30 °) para que o fluido interno do tubo de calor possa retornar para a placa de absorção, na parte inferior do tubo.



Vácuo

Energia Solar TérmicaSistema doméstico : Colector tubular a vácuo

·A alta temperatura de operação dos tubos a vácuo e sua baixíssima perda de calor por radiação conferem a este sistema a condição ideal para fazer o aquecimento de água pela radiação solar. O dispositivo tubular, isento de componentes ferrosos mostra-se ainda muito adequado à exposição às intempéries, utilizando materiais de baixíssima corrosão mesmo sob condições meteorológicas adversas. O desenvolvimento da sua estrutura dentro de um tubo de vácuo minimiza a perda de calor e garante ao colector grande durabilidade, estabilidade e alto desempenho, o que se traduz em baixa manutenção, requerendo inspecções sistemáticas a cada 2 ou 3 anos e tendo vida útil superior a 10 anos.

http://www.newhome.com.br/HTMLs/Ekohome/Solar/T%C3%A9rmico/ColetorTubVac.htm

80%

90.7%

Luz do Sol 100%Absorção do tubo de vidro 1.8%

Reflectância do tubo de vidro 6.3%

Reflectância do tubo de vidro interno 6.3%

Emissão do revestimento 4.4%

Colectores de tubos de vácuo: Os tubos de vácuo…

Tubo interior

Aleta de calor

Revestimento selectivo

Tubo de calor

Tubo exterior

http://www.newhome.com.br/HTMLs/Ekohome/Solar/T%C3%A9rmico/ColetorTubVac.htm




Energia solarTubo de Vácuo

Indicador de Vácuo

Heat Pipe

Isolamento

Calor

Calor

Alumínio

Água fria

Água quente

Cobre

Tubo de vidro exterior.Tubo de vidro interior.Vácuo.

Aleta de transferência de calor.

Heat Pipe.





Tubo de vidro exterior.Vácuo.Condensador.

Aleta de transferência de calor.Heat Pipe.

Revestimento absorsor.Tampa do tubo em borracha

Heat Pipe

Absorsor com revestimento (360o)

Aleta transferência de calor

Vidro exterior

Mola clipe






· Heat Pipe

· Sidney -“U” Pipe

· Fole

· Coaxial

· Os Colectores solares de tubos de vácuo são muito eficientes e podem atingir temperaturas muito altas. Um colector de tubos de vácuo contém várias fileiras de tubos de vidro ligadas a um tubo colector, ou directamente para o tanque de água quente. Cada tubo tem o ar removido (evacuado), para eliminar a perda de calor por convecção e radiação. No interior do tubo de vidro, uma aleta de cobre ou de alumínio plana ou curva está ligada a um tubo de metal. A aleta está coberta com um revestimento selectivo, que transfere calor para o fluido que está circulando através do tubo.

· Existem basicamente dois tipos principais de colectores de vácuo: · Mas… Há muitas variantes:






· Single Glass Heat-Pipe

· Twin Tube Heat-Pipe

· Twin Tube Coaxial Heat-Pipe

· Twin Tube “U” Heat-Pipe

· Twin Tube “unpressurized”

Heat Exchange Direct Flow Systems

Colectores de tubos de vácuo: Os tubos de vácuo…· Mas… Há muitas variantes:




Colectores de tubos de vácuo : Tubos de Vácuo tipo “Heat Pipe”


Condensador

Heat Pipe

Camada anti-reflexão

Camada Absorsora

Camada de reflexão

infravermelhos· Cada tubo de vácuo é constituído por dois tubos de vidro concêntricos. O tubo exterior é extremamente resistente e transparente feito de vidro de silicato de boro resistente a impactos e com cerca de 25mm de diâmetro. O tubo interior também é feito de silicato de boro, mas revestido a alumínio, que tem propriedade excelentes de absorsor do calor solar, de forma a minimizar a reflexão de calor.

· Durante o fabrico do tubo o ar é retirado (evacuado) do espaço entre os dois tubos de vidro, formando vácuo que elimina perdas de calor por condução e convecção. De forma a manter o vácuo, um absorvente de bário é exposto a altas temperaturas, o que faz com que a parte de baixo do tubo de vácuo fique revestido com uma camada de bário puro. A camada de bário de cor prateada, também fornece um indicador visual do estado do vácuo, uma vez que ficará branca , se o vácuo for perdido, o que torna fácil detectar quando um tubo está ou não operando correctamente




Colectores de tubos de vácuo: tipo “Heat Pipe”…..




Água quente

Água Fria

Transferência de calor

Heat Pipe

Tubos de Vácuo Placas absorsoras

Fluído

Vácuo

Placa Absorsora

vidros duplosHeat Pipe

Colector de calor

Condensador

Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe … O mesmo princípio… Maneiras diferente




Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe …

Heat Pipe

Aleta de transferência

Condensador

Saída

Tubo de Vácuo

Estrutura

tampa do tubo

Entrada

tubo colector de cobre Camada isolante Caixa colectora Porta -Sensor




10

1112

Tubo exterior de vidro temperado.

Aleta absorsora.

Heat Pipe ∅ 10mm.

Indicador de vácuo.

Condensador.

Colector de cobre.

Isolamento fibra de vidro.

Invólucro exterior (Al).

Porca de união (G1”). Conector de bronze em T.10

Entrada de 1”.11

Carter para sensor solar de ⅟2”.12

Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe … O mesmo princípio… Maneiras diferente



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe … O mesmo princípio… Maneiras diferente


·Com permutador de Calor (Heat exchanger)

Isolamento térmico de alta qualidade

Vidro temperado de alto grau

Permutador de Calor com protecção integral de sobreaquecimento

Heat Pipe

Absorsor com revestimento sol -titânio

· Permutador- dispositivo onde se dá a transferência do calor do circuito primário para o circuito secundário.





Custo elevado. Sem perdas por convecção. Altas temperaturas. Climas frios. Frágil. Instalação pode ser mais complicada. Manutenção facilitada (substituição). Neve não é problema.

· A principal vantagem dos colectores de vácuo Heat Pipe, é que há uma conexão "seca" entre os tubos absorsores e a água a aquecer (permutador), tornando a ligação ao colector principal e a instalação muito mais fácil do que nos colectores de fluxo directo que iremos ver a seguir. Além disso, no caso de um tubo de vácuo rachar ou quebrar e perder o vácuo, o tubo individual pode ser trocado sem esvaziar ou desmontar todo o sistema.

· Essa flexibilidade torna tubos vácuo “heat pipe” os colectores solares de água quente ideal para projectos solares de circuito fechado como um conjunto modular que permite a fácil instalação e facilmente expandir a sua capacidade, adicionando tantos tubos quantos você quiser.

Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo:


· Neste tipo de colectores o fluido de transferência de calor é conduzido através de um sistema de tubo entretubo (tubos coaxiais) para a base do absorsor onde flui para a caixa colectora, aumentando a temperatura do fluído, ou flui através de um tubo em forma de U.

· Os tubos colectores de evacuação de fluxo directo podem ser orientados a sul mas podem ser também montados horizontalmente num telhado plano.

· O tubo de vácuo absorve os raios solares e transforma-os em energia térmica, aquecendo a água que se encontra dentro deles. O aumento da temperatura torna a água ligeiramente menos densa, e então, esta ascende para o tanque. Consequentemente, a água a uma temperatura inferior desce até aos tubos de vácuo. Ao manter-se este ciclo natural de aquecimento, a água no depósito ou pelo tubo de retorno, é progressivamente aquecida.



· O colector é constituído por um tubo de vidro feito de vidro de quartzo altamente translúcido onde está localizado o absorvedor. A transferência de calor é realizada, quer por um sistema de tubos-em-tubo para o fundo da ampola de vidro, flui de volta em contracorrente para a parte superior através do tubo coaxial mais largo, convertendo o calor a partir do absorvedor de cobre altamente selectivo.


Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Tubo de calor coaxial

Saída

Entrada

Revestimento absorvente selectivo

Tubo de vidro

Vácuo

Tubo de vidro

Absorsor

Sistema Tubo-em-tubo

Viessmann Werke GmbH & Co

http://www.viessmann.de/



Colector (tanque)

Tubo de Vácuo

Isolamento

Água quente

Água fria

Placa absorsora

Tubo interior

Tubo de Vácuo

Tubo de retorno

Vácuo






Isolamento térmico de alta qualidadeTubo de retorna de água quente

Vidro de temperado de baixo índice ferroso

Absorsor de fluxo directo com revestimento sol -titânio

Tubo de distribuição coaxial

Tubo coaxial

Vácuo

Placa Absorsoraselectiva


http://www.heck-bad-heizung.de/grundlagen.htm

Fluído




· Os colectores de tubos de vácuo de fluxo directo também conhecidos como colectores de tubos em "U", são diferentes dos anteriores na medida em que têm dois tubos de calor que atravessam o centro do tubo. Um tubo funciona como o tubo de fluxo, enquanto o outro como o tubo de retorno.

· Ambos os tubos estão ligadas em conjunto na parte inferior do tubo com uma "curva -U", daí o nome, mas na verdade não são dois tubos mas sim o mesmo dobrado. O calor absorvido pela placa absorsora age como uma faixa divisória que separa o os tubos de retorno de fluxo através dos tubos colectores solares.

· A placa absorsora e o tubo de transferência de calor também são selados a vácuo dentro de um tubo de vidro, proporcionando propriedades de isolamento excepcionais.

Placa Absorsora(Várias tecnologias)

Tubo de Vácuo

Dobra em “U”


Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Tubo de calor em for de “U”





· Esta configuração do tubo de vácuo em particular é similar em operação para os colectores anteriores.

· Os tubos de calor e a placa absorsora plana ou curva são feitos de cobre com uma camada selectiva para aumentar a eficiência global destes colectores.

· Se um tubo quebrar ou tiver fugas, não pode tão facilmente ser substituído. O sistema vai exigir drenagem uma vez que há uma ligação em aberto entre o tubo colector e o colector geral (série).

· Uma vez que o fluido de transferência de calor flui para dentro e para fora do tubo de vácuo, estes colectores de fluxo directo não são tão flexíveis como os do tipo “heat pipe”.

· No caso de sistemas de tubos de vácuo, desenvolvidos pela Schott, não é utilizado metal, consistindo de três tubos de vidro coaxiais (invólucro, absorsor parcialmente revestido e interno).






Camada de Cobre – Absorve e transfere calor

Tubo de vidro exterior – protege e isola

Vácuo – isola contra calor/frio, permitindo funcionar com tempo frio/ventoso e permite a passagem dos raios solares mas não do frio

Camada selectiva –capturas raios solares

Tubo interior revestido de Alumínio – conduz e transfere calor

Tubo de cobre em “U” –Transfere calor para os

fluidos no seu interior

Camada isolante – Transfere calor

Tubo Absorsor captura raios solares







Placas guias de calor

Tubos de calor

Tubos de vácuo

Reflector

SaídaAnilha isolante

Estrutura em alumínio

Borracha à prova de UV



· Outro tipo de tubo colector de fluxo directo é o colector Sydney. Este colector consiste num tubo duplo de vácuo selado. O bolbo de vidro interno tem um revestimento de metal e carbono sobre cobre. Neste tubo duplo de evacuação é colocada uma placa de condução térmica em conexão com um tubo em U onde é efectuada a transferência de calor. Diversos tubos são combinados num único módulo (6 a 21 de acordo com o alimentador).



Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Colector “Sidney”

· Para colectores instalados em telhados inclinados e para aumentar o ganho da radiação o colector é calibrado com reflectores externos. Para telhados planos deve ser colocada uma cobertura no telhado com uma boa reflectividade, tal como cascalho ou folha metálica reflectora, porque estes colectores não têm reflectores.

· O vácuo está localizado na fenda anelar entre uma camada exterior e um tubo de vidro interior. O tubo de vidro interior apresenta um revestimento selectivo e, portanto, também actua como absorvedor. Uma folha de metal transfere o calor do absorvedor para um tubo em U, através do qual o fluido do circuito colector está fluindo. A fim de reduzir o número necessário de tubos, um reflector CPC (concentrador parabólico composto) é frequentemente colocado por detrás dos tubos.



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: Com tubo de calor Sidney


Tubo de vidro exterior

Vácuo Tubo Absorsor(Al)

Entrada Fluido Frio Saída Fluido quente

Tubo de vidro interior

Reflector

Revestimento em alumínio

·Corte transversal com reflector

Reflector

Folha de MetalTubo de vidro com

revestimento selectivo



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: Com tubo de calor tipo Sidney


Tubos de vácuo: baseados no princípio “thermos flash”, que consiste de dois tubos de vidro concêntricos, com vácuo entre eles. Isto serve para evitar perdas de calor.

Camada absorsora: Altamente selectiva (Al/AlN) na parte interior dos tubos de vidro. Para maximizar o rendimento energético.

Placa transferência de calor: Fornece transferência optimizada de calor para o absorsor transferir calor para o fluido do sistema.

Tubos de calor em cobre ou aço inox: Para transporte efectivo do calor extraído.

Isolamento de lã mineral: com alumínio laminado. Serve para prevenir perdas de calor no colector principal..

Anel de Compressão: com 12mm ∅ para entrada e retorno. Para ligações fáceis e seguras das tubagens.

Reflector CPC: altamente reflector e resistente ás condições atmosféricas, que por detrás dos tubos de vácuo, ajuda a aumentar a sua eficiência. Este reflector direcciona os raios solares incidentes para o absorsor.



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: …..


Vantagens:

Apresentam boa eficiência, mesmo com elevadas diferenças de temperatura entre o absorsor e o meio envolvente (p.e. no verão);

Apresentam boa eficiência com baixa radiação (p.e. no inverno); Suportam cargas térmicas com mais eficiência do que os colectores planos; Atingem elevadas temperaturas, possibilitando a utilização em sistemas de ar condicionado e

produção de vapor; Facilmente transportados para qualquer local (apresentam um peso baixo e podem ser

montados no local da instalação); Através da afinação das placas absorsoras (na montagem, na fábrica ou durante a instalação)

estas podem ser alinhadas em direcção ao sol (no caso de certos produtos); Os colectores de tubos de fluxo-directo podem ser montados horizontalmente num telhado plano

(ligado em série), providenciando menores perdas térmicas, devido ao vento e menores custos de instalação evitando-se a remoção de material do telhado e mantendo a sua estrutura intacta.



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: …..


Desvantagens:

mais caros do que um colector plano; Alguns tipos não podem ser utilizados numa instalação no telhado; Não podem ser usados para instalações horizontais no caso dos sistemas de tubos de

calor (inclinação no mínimo 300).



http://energiasrenovaveis.com/images/upload/flash/anima_como_funciona/solartermico10.swf

Energia solar Térmica: AQS


http://energiasrenovaveis.com/images/upload/flash/anima_como_funciona/solartermico10.swf



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Componentes principais de um sistema solar térmico para AQS


·Colector – Superfície absorsora que capta a radiação solar e a transforma em energia térmica mediante aquecimento do fluido térmico que circula no seu interior.·Termoacumulador – depósito que acumula a água quente até que esta seja necessária para consumo.

·Permutador – Efectua a transferência da energia térmica captada pelos colectores (circuito primário) para a água quente de consumo.·Circuito hidráulico – Tubagens, bombas, válvulas, etc.·Regulação e controlo – Elementos mecânicos e electromecânicos que asseguram o correcto

funcionamento da instalação.·Vaso de expansão – Sistema de segurança activo. Sempre que há um aquecimento a água varia de

densidade aumentando o seu volume/pressão. O Vaso de expansão funciona absorvendo parte desse aumento de pressão evitando que ocorram falhas no funcionamento normal do sistema.·Válvula de segurança – Sistema de segurança passivo. Assegura a descarga do circuito primário do

sistema solar caso a pressão de funcionamento exceda o valor suportado pelos restantes componentes do circuito.·Sistemas auxiliares de apoio – Em alturas em que a radiação solar é insuficiente para suprimir as

necessidades é utilizado um equipamento auxiliar de apoio (caldeira, esquentador, resistência eléctrica).

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/sistemas-de-capta%C3%A7%C3%A3o-solar-colectores-solares-termicos/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/depositos-termo-acumuladores/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/permutadores/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/tubagens/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/permutadores/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/grupo-de-controle/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/tubagens/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/vasos-de-expans%C3%A3o/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/grupo-de-controle/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/valvulas-do-sistema/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/vasos-de-expans%C3%A3o/

http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/sistemas-de-apoio/



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Associação de colectores solares


O conjunto de captação é formado pelos colectores, respectivos elementos de fixação e demais acessórios. Num conjunto de captação todos os colectores deverão ser do mesmo modelo. O campo de colectores compreende o espaço físico onde se encontram, contando com as zonas que devem ficar livres para evitar sombras e facilitar a manutenção. A limitação da superfície disponível, assim como a forma que esta pode ter, fazem com que haja necessidade de encontrar soluções engenhosas que permitam colocar o número de colectores precisos, através de combinações série-paralelo, formando filas que por sua vez se interligam também em paralelo. Como regra geral, para uma distribuição uniforme do caudal é preciso que todas as filas de colectores tenham o mesmo número de colectores para assegurar perdas de carga iguais em todas elas, sem aumentar os custos com acessórios.

Do ponto de vista funcional, deve-se considerar o seguinte:· A instalação deve assegurar o percurso hidráulico seja o mesmo para todos os colectores, de forma a que se

obtenham perdas de carga similares e em consequência caudais semelhantes em todos eles. O caudal nos colectores não deve baixar de 0,8l/m2 por minuto. desta forma assegura-se um coeficiente de transmissão de calor adequado entre a placa absorsora e o fluído. Os valores óptimos situam-se á volta de 1dm3 por minuto e por m2 de superfície.

· O comprimento das tubagens de condução deve ser o mais curto possível para diminuir as perdas hidráulicas e de calor. As perdas de calor nas tubagens e acessórios devem reduzir-se ao mínimo, evitando zonas mal isoladas. Deverão existir dispositivos que impeçam a formação de bolsas de vapor ou ar. A disposição dos colectores deve ser tal que permita a sua montagem e desmontagem. Os grupos de colectores podem interligar-se de 3 formas: série, paralelo ou paralelo de canais.



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Associação de colectores solares: Ligação em série


· Neste caso o caudal de circulação é igual em todos os colectores. A circulação em série permite menos caudais, secções de tubagens mais pequenas e trajectos mais curtos, o qual reduz os custos de instalação e operação.

· A ligação em série de colectores ou de filas de colectores, conduz a um aumento da temperatura da água produzida, mas diminui o rendimento da instalação, pelo que poucas vezes se adoptam estas soluções (apenas quando se pretendem temperaturas acima de 50oC ou quando se pretende reduzir o tempo de aquecimento).

· É normal haver valores de típicos de perda de rendimento de um colector para o anterior de 8%. Neste caso o caudal de circulação é igual em todos os colectores. A ligação de entrada a cada fila realizar-se-á pelo tubo de ligação inferior do primeiro colector e a saída pelo tubo de ligação superior do último colector da linha. Para determinar o número máximo de colectores que podem ser ligados em série é preciso ter em consideração que a temperatura nos últimos pode ser elevada e provocar danos nos materiais ou a formação de vapor no circuito, pelo que importa observar e conhecer as recomendações de fábrica.



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Associação de colectores solares: Ligação em paralelo


· A ligação de colectores em paralelo proporciona comportamentos térmicos similares em todos eles sempre que o número em cada fila não supere os valores estabelecidos pelo fabricante.

· Fixar este número não é possível, mas a experiência mostra que pode ser admissível um número máximo de 10 colectores, embora poucas vezes se ultrapassem os 4 colectores.

· O traçado realizar-se-á de modo a que o tubo geral de retorno, pelo qual circula o fluído aquecido, tenha o percurso mais curto possível. Assim, é mais conveniente a alimentação invertida.

· A ligação em paralelo proporciona maior rendimento, porém aumenta também o diâmetro e comprimento das tubagens pois o caudal total é a soma dos caudais em todos os colectores. Aumenta também o número de acessórios da instalação de bombagem o que encarece a instalação.

· Deve-se dispor as ligações de forma a realizar a denominada alimentação ou retorno invertido, para que o circuito resulte hidraulicamente equilibrado.



Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Associação de colectores solares: Ligação paralelo de canais


· A ligação em paralelo poderá ser feita em paralelo de canais, com a vantagem de necessitar de um menor comprimento de tubagens. O número máximo de colectores ligado em paralelo de canais será 4.

· Nestes, a instalação é simples e de baixo custo. Apresentam bom rendimento e baixa perda de carga. Este tipo de ligação depende do tipo de colector.

Associação de colectores solares: Ligação em bateria· A ligação em bateria é muito utilizada para grandes instalações e

deverá obedecer a algumas regras de arte:Nas montagens de duas linhas de colectores ligadas em série, a

entrada da segunda linha será realizada directamente, sem nenhuma válvula de corte intermédia, instalando-se uma válvula de drenagem para esvaziá-lo em caso de avaria do grupo.

Na instalação deve-se aplicar no ponto mais alto de cada uma das linhas de colectores, um purgador de ar que permita purgar o ar quando necessário.

A instalação da sonda de temperatura far-se-á na saída da linha de colectores seleccionada, verificando que o sensor penetre o máximo possível para detectar a temperatura real do fluído no interior da placa absorsora.



Energia Solar TérmicaSistema doméstico : colectores solares térmicos

Armazenamento de energiaO calor resultante da conversão térmica da radiação solar é armazenado num depósito de acumulação. A ligação e transferência de calor entre o colector solar e o depósito, é efectuada por um circuito hidráulico de acordo com uma das seguintes configurações:·Circuito directo (Fluxo directo)

Apropriado para:Climas temperados (temperaturas da noite / inverno > -10oC - criaria gelo e danificaria o sistema). Dureza da água (conteúdo mineral) baixa, caso contrário irá formar calcários no colector. Aplicações domésticas ou comerciais.

fluido que circula nos colectores solares é a água de consumo. O circuito directo acarreta problemas de corrosão e calcificação das tubagens, pelo que se encontra em desuso.

Vantagens· Transferência de calor eficiente, uma vez que não necessita de permutador de

calor.· Permite simples adaptação do tanque de água quente existente.Desvantagens

· Normalmente não é adequado para regiões muito frias. (certos modelos de sistemas podem permitir o fluxo directo de trabalhar mesmo em climas frios).

· Não é adequado para áreas com água de dureza elevada porque se formará calcário colector solar.




Armazenamento de energia: Circuito primário ( circuito fechado – Closed loop)· Nos colectores circula um determinado fluido térmico, em circuito

fechado e com permuta térmica para o circuito de consumo (secundário) num permutador de calor interior ou exterior ao depósito.

Apropriado para:Climas frios(temperaturas da noite / inverno -10oC ). Áreas de água de elevada dureza que poderia causar a corrosão do cobre, ou

formação de incrustações no colector. Aplicações domésticas ou comerciais.As aplicações comerciais quando o líquido final a ser aquecido não é a água

potável.Vantagens· Projectado para suportar temperaturas de congelamento.· Pode proteger o colector de corrosão em zonas de águas de elevada dureza.· Indicado para aplicações comerciais tais como SPAs, aquecimento de piscinas, aquecimento industrial,

etc. - Pode resistir a condições estagnantes sem dissipação de calor…




Armazenamento de energia: Circuito primário ( circuito fechado – Closed loop)Desvantagens· Não é tão eficiente como o sistema de fluxo directo, devido à

necessidade de se utilizar um permutador de calor.· Em regiões frias, o líquido anticongelante deve ser verificado e

trocado periodicamente (a cada 2-5 anos). Em regiões quentes pode usar apenas água.

· O custo do sistema é maior devido à necessidade de : • Um Permutador de calor (normalmente baseado em

anticongelantes propileno glicol).• Estação de bombagem mais complexa (válvulas de

carga/descarga, válvulas de alívio de pressão, separador de ar, etc.).

Um Permutador de calor da bobina é normalmente a melhor escolha para aplicações domésticas. Um permutador de calor exterior pode ser escolhido para uma aplicação doméstica se é para ser utilizado o tanque existente, evitando assim a necessidade de compra de um tanque dedicado. As aplicações comerciais também utilizam vulgarmente um permutador de calor externo que pode ser facilmente dimensionado para satisfazer as exigências da permuta de calor.




Sistema de Termossifão

· Estes sistema é compostos pelo colector solar, depósito acumulador, purgador, vaso de expansão e outros pequenos acessórios.

· O mesmo fluido a temperaturas diferentes tem também densidades diferentes, quanto maior é a sua temperatura menor a sua densidade. Por isso, quando se aquece um fluido, este tem tendência a estratificar-se ficando a parte mais quente na zona superior.

· No sistema de termossifão a água aquecida pelo Sol no colector, sobe "empurrando" a água mais fria do depósito, forçando-a a tomar o seu lugar, descendo, para subir novamente quando, por sua vez for aquecida.

· A circulação em termossifão acarreta o risco de circulação inversa.· Para evitar a circulação inversa deve ser introduzido um

desnível entre o topo do colector e o fundo do depósito (cerca de 30 cm).

2

21CE

Ρ1= Densidade da água antes de aquecer (kg/m3).

Expansão:

Ρ2= Densidade da água antes de aquecer (kg/m3).C=Volume de água no sistema (m3).E =Expansão (m3).




Aquecimento eléctrico suplementar

água fria

água quente

Suporte (Telhado)

Tanque de armazenamento de alta pressão

Isolamento térmico

Folha de vidro ou Plástico

Placa absorvedora (revestida a preto)

Permutador de calor(tubo em contacto térmico com a placa

absorvedora)


· Vista de corte lateral de um colector solar de fluxo directo

Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema de Termossifão

Depósito




· Os directos são assim apelidados pelo facto da água de consumo ser aquecida directamente nos colectores. Têm uma eficiência de permuta térmica = 1, são económicos e fáceis de instalar.

· Estes sistemas (tal como o de circulação forçada), podem ser caracterizados por directos e indirectos.

·Por não usarem fluído anticongelante existe o perigo de congelação da água dos colectores causando o seu rebentamento. Também desvantajoso é o facto de reunirem as condições ideais para a ocorrência de corrosão.

· Os indirectos possuem dois circuitos e a água de consumo não circula nos colectores solares. No circuito primário existe um fluído anticongelante e anticorrosivo (Glicol) que circula nos colectores e depósito em circuito fechado. Estes têm a vantagem de prevenirem o congelamento e têm uma pressão inferior à da rede. No entanto têm uma eficiência de permuta inferior a 1 (devido ao permutador de calor), para além de serem mais caros e exigirem uma instalação mais cuidada.


· Existem outras soluções com o depósito ao nível do campo dos colectores, usando válvulas electrocomandadas que, à noite ou nos períodos diurnos sem sol, impeçam o retorno aos colectores de água quente do depósito, arrefecendo aquele. No entanto esta solução é mais complicada e falível que a do sistema com circulação forçada…



· A circulação do fluido é fornecida exclusivamente pelo aquecimento do mesmo, o que implica uma redução da sua densidade gerando assim um fluxo convectivo na direcção do topo (sistemas passivos, sem partes móveis).

Quente

Frio


Sistema de Termossifão - Funcionamento

· A circulação natural do fluido tem de ser facilitada pela colocação do tanque de armazenamento numa posição mais elevada do que o colector.

· São normalmente caracterizados por um tamanho limitado (2-4 m²) e comercializado como sistemas “feitos de fábrica“ (factory made systems).

· Geralmente tem um esquentador auxiliar (back-up) eléctrico e integrado no tanque de armazenamento.



1512 10

11

14

16

13


Sistema de Termossifão: Características do Depósito - Circuito directo sem permutador de calor

Sistema doméstico : colectores solares térmicos

Cilindro: aço laminado a frio de 2.5mm de espessura, norma DIN 4753.

Permutador de calor : envolvente (Dupla câmara): aço laminado a frio, com 1.5mm de espessura.




Revestimento exterior: liga de alumínio naval / aço galvanizado pré pintado.

Protecção do Cátodo: através de ânodos de magnésio para uma protecção eficaz contra a corrosão. Grande flange redonda: com protecção de borracha, design inovador e inteligente, para a rápida

remoção de minerais, rápida troca do ânodo e acesso imediato aos componentes eléctricos. Completa vedação, com materiais não tóxicos. Aquecimento eléctrico, suplementar. Termóstato com regulação automática, com protecção bipolar e fusível auxiliar.

Cobertura de protecção: configurada para assegurar a ventilação adequada da seção eléctrica.10Entrada de água fria: tubo de cobre de 1/2” BSP com rosca macho.11Saída de água quente: tubo de cobre de 1/2” BSP com rosca macho.12

13 Entrada da dupla câmara: 3/4” BSP com rosca macho.

Sistema de Termossifão: Características do DepósitoSistema doméstico : colectores solares térmicos

Isolamento térmico: poliuretano expandido, ecológico, de alta densidade.




Sistema de Termossifão: Características do Depósito - Circuito indirecto cem permutador de calor

Sistema doméstico : colectores solares térmicos

Circuito fechado de inércia não pressurizadoSaída de água quente


Saída para o Colector

Isolamento em poliuretano

Permutador em aço inox de água

de consumo

Resistência Eléctrica

Entrada do Colector



Solar Thermal Energy

Directo (open loop) Indirecto (close loop)

Passivo

Activo(forçado)

Utilizador

(Termossifão)

Utilizador Utilizador

Permutador de Calor

Utilizador






Sistema de Termossifão - Esquema

http://dicasesquemas.blogspot.pt

· Desenho do esquema de princípio de instalação de um sistema solar térmico em termossifão pressurizado, de painel ( colector ) plano com apoio de um esquentador preparado para sistemas solares.

http://dicasesquemas.blogspot.pt/




· O rendimento do sistema é, deste modo, dado pela relação:

· O desempenho do sistema solar térmico, composto pelo colector solar, pelo circuito hidráulico e pelo depósito de acumulação, pode ser calculado, de forma simples, através da comparação entre a radiação solar disponível num período de tempo e o aumento de temperatura da água no interior do depósito.

tt

ifp

dAcolGTTCm

..).(.

hEm que:

·m = Representa a massa de água, em [kg].·Cp = Representa o calor específico a pressão constante da água, igual a 4185.

·Tf =Representa a temperatura final da água, em [ºC].

·Ti = Representa a temperatura inicial da água, em [ºC].

· Gt = Representa a radiação global no plano do colector, em [W/m2],que para um dia com céu limpo, cerca das 12 h, apresenta valores entre os 800 e os 1000 W/m2.

·Acol = Representa a área colectora (do absorsor) em [m2]






Vantagens Termossifão•Não requerem energia eléctrica.•Simples e de baixo custo.•É mais utilizado em sistemas unifamiliares de baixa potência em zonas com baixo risco de congelamento.

Desvantagens Termossifão•Dificuldade em fazer a circulação em sistemas de alguma dimensão.•O depósito tem sempre que se situar acima dos colectores.•Não permite a regulação da temperatura do depósito.



· Existem várias razões que podem levar a optar-se por este tipo de sistema. Quando a circulação por efeito termodinâmico não é possível, de baixo rendimento, por uma questão de limitação da capacidade dos termoacumuladores do sistema de termossifão face as necessidades, ou até mesmo por uma questão meramente estética de espaço para o depósito, recorre-se ao sistema de circulação forçada, sendo necessária a utilização de uma bomba hidráulica para fazer o transporte do fluído entre os colectores e o depósito termoacumulador. A bomba poderá ser comandada por um sistema de controle automático (o comando diferencial).

· O sistema de controlo (comando diferencial) está regulado de modo a pôr a bomba em funcionamento logo que a diferença de temperatura (Tout - Tdep) entre os colectores e o depósito seja de 5 ºC.

· Este sistema é compostos pelo colector solar, depósito acumulador, bomba electrocirculadora, controlador diferencial, purgador, vaso de expansão e outros pequenos acessórios.

Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema de Circulação forçada


· Este tipo de sistema geralmente tem o tanque de água separado dos painéis solares colectores, permite portanto ter o tanque ao nível do chão, em qualquer compartimento da casa, e os painéis no telhado. Ao contrário do sistema de termossifão a água circula no sistema graças a uma bomba de água controlada electronicamente permitindo assim na maioria dos casos uma maior eficiência, já que o sistema pode calcular quando é que é necessário ter água a circular (e com que caudal) ou não. Não havendo assim muito desaproveitamento de energia.



Bomba de Circulação

Permutador de calor

Tanque de água quente

Sistema auxiliar

(*)

Água quente sanitáriaSensor de Temperatura

Colector solar

Rede da abastecimento de água

Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema de Circulação forçada - Esquema



(*)• Termoacumulador eléctrico.•Esquentador a gás.•Caldeira .•Recuperador de calor, etc.

Unidade de controlo

Painel fotovoltaico

· Como nos sistema de termossifão, também neste caso podem ser directos ou indirectos. A diferença entre eles é que os indirectos usam um permutador no circuito primário. De salientar que estes sistemas para funcionarem dependem de energia eléctrica podendo ser de origem fotovoltaica. São mais dispendiosos para o uso doméstico com baixos consumos, pelos maiores custos iniciais de instalação em relação aos sistemas de termossifão.





· Esquema de princípio de funcionamento de um sistema solar térmico de circulação forçada apoiado por uma resistência eléctrica com painel solar de tubos de vácuo.







· Sistema com duas bombas circuladoras no circuito do recuperador de calor.

· Esquema de princípio de um sistema de aquecimento central por radiadores e águas quentes sanitárias.

· Composto por um recuperador de calor a água (com caldeira a lenha ou biomassa " pellets etc." ) com um depósito ( cilindro, termoacumulador) com dois permutadores de serpentina um para o recuperador e o outro para um sistema solar térmico de circulação forçada, os dois vão fazer o aquecimento águas sanitárias.







http://www.met.pt/portfolio/obra-hhhhh/

http://www.met.pt/portfolio/obra-hhhhh/



Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema de Circulação forçada (Drain back)


· O sistema solar térmico "Drain Back", tal como o nome indica, caracteriza-se pelo facto de o sistema recolher o fluído do circuito primário sempre que necessário, protegendo a integridade do sistema. O sistema faz a drenagem automática do fluído do circuito primário protegendo o equipamento de temperaturas extremas, sejam geadas ou altas radiações solares.

· Composto por colectores solares de alto desempenho, depósito termoacumulador, grupo de controle e bomba circuladora como qualquer outro sistema de circulação forçada, há ainda a salientar o facto de o termoacumulador funcionar sobre um princípio um pouco diferente. Ao invés dos sistemas comuns, neste, o fluído do circuito primário ocupa a quase totalidade do depósito. Sendo assim a água para consumo circula no seu interior por meio de serpentina, onde acontece a permuta térmica.

· A instalação destes sistemas é em tudo semelhante a qualquer outra de um sistema de circulação forçada. Este sistema assegura uma maior longevidade aos equipamentos e nalguns casos os colectores solares estão dotados de tubagem fina que impede o aparecimento de Legionela. No entanto é uma opção economicamente mais dispendiosa.



Permutador de calor

Depósito de água quente

Sistema auxiliar

(*)

Água quente sanitária

Rede da abastecimento de água

Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema de Circulação forçada (Drain back - Esquema)


Reservatório Drain-back

(*)• Termoacumulador eléctrico.•Esquentador a gás.•Caldeira .•Recuperador de calor, etc.

Permutador de calor

Sensor de Temperatura

Colector solar


Unidade de controlo

Painel fotovoltaico



Sensor de Temperatura



Credit: Rheem Manufacturing Company

Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema de Circulação forçada (Drain back)


Reservatório Drain-back.

Colectores solares.

Sistema de controlo.

Bomba de circulação.

Vazo de expansão.

6 Depósito de água quente

(c/s sistema backup).





Vantagens· Permite a colocação do depósito em qualquer local.· Permite a regulação da temperatura do sistema através da acção da bomba circuladora.· Mais utilizado em sistemas multifamiliares.

Desvantagens· Reque energia (se possível fotovoltaica).· Custo mais elevado.· Maior complexidade.



Energia Solar TérmicaSistema doméstico : aquecedor solar com tanque de alta pressão

· Apesar de existirem diferentes sistemas de aquecimento solar de água, na sua generalidade o sistema consiste de um painel solar térmico que contêm tubos em cobre no seu interior, dentro desses tubos circula um liquido ou gás (não tóxico) especialmente seleccionado pelas suas características termodinâmicas, que se movimenta lentamente dentro do tubo de cobre, absorvendo assim o calor que existe nos tubos (proveniente da energia do sol). Dependendo do colector utilizado (fabricante, modelo, etc.) a temperatura do líquido pode mesmo atingir os 200ºC.

· Quando o líquido se encontra suficientemente quente, é transferido para um permutador de calor. O permutador de calor consiste de um cilindro de água semelhante ao utilizado para aquecer a água do chuveiro, mas em vez de utilizar resistências eléctricas para aquecer a água dentro do cilindro, é utilizado o calor elevado a que se encontra o fluído que circula dentro dos tubos de cobre. Assim, o fluído nunca entra em contacto com a água, e a água é aquecida pela transferência de calor do cobre para a água.

· A água aquecida é mantida num tanque isolado termicamente, assim, mesmo que a água tenha sido recolhida no dia anterior, ainda pode ser usada para tomar banho na manhã seguinte…



Energia Solar TérmicaSistema doméstico : Algumas questões

· Uma família com 5 membros, planeia instalar um aquecedor solar de água, que é usado principalmente para o banho. A temperatura da água quente necessária para o banho é de 50 , enquanto a temperatura média anual de água fria é de 23 . Assumindo que ℃ ℃cada pessoa precisa de 60 litros de água quente para tomar um banho por dia. Quanto calor deve ser fornecido pelo aquecedor solar de água, para satisfazer as necessidades de água quente da família, para banhos?

Exemplo1:

(Nota: Calor específico da água Cp assume-se ser 1 kcal/kg-℃, e a densidade da água é 1 kg / l. )Resposta 1:

TCMQ p

•Q = Calor necessário.•M= Quantidade de água quente.•Cp= Calor específico da água.•T= Diferença de temperatura entre a água fria e a água quente.

diakcal8100

C23C50Ckg

kcal15pessoasdiapessoa

kg60

C23C50Ckg

kcal1pesssoasdiapessoa

l60Q

5




Exemplo2:

(Nota: 1cal = 4,186J = 4,186 W × s).

Resposta 2:

•Q c= Calor fornecido pelo colector.•H= Insolação acumulada diária.•A= Área efectiva do colector.•h= Eficiência do aquecedor solar de água.

· Um aquecedor solar de água, está equipado com uma área de recolha eficaz de 1m2, e o insolação acumulada diária pelo colector é de 4 kWh / m2 por dia, em Fevereiro. A eficiência média do aquecedor solar de água é 0,5, quantas quilocalorias (kcal) de calor podem ser recolhidas por este aquecedor solar de água durante um dia?

h AHQc501m

diamkWh4Q 2

2c ,.

diakJ7200

dia

3600ss

kJ

2diakWh2

.

diakcal1720

dia

kcal18641

7200 ,




Exemplo3:

Resposta 3:

•Q c= Calor fornecido pelo colector.•Q= Quantidade de calor necessário.•A= Área efectiva do colector.

· A necessidade mínima de calor é de 8100 kcal / dia, e há um certo painel solar, que pode fornecer 1720 kcal / m2 / dia, de calor. Com a ausência de dispositivo de aquecimento auxiliar, calcular a área de insolação necessária para a instalação de painéis solares.

· Se a área efectiva de cada painel solar é de 0,8 m2, quantos peças painéis solares devem de ser instalados para colectar o calor necessário?

cQQA 2764m4

diamkcal1720

diakcal8100

A ,2

painéis65,9550,8m764m4 ,

2

2




Exemplo4:

Resposta 4:

· A partir de dados meteorológicos, a insolação diária acumulada média em Tainan (Taiwan) é de 420 ly / dia (ou seja, 420 Langley / dia). Para um colector solar virado a Sul, com uma área de 2 m2 e um ângulo de inclinação de 0 graus, qual é a insolação diária acumulada sobre a superfície do colector? (Em kWh e kcal, respectivamente)

22

2 2mdiacm

cal4202mdialy420

.

(Nota: ly = Langley = cal/cm2).

diakcal42002m

diam10000

1

kcal1000

1

420(1) 2

2

.

diakWh2m

diam10000

1

hrkW10004,186

4202mdiam

100001

s4,186W420(2) 2

2

2

2767,9

.

36001.

.

.



Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema Solar Termodinâmico


· Os colectores solares térmicos são a melhor fonte de calor para aquecimento em dias de sol com temperaturas elevadas, mas tornam-se completamente ineficazes sempre que o sol está ausente. A tecnologia solar termodinâmica, através de um esquema físico idêntico ao de um vulgar sistema solar térmico de circulação forçada e partilhando de alguns componentes de uma bomba de calor, conseguiu superar as limitações das duas tecnologias incompletas referidas.

· O Sistema Solar Termodinâmico alia duas tecnologias incompletas, a bomba de calor e o colector solar térmico.

· As bombas de calor são equipamentos bastante eficientes, mas o calor que produzem proveniente da sua componente renovável varia unicamente segundo as oscilações da temperatura do meio ambiente.

· O gás passa então através de um compressor que aumenta a temperatura e, finalmente, através de uma serpentina de permuta de calor no interior do reservatório de água quente. Isto aquece a água no cilindro a 55 graus. Estima-se que cerca de um quarto da energia absorvida por um painel vem da radiação solar, o resto do ar e da chuva.

· Apesar de serem painéis, estão mais perto de uma bomba de calor, do que de um painel solar térmico. Eles são, basicamente, um frigorifico no sentido inverso. O refrigerante entra no painel e ao passar por ele absorve o calor da atmosfera e torna-se um gás.



O calor é recolhido do meio ambiente Água quente

Água fria

Depósito de água quente

Válvula de expansão

Painel Termodinâmico

Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema Solar Termodinâmico




Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema Solar Termodinâmico: Principio funcionamento


· O sistema termodinâmico funciona com base num ciclo de compressão / descompressão, tendo como principais elementos o painel e o compressor. Entre estes dois componentes circula um fluído ecológico, em circuito fechado, que entra no painel no estado líquido e à temperatura de -20oC.

No painel, o fluído absorve calor do meio envolvente (sol, chuva e vento), aumenta a sua temperatura e passa ao estado gasoso.

No compressor, o gás é pressurizado e eleva ainda mais a temperatura. A energia contida no gás é transferida para a água no…

O condensador, transfere a energia contida no gás, para a água … e o gás retorna ao estado líquido.

Na válvula de expansão o gás líquido volta ao seu nível de pressão inicial.

http://www.climaconforto.pt/images/OCHSNER_Exemplo_Ciclo_frigorifico.gif



O refrigerante (R134A) (C2H2F4) que tem um baixo ponto de ebulição - 26,1 ° C), o líquido é injectado na válvula de expansão e circula no painel termodinâmico. O líquido absorve a radiação solar e o calor ambiente através do qual se evapora.

O compressor comprime o gás quente e aumenta a temperatura e pressão.

Este gás quente entra no condensador de enrolamento espiral, sobre o tanque e, assim, transfere o calor para o recipiente do tanque de água aquecida.

Os gases quentes ao passarem pelo condensador, perdem pressão e temperatura. Além disso voltam ao estado líquido, que flui de volta para o reservatório do fluido de refrigeração através da válvula de expansão e de novo regressa aos painéis em novo ciclo.

Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema Solar Termodinâmico: funcionamento


http://www.energy-panel.cz/cz/jak-to-funguje/

Água quente

Água fria

Energia Eléctrica



Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema Solar Termodinâmico: Os Painéis termodinâmicos…


Painel direitoPainel Esquerdo



Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema Solar Termodinâmico: Bloco Termodinâmico


Reservatório de água quente .

Condensador .

Serpentina de optimização suplementar.

Resistência cerâmica +Termostato+ sensor Temp.

Ânodo de Magnésio.

Isolamento de alta densidade.

Revestimento exterior.

Bloco termodinâmico.

Tampa/cobertura.

Controlador electrónico. Entrada de água fria


Tomada eléctrica



Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema Solar Termodinâmico: Várias opções…




Sistema doméstico : colectores solares térmicosSistema Solar Termodinâmico: Painéis Termodinâmico


Vantagens •Pouco dependente da luz solar para funcionar.•Fabricado em alumínio anodizado, com lacagem flexível.•Baixo peso - apenas 8 kg. Fácil de transportar e instalar.•Sem presença de vidro, borrachas ou materiais de desgaste fácil.•Sem problema de sobre aquecimento ou congelamento.•Elevada resistência a ambientes salinos e à humidade.•Pode ser instalado com uma inclinação entre os 10 e os 85 graus, o que permite a sua adaptação a telhados, paredes e jardins.•A eficiência do painel não diminui com o tempo ou sujidade.•Vida útil estimada em 25 anos.

Desvantagens •Preço.• Pode não ser tão eficiente quanto parece, uma vez que precisa de estar ligado a uma tomada eléctrica para fazer funcionar o compressor, e depender não da luz solar mas mais da temperatura ambiente... Que quanto maior melhor!



Sistema doméstico : Bombas de calor – Princípio de funcionamento


· O princípio de funcionamento de uma bomba de calor é semelhante ao principio de funcionamento uma máquina frigorifica, isto é, a bomba de calor utiliza o ciclo de evaporação e condensação de um gás de forma a aproveitar a energia do ambiente para aquecer ou arrefecer um circuito hidráulico….

http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjQ0-GS5sDKAhXBPRoKHWzvDToQjRwIBw&url=http://heatpumps.fr/how-energy-efficient-are-heat-pumps/&psig=AFQjCNHSnh_aNGXwaWEr3OOndUWUFTwx_g&ust=1453667825315104



Uma bomba de calor transfere calor de um lugar para outro:



· No Inverno, transporta calor do exterior para o interior.

· No Verão, quando se trata de um equipamento reversível, movimenta calor na direcção contrária, para arrefecer o espaço.

· A diferença entre uma bomba de calor e uma máquina frigorifica reside no facto de que enquanto a máquina frigorífica se destina a manter um determinado meio a uma temperatura inferior à temperatura ambiente, retirando calor àquele meio e cedendo-o ao ambiente, a bomba de calor é projectada para ceder calor a um dado meio, que precisa de ser aquecido de modo a manter a sua temperatura superior à temperatura ambiente.

http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjQ0-GS5sDKAhXBPRoKHWzvDToQjRwIBw&url=http://heatpumps.fr/how-energy-efficient-are-heat-pumps/&psig=AFQjCNHSnh_aNGXwaWEr3OOndUWUFTwx_g&ust=1453667825315104





http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/animaciones/bomba_de_calor.swf

http://www.uclm.es/profesorado/porrasysoriano/animaciones/bomba_de_calor.swf





http://www.dimplex.de/fileadmin/dimplex/downloads/animationen/waermepumpe.swf

http://www.dimplex.de/fileadmin/dimplex/downloads/animationen/waermepumpe.swf



Sistema doméstico : Bombas de calor – Composição


Água fria

Água quente

Compressor

Acumulador


Evaporador

Ventoinha

Tanque de água quente

Condensador

Ânodo

Resistência eléctrica auxiliar



Ventoinha

Sistema doméstico : Bombas de calor – Composição



Saída de água quenteTanque de água

Bobine do Condensador

Isolamento

Ar frio

Ar quenteAr quente

Ar frio

Compressor

Evaporador

Ventoinha

Acumulador




Sistema doméstico : Bombas de calor – Funcionamento


Entrada de ar quente

Saída de ar frio

Serpentinas de cobre absorvem o calor doar transformando o liquido refrigerante em gás.

/ O compressor comprime o refrigerante gasoso que ainda aquece mais e vai para a bobine do condensador.

No condensador o calor quente do refrigerante é transferido para a água que aquece…

O refrigerante gasoso passa através da válvula de expansão, onde a sua temperatura baixa , voltando ao estado líquido

VentoinhaEvaporador

Água fria

Água quente



Sistema doméstico : Bombas de calor – Funcionamento reversível


http://www.dimplex.de/fileadmin/dimplex/downloads/animationen/revwp.swf

http://www.dimplex.de/fileadmin/dimplex/downloads/animationen/revwp.swf



Sistema doméstico : Bombas de calor – de arrefecimento passivo


http://www.dimplex.de/fileadmin/dimplex/downloads/animationen/kuehlung-passiv.swf

http://www.dimplex.de/fileadmin/dimplex/downloads/animationen/kuehlung-passiv.swf



Sistema doméstico : Bombas de calor/Painéis solares


· A grande área de superfície do permutador de calor permite a operação contínua da bomba (sem starts stop), trabalhando com uma diferença de temperatura satisfatória (fornecimento e retorno). oferecendo até quatro vezes a economia de electricidade por dia, com pouca ou nenhuma luz do sol ou quando os requisitos de água quente são muito maiores do que pode ser oferecido por um painel solar, mesmo com pleno sol.

Bomba de calorColector solar indirecto

Permutador de calor

Água quente

Depósito c/ Permutador



Sistema doméstico : Bombas de calor - vantagens


· Eficiência de cerca de 300% (dizem) - As bombas de calor têm uma eficiência de cerca de 300%, o que significa que por cada unidade de energia utilizada pela bomba de calor em funcionamento, são geradas três ou mais unidades de calor para utilização. Poupança entre 70 a 75% em relação a sistemas com caldeira a gasóleo e/ou caldeira a gás propano. O consumo de energia eléctrica de uma bomba de calor é muito reduzido.

· Independência - Uma vez que as bombas de calor funcionam extraindo o calor disponível do ar exterior, as variações dos preços dos combustíveis fósseis (gás e gasóleo) não se reflectem nos custos de exploração deste tipo de equipamentos, com excepção dos 25% de consumo eléctricos associados. Utilizar uma solução de bomba de calor integrada para arrefecer e aquecer um edifício também pode traduzir-se num investimento inicial inferior e em procedimentos de funcionamento e manutenção mais simples.

· Conforto - Alguns tipos de equipamentos permitem a sua utilização durante todo o ano ao comtemplarem a função de aquecimento e arrefecimento. Possibilidade de controlo de temperatura em todas as divisões da casa. Sistema limpo, sem existência de chaminés para exaustão de fumos.Sem necessidade de reabastecimentos de depósitos de combustível.

· Economia - A opção por uma bomba de calor é uma solução viável e económica. Independentemente do sistema de aquecimento utilizado para aquecimento do ambiente ou aquecimento das águas sanitárias, esta é uma das soluções mais eficientes e rentáveis no mercado.



Parede Solar

Ar interior

O calor perdido através da parede é trazido de volta pela ar de entrada

Espaço de ar sob pressão negativa.

Pequeno furo.

O ar exterior é aquecido ao passar esta barreira.

chapa perfilada fornece camada limitadora do vento.

Sistema HVACSistema de by-pass no verão

Sistema doméstico : Colectores solares de ar transpirado


A luz solar bate no revestimento metálico escuro perfurado, que se aquece.

Ar ambiente

Um ventilador de circulação puxa o ar através das perfurações por detrás do revestimento de metal, aquecendo o ar, o qual é então puxado para dentro do edifício para a distribuição.

Absorsor perfurado

Câmara de pressão

Ar aquecido

Sistema activo de aquecimento de ar




Sistema activo de aquecimento de ar

Sistema doméstico : Colectores solares de ar transpirado

· O colector solar transpirado é uma tecnologia de aquecimento solar comprovada, mas ainda emergente. Este tipo de tecnologia é melhor para o aquecimento do ar e ventilação espaços interiores. Ele também pode ser aplicado a várias aplicações industriais e agrícolas, tais como a secagem de cereais.



Industria da Energia Solar Térmica Centrais Térmicas Solares (CTS)


· Em comparação com outras tecnologias de energia renovável, a indústria de energia solar térmica é uma indústria relativamente nova com uma experiência operacional limitada. O rápido crescimento ao longo dos últimos anos levou a um rápido desenvolvimento em tecnologia de energia solar concentrada (CTS) e para um aumento da escala e complexidade dos projectos e riscos associados.

· A partir de um estudo da Agência Internacional de Energia estima-se que até 2050 as CTSs poderiam fornecer 11,3% da electricidade global em comparação com uma estimativa de 9,6% a partir de energia solar. Nos países mais ensolarados, as CTSs podem se tornar numa fonte competitiva de energia em massa nos pico e cargas intermédias até 2020, e de energia de base por volta de 2025-2030.

· Em Portugal não existe nada do género, mas sim na vizinha Espanha que tem sido pioneira nesta tecnologia.

· As centrais CTSs usam grandes campos de espelhos - por vezes, 100.000 ou mais espelhos - controlados por sistemas de rastreamento sofisticados para reflectirem e concentrarem a luz solar numa linha focal (por exemplo, colectores parabólicos) ou um ponto focal (por exemplo, torre solar) para aquecer um fluido e produzir o vapor que acciona uma turbina e gera electricidade.

· Uma Central Térmica Solar ou Central Termosolar, é uma instalação industrial em que, a partir de um fluido de aquecimento por radiação solar e a sua utilização num ciclo termodinâmico convencional, gera a potência necessária para mover um alternador para gerar electricidade, como numa central termoeléctrica clássica.



Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS)


· Os principais componentes de uma CTSs incluem:- Sistema de espelhos.- Sistema do fluido de Transferência de Calor (HTF- Heat Transfer Fluid system ).- Permutador de calor.- Armazenamento de energia Térmica (TES- Thermal Energy Storage).- Sistema de controlo.

Sistema de Espelhos· O Sistema de Espelhos inclui todos os espelhos (e reflectores) instalados, e um sistema de

rastreamento que permite que os espelhos sigam o movimento do sol no céu e concentrar e focar a luz do sol num receptor térmico.

· Dependendo do tipo de tecnologia - o sistema de espelhos difere na forma dos espelhos e nos sistemas de seguimento:

• Cilindros parabólicos (espelhos parabólicos / sistema de seguimento de 1 eixo ).• Sistemas de Fresnel (espelhos planos / sistema de seguimento de 1 eixo ).• Torre Central (helióstato – geralmente planos/ sistema de seguimento de 2 eixos).•Disco parabólico/Sistemas de Motor (espelho côncavo parabólico - prato / sistema de seguimento

de 2 eixos).





Sistema do fluido de transferência de calor (HTF)

· O sistema de espelhos concentra a luz solar num feixe solar intenso que aquece um fluido de trabalho, ou fluido de transferência de calor (HTF), que flui num tubo de receptor de vidro, também chamado de receptor energia solar / térmico, absorvente ou colector.

· O HTF, aquecido a alta temperatura, e é bombeado e flui através dos sistemas de fluxo solar do campo e o sistema de armazenagem térmica, se o houver, ou para os permutadores de calor / geradores de vapor de água no bloco de produção de energia.

· O HTF determina a gama de temperaturas de funcionamento do campo de energia solar e, assim, a eficiência máxima de ciclo de potência que pode ser obtido.

· Misturas sofisticadas de Sais com pontos de fusão mais baixos, nano-líquidos ou gás pressurizado com altas propriedades de transferência de energia térmica, são novas opções potenciais HTF para futuras aplicações em CTS, mas ainda estão em fase de testes e em fases de desenvolvimento.

· Os fluidos de transferência de calor (HTF), variam de água, que tem a vantagem de ser barata (?), óleo pesado (óleo sintético ou óleo orgânico), e sais fundidos (uma mistura de sais de nitrato de AgNO3 (principalmente nitrato de sódio e nitrato de potássio KNO3 na proporção 60-40) :





Sistema Permutador de calor (Heat Exchanger)· O permutador de calor, também chamado gerador de vapor, “troca" a energia térmica a partir do

HTF para a água de alimentação para criar vapor de alta pressão que move eficientemente a turbina a vapor / gerador. Ele é formado por um certo número de permutadores de calor ligados em série; o primeiro (pré-aquecedor) pré-aquece a água de alimentação para a sua temperatura de saturação; o segundo (gerador de vapor) evapora a água para vapor; e o terceiro (sobreaquecedor) sobreaquece o vapor a alta pressão, que é então injectado na respectiva turbina produzindo electricidade como em qualquer outra central termoeléctrica. Um quarto permutador de calor (Reaquecedor) é utilizado para re-sobreaquecer o vapor vindo da saída da turbina de alta pressão, antes de ser re-injectado na parte de baixa pressão da turbina a vapor.

Armazenamento de energia Térmica (TES - Thermal Energy Storage)

· A tecnologia TES de fundir sal provou ser a melhor. Outras formas de TES, tais como grafite ou materiais de mudança de fase, estão em desenvolvimento ou mesmo começando a ver a aplicação comercial limitada, mas ainda são uma maneira fora, em termos reais. A vantagem do sal fundido como meio, é que é líquido à pressão atmosférica, as suas temperaturas de operação são compatíveis com as turbinas a vapor de hoje, e é não inflamável e não tóxico.

· O armazenamento de energia térmica (TES) é um componente crítico para alcançar alta performance das tecnologias de CTSs, uma vez que permite que as centrais CTSs possam ultrapassar a variabilidade da produção e entregar o energia eléctrica para além do horário da luz solar.





Armazenamento de energia Térmica (TES - Thermal Energy Storage)…

· Esta tecnologia TES é referida como um sistema indirecto porque utiliza um fluido para o meio de armazenamento que é diferente do HTF que circula no campo solar.

· O sistema TES funciona tomando o sal fundível frio a partir do tanque de armazenamento de sal frio, onde é mantido "frio" a 288 ° C e fazendo-o passar através dos permutadores de calor, em que o sal fundível é aquecido pelo HTF até 566 ° C e armazenado no tanque de armazenamento de sal quente para uso posterior. Mais tarde, quando a energia em armazenamento é necessária, o sistema simplesmente funciona em sentido inverso para reaquecer o HTF usando o sal fundido quente a partir do tanque de armazenamento de sal quente, para geração de vapor e fazer funcionar a central.

Sistema de Controlo· O sistema de controlo é composto por duas partes que devem ser devidamente integradas: o sistema

de controle distribuído (DCS) e do sistema de controle da Central solar. Este último é responsável para calibrar os espelhos (ou helióstatos) e controlar o seu funcionamento, a fim de manter a distribuição HTF óptima no permutador de calor, protegendo-o de concentração de HTF mais elevada do que permitido, e para monitorizar o estado do tempo, a fim de proteger o equipamento . Neste trabalho o sistema de controlo da central solar é considerado como parte do Sistema de espelhos.





Armazenamento de energia Térmica - Tipos

· Calor sensível.– Água.– Câmara de seixos.– Terra.

· Calor latente de mudança de fase.· Reacção química.

Tem

pera

tura

(0 C)

Tempo (horas)0 6 12 18 24

Temperatura do Colector

Temperatura de armazenamento

Armazenamento de energia Térmica – Balanceamento do calor

Qc

Calor do colector (W)Qu

Calor para a carga (W)TA Temperatura Ambiente (K)Store

Ts

M

Cp

Massa (Kg)

Temperatura de Store (K)

Calor especifico (J/kg/K)

Qw Calor perdido para o ambiente(W)

wucs

p QQQdt

dTMc






U = Coeficiente do permutador de calor (W m-2 K-1).A = Área (m2). Asstorew TTUAQ

Água:•Conveniente, barata, somente tanque e isolamento.•Boa densidade de armazenamento.˗ Cp =4,18kJ Kg-1 K-1.˗ 1m3 a 30°C =126 MJ (35 kW hr). Ts1

Ts2

Ts3

·Tanque estratificado

Dividido em 3 zonas• O fluido de vindo do colector ou da carga vai para o subvolume mais próximo

da sua temperatura.• A água quente sai do topo, o fluido para o colector sai da parte inferior.



·Uma camada fixa de rochas (COFALITO®), usando o ar como um fluido térmico.·Uma elevada densidade de energia, quando utilizado a uma temperatura elevada (cerca de 180 kWh/m-3 a 500 ° C).·Verde, de baixo custo, material durável com muito pouca manutenção necessária.· A utilização de um termóclino permite uma temperatura constante, quando a usando a energia armazenada.

Cama de seixosCâmara de mistura

Misturador estáticoCamada isolante




Camara de seixos:

·Altura 1.2 to 6m.·Seixos de 20-40mm.·Camadas mais altas usam grandes seixos para reduzir gradiente da pressão.·Densidade de armazenamento é de cerca de 1/3 da água.

Ar

AquecimentoReactor

água

Vapor

Condensador

Turbina

Rede Eléctrica

Gerador

Refrigeração

Ar/gás

ventilador

BombaBetão pré-reformado

Gerador de vapor

seixos

seixos






Mudança de Fase / Armazenamento químico:

· Boa densidade de armazenamento até x1,5 mais que a água.· Pode usar-se reagentes químicos tais como sais: sais fundidos (nitrato de potássio, nitrato de cálcio,

nitrato de sódio, nitrato de lítio, etc.) têm a propriedade de absorver e armazenar a energia do calor que é libertado para a água, para transferir energia quando necessário. Para melhorar as propriedades de sal deve ser misturado numa mistura eutéctica.

· O uso de ambos calor latente e calor sensível são possíveis com entrada a alta temperatura de energia solar térmica. Várias misturas eutéctica de metais, tais como o alumínio e silício (AlSi 12) oferecem um alto ponto de fusão apropriadas para a geração eficiente de vapor, enquanto que materiais à base de cimento com alta alumina oferecem boas capacidades de armazenamento térmico

· Solução cara.



Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS)Armazenamento de energia Térmica – Balanceamento do calor

Terra :


O solo, também pode ser usado para armazenar calor. Pode ser tanto usado no verão como no Inverno…

· Na Holanda num terreno de 50 x 20 m de terra molhada armazena-se calor para 100 - 200 casas.

· Na Suécia lagos cobertos têm sido utilizados como depósitos termais.

http://www.google.pt/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi5_sPbpt_KAhUHMBoKHbQdDh8QjRwIBw&url=http://www.betterworldsolutions.eu/thermal-energy-storage-tank-saves-over-90-heat/&psig=AFQjCNHccSBAp0-dbS4G9lz0ZAVxiDFvRQ&ust=1454716253517855



Concentradores parabólicos- Parabolic Troughs (PT).Reflectores Fresnel –Linear Fresnel reflector(LFR).Pratos Parabólicos – (Parabolic Dish).Torre Solar– (Solar Tower (ST) ).

· A implementação de uma Central Térmica Solar (CTS), requer grandes estudos; desde o impacto económico, ambiental, tecnológico, de manutenção e exploração, de localização, contenção de riscos, de segurança….

Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS)As principais tecnologias CTS são:


· Sistemas de focagem de linha com um sistema de rastreamento de um único eixo:1. Parabolic Trough (PT)2. Linear Fresnel System (LFS)

· Sistemas de focagem num ponto com um sistema de rastreamento de 2 eixos:1. Solar Tower (ST) 2. Stirling Dish System



Energia Solar TérmicaIndustria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS)

Central de Calhas Parabólicas – Concentradores Parabólicos

·Aldiere (Granada)- Espanha – 150MW. Em operação desde 2008, da Andasol é a primeira central termossolar comercial de calha parabólica da Europa e fornece electricidade para até 200 mil pessoas.




Central de Calhas Parabólicas – Concentradores Parabólicos - Diagrama

Calha parabólica é actualmente a tecnologia mais utilizada em CTSs.•A tecnologia é, do ponto de vista conceptual, uma das mais intuitivas e simples de compreender:

resume-se essencialmente a uma parábola de grandes dimensões onde no seu foco se situa um tubo em vácuo onde circula o fluido (tipicamente água ou sal fundido).

Vapor

Turbina Gerador

Rede Eléctrica

Torre de arrefecimento

Condensador

Permutador de calor

Fluído HTF

Permutador de calor TES

Quente

TES frioEspelhos parabólicos

Campo Solar




Central de Calhas Parabólicas – Concentradores Parabólicos - Funcionamento•O reflector de calha parabólica pode gerar temperaturas muito altas, de forma mais eficiente do que uma único colector solar plano, uma vez que a área de superfície do absorvente é muito menor. O fluido de transferência de calor, que normalmente é uma mistura de água com outros aditivos, óleo térmico, ou sal fundido, é bombeado através do tubo receptor que absorve o calor solar que atinge temperaturas superiores a 200 ° C.

•O fluido quente é enviado para um permutador de calor, que aquece directamente um tanque de armazenamento TES, para utilização posterior, tornando este tipo de aplicação de um sistema de aquecimento solar activo do circuito fechado, ou um outro permutador de calor para gerar vapor de alta pressão capaz de mover uma turbina que por sua vez acciona um gerador produzindo electricidade que é ligada à rede de distribuição .

•Quando não há sol , ou durante a noite, se for necessário a central continuar a fornecer energia, é usado o fluido quente armazenado (TES), para alimentar o permutador de calor para gerar vapor de alta pressão e manter a central a produzir energia.




Colectores de Calha Parabólica – Reflector Concentrador – Concentração ideal•Utiliza-se para aumentar a temperatura de saída.•Aumento de temperatura devido à redução da superfície do colector e diminuição proporcional

da perda de calor (AcUL).•A imagem do sol é de um tamanho finito, não um ponto.•Omite um ângulo de cerca de 5º.

R

Aa

Ar

qr

· C = Razão de Concentração.· Aa = Área de abertura(m2).· Ar = Área do receptor(m2).

r

a

AAC

qsin1

rRCideal2D 230

q22

2

ideal3D sin1

rRC 50.000

-Proporção da concentração ideal de um colectoridealC q =Meio ângulo de aceitação




Colectores de Calha Parabólica – Reflector Concentrador – Proporção da Concentração

•Proporção da concentração: colectores parabólicos (colectores de imagem).

q

q

ff

Ângulo actual de aceitação

On-axis focus

Espelho parabólico

· C = Razão de Concentração.· q =Meio ângulo de aceitação.· f = Ângulo de foco.

1sincossinC2D

qqff.

q

qff2

22

3D sincossinC

.

12 2

f q

Quando:

13.000

11023

2sin1C2Dmax q

43

2sin4sinC 23Dmax

qq11

•Ângulo total através do qual o sol pode mover-se, sem que a sua imagem perca o receptor. Um colector ideal com um ângulo de aceitação de 60 ° terá um Proporção de concentração de 2.




Colectores de Calha Parabólica – Reflector Concentrador




•O reflector é feito de vidro grosso ou fino, em forma de parábola, com várias camadas de revestimento uma camada de reflectora de prata, uma camada de protecção de cobre, e três camadas adicionais de revestimento de. A construção de vidro multicamadas garante a alta precisão óptica, baixas perdas de calor, e alta resistência à corrosão.

•Uma vez que as ondas de luz solar viajam essencialmente paralelas umas às outras, este tipo de colector solar pode ser apontado directamente para o sol e ainda assim, alcançar uma produção total focal de todas as partes da calha devido à forma de reflector.

•No entanto, os reflectores parabólicos usam unicamente a radiação solar directa para aquecer o tubo receptor, uma vez que a radiação solar difusa não pode ser focada para o absorvedor tornando-os menos eficazes quando o céu está nublado ou o sol está fora de alinhamento.






•Para ultrapassar este problema, a maioria dos colectores de concentração exigem algum tipo de equipamento mecânico que constantemente os orienta para o sol, mantendo o tubo absorvente de calor no ponto focal correto. Isto é conseguido usando um Concentrador de seguimento solar, que alinha a calha com sol ao longo do dia, para maximizar o ganho de calor solar.

Eixo de rotaçãoSuportes do ColectorFluido IN

Fluido OUT

Revestimento reflector ou espelhos

Forma parabólica

Tubo receptor de calor

•O colector tem geralmente um único eixo de rotação ao longo do comprimento da calha que pode ser orientada na direcção leste-oeste, seguindo o sol de norte a sul, ou orientado no sentido norte-sul e seguir o sol de leste a oeste.



Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS)Colectores de Calha Parabólica – Reflector Concentrador


•As matrizes de calhas de espelhos podem ter 100m de comprimento ou mais, com a abertura curva de 5m a 6m. Como referência, uma Central da Calhas parabólicas de 50 MW de saída precisa de um campo solar 100-200 ha.




Colectores de Calha Parabólica – Rastreamento solar

TardeMeio-dia

Manhã

•As matrizes de calhas de espelhos podem ter 100m de comprimento ou mais, com a abertura curva de 5m a 6m. Como referência, uma Central da Calhas parabólicas de 50 MW de saída precisa de um campo solar 100-200 ha. Durante a noite ou com chuva ou temporal invertem a posição para protecção do material…

• As calhas parabólicas são geralmente alinhadas sobre um eixo norte-sul, e são rodadas, pelo sistema de rastreamento, para acompanhar o sol como ele se move através do céu cada dia de manhã à noite.



•O tubo receptor pode funcionar a 450 . Graças ao seu revestimento especial, o absorvente tem um ℃alto desempenho com uma absorvência superior a 0,94. Além disso, a vedação entre o vidro e o metal é processado com tecnologia avançada. Graças ao seu alto desempenho, fiabilidade e durabilidade, este produto pode ser aplicado em sistemas de energia solar térmica e em sistemas de refrigeração solar, com uma eficácia de até 1,70.


Colectores de Calha Parabólica – Tubo receptor de calor (Heat pipe)

•Com o tubo receptor, o sistema colector de concentração solar de calha parabólica (PTC), pode ser amplamente aplicado na central de concentração de energia solar de calha parabólica (CTS), em sistemas de climatização solar, em calafetação industrial de média e alta temperatura, etc.

•O tubo de receptor para aplicação de alta temperatura é o componente fundamental do concentrador solar calha parabólica. É constituída por um tubo interior de aço inoxidável com um revestimento especial e um tubo de vidro exterior. •O seu desempenho térmico e fiabilidade são cruciais para o

desempenho e os custos do sistema de energia solar térmica de calhas parabólicas.



· Central Solar Térmica Kimberlina com tecnologia CLFR (Compact Linear Fresnel Reflector), que usa matrizes de muitos colectores paralelos de Fresnel com espelhos planos, está situado na cidade californiana de Bakersfield nos Estados Unidos.

Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS)Central de Tecnologia CLFR (Compact Linear Fresnel Reflector)




Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS) Central de Tecnologia CLFR : Principio de funcionamento


Reflectores

ReflectorSecundário

Tubo Receptor

TES quente550oC

TES frio250oC

Turbina

Gerador

Rede Eléctrica

Condensador a ar

Bomba de água

Tanque de água

Permutador de calor

· Um sistema Linear Fresnel, usa uma série de, espelhos estreitos ligeiramente curvos ou mesmo planos, colocados em ângulos diferentes para focalizar a luz colectivamente para um receptor linear longo, elevado acima de um eixo de rotação paralelo á linha dos espelho. O tubo receptor é fixo no espaço e localizado vários metros acima do campo primário dos espelhos. Ao contrário de uma calha parabólica, a linha focal do espelho de Fresnel é distorcida por astigmatismo. Daí um espelho / concentrador secundário está ligado na parte superior do receptor para reorientar os raios que falhem o tubo receptor.



· Nesta recente tecnologia, linhas de reflectores são inclinadas de uma forma que é semelhante a uma lente Fresnel de tal forma que todas os raios solares são reflectidos para um colector que está situado a cerca de 3m acima dos espelhos. A ideia aqui é semelhante à calha parabólica, excepto que ele não necessita de um enorme espelho de forma parabólica, que é caro de fabricar. Em vez disso, os reflector podem ser planos.

Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS) Central de Tecnologia CLFR : Principio de Fresnel


Tubo Receptor

Reflectores

Principio de Fresnel



Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS) Central de Tecnologia CLFR : Principio de funcionamento


· Uma solução alternativa para o espelho secundário é o uso de vários tubos paralelos que formam um receptor de multitubo que é amplo o suficiente para capturar a maior parte da luz solar concentrada.

Condensador

Turbina

Gerador

Rede Eléctrica

Tubos receptores



Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS) Central de Tecnologia CLFR : Os reflectores


· Ao contrário da calha parabólica, a linha focal do espelho de Fresnel é distorcida por astigmatismo. Daí que um espelho / concentrador secundário está ligado na parte superior do tubo receptor afim de reorientar os raios solares que falhem o tubo receptor…

· Este tipo de colectores surge numa tentativa de aproximar o desempenho da calha parabólica de uma forma mais económica e com menos perdas, usando o princípio de Fresnel que diz que a parábola pode ser aproximada por um conjunto de segmentos de recta..,.

· Estes reflectores fazem uso do efeito de lente de Fresnel, o que permite a um espelho concentrar com uma grande abertura e de distância focal curta, reduzindo, simultaneamente, o volume de material necessário para o reflector. Isto reduz muito o custo do sistema, uma vez que os reflectores parabólicos vidro curvo, são geralmente muito caros. Essencialmente, o objectivo dos sistemas de tecnologia linear Fresnel, é oferecer menores custos globais de investimento e operacionais, em comparação com a tecnologia de calhas parabólicas.



Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS) Central de Tecnologia CLFR : Prós e contras


· O sistema linear de Fresnel oferece uma solução de mais baixo custo em relação ao sistema de calha de reflectores parabólicos, uma vez que o receptor é compartilhado entre várias fileiras de espelhos, usando ainda a geometria de linha de foco simples com um eixo simples para o rastreamento.

· O receptor está imobilizado e assim não são necessárias juntas de acoplamentos de fluido. Os espelhos também não precisam de apoio ao receptor, assim que são estruturalmente mais simples e mais baratos. Necessitam de menos de aço e betão, como a estrutura de suporte de metal é mais leve, tornando o processo de montagem mais fácil. Além disso, as cargas de vento sobre os sistemas lineares de Fresnel são menores, resultando numa melhor estabilidade estrutural e menos quebras de espelho de vidro. Assim, os custos de estrutura e manutenção são minimizados.

· Uma desvantagem fundamental dos sistemas típicos de reflectores lineares Fresnel, além da menor eficiência da central, é que a linha do receptor é compartilhada entre várias fileiras de espelhos. Isto pode conduzir ao aumento do efeito de sombreamento da radiação solar e de bloqueio da radiação solar reflectida pelos reflectores adjacentes. O uso da desta tecnologia onde a inclinação dos espelhos é alternada para concentrar a energia solar de vários reflectores lineares, tem sido capaz de alternar esta vantagem e, teoricamente, melhorar a eficiência do sistema. No resto são idênticas às outras centrais solares..





Torre Solar – Reflectores Helióstatos




· O receptor da TS é semelhante a tubos de caldeiras convencionais, onde o sal, a água / vapor ou ar saturado fundido é usado como HTF para transportar o calor a partir do receptor para o gerador de turbina permutador de calor / vapor.

· Torre solar, também conhecido como "torre central" ou central de energia helióstata, captura e concentra a luz solar num receptor que fica no topo de uma torre central ou central receptora. A torre está posicionada no centro do campo solar, que é constituída por milhares de espelhos controlados por computador, chamado helióstatos, que seguem o sol individualmente em dois eixos.

· Dependendo do design do receptor e do HTF, as temperaturas de trabalho superiores do receptor podem ser de 250 ° C para vapor saturado, entre 550 ° C e 650 ° C para o sal fundido, e entre 650 ° C até 850 ° C para ar.

· A principal vantagem da tecnologia de TS, são as temperaturas elevadas obtidas pelo HTF, portanto, o aumento da eficiência com que o calor é convertido em energia eléctrica, e, finalmente, menores custos do que todas as outras tecnologias de CTSs, seja com ou sem armazenagem.

Torre Solar – Reflectores Helióstatos




Turbina

Gerador de vapor TransformadorCondensador

Gerador

Vapor a alta Pressão

Rede Eléctrica

Helióstato

Bomba

Caldeira

Fluido condutor de calor

Aterro

Luz Solar

Industria da Energia Solar Térmica : Centrais Térmicas Solares (CTS)Torre Solar – Reflectores Helióstatos




Torre Solar – Colectores Helióstatos




Torre Solar – Colectores Helióstatos

· Planta Solar 10 - Sevilha, na Andaluzia, Espanha - A torre de energia solar produz 11 megawatts (MW) de electricidade com 624 grandes espelhos móveis chamados helióstatos. Demorou quatro anos para ser construída e, custou 35 milhões de € uros .





Centrais de Disco Parabólico : Motores Stirling· Estas centrais são compostas por um parabolóide de revolução onde no foco é colocado um

motor/gerador de Stirling ou uma miniturbina em ciclo de Brayton (gás). Assim, ao contrário das outras tecnologias este modelo não necessita de uma central termoeléctrica associada, sendo que a conversão eléctrica ocorre directamente no próprio colector.

· Sistema Dish/Stirling engine em Ft. Huachuca, Arizona(USA).

· Este design permite vento passar e minimizar a sua força destrutiva…





Centrais de Disco Parabólico : Motores Stirling

· Stirling Energy System Inc.’s 300 MW commercial solar thermal power plant in California.





Centrais de Disco Parabólico : Motores Stirling· Formas diversas de obter o mesmo efeito….

· A tecnologia de Disco parabólico, é o dispositivo mais eficiente do mundo para a conversão de energia solar em electricidade com ligação à rede, quase duas vezes mais eficiente do que qualquer tecnologia solar alternativa.





Centrais de Disco Parabólico : Motores Stirling - Composição

Pedestal Sistema de Controlo

Unidade de conversão de energia (PCU)

Motor Stirling

Unidade de Elevação e Azimute

Estrutura de suporte

Espelhos facetados

Lança de PCU





Centrais de Disco Parabólico : Motores Stirling - Características· O sistema usa um espelho tipo antena parabólica de satélite para focalizar a luz num único receptor

central em frente ao espelho. Até agora têm as mais altas eficiências de conversão de calor em electricidade entre todos os projectos de CTSs (até 30%). O tamanho do concentrador é determinada pelo seu motor. Um concentrador de sistema Disco / Motor Stirling com uma insolação directa nominal máxima normal de energia solar de 1000 W / m2 e uma capacidade de 25 kW tem um diâmetro de aproximadamente 10 metros.

· A energia tem de ser utilizada imediatamente ou transmitida para a rede, porque o sistema não tem qualquer dispositivo de armazenamento. Nebulosidade intermitente pode causar enfraquecimento do fluxo concentrado no receptor.

· Também pode funcionar com uma turbina Brayton de um único ciclo, onde o ar, hélio ou outro gás é comprimido, aquecido e expandido. O sistema pode ser usado individualmente em locais remotos, ou em grupos de pequena rede ( aldeia, 10 KW) ou de rede de distribuição (aplicações de 100 MW).

· O armazenamento é uma questão sensível, para que absorvesse energia e a conservasse de modo a atenuar os transientes devido à nebulosidade .Mesmo assim seria de curta durabilidade, enquanto não se encontrar um sistema de armazenamento adequado, não será possível explorar completamente as possibilidades benéficas do sistema.





Centrais de Disco Parabólico :Funcionamento

· O concentrador solar, ou disco: concentra a energia solar directamente a partir do sol. O feixe de luz solar concentrada resultante é reflectida para um receptor térmico que recolhe o calor solar. O disco está montado sobre uma estrutura que segue o sol continuamente durante todo o dia de modo a reflectir a percentagem mais alta possível de luz solar para o receptor térmico.

· A unidade de conversão de energia (PCU), inclui o receptor térmico e o motor / gerador. O receptor térmico é a interface entre o Disco reflector e o motor / gerador. Ele absorve os feixes concentrados de energia solar, converte-os em calor, e transfere o calor para o motor / gerador. O receptor térmico pode ser um banco de tubos com um fluido de arrefecimento, geralmente hidrogénio ou hélio- que tipicamente é o meio de transferência de calor e também o fluido de trabalho para um motor. Receptores térmicos alternados são tubos de calor, onde o ponto de ebulição e de condensação de um fluido intermediário transfere o calor para o motor.





Centrais de Disco Parabólico :Funcionamento· O sistema motor / gerador é o subsistema que recebe o calor do

receptor térmico e usa-lo para produzir electricidade. O tipo mais comum de motor térmico usado em sistemas de Disco Parabólico / motor é o motor Stirling. Um motor Stirling utiliza o fluido aquecido para mover os pistões e criar uma força mecânica. O trabalho mecânico, sob a forma de rotação do veio de manivelas do motor, acciona um gerador e produz energia eléctrica.

· O sistema motor Stirling (configuração gama) utiliza um gás como fluido de trabalho, que pode ser (por exemplo) ar. gás Hélio ou Hidrogénio. O seu funcionamento é baseado na variação do volume deste gás segundo a variação da temperatura a que este é submetido, ou seja, o gás expande quando aquecido e contrai quando resfriado.

· É constituído por duas câmaras de diferentes temperaturas que aquecem e resfriam o referido gás de forma alternada, provocando expansão e contracção, o que faz movimentar dois êmbolos ligados a um único eixo Este tipo de motor funciona com um ciclo termodinâmico composto por 4 fases e executado em 2 tempos: 1-2 - Compressão isotérmica; 2-3 - Aquecimento isocórico;3-4 - Expansão isotérmica; 4-1 - Arrefecimento isocórico. Trata-se de uma máquina de ciclo fechado. onde o fluido de trabalho nunca deixa o interior do motor…



http://www.qalovis.com/en/files/2012/11/qalovis-FleXgen-animation.swf



Centrais de Disco Parabólico :Motor Stirling





http://www.artescapesonline.com/concept_anim04.html

Centrais de Disco Parabólico – Motores Stirling - Funcionamento






Centrais de Disco Parabólico :Motor Stirling

· Os Motores Stirling são simples, tem alta eficiência (25% para o calor industrial), operam silenciosamente, têm baixo custo de O & M (~ $ 0,006 / kWh).

· O calor residual pode ser facilmente recuperado pelo motor, bem como ao emitido pelo próprio motor.

· De acordo com um fabricante: 1000-2000 $ / kW instalado!... Mas!...

· Eles têm custos mais elevados para materiais e montagem, são maiores para a mesma potência, têm mais tempo de inicialização (precisa para se aquecer).





Centrais de Disco Parabólico :Vantagens / Desvantagens· O Espelho parabólico côncava (Disco), concentra a luz solar num receptor no ponto focal, que é

aquecido até 650 ° C.· O calor absorvido acciona um motor Stirling, que converte o calor em energia motriz por

compressão e expansão cíclica de ar, ou de outros gases, e acciona um gerador para produzir electricidade.

· Se a luz solar suficiente não está disponível, qualquer calor de combustão de combustíveis fósseis ou biocombustíveis, também pode mover o motor Stirling para gerar electricidade.

· Os discos parabólicos Stirling também têm a vantagem de usar resfriamento seco e não precisam de sistemas de arrefecimento de grandes dimensões ou torres de arrefecimento, permitindo as CTSs operarem e fornecer electricidade em regiões áridas.

· Dada a sua pequena base de fixação e o facto de serem sistemas auto-suficientes, podem ser facilmente colocados em encostas ou terrenos irregulares.

· Estas vantagens são contrabalançadas pelo facto da conversão do calor em electricidade requer partes móveis, o que resulta em custos de manutenção mais elevados. O motor pesado é parte da estrutura em movimento, o que exige uma estrutura rígida e forte do sistema de seguimento solar.

· São utilizados espelhos parabólicos em vez de espelhos planos e monitoramento deve ser de eixo duplo para seguir o sol com um alto grau de precisão. Os custos de produção de electricidade deste sistema são muito mais elevados do que os das centrais de calhas parabólicas ou de Torre solar, e somente a produção em série pode alcançar reduções significativas de custos para os sistemas Disco/ Stirling.





Centrais de Disco Parabólico : Alto Forno Solar – Reflectores Helióstatos

· Central Solar em Font-Romeu (Odeillo) – França -1000 kW





Encosta

Banco de Helióstatos

Área reflectora

Radiação Solar

Raios reflectidos

Forno solar

Espelho Parabólico http://www.ikonet.com/en/visualdictionary/energy/solar-energy/solar-furnace.php

· O disco concentra a radiação solar para atingir temperaturas muito altas (acima de 3000 ° C), como parte de um esforço de pesquisa para desenvolver materiais experimentais (incluindo materiais de astronáutica e cerâmica).

Centrais de Disco Parabólico : Alto Forno Solar – Colectores Helióstatos

http://www.ikonet.com/en/visualdictionary/energy/solar-energy/solar-furnace.php



· O alto forno Solar Odeillo-Font-Romeau em França, contém 63 espelhos planos que automaticamente, fazem o rastreamento do sol, e concentram a luz solar num reflector. O Reflector, concentra depois os raios solares para produzir 1000 kilowatts e uma temperatura de 3.300oC. Que é usada para aquecer um forno para produzir aço a partir de minério de ferro.



http://www.moe.gov.sy/ar/pid491.html

Centrais de Disco Parabólico : Alto Forno Solar – Colectores Helióstatos

· Um disco parabólico é um grande reflector que concentra a energia térmica num único ponto focal...






Centrais de Chaminé Solar

Chaminé

Área do colector





Chão

Radiação solar(Energia)

Chaminé

Ar quente

Ar frio

Ar ambiente

•Diferença de Temperatura•Diferença de Densidade•Diferença se Pressão• corrente ascendente

Centrais de Chaminé Solar: Principio de funcionamento

· A chaminé solar é composta por uma grande área com tecto transparente que recebe as radiações solares e aquece o ar pelo efeito de estufa. Os fluxos de ar quente a partir do fundo da chaminé devido à tiragem natural produzida devido à diferença de densidade dentro e fora da chaminé, provoca uma corrente ascendente de ar que faz mover um turbogerador produzindo electricidade…



· As Chaminés solares, são uma das formas menos divulgados de centrais de energia solar. A central é composta por um grande colector solar envidraçado, com uma chaminé no centro através do qual o ar quente gerado no colector sobe. A corrente de ar quente impulsiona turbogeradores localizados na base da chaminé. O piso do colector, é forrado com meios absorventes de calor, que absorvem o calor durante o dia e o libertam durante a noite, de modo que a energia é produzida numa base contínua.



Centrais de Chaminé Solar: Principio de funcionamento

· O ar frio entra no colector, com um tecto inclinado para cima, a partir do seu perímetro externo, é aquecido e sobe através da chaminé a de 15 metros por segundo. A chaminé solar funciona com base no princípio de que quanto maior for a temperatura do ar no colector em comparação com a temperatura exterior , maior diferença de densidade, o que faz com que o ar aqueça a cerca de 38oC mais quente do que o ar exterior, que ao subir, cria uma corrente ascendente de ar que impulsionam as turbinas.





Centrais de Chaminé Solar: Composição e funcionamento· Em muitas partes do mundo, há uma consciência crescente de que algumas fontes alternativas de

energia poderiam ter um papel importante a desempenhar na produção de electricidade. No entanto, apenas a energia solar representa fonte de energia totalmente não poluente inesgotável que pode ser utilizada economicamente para suprir as necessidades energéticas do homem, para o futuro.

· A chaminé solar, foi sugerida em 1978 pelo professor Schlaich da universidade de Stuttgart que energia eléctrica poderia ser produzida por um sistema híbrido solar. O sistema de chaminé solar é composto por três partes; O colector, os turbogeradores e a chaminé.

· O Colector é a parte, que é usada para absorver calor e aquecer o ar. Geralmente tem 2-6 metros de altura, aumentado gradualmente com a proximidade da chaminé, e cobre uma área muito grande , cerca de milhares de m²,.Não há nenhuma limitação para a área de superfície. Quanto maior for a área, tanto mais energia é gerada a partir da chaminé. Os materiais de revestimento (tecto) podem ser diferentes, tais como; vidro, película de plástico ou um mais eficiente envidraçado. O colector vidrado é o mais eficiente e pode converter até 70% da energia solar em calor irradiado com uma média anual típica de até 50%. Além disso, com a manutenção adequada, a sua vida útil pode facilmente ser de 60 anos ou mais.





· Os turbogeradores, são usados para converter a corrente de ar em energia eléctrica. Podem ser colocados horizontalmente, a fim de obterem o máximo de energia a partir do ar aquecido, as lâminas devem cobrir toda a área da secção transversal da chaminé. Podem ser usados um, ou vários de menor dimensão…

Centrais de Chaminé Solar: Composição e funcionamento





Centrais de Chaminé Solar: Composição e funcionamento· A chaminé. É a parte mais importante da central. Ela funciona como um motor térmico.

Quanto maior for a altura da chaminé, mais energia é produzida. A eficiência da chaminé não depende da quantidade de elevação da temperatura, mas depende da temperatura exterior. Deste modo, a eficiência é directamente proporcional à razão entre a altura da chaminé e a temperatura exterior.

· Existem dois tipos diferentes de chaminés. A chaminés monobloco de betão e a chaminés de tubos guiados… O tempo de vida de uma chaminé monobloco de betão é mais longo do que a de tubos guiados. Ela dura cerca de cem anos, enquanto a de tubos tem uma duração muito mais curta.

· Embora, a eficiência seja proporcional à altura da chaminé, existe uma limitação física na prática. A Chaminé Solar em Mildura, Austrália, com 1000 m de altura é a mais alta estrutura feita pelo homem na Terra, e pode produzir 200 MW de energia eléctrica, suficiente para 200.000 lares.





Centrais de Chaminé Solar: Armazenamento de Energia

Radiação solar(Energia)

· Tubos pretos cheios de água são estendidos lado a lado no solo escuro, sob o tecto vidrado do colector.

· Estes tubos com água, estão selados, e, por conseguinte, permanecem fechados, de modo que não pode ter lugar a evaporação.

· A água no interior dos tubos armazena uma parte do calor solar e liberta-o durante a noite, quando o ar no colector arrefece….

Dia

Chão

ar

Tubos de água

Noite

Tubos de água

ar





Centrais de Chaminé Solar: Central de Manzanares

· Foi construída em 1982, na Espanha a 150 Km de Madrid, financiada completamente pelo governo alemão, para testes.

· Esta central eléctrica funcionou satisfatoriamente durante aproximadamente 8 anos e foi derrubada por uma tormenta em 1989. A chaminé tinha um diâmetro de 10 metros e uma altura de 195 metros, com uma área colectora de 46.000 m² que conseguia uma produção máxima de energia de cerca de 50 kW.





Centrais de Chaminé Solar: Vantagens & Desvantagens· O principal custo de uma Central de Chaminé solar é na sua construção. Operação e manutenção

são mínimos.· Funciona de dia e de noite.· Não liberta gases de efeito de estufa.· Baixa manutenção.· O cultivo de culturas em estufa.· Não necessita de arrefecimento a água.

* Alto custo de construção.* Requer uma grande quantidade de capital inicial.* Requer grande quantidade de terreno.* Não é adequada para áreas com alto custo de terrenos.

O Custo / kWh é maior do que nas formas tradicionais de produção de energia de gás natural.

Custo de eficiência e de produção.

· Conclusão: As centrais solares de chaminé, podem ter importantes contribuições para o abastecimento energético da África, Ásia e Austrália, porque há muito espaço e luz solar disponível lá. É muito importante para o futuro, porque os nossos recursos são limitados, excepto o nosso sol.



Energia Solar TérmicaIndustria da Energia Solar Térmica : Riscos das Centrais Térmicas Solares

· Mesmo que CTSs, que têm experimentado um crescimento significativo nos últimos anos, especialmente as de tecnologias de Calhas parabólicas e de Torre Solar ou Central receptora, ainda continua a ser uma indústria relativamente nova com experiência operacional limitada em comparação com algumas outras tecnologias de energia renovável.

· Cada instalação e execução de projecto de uma CTS apresenta diferentes desafios de risco que, em absoluto, podem causar dano à propriedade ou possam resultar numa interrupção do negócio da central CTS, com impacto negativo para o sucesso do projecto.

· Estes riscos foram agrupados em duas categorias de riscosRiscos convencionais: Estes são os riscos relacionados com a construção e operação de uma central de CCTS, incluindo os riscos de tecnologia (ou seja, design inovador, a ampliação de um projecto, riscos de execução do projecto (ou seja, falta de experiência) e perigos naturais. Eles são muitas vezes a causa de uma perda física ou danos físicos à central, que também podem afectar a receita da central.

· Riscos Não-Convencionais: Estes são riscos que afectam a receita da CTS, e a sua volatilidade, como a indisponibilidade da central devido à falta de sol, vento forte, ou riscos regulatórios / institucionais, a falta de desempenho, etc…



Motion Collector type Absorber type

Concentration ratio

Indicative temperature

range (°C)

Stationary

Flat plate collector (FPC) Flat 1 30-80

Evacuated tube collector (ETC) Flat 1 50-200

Compound parabolic collector (CPC) Tubular1-5 60-240

Single-axis tracking

5-15 60-300

Linear Fresnel reflector (LFR) Tubular 10-40 60-250

Parabolic trough collector (PTC) Tubular 15-45 60-300

Cylindrical trough collector (CTC) Tubular 10-50 60-300

Two-axes tracking

Parabolic dish reflector (PDR) Point 100-1000 100-500

Heliostat field collector (HFC) Point 100-1500 150-2000

Note: Concentration ratio is defined as the aperture area divided by the receiver/absorber area of the collector.

Industria da Energia Solar Térmica : Tipos de Colectores Solares




Cozinha solar Térmica : Fogões solares

Energia Solar Térmica Energia Solar Térmica : Discos parabólicos

· Um fogão solar é um dispositivo que é usado para cozinhar alimentos directamente sob a luz do sol sem o uso de gás, GLP ou electricidade. É um processo limpo de cozinhar ao ar livre. Existem três tipos de fogão, tipo de caixa e tipo parabólico e tipo painel. A maioria dos fogões solares trabalham com o princípio básico: A Luz solar é convertida em energia térmica, que é retida para cozinhar.

· A luz solar é o "combustível".Um fogão solar precisa de um local ao ar livre que seja solarengo por várias horas e protegido de ventos fortes, e onde a comida esteja segura. Os Fogões solares não funcionam durante a noite ou em dias nublados…

·Conversão da luz solar em energia térmicaAs superfícies escuras ficam muito quentes com luz solar, enquanto superfícies claras não. Os alimentos cozinham melhor em panelas de metal fino com tons escuros, e tampas apertadas para manter no calor e humidade.·Retensão de calorUm isolamento térmico transparente em torno do panela escura permite a entrada da luz solar, mas mantém o calor. Este pode ser um saco de plástico transparente resistente ao calor ou uma redoma ou terrina de vidro invertida (em fogões do painel) ou uma caixa térmica com janelas de vidro ou plástico (em fogões de caixa).



Cozinha solar Térmica : Fogões solares


Painel de tecido reflector

Parafuso de fixação para tripé

Borda externa

Fecho de correr

Suporte do Tripé

Tripé

Base de suporte em tripé

Mastro

Fixação das varetas· Pequenos, fogões solares parabólicos

portáteis, que se dobram com uma forma similar a um guarda-chuva. O diâmetro da concha reflectora é de 1 metro do "Sunny cooker“, é feito a partir de um único pano de poliéster revestido com alumínio, estruturalmente suportado a partir do centro e ao longo do bordo exterior por varetas de plástico flexíveis.

· Esta concha solar tem um tripé que suporta uma chaleira metálica que fica no topo de um tripé dobrável e é fixada à concha em dois pontos. A base central do suporte do tripé está ligado à estrutura através de um fecho de correr...

http://www.wikihow.com/Make-and-Use-a-Solar-Oven

http://www.wikihow.com/Make-and-Use-a-Solar-Oven




Cozinha solar Térmica : Fogões solares- Tipos

· Os três tipos mais comuns de fogões solares são:

•Fogões de Caixa;•Concentradores parabólicos;•Fogões de painel.

· Existem centenas ,senão milhares, de variações sobre estes tipos básicos. Além disso, vários sistemas de cozinha solares em grande escala têm sido desenvolvidos para atender às necessidades de instituições em todo o mundo…

Fogões de Caixa

· Fogões de caixa: cozinham em moderadas a altas temperaturas e muitas vezes acomodam várias panelas. Muito difundida em todo o mundo. Há várias centenas de milhares só na India…




Cozinha solar Térmica : Fogões solares- Tipos

Concentradores parabólicos

· Fogões concentradores curvos, ou "parabólicos," cozinham rápido a altas temperaturas, mas requerem ajustes frequentes de orientação e supervisão para uma operação segura. Existem várias centenas de milhar, sobretudo na China. Eles são especialmente úteis para cozinhas institucionais em grande escala.

Fogões de Painel· Fogões Painel incorporam elementos dos fogões

concentradores curvos e de Caixa. Eles são simples e relativamente baratos de comprar ou produzir. Fogões solares Internacional da "Cookit" são a combinação mais amplamente utilizada.



Energia Solar Térmica Energia Solar Térmica : Vantagens & Desvantagens

A energia solar é uma energia renovável, de modo que sua fonte de energia (o sol) é praticamente inesgotável.

Do ponto de vista da poluição há a distinguir duas fases: durante a fabricação do equipamento e durante a produção. Durante a produção de energia nenhuma poluição, e durante o fabrico dos elementos necessários para a construção de painéis e colectores solares a poluição é reduzida e controlável.

Os Sistemas solares térmicos não necessitam de grande manutenção geral, os custos de manutenção são mínimas. Os colectores e as tecnologias solares são mais fortes a cada dia e o custo está diminuindo ao longo do tempo. Isto permite que a energia solar Térmica seja cada vez mais uma solução economicamente viável.

A energia solar térmica pode ser um excelente recurso para locais áridos de difícil acesso ou distantes das redes de energia instaladas. Para a instalação em pequena escala não requer grandes investimentos em linhas de transmissão.

Em países tropicais, o desempenho da energia solar é ainda maior por causa da quantidade de radiação solar recebida anualmente. Tem elevada aceitação pública por não ser um produto sintético. O uso da radiação solar é gratuito.

Vantagens



Energia Solar Térmica Energia Solar Térmica : Vantagens & Desvantagens

Desvantagens Um painel solar consome muita energia para produzir. A energia para o fabrico de um painel solar pode ser maior do que a energia gerada por ele ao longo da sua vida.

Os preços são muito altos em comparação com outras fontes de energia.

Há uma variação nas quantidades produzidas de acordo com a situação de tempo (chuva, nuvens, temporal...) que dificultam a previsão da produção de energia.

Requer fonte alternativa de energia ou o uso de sistemas TES, para os dias em que as condições meteorológicas não são boas ou quando é necessária produção de energia à noite.

Locais em latitudes médias e altas (por exemplo, Finlândia, Islândia, Nova Zelândia e a sul da Argentina e Chile) sofrem quedas bruscas de produção durante os meses de inverno devido à menor disponibilidade diária de energia solar. lugares com cobertura frequente de nuvens (Curitiba, Londres) tendem a variações diárias na produção de acordo com o grau de nebulosidade.

As formas de armazenar energia solar térmica são ineficientes em comparação, por exemplo com, combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás), hidro (água) e biomassa. requer um sistemas de armazenamento eficiente ou alternativo para ter produção constante.



Energia Solar TérmicaIndustria da Energia Solar Térmica : Conclusões

· Os sistemas solares térmicos são rentáveis a baixas temperaturas para aquecimento de água ou cozinhar.

· Os aquecedores de água são economizadores de energia, mas o custo inicial dissuade muitos de usá-los.

· O custo pico da energia eléctrica produzida por um Torre Solar é de $6 / W, muito alto para competir com a produção fotovoltaica (PV).

· Uma Torre Solar produz cerca de 10 MW, enquanto que uma central convencional produz de 500-1500MW.

· As Torres Solares de energia térmica, não são susceptíveis de ser economicamente viáveis por um curto espaço de tempo.

· Secadores solares, fogões e fornos são relativamente baratos e disponíveis para cozinhar em locais remotos.



Energia Solar TérmicaIndustria da Energia Solar Térmica : Conclusões

· A indústria de energia solar térmica vem crescendo rapidamente nos últimos anos. Um estudo Internacional recente da Associação Europeia de Energia Eléctrica Térmica Solar, sugerem que as Centrais Térmicas solares (CTSs), poderiam fornecer até 25 % das necessidades de electricidade mundiais até 2050.

· No entanto, apesar do seu potencial, a tecnologia das CTSs carece de um desenvolvimento historial longo, e ainda vem com altos custo de tecnologia e riscos. Portanto, a experiência maior de implantação é necessária, para aumentar a compreensão e tornar a tecnologia mais competitiva.

· Neste processo, a gestão de riscos e os seguros têm um papel importante, pois devem de oferece produtos de seguros adequados para cobrir os riscos de evolução de um CTS durante a sua construção e operação, incluindo produtos de seguro inovadoras destinadas a proteger a volatilidade dos lucros de uma empresa.

· Mas, como o sector de energia solar térmica amadurece, para garantir um futuro brilhante e ensolarado para esta indústria, há uma necessidade de envolver os vários intervenientes na obtenção de habilidade e know-how, para aplicar uma abordagem completa de gestão de riscos em cada projecto, e para compartilhar as lições aprendidas.



OBRIGADO PELA ATENÇÃO !...



Bibliografiashttp://www.portal-energia.com/funcionamento-paineis-solares-termicos-para-aquecimento/

http://www.paineissolaresfotovoltaicos.com/como-funcionam-os-paineis-solares-termicos/

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http://riemann.math.wichita.edu/MEDIA/PhysicsSeminar2014/WSUphysics2014oct08.ppt.

http://www.marioloureiro.net/tecnica/energSolar/guia-tecnico-manual-solartermico.pdf

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http://www.tisst.net/documentos/sistemas-solares-termicos/


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energias renováveis - energia solar térmica

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