guia tecnico manual solartermico

O presente volume, parte integrante de uma edio de trs volumes tcnicos, resulta do trabalho levado a cabo no mbito de um projecto parcialmente financiado pela Comisso Europeia, designadamente do programa ALTENER, o qual visa promover a utilizao das Fontes de Energia Renovveis (FER) no espao Europeu.

O projecto em causa, designado por GREENPRO, decorreu entre Fevereiro de 2002 e Janeiro de 2004, e envolveu um conjunto de parceiros que representaram cinco pases da Unio Europeia, nomeadamente a Holanda, a Alemanha, a Itlia, o Reino Unido e Portugal. Em todos estes pases sero de igual forma editados os trs mencionados volumes tcnicos nos respectivos idiomas.

Com o objectivo de fornecer um documento de referncia a todos aqueles que se interessam pela temtica das renovveis, partiu-se de originais elaborados na Alemanha. Posteriormente cada pas procedeu ento necessria traduo e adaptao, no mbito da especificidade de cada realidade nacional.

Pretendeu-se com o formato em causa proceder apresentao de informao de cariz essencialmente prtico, sem descurar no entanto a fundamentao terica dos aspectos mais relevantes.

Esperamos desta forma que a presente srie de documentos possa ser da mxima utilidade para todos os que de algum modo pretendam contactar com as energias renovveis - arquitectos, engenheiros, empreiteiros, instaladores, proprietrios de imveis, estudantes, entre outros, quer ao nvel de projectos de investimento de natureza pessoal, quer no contexto de actividades profissionais.

Janeiro de 2004

SOLAR TRMICO - MANUAL SOBRE TECNOLOGIAS, PROJECTO E INSTALAO

NDICE i

NDICE

1 INTRODUO 1.1

2 RADIAO PROVENIENTE DO SOL E ARGUMENTOS PARA A SUA UTILIZAO 2.1 2.1 Radiao solar proveniente do sol 2.1

2.1.1 Energia solar 2.1 2.1.2 Bases astronmicas e meteorolgicas 2.2 2.1.3 A influncia da orientao 2.9

2.2 Os limites dos recursos energticos 2.122.3 Mudanas climticas e as suas consequncias 2.132.4 Argumentos a favor dos sistemas solares 2.142.5 Iniciativa Pblica gua Quente Solar para Portugal 2.15

3 COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TRMICO 3.1 3.1 Colectores 3.2

3.1.1 Colectores sem cobertura 3.4 3.1.2 Colectores planos 3.4 3.1.3 Colectores Parablicos Compostos (CPCs) 3.14 3.1.4 Colectores de vcuo 3.14 3.1.5 Curva caracteristica dos colectores e aplicaes 3.18 3.1.6 Temperatura de estagnao 3.19

3.2 Tanques de armazenamento de calor 3.193.2.1 Materiais dos tanques de armazenamento 3.19 3.2.2 Tanques de armazenamento de gua potvel 3.20 3.2.3 Tanque de armazenamento de regulao 3.24 3.2.4 Tanques de armazenamento combinados 3.24 3.2.5 Novos conceitos para tanques de armazenamento 3.24 3.2.6 Misturador automtico de gua quente 3.25 3.2.7 Ligao de mquinas de lavar loua e maquinas de lavar roupa 3.25

3.3 Circuito solar 3.273.3.1 Tubagens 3.27 3.3.2 Fludo de transferncia trmica 3.28 3.3.3 Circulao do fludo de transferncia trmica 3.29 3.3.4 Permutador de calor solar (transferncia de calor unitria) 3.30 3.3.5 Acessrios anti-retorno 3.32 3.3.6 Evacuao de ar 3.32 3.3.7 Medidor de caudal 3.33 3.3.8 Dispositivos de segurana dum circuito solar 3.33 3.3.9 Estao solar 3.34

3.4 Controlador 3.353.4.1 Princpios para controlo da diferena de temperatura 3.36 3.4.2 Controlador digital com funes especiais 3.36 3.4.3 Sensores de temperatura 3.37 3.4.4 Proteco contra sobreaquecimento 3.37

4 SISTEMAS PARA HABITAES PARA UMA OU DUAS FAMLIAS 4.1 4.1 Sistemas de carga/descarga dos tanques de armazenamento 4.1

4.1.1 Carga atravs de energia solar 4.1 4.1.2 Carregamento atravs de aquecimento auxiliar 4.3 4.1.3 Descarga do tanque de armazenamento 4.5

4.2 Sistemas de Aquecimento de gua sanitria 4.64.2.1 Outros sistemas de aquecimento de gua 4.8

4.3 Sistemas para aquecimento de gua sanitria e suporte de aquecimento 4.9


NDICE ii

4.4 Planeamento e dimensionamento 4.104.4.1 Dimensionamento de sistemas de aquecimento de gua sanitria 4.13 4.4.2 Dimensionamento de sistemas para aquecimento de gua sanitria e suporte de aquecimento 4.24 4.4.3 Balano energtico e produo de sistemas solares trmicos 4.24

4.5 Avaliao Econmica 4.24

5 INSTALAO, COMISSIONAMENTO, MANUTENO E REPARAO 5.1 5.1 Um breve estudo sobre o telhado e materiais 5.2

5.1.1 O objectivo do telhado 5.2 5.1.2 Formas de telhado 5.2 5.1.3 Componentes do telhado 5.2 5.1.4 Telhados inclinados 5.4 5.1.5 Telhado plano 5.5 5.1.6 Materiais 5.5

5.2 Segurana e mtodos de instalao 5.85.2.1 Regulamentos de segurana 5.8 5.2.2 Equipamento de segurana 5.9 5.2.3 Equipamento de trabalho 5.9 5.2.4 Tcnicas de transporte 5.9 5.2.5 Tcnicas de instalao 5.10

5.3 Instalao 5.115.3.1 Entrega de material 5.12 5.3.2 Preparao do local, trabalho preparatrio 5.12 5.3.3 Instalao do colector 5.12 5.3.4 Instalao de circuitos solares 5.24 5.3.5 Instalao de tanques de armazenamento 5.25 5.3.6 Instalao de ligaes 5.29 5.3.7 Instalao de sensores e controladores 5.32

5.4 Arranque, manuteno e reparao 5.325.4.1 Limpeza do circuito solar 5.33 5.4.2 Preparao para teste de estanquicidade 5.33 5.4.3 Enchimento do circuito solar 5.34 5.4.4 Preparao das bombas e controlador 5.34 5.4.5 Manuteno 5.35 5.4.6 Deteco e rectificao de defeitos 5.36

6 SISTEMAS DE LARGA ESCALA 6.1 6.1 Os princpios fundamentais do dimensionamento do sistema 6.1

6.1.1 reas de possvel aplicao 6.1 6.1.2 Informao inicial necessria para o planeamento do sistema solar 6.2 6.1.3 Planeamento e dimensionamento de um sistema 6.4

6.2 Sistemas 6.56.2.1 Sistemas com tanques de armazenamento de gua sanitria 6.5 6.2.2 Sistemas com tanque(s) de armazenamento de regulao 6.7 6.2.3 Integrao dos sistemas de circulao 6.9

6.3 Controlo dos sistemas 6.96.3.1 Circuito colector/ circuito de enchimento do armazenamento 6.10 6.3.2 Descarga do circuito do tanque de regulao 6.14

6.4 Permutadores de calor 6.166.4.1 Tipos de permutadores 6.16 6.4.2 Permutadores de calor do circuito colector 6.18 6.4.3 Permutadores de calor do circuito de descarga do tanque de regulao 6.19

6.5 Tecnologia de segurana 6.226.5.1 Campo colector 6.22 6.5.2 Circuito do colector 6.22 6.5.3 Circuito do tanque de regulao 6.23


NDICE iii

6.5.4 Vaso de expanso 6.24 6.5.5 Ligaes na linha de gua sanitria 6.25

6.6 Contractualizao solar 6.256.7 Servio de Venda de gua Quente 6.27

6.7.1 Sistemas de energia solar com armazenamento de calor a curto-prazo 6.28 6.7.2 Sistemas solares com armazenamento de calor a longo-prazo 6.28 6.7.3 Valores orientadores para o projecto de sistemas de aquecimento solar municipal 6.28 6.7.4 Componentes dos sistemas de aquecimento solar municipal 6.29 6.7.5 Experincia prtica 6.30

6.8 Potencial no calor de processo industrial 6.316.8.1 Fabrico de Cerveja e Malte 6.31 6.8.2 Indstria Alimentar 6.31 6.8.3 Indstria Txtil 6.33 6.8.4 Indstria de Papel 6.33 6.8.5 Indstria Qumica 6.33 6.8.6 Indstria Automvel e Indstrias Auxiliares 6.33 6.8.7 Indstria dos Curtumes 6.33 6.8.8 Indstria Corticeira 6.33 6.8.9 Critrios de avaliao de sistemas solares para aquecimento industrial 6.35

6.9 Sistemas de concentrao solar 6.356.9.1 Concentrao de radiao solar 6.36 6.9.2 Sistemas de concentrao para processos trmicos 6.37 6.9.3 Sistemas solares trmicos de concentrao para produo de electricidade 6.40

7 AQUECIMENTO SOLAR DE PISCINAS 7.1 7.1 Componentes 7.2

7.1.1 Absorsores 7.2 7.1.2 Tubagens e colector comum de distribuio 7.5 7.1.3 Materiais 7.67.1.4 Bombas, permutadores de calor e outros componentes 7.6 7.1.5 Controladores diferenciais 7.7 7.1.6 Cobertura da piscina 7.8

7.2 Sistemas 7.97.2.1 Aquecimento solar de piscinas privadas exteriores 7.9 7.2.2 Aquecimento solar de piscinas pblicas exteriores 7.11 7.2.3 Combinao de aquecimento solar de gua de consumo domstico e aquecimento de piscinas exteriores 7.14 7.2.4 Uso racional de energia em piscinas pblicas ao ar livre 7.14

7.3 Planeamento e dimensionamento 7.147.3.1 Consideraes fundamentais 7.14 7.3.2 Frmulas de aproximao para estabelecimento da rea dos absorsores, caudal e perda de presso7.15 7.3.3 Dimensionamento de sistemas assistido por computador 7.18

7.4 Instalao 7.187.4.1 Absorsores 7.18 7.4.2 Instalao da tubagem 719

7.5 Operao e manuteno 7.207.6 Custos e desempenhos 7.20

8 SISTEMAS SOLARES DE AQUECIMENTO AMBIENTE 8.1 8.1 Componentes 8.2

8.1.1 Tipos de colectores 8.2 8.1.2 Ventiladores 8.5 8.1.3 Tubagens 8.58.1.4 Permutadores de calor, unidades de recuperao de calor 8.6 8.1.5 Controladores 8.6

8.2 Tipologias de sistemas de aquecimento ambiente 8.7


NDICE iv

8.2.1 Sistemas de colectores de aquecimento ambiente em construes urbanas 8.7 8.2.2 Fbricas, pavilhes e edifcios de escritrios 8.8

8.3 Planeamento e dimensionamento 8.88.3.1 Consideraes fundamentais 8.8 8.3.2 Clculo da taxa de circulao, a rea da superfcie do colector e as ligaes dos colectores necessrias 8.9 8.3.3 Clculo da potncia do ventilador 8.10 8.3.4 Dimensionamento assistido por computador 8.10

8.4 Exemplos 8.11

9 ARREFECIMENTO SOLAR 9.1 9.1 Bases tericas 9.2

9.1.1 Processos de arrefecimento accionados por calor 9.3 9.1.2 Arrefecimento por adsorso 9.4 9.1.3 Sistemas de arrefecimento por secagem 9.5

9.2 Planeamento integrado dos sistemas de arrefecimento solar e de ar condicionado 9.79.3 Tecnologia do Sistema 9.10

9.3.1 Sistemas solares autnomos versus sistemas solares assistidos 9.10 9.3.2 Escolha da tecnologia de colector para diferentes tecnologias de arrefecimento 9.11 9.3.3 Variantes dos circuitos 9.12

9.4 Concepo do sistema 9.169.4.1 Procedimentos gerais no dimensionamento dos sistemas 9.16 9.4.2 Dimensionamento de sistemas com base em dados empricos 9.17 9.4.3 Dimensionamento de sistemas solares autnomos 9.19

10 PROGRAMAS DE SIMULAO PARA SISTEMAS SOLARES TRMICOS 10.1 10.1 Avaliao dos resultados de simulao 10.210.2 Simulao tendo em conta o efeito de sombra 10.210.3 Anlise de Mercado, classificao e seleco de programas de simulao 10.210.4 Breve descrio dos programas de simulao 10.3

10.4.1 Programas de clculo 10.3 10.4.2 Programas de anlise por etapas 10.4 10.4.3 Sistemas de simulao 10.7 10.4.4 Ferramentas e programas de ajuda 10.8

11 GLOSSRIO 11.1

12 MARKETING SOLAR 12.1 12.1 Os princpios do marketing solar 12.1

12.1.1 O cliente como tema central 12.1 12.1.2 O princpio do iceberg 12.1 12.1.3 O conceito puxar 12.1

12.2 Aumento do sucesso atravs do marketing sistemtico 12.212.2.1 Benefcio inicial 12.2 12.2.2 Os quatro pilares do conceito de marketing 12.3 12.2.3 A variedade de opes de marketing 12.5 12.2.4 Atingir o objectivo em 6 etapas 12.13

12.3 Uma boa discusso de vendas pode ser agradvel 12.1612.3.1 O que significa venda bem sucedida 12.16 12.3.2 Construir uma ponte 12.16 12.3.3 Estabelecer uma necessidade 12.17 12.3.4 Oferecer a soluo 12.18 12.3.5 Alcanar o resultado 12.18

13 EMPRESAS DO RAMO SOLAR TRMICO 13.1


INTRODUO 1.1

1 INTRODUO

O recurso s Energias Renovveis constitui uma soluo para muitos problemas sociais associados ao consumo de combustveis fsseis. O seu uso permite uma melhoria do nvel de vida, em especial nos Pases sem reservas petrolferas como Portugal, diminuindo a sua dependncia econmica e reduzindo os impactos negativos resultantes da queima dos combustveis na sua utilizao e transformao de energia.

A situao energtica nacional traduz-se por um sub-aproveitamento das energias endgenas. Uma das fontes endgenas de extrema importncia a energia solar dado que o valor anual da a radiao solar global varia entre 1400 e 1800 kWh/m2. Recentes programas, como o Programa gua Quente Solar, na sequncia do Programa E4 (Eficincia Energtica e Energias Endgenas), pretendem implementar o uso da Energia Solar em Portugal. Este programa prope um acrscimo na dinmica do actual mercado, pretendendo atingir um valor de 150000 m2 de colectores solares instalados por ano, que poder conduzir a cerca de 1 milho de m2 de colectores instalados em 2010.

No entanto a simples introduo de sistemas de aquecimento solar no significa um bom aproveitamento energtico. As instalaes necessitam de ser correctamente dimensionadas, instaladas e mantidas. Caso um destes aspectos no seja devidamente tido em considerao, o desempenho do sistema poder ser muito inferior ao que inicialmente estava previsto.

Torna-se assim importante a existncia dum Manual para projectistas e instaladores que contenha os fundamentos tericos e a informao prtica necessrios ao correcto dimensionamento e instalao de sistemas solares trmicos, bem como conduo e manuteno dos equipamentos. O presente Manual contm extensa informao que inclui os fundamentos da radiao solar, a descrio dos diferentes tipos de sistemas solares trmicos e seus componentes, as tcnicas de instalao, comissionamento, manuteno e reparao das instalaes, bem como a descrio dos principais programas de simulao destes sistemas. O Manual contm ainda informao relativa aos sistemas de arrefecimento solar e s tcnicas de marketing solar.

O presente Manual constitui uma excelente ferramenta de apoio a projectistas e instaladores de sistemas solares trmicos, desde os de aplicao na habitao aos de aplicao industrial e contribui desta forma para uma melhoria quer na aplicao destes sistemas quer na sua conduo.


RADIAO PROVENIENTE DO SOL E ARGUMENTOS PARA A SUA UTILIZAO 2.1

2 RADIAO PROVENIENTE DO SOL E ARGUMENTOS PARA A SUA UTILIZAO

2.1 Radiao solar proveniente do sol

2.1.1 Energia solar

A maior fonte de energia disponvel na Terra provm do sol. A energia solar indispensvel para a existncia de vida na Terra, sendo o ponto de partida para a realizao de processos qumicos e biolgicos. Por outro lado, a energia proveniente do Sol das mais amiga do ambiente, podendo ser utilizada de diversas maneiras.

No centro do Sol ocorre um processo de fuso nuclear, no qual dois ncleos de hidrognio se fundem com um de hlio, radiando para o espao uma grande quantidade de energia. A energia proveniente desta fuso radiada para o espao em forma de ondas electromagnticas. Tendo em conta que o Sol se encontra a 143 milhes de quilmetros da Terra apenas uma pequena fraco da energia irradiada est disponvel. No entanto a energia fornecida pelo Sol durante um quarto de hora superior energia utilizada, a nvel mundial, durante um ano.

Os astrofsicos consideram que o sol tem aproximadamente 5 bilies de anos. Com uma expectativa de existncia de 10 bilies de anos o sol pode ser considerado como fonte de energia para os prximos 5 bilies de anos. Assim, de uma perspectiva humana o sol apresenta uma disponibilidade ilimitada.

Figura 2.1 - O sol base para a vida na terra

2.1.2 Bases astronmicas e meteorolgicas

A energia irradiada pelo sol, para a atmosfera terrestre praticamente constante. Esta energia irradiada ou intensidade de radiao descrita como a constante solar relativa a uma rea de 1 m2. Esta constante est sujeita a pequenas alteraes, provocadas pela variao da actividade solar (sun spots) e com a excentricidade da rbita da Terra. Estas variaes, que se detectam para a gama dos raios UV so menores que 5%, e no so significativas para as aplicaes de tecnologia solar. O valor mdio da constante solar E0 = 1.367 W/m.



Caso de Estudo: Energia irradiada, irradiao, quantidade de calor

A irradiao solar (E) de 1.000 Watts por metro quadrado, significa a capacidade de irradiar uma potncia M(1.000 W) numa superfcie de 1 m2, sendo a unidade de medida de potncia o Watt. Quando a potncia se define para uma superfcie ento chamada de irradiao.

1 kW (Kilowatt) = 1.000 Watts = 103 W 1 MW (Megawatt) = 106 Watts = 103 kW 1 GW (Gigawatt) = 109 Watts = 106 kW 1 TW (Terawatt) = 1012 Watts = 109 kW

Quando o Sol brilha com uma potncia de 1.000 watts durante uma hora, produz 1 KW de trabalho por hora. No caso de se converter 100% desta energia em calor, ento produz-se 1KWh de calor.

Potncia irradiada: M (W) Irradiao: E (W/m) Quantidade de calor: Q (Wh/kWh)

Tendo apenas por base os dados astronmicos sabe-se que a energia solar disponvel na Terra muito varivel. Para uma localizao pr-estabelecida esta variao depende da latitude geogrfica, do dia e do ano. Devido inclinao do eixo da Terra os dias de vero so maiores que os dias de inverno, e as altitudes solares que o sol atinge so mais elevadas nos meses de vero do que no inverno.

A figura seguinte mostra a sequncia de irradiao durante um dia em Lisboa numa placa horizontal com uma superfcie de 1 m2, para quatro dias ao longo do ano.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00

21-Mar

24-Jun

24-Sep

18-Dec

Figura 2.2 - Variao diria e valor global dirio de irradiao

Atravs da anlise da figura 2.2 verifica-se que a quantidade de radiao solar varia segundo um factor de 4, entre o Vero e o Inverno.

Irra

dia

o

(W

/m2 )

Horas

15.7 kWh/m/dia

10.8 kWh/m/dia

10.5 kWh/m/dia

4.4 kWh/m/dia



Tabela 2.1 - Caractersticas astronmicas para Lisboa

Localizao: Lisboa 21 Maro/24 Setembro 24Junho 18 Dezembro Horas de luz 12,1/12,0 14,8 9,3

Altura mxima do Sol 52,0/51,0 75,0 28,2 Somatrio da irradiao solar global durante um dia: 10,8/10,5 kWh/m 15,7 kWh/m 4,4 kWh/m

A radiao solar tem diversas componentes: a radiao solar directa Edir proveniente do sol, que atinge a terra sem qualquer mudana de direco e a radiao difusa Edif, que chega aos olhos do observador atravs da difuso de molculas de ar e partculas de p. A radiao difusa inclui tambm a radiao reflectida pela superfcie terrestre. A soma da radiao difusa e directa equivale radiao solar global EG.

difdirG EEE

Esta equao, caso no sejam referidas outras condies, refere-se radiao sobre uma superfcie horizontal.

Figura 2.3 - Radiao solar global e suas componentes

Quando o Sol se localiza verticalmente, acima de uma determinada localizao, a radiao efectua o caminho mais curto atravs da atmosfera. Por outro lado, quando o Sol se encontra num ngulo mais baixo a radiao percorre um caminho mais longo, sofrendo a radiao solar uma maior absoro e difuso e estando disponvel uma menor intensidade de radiao. O factor Massa de Ar (MA) define-se como a medida do nmero de vezes que o caminho da luz solar at superfcie da terra corresponde espessura de uma atmosfera. Usando esta definio com o Sol numa posio vertical (JS = 90) obtm-se um valor de MA = 1.

Apresentam-se na Figura 2.4 os nveis solares mais elevados em Lisboa para dias seleccionados. O ngulo mximo de elevao do sol foi encontrado para o dia 21 Junho com JS = 75,0 que corresponde a uma Massa de Ar de 1,04. No dia 21 de Dezembro o maior ngulo obtido foi JS = 28,2 que corresponde a uma massa de ar de 2,12.



Figura 2.4 - Altitude solar ao meio-dia ao longo de um ano em Lisboa

A radiao solar no espao sem influncia da atmosfera terrestre considerada tendo um espectro de MA = 0. Ao passar pela atmosfera terrestre a intensidade da radiao reduzida devido a:

x Reflexo causada pela atmosfera; x Absoro atravs de molculas na atmosfera (O3, H2O, O2, CO2);x Difuso Rayleigh (difuso de molculas de ar); x Difuso Mie (difuso de partculas de p e contaminao do ar).

Figura 2.5 - Espectro solar MA 0 no espao e MA 1,5 na terra com uma elevao solar de 37.

A tabela seguinte mostra a dependncia da irradiao em relao ao ngulo de elevao JS. A absoro e difuso aumentam com a diminuio do ngulo de elevao do Sol. A difuso de partculas de p no ar (Difuso Mie) depende da localizao. muito maior em reas industriais.

Tabela 2.2 Factores de variao da irradiao

JS MA Absoro Difuso Rayleigh Difuso Mie Atenuao total 90 1,00 8,7% 9,4% 025,6% 17,3...38,5% 60 1,15 9,2% 10,5% 0,725,6% 19,442,8% 30 2,00 11,2% 16,3% 4,14,9% 28,8...59,1% 10 5,76 16,2% 31,9% 15,4...74,3% 51,8...85,4% 5 11,5 19,5% 42,5% 24,686,5% 65,193,8%

MA 0

MA 1

21.6

MA 1,11

JS = 64.3

21.9

MA 1,37

JS = 46.9

21.12

MA 2,43

JS = 24.3



A nebulosidade ou o estado do cu o segundo factor decisivo - depois das condies astronmicas - a afectar a disponibilidade de radiao solar. A energia irradiada tal como a quantidade de radiao difusa e directa varia com a quantidade de nuvens.

Figura 2.6 - Irradiao solar global e os seus componentes para diferentes condies do cu

Com base em dados de irradiao difusa e directa, para a Cidade de Lisboa, verifica-se que a proporo mdia da radiao solar difusa de 40% da radiao global, sendo que nos meses de inverno esta proporo aumenta.

0

50

100

150

200

250

Jan. Fev. Mar. Abr. Mai Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez.

Radiao Directa

Radiao Difusa

Figura 2.7 - Somatrio mensal da irradiao solar global / difusa e directa

O valor do somatrio da mdia anual da irradiao solar global - valor importante para o dimensionamento de sistemas solares - encontra-se entre aproximadamente 1.400 KWh/m2 em Vila Real (norte) e 1.700 KWh/m2 em Faro (Sul) com um incremento de Norte para Sul. No entanto a variao da radiao solar til entre o Sul e o Norte de Portugal, aproveitada por um sistema solar para aquecimento de gua, no significativa.

Irra

dia

o

(kW

h/m

m

s)



Figura 2.8 - Radiao global anual em Portugal

Fonte: Atlas do Ambiente, Instituto do Ambiente

Durante o ano a irradiao solar global sofre variaes ao longo do dia. Esta variao sobretudo influenciado pela radiao directa.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

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

Directa

Difusa

Figura 2.9 - Processo tpico de radiao directa e difusa durante o dia em Lisboa

Para alm da irradiao solar global o nmero de horas de luz (insolao) tambm frequentemente utilizado para o dimensionamento dos sistemas solares. Em Portugal estes valores variam entre 1.800 e 3.100 horas por ano.

Wh/md



Figura 2.10 - Insolao global anual em Portugal

Fonte: Atlas do Ambiente, Instituto do Ambiente

Caso de Estudo: Processo de medio da radiao solar

O aparelho utilizado para medir a irradiao solar global numa superfcie horizontal chama-se piranmetro. Se este dispositivo for colocado com o cran a apontar directamente para os raios solares, com um anel fixo que cobre o caminho do sol no cu, ento o dispositivo apenas mede a radiao difusa. A superfcie de medio da radiao (termopilha) localiza-se debaixo de uma campnula de vidro e constituda por pares de lminas metlicas em forma de estrela (uma pintada de preto e a outra de branco), com caractersticas distintas de dilatao com o aumento da temperatura. Estes elementos criam foras electromotrizes termoelctricas que podem ser medidas. Os Piranmetros so instrumentos de medida que tem que ser calibrados.

Figura 2.11 - Piranmetro fabricado por Kipp & Zonen

Fonte: Lambrecht, Gttingen



Caso de Estudo: Processo de medio da radiao solar (cont.)

Existem outros dispositivos de medio da irradiao solar, que possuem uma clula fotovoltaica como receptor e que so relativamente mais baratos do que o piranmetros, apresentando no entanto menor fiabilidade.

O dispositivo de medio, mais simples e mais usado, da durao da insolao o Heligrafo de Campbell-Stokes. Determina a insolao concentrando os raios solares com uma esfera de vidro que gera um ponto focal no lado virado para o sol e que est sempre mesma distncia do sol, de tal modo que incide sobre um carto prova de fogo no qual produz um trao queimado. Quando o sol fica coberto por nuvens a queima interrompida.

Figura 2.12 MacSolar

Fonte: solarc, Berlin

Figura 2.13 - Heligrafo de Campbell-Stokes

Fonte: Lambrecht, Gttingen

2.1.3 A influncia da orientao

Os dados e figuras que se apresentaram at agora, referem-se a uma superfcie horizontal receptora, p.e. um telhado em forma de terrao. Para diferentes ngulos de incidncia do sol ao longo do ano, a uma determinada latitude, existe um valor mximo de radiao produzida que poder ser obtido se a superfcie receptora estiver inclinada a um determinado ngulo. O ngulo de inclinao ptimo, para os meses de Inverno (menor radiao) maior que no Vero por causa da menor altura solar.

Para a tecnologia solar so usados os seguintes ngulos:



Tabela 2.3 ngulos utilizados em tecnologia solar

Altura Solar JS Horizonte = 0 Znite = 90 Azimute Solar DS Sul = 0 Este = -90 Oeste = +90

Inclinao Superficial E Horizontal = 0 Vertical = 90 Azimute Superficial D Sul = 0 Este = -90 Oeste = +90

Figura 2.14 - Descrio dos ngulos para a tecnologia solar

Em tecnologia solar uma questo frequentemente colocada a influncia do alinhamento e da inclinao do telhado na insolao.

A figura seguinte mostra os valores medidos em Lisboa para o clculo da mdia anual e semi-anual para a irradiao solar global para qualquer orientao.

As isolinhas de irradiao global so dadas em KWh/m2 por ano ou por semestre. No eixo horizontal pode ser lido o alinhamento e no eixo vertical pode ser lido o ngulo de inclinao.

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Azimute (graus)

Inc

lina

o

(g

rau

s)

400-600 600-800 800-1000 1000-1200 1200-1400 1400-1600 1600-1800 1800-2000

Figura 2.15 - Irradiao solar global para diferentes orientaes da superfcie receptora

Ds

Js

DE

Ds Azimute Solar Js ngulo de elevao solar D Azimute do colector E Inclinao do colector



-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Azimute (graus)

Inc

lin

a

o

(g

rau

s)

300-400 400-500 500-600 600-700 700-800 800-900 900-1000 1000-1100 1100-1200 1200-1300

Figura 2.16 - Irradiao solar global no semestre de vero com diferentes orientaes da superfcie receptora

-180 -150 -120 -90 -60 -30 0 30 60 90 120 150 180

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Azimute (graus)

Inc

lina

o

(g

rau

s)

100-200 200-300 300-400 400-500 500-600 600-700 700-800

Figura 2.17 - Irradiao solar global no semestre de Inverno para diferentes orientaes da superfcie receptora

De acordo com a mdia anual a irradiao ptima encontra-se no alinhamento com a meridional (D = 0) e tendo uma inclinao de E = 30. claro que os valores mais elevados de irradiao, cerca de 70% (1.300 KWh/m2), esto disponiveis no semestre de Vero (Abril a Setembro). O grfico tambm mostra que um desvio do alinhamento ptimo pode ser tolerado para uma larga gama de valores j que no existem perdas significativas de radiao. O ngulo de inclinao ptimo para o semestre de Inverno (Outubro a Maro) de 50, mas desvios direco de alinhamento sul podem provocar perdas de radiao muito rpidas.



Caso de Estudo: Sombras

As sombras reduzem a produo dos sistemas solares trmicos. Para contabilizar a influncia das sombras devidas aos obstculos nas imediaes das superfcies receptoras (casas, rvores, etc.), podem ser usados trs processos.

1. Processo grfico 2. Processo fotogrfico 3. Processo assistido por computador

1. Processo grfico

Neste processo constri-se uma planta, com os detalhes dos objectos que podem fazer sombra relativamente posio do colector, assim como o diagrama da altitude solar para a latitude a que o colector solar ser colocado. De seguida, devero ser definidos os ngulos de elevao e azimute dos objectos e traar a sua sombra no diagrama de altitude solar. Se existirem grandes superfcies afectadas pelo efeito das sombras, em perodos com maiores radiaes do que os esperados, ento a radiao disponvel ser mais baixa do que o expectvel.

2. Processo fotogrfico

Neste processo uma cmara com uma lente olho -peixe usada com um acessrio especial de geometria-solar para fotografar a silhueta dos objectos nas imediaes, ao mesmo tempo que insere o diagrama de altitude solar da respectiva localizao. Os resultados podem ser lidos directamente na fotografia.

3. Processo assistido por computador

Vrios programas de simulao so desenvolvidos com simuladores de sombras (ver Captulo 10). Depois de determinados os ngulos de elevao e azimute para os objectos mais importantes, a influncia da sombra pode ser directamente calculado com a ajuda do sistema de simulao.

2.2 Os limites dos recursos energticos

As fontes de combustveis fsseis disponveis (carvo, petrleo e gs natural e urnio) so exploradas a taxas cada vez maiores, para fazer face s necessidades energticas do nosso planeta. Devido ao limite do stocks, este processo vai inevitavelmente deixar-nos num beco sem sada. A soluo para se lidar com este problema encontra-se no aumento da eficincia energtica, na racionalizao da utilizao da energia e na utilizao de fontes de energia renovveis: sol, vento, gua e biomasa.

A figura seguinte mostra a relao entre as reserves de combustveis fsseis, a energia necessria e a radiao solar disponvel.

Figura 2.18 - O Cubo de energia



O sol disponibiliza por ano mltiplos da energia consumida no mundo, um mltiplo de todas as reservas de combustveis fsseis conhecidas, ou seja:

1500/10185,1 u akWh milhes de bilies de kilowatt horas por ano

Valor 10.000 vezes maior do que o necessrio neste momento. Para alm disso a radiao proveniente do sol tem ainda 5 bilies de anos de vida.

Caso de Estudo: Disponibilidade temporria das reservas de petrleo e gs natural

Petrleo: As reserves de petrleo, que se estimam como garantidas, variam entre 118 a 180 bilies de toneladas, contudo o ltimo cenrio refere apenas as chamadas reservas de petrleo no convencional (petrleo pesado, areias betuminosas, xistos asflticos ou depsitos de petrleo em guas profundas e regies polares). Perante isto, evidente que mesmo efectuando uma extraco anual equivalente a 1995 de 3,32 bilies de toneladas de petrleo estas reservas estaro esgotadas por volta de 2050. Contudo deve-se assumir um cenrio mais realista e assumir uma maior taxa de crescimento do uso das reservas, devido ao aumento do consumo de energia.

Gs natural: No caso das reservas de gs natural a variao encontra-se entre 131 a 153 trilies de m3.Com uma taxa de extraco anual de cerca de 2,3 trilies.m3 (em 1995) as reservas estaro esgotadas dentro de 57 a 65 anos. Verifica-se que os maiores aumentos das taxas de consumo energtico dizem respeito ao gs natural pelo que provavelmente por volta de 2040 as reservas estaro esgotadas.

A questo mais decisiva, para as mudanas estruturais no fornecimento de energia, prende-se com a reduo dos stocks de gs e petrleo que no podero ser mais aumentados, por razes geolgicas, tcnicas e econmicas, mas tende apenas a diminuir. O nvel de extrao mundial mximo dever ser atingido na segunda dcada do sculo 21, i.e. entre 2010 a 2020. Para l deste limite os preos aumentaro significativamente.

Com base na experincia, sabe-se que na rea da inovao tecnolgica os perodos de transformaes levam muitas dcadas, o que quer dizer que devem ser tomadas medidas urgentemente.

A tecnologia solar trmica usa a fonte ilimitada de energia oferecida pelo sol e fornece um contributo activo na dimunio dos perigos relacionados com a diminuio dos recursos energticos.

2.3 Mudanas climticas e as suas consequncias

A utilizao crescente de recursos energticos finitos, nomedamente os recursos fsseis apresentam impactes no clima e no meio ambiente que sofrem mudanas e prejuzos irreversveis que aumentam com a utilizao de combustiveis.

Este problema deve-se emisso de substncias perigosas, tais como o dixido de enxofre, monxido de nitrognio e dixido de carbono. O dixido de enxofre e o monxido de nitrognio so substncias, que contribuem para o aparecimento de chuvas cidas, enquanto que o dixido de carbono contribui para o aumento do efeito de estufa, que responsvel pelo aquecimento da atmosfera terrestre. Neste momento a concentrao de CO2 na atmosfera aumenta a taxas cada vez mais elevadas.



Caso de Estudo: Efeito de estufa

A atmosfera terrestre absorve as radiaes de ondas curtas, que so visveis, numa gama de comprimentos de onda de 0,3 3,0 Pm. Desta absoro resulta um aquecimento da superfcie terrestre e das camadas atmosfricas. Cada corpo aquecido por sua vez irradia calor, de acordo com a sua temperatura. A emisso de calor contudo tem lugar numa gama de comprimentos de onda maior, entre 3,0 e 30 Pm.

Contudo as molculas de CO2 so capazes de reter parte do calor que irradiado da superfcie terrestre para a atmosfera. Este processo chamado de efeito de estufa, uma vez que o CO2 nas camadas da atmosfera apresenta caractersticas semelhantes aos vidros de uma estufa, que deixam a luz sair mas retm o calor. Atravs do processo natural de reteno de CO2 na atmosfera terrestre a temperatura mdia da Terra de 15 C. Sem este processo natural a temperatura mdia seria de 15C. Com a queima do carvo para produes industriais e gerao de electricidade, tais como o uso de produtos de petrleo (gasolina, aquecimento, etc.), a quantidade de CO2 produzida pelas actividades humanas, a partir do sculo 19, aumentou de tal forma que a natureza j no pode compensar este aumento. Consequentemente h um aumento do efeito de estufa, com um aumento crescente da temperatura terrestre.

No meio cientifico consensual que os efeito catastrficos do aumento da temperatura mdia global anual, provoca: x Aquecimento dos oceanos, fuso dos glaciares: Aumento do nvel do mar que consequentemente leva

inundao de algumas regies costeiras, com destruio do patrimnio humano (mais de 1/3 da populao do mundo vive em regies costeiras);

x Alteraes da vegetao: Mudanas considerveis na alimentao, reduo dramtica de variadas espcies;

x Aumento da libertao deCO2 e metano provenientes da descongelao dos solos que aumenta o efeito de estufa;

x A mediterranizao das latitudes temperadas: calor, veres secos, invernos amenos mas com mais chuvas que fazem com que haja armazenamento de gua no Vero e cheias no Inverno;

x Aumento dos ciclones tropicais, cuja formao consequncia do aumento da temperatura dos oceanos; e

x Intensificao de conhecidos fenmenos climatricos (p.e. El Nio).

Somente com a reduo do consumo de energia, maior eficincia do uso das fontes de energia disponveis e o aumento do uso de energias renovveis pode reduzir-se a emisso de CO2 e proteger os recursos naturais.

Figura 2.19 - Efeito de Estufa

1 Radiao solar de baixo comprimento de onda

absorvida pela atmosfera e pela superfcie

terrestre

2 Radiao com comprimentos de ondas

elevados podem escapar parcialmente para o

espao

3 Parte do calor radiado permanece na

atmosfera terrestre e aumenta a sua

temperatura (Efeito de estufa)

4 Produo adicional de gases para o efeito de

estufa, principalmente dixido de carbono

aumentam o efeito de estufa.



2.4 Argumentos a favor dos sistemas solares

Em Portugal a utilizao de colectores solares encontra-se numa fase de arranque, pese embora as condies excepcionais de disponibilidade do recurso energtico e da tecnologia que apresenta o mesmo nvel de outros pases Europeus. Verifica-se que o mercado actual muito pequeno e que as empresas que trabalham no sector so de um modo geral pequenas empresas com capacidades financeiras limitadas. Sente-se ainda a necessidade de formao de pessoal especializado em quantidade para desenvolver o mercado.

No entanto existe um vasto potencial de aplicao estando identificado como sendo de cerca de 2,8 milhes de m2 de colectores em 2010.

Cada metro quadrado de superfcie de colectores solares que se instala contribui para a proteco do clima:

x Os proprietrios destes sistemas no tm que esperar por decises polticas ou mudanas globais. Transmitem uma imagem positiva aos mais jovens;

x Os sistemas solares so um sinal de um nvel de responsabilidade elevado, uma conscincia e empenho em relao proteco ambiental;

x Os proprietrios de sistemas solares tornam-se menos dependentes do aumento dos preos de energia; x Operadores de sistemas solares beneficiam de vantagens em taxas e financiamento do governo; x Sistemas solares trmicos para abastecimento de gua quente so tecnicamente desenvolvidos e tem

um tempo de vida de 20 anos; x Um sistema solar standard instalado na latitude de Portugal pode fornecer energia suficiente para cobrir

a 100% a energia necessria para ter gua quente entre os meses de Maio a Setembro; x A instalao de sistemas solares para aquecimento de gua nas piscinas econmico e pode ser

amortizado num curto espao de tempo; x Durante o tempo de vida til os sistemas solares disponibilizam uma reserva de energia cerca de 13

vezes maior do que a utilizada na sua construo; x Os sistemas solares requerem pouca manuteno e a energia produzida est constantemente

disponvel; x A tecnologia solar cria emprego na produo, instalaes e servios de manuteno; e x Com a diminuio crescente das reservas de energia estamos perante um esforo para a distribuio

relativa. Os que comeam a usar sistemas de energia solar no tempo certo contribuem significativamente para diminuir guerras cujo objectivo passa pelo controlo de recursos energticos.

2.5 Iniciativa Pblica gua Quente Solar para Portugal

Embora Portugal seja um dos pases da Europa com maior incidncia de radiao solar - cerca de 3 mil horas de sol por ano em algumas regies - verifica-se que o mercado nacional de colectores solares para o aquecimento de gua tem uma dimenso muito inferior de outros pases e que o aproveitamento deste recurso renovvel est muito longe de atingir o potencial de 2,8 milhes de m2 de colectores solares, estimado pelo FORUM Energias Renovveis em Portugal em 2001.

No final do ano de 2001 foi lanado o programa Eficincia Energtica e Energias Endgenas, Programa E4, o qual rene um conjunto de medidas para melhorar a eficincia energtica e o aproveitamento das energias renovveis em Portugal, entre as quais a promoo do recurso a colectores solares para aquecimento de gua, quer nos sectores residencial e servios, quer na indstria, a Iniciativa Pblica gua Quente Solar para Portugal (IP-AQSpP).

O objectivo especfico do programa gua Quente Solar para Portugal a criao de um mercado sustentvel de colectores solares para o aquecimento de gua, com nfase na vertente "Garantia da Qualidade", de cerca de 150.000 m2 de colectores por ano, que poder conduzir a uma meta da ordem de 1 milho de m2 de colectores instalados e operacionais at 2010.

Por forma a atingir o objectivo definido, foi delineada uma estratgia de interveno nas seguintes linhas:

A. Promoo de imagem

Prope-se explorar o interesse econmico e social da opo "energia solar" para o aquecimento de gua, atravs da divulgao de uma mensagem que realce os benefcios para o consumidor da utilizao deste vasto recurso energtico, nomeadamente atravs de campanhas dirigidas ao grande pblico e aos



profissionais do sector, a criao de uma linha verde e o desenvolvimento de um website dedicado na Internet, onde estaro disponveis informaes tcnicas e listagens de instaladores e equipamentos certificados.

B. Certificao de qualidade

Esta linha de interveno prope introduzir o conceito de garantia de qualidade dos componentes e das instalaes, gerando maior confiana nos utilizadores, mediante:

x certificao obrigatria de colectores e sistemas solares trmicos, na sequncia de ensaios de qualificao;

x formao e certificao de profissionais (projectistas e instaladores), sendo obrigatrio o recurso a instaladores certificados para acesso aos apoios e incentivos fiscais; e

x garantia mnima dos equipamentos de 6 anos.

C. Observatrio

A tarefa prioritria do Observatrio acompanhar a implementao do programa AQSpP, analisando o que se faz no terreno, atravs da instituio de uma metodologia de apreciao permanente e referenciada dos componentes, instalaes e instaladores, bem como das exigncias dos utilizadores face a este produto, para permitir uma avaliao do progresso e a identificao de medidas correctivas que venham a provar-se desejveis.

Estas grandes linhas de interveno da IP-AQSpP foram definidas para fazer face s maiores dificuldades que inibem o desenvolvimento da energia solar, nomeadamente:

x a sua fraca credibilidade junto dos utilizadores devido falta de qualidade da maioria dos equipamentos e das instalaes da dcada de 80;

x a percepo de custo elevado dos equipamentos pelos utilizadores. x As linhas de interveno previstas preconizam ainda: x a divulgao dos incentivos fiscais no IRS (30% do custo do sistema at um mximo de 700 euros); x a divulgao dos incentivos de apoio directo ao investimento disponveis no MAPE (Medida de Apoio ao

Aproveitamento do Potencial Energtico e Racionalizao de Consumos), que podem atingir 40% dos investimentos em sistemas de colectores solares;

x a promoo de um novo conceito: a venda do servio de energia sob a forma de gua quente solar, que retira todo o risco ao utilizador final por garantir-lhe s o pagamento da gua quente consumida a um preo contratado; e

x o acompanhamento do desenvolvimento dos programas institudos atravs de um Observatrio.

A implementao do projecto da responsabilidade da Direco Geral de Energia, que assegurou a colaborao de quatro instituies (Agncia para a Energia ADENE, Instituto Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial INETI, Sociedade Portuguesa de Energia Solar SPES e Associao Portuguesa da Indstria do Solar APISOLAR) encarregadas de executar tarefas especficas, sempre em articulao entre si, desenvolvendo e explorando sinergias.


COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TRMICO 3.1

3 COMPONENTES DE UM SISTEMA SOLAR TRMICO

Os colectores solares instalados nos telhados convertem a luz, que penetra atravs dos vidros (radiao de onda-curta), em calor. Estes colectores estabelecem a ligao entre a energia proveniente do sol e os utilizadores de gua quente. O calor gerado pela absoro dos raios solares atravs de uma placa metlica que se comporta como um corpo negro a placa absorsora. Est a componente mais importante do colector. Na placa absorsora est incorporado um sistema de tubos que serve para transferir o calor gerado, para o fluido de transferncia trmica, que por sua vez flui para o tanque de armazenamento de gua quente. Geralmente este calor transferido para a gua potvel atravs de um permutador de calor.

Ao arrefecer o fluido de transferncia escoa atravs de uma segunda conduta de volta ao colector, enquanto a gua potvel entretanto aquecida sobe no tanque de armazenamento, criando uma estratificao trmica, na qual a gua aquecida est no topo (onde est localizada a tomada de gua quente) enquanto que a gua fria se encontra no fundo (onde est localizado o abastecimento de gua para aquecimento).

A maioria dos sistemas solares, que so comercializados e instalados funcionam com um fludo de transferncia trmica que composto por uma mistura de gua com anti-congelante para proteger os colectores do perigo de congelamento. Este lquido composto por uma mistura de gua e glicol, que circula num circuito fechado podendo ser utilizado em sistemas de transferncia indirecta de calor atravs de um permutador.

O sistema de comando diferencial serve para activar a bomba de circulao do circuito solar, quando o diferencial de temperatura entre o colector e o tanque armazenamento atingir um valor pr-estabelecido. Quando este valor atingido a bomba de circulao activada e o fluido de transferncia trmica no colector que foi aquecido pelo sol circula para o depsito de gua potvel, onde o calor transferido para a gua atravs do permutador de calor do sistema solar, localizado abaixo do sistema de apoio.

Com as dimenses consideradas standard para uma ou duas famlias (por pessoa, 1 a 2 m2 de superfcie colectora e aproximadamente 50 a 70 l de volume no tanque de armazenamento) a gua potvel pode ser praticamente toda aquecida no Vero, pelo sistema solar trmico. O sistema solar normalmente dimensionado para proporcionar uma cobertura anual de cerca de 50% a 80% das necessidades de aquecimento da gua. Os restantes 20% a 50% tm que ser fornecidos por um sistema de apoio do tipo convencional. A instalao deste sistema de apoio efectuado no topo do tanque de armazenamento de gua potvel atravs dum permutador de calor. Outro factor decisivo para manter o nvel de energia suplementar baixo prende-se com o pr-estabelecimento da temperatura da gua no depsito de armazenamento, ou seja, quanto menor a temperatura necessria, p.e. 45C, maior a proporo de aquecimento coberta pela energia solar e vice-versa.

No captulo seguinte sero introduzidos os componente dos sistemas solares trmicos.

3.1 Colectores

Os colectores servem para converter a maior quantidade de radiao solar disponvel em calor e transferir este calor com o mnimo de perdas para o resto do sistema. Existem diversos tipos e designs de colectores para diferentes aplicaes com custos e performances especficos.



Figura 3.1 - Designs de vrios colectores

Para descrever a geometria dos colectores consideram-se as seguintes reas:

x a dimenso total (superfcie bruta) do colector que corresponde s dimenses exteriores e define, por exemplo, a quantidade mnima de superfcie de telhado necessria para a instalao;

x a rea da superfcie de abertura que corresponde rea atravs da qual a radiao solar passa para o colector;

x a rea de captao que corresponde rea da superfcie da placa absorsora.

Figura 3.2 - Seco transversal com a descrio das diferentes reas das superfcies



Para poder comparar diferentes colectores importante definir uma superfcie de referncia, ou seja, a rea da superfcie para a qual os valores caractersticos do colector foram desenhados. Para os testes aos colectores esta superfcie, de acordo com o mtodo definido na Norma EN 12975 a rea da superfcie de abertura.

Para a determinao do rendimento energtico dos colectores, a superfcie (bruta) do colector no pode ser considerada importante, sendo no entanto decisiva a rea de captao. Como excepo destacam-se os colectores parablicos compostos dado que a superfcie receptora (rea de abertura) decisiva, devido reflexo da radiao total na superfcie reflectora deste tipo de colectores.

3.1.1 Colectores sem cobertura

Estes colectores consistem apenas numa placa absorsora. Podem ser encontrados em variadas aplicaes principalmente como uma placa absorsora de plstico para aquecimento da gua das piscinas (ver Captulo 8). Podem ser encontrados tambm como placas absorsoras selectivas de ao inoxidvel para pr-aquecimento de gua potvel. Este tipo de colectores tem uma menor eficincia relativamente aos colectores planos uma vez que no tm cobertura, revestimento e isolamento trmico sofrendo assim perdas de calor elevadas. No entanto por causa da simplicidade da sua construo estes colectores so mais baratos.

Tabela 3.1 - Comparao de placas absorsoras de ao-inoxidvel colectores planos

Comparao entre produo e custos Produo Custo*Absorsor de ao inoxidvel sem proteco 250-300 kWh/ma 140 160 /m

Colector plano 350-500 kWh/ma 170 300 /m * No inclui manuteno, montagem e IVA

Vantagens do colector sem cobertura:

x a placa absorsora substitui a cobertura do telhado (p.e., revestimento de zinco) para a rea definida pelo dimensionamento, reduzindo os custos na aquisio da cobertura. Assim, o custo da produo de energia mais baixa, devido ao menor investimento na componente de cobertura do telhado;

x est disponvel para diversas formas de telhado: telhados planos, telhados inclinados, ou seja, a instalao destes colectores pode ser adaptada a curvas suaves;

x uma soluo mais esttica para telhados em alumnio.

Desvantagens:

x por causa da baixa performance necessrio instalar uma superfcie de colectores maior do que para outros tipos.

3.1.2 Colectores planos

3.1.2.1 Design de colectores planos

Todos os colectores planos, que esto disponveis no mercado so de absorsores de metal dentro de uma caixa rectangular plana. Os colectores planos tm isolamento trmico isolados na parte inferior e nos lados. Na parte superior existe uma cobertura transparente. Dois tubos ligados para alimentao e retorno do fludo de transferncia trmica esto colocados no lado do colector.

Figura 3.3 - Seco atravs de um colector plano

1. Perfil 2. Vedante 3. Cobertura transparente 4. Caixa pormenor lateral 5. Isolante 6. Placa absorsora 7. Tubo de escoamento do fludo de transferncia trmica 8. Encaixe 9. Caixa pormenor inferior



Os colectores planos pesam entre 15 a 20 kg/m so fabricados em diversos tamanhos desde 1,5 m a 12,5 m e nalguns casos dimenses maiores. No entanto os tamanhos mais comuns so de 2 m, ou seja os colectores apresentam um peso de cerca de 40 Kg por mdulo.

Placa Absorsora

A pea fundamental de um colector plano a placa absorsora. Esta consiste numa chapa metlica com uma absortncia elevada, ou seja uma chapa que apresenta boas caractersticas de absoro de calor (fabricadas, por exemplo, em alumnio ou cobre numa superfcie unitria ou em vrias placas) com revestimento preto-bao ou com revestimento selectivo e tubos de transferncia de calor (usualmente o material utilizado o cobre) ligados ao colector. Desta forma, quando a radiao solar atinge o absorsor esta parcialmente absorvida e parcialmente reflectida. Da absoro da radiao gerado calor, que transferido da chapa metlica para os tubos ou canais de escoamento. Atravs deste tubos de escoamento o fludo de transferncia trmica transporta o calor para os tanques de armazenamento.

Como j foi referido os colectores servem para converter a maior quantidade de radiao solar disponvel em calor e transferir este calor com o mnimo de perdas para o resto do sistema. Assim, o absorsor est optimizado para ter a maior capacidade de absoro possvel e a menor emissividade trmica possvel. Esta optimizao possvel atravs do tratamento da chapa metlica, com um revestimento de pintura preto-bao ou selectivo. Ao contrrio de um revestimento preto-bao, um revestimento selectivo formado por uma estrutura com diferentes camadas que melhora a converso de radiao solar de onda-curta minimizando as perdas.

Chapa Cobre: = 5% Preto-bao: = 15% Revestimento selectivo: = 85% TiNOx: = 95%

Figura 3.4 - Absoro () e emisso atravs de superficies diferentes

Geralmente os revestimentos selectivos mais utilizados so de tratamento electroqumico, como o caso do crmio-preto ou nquel-preto. Contudo os ltimos desenvolvimentos em revestimentos, com melhoria das suas caractersticas pticas, esto disponveis no mercado e esto a ser utilizados, como o caso do TiNOx (revestimento por deposio fsica do tipo sputtering). Este processo caracteriza-se por apresentar um baixo consumo de energia e menores impactes ambientais durante a sua produo em comparao com revestimentos de cromo-preto ou nquel-preto que usualmente so criados atravs de processos de cromagem. Adicionalmente estes revestimentos por deposio fsica apresentam, comparativamente com os outros processos, um aumento de absoro de energia para temperaturas elevadas ou baixos nveis de irradiao solar.

Figura 3.5 - Equipamento de revestimento Fonte: Interpane, Lauenfrde



Caso de estudo: Radiao e interaco com materiais

Quando as ondas-curtas da luz solar (comprimento de onda 0,3-3,0 m) atingem um objecto (p.e., uma cobertura solar) estas so reflectidas de acordo com a estrutura da superfcie (material, rugosidade, cor). Superfcies claras reflectem mais, comparadas com superfcies escuras. A proporo de radiao reflectida (especialmente com superfcies de vidro) tambm dependente do ngulo de incidncia da radiao (lei de Fresnel). A radiao que no reflectida absorvida pelo objecto, ou no caso de objectos de material translcido tambm transmitida atravs desses objectos. A parte absorvida convertida em radiao trmica de ondas-longas (comprimento de onda 3,0-30 m) e radiada de acordo com a estrutura da superfcie.

Este processo descrito fisicamente, como o grau de reflexo, absoro, transmisso e emissividade de um corpo.

Grau de reflexo: incidenteRadiao

reflectidaRadiao U

Grau de absoro (coeficiente de absoro): incidenteRadiao

absorvidaRadiao D

Grau de transmisso: incidenteRadiao

atransmitidRadiao W

Emissividade: absorvidaRadiao

emitidaRadiao H

As variveis U, D, W e H so dependentes do material e do comprimento de onda. O somatrio de U, D e W igual a 1 (100%).

Em tecnologia solar trmica aplica-se a lei de Stefan-Boltzmann, que diz que um corpo emite radiao correspondente 4 potncia da sua temperatura.

4TQ u

Onde Q = Radiao trmica emitida (W/m) V = Constante de Stefan-Boltzmann (5,67x108)(W/mK4)W = Temperatura absoluta de um corpo (K)

Por forma a reduzir a radiao emitida e aumentar a eficincia dos colectores, novos revestimentos foram desenvolvidos. No mercado de energia solar a terceira gerao de revestimentos apareceram recentemente (ver Fig. 3.4).

Absorsor de alumnio roll-bond Fonte: SET

Faixas absorsoras de alumnio com tubos de cobre prensados Fonte: Sunstrip



Absorsor com sistema de tubos prensados entre duas chapas Fonte: KBB

Absorsor com um sistema de tubos soldados numa chapa de metal Fonte: Wagner

Fonte: Energie Solaire

Absorsor de ao inoxidvel no qual o lquido absorsor passa atravs de toda a superfcie Fonte: Solahart

Absorsor de serpentina (superfcie-total)

Absorsor de superfcie-total



Absorsor de superfcie total

Figura 3.6 - Vrios tipos de placas absorsoras

Tabela 3.2 - Vantagens e desvantagens de diferentes modelos de absorsor

Modelo de absorsor Vantagens Desvantagens

Absorsor Roll-bond Boas propriedades trmicas, separao de materiais reciclagem simplificada

Sujeito a corroso do alumnio em contacto com tubo de cobre

Faixa absorsora com tubo de cobre soldado

Tamanho flxivel e barato Muitos pontos de soldadura

Absorsor com sistema de tubo prensadoentre duas folhas de metal

Separao de materiais reciclagem simplificada

Custo elevado de produo por causa das ligaes

Absorsor com sistema de tubos clipados Tamanho flexvel taxa de escoamento

flexvelBaixa optimizao de transferncia de

calor Absorsor de escoamento total em ao

inoxidvel Optimizao ptima de calor para o

liquidoPeso elevado e inrcia trmica

Absorsor em serpentina Dois pontos soldados no sistema de

tubosElevadas perdas de presso em relao

ao absorsor de superfcie total

Absorsor de superfcie total Baixas perdas de presso em relao ao

absorsor em serpentina Muitos pontos de soldadura no sistema

de tubos, preo elevado

Absorsor de superfcie total Baixas perdas de presso em relao ao

absorsor em serpentina Muitos pontos de soldadura no sistema

de tubos

Como material para a chapa do absorsor o cobre possui ptima conduo trmica. Para alm disso a transmisso trmica entre a chapa do absorsor e os tubos de escoamento do fludo tem que ocorrer com a melhor eficincia possvel.

Outro factor importante para uma maior produo de energia prende-se com o aquecimento de uma menor quantidade de fludo de transferncia, permitindo uma reaco mais rpida s alteraes da radiao solar disponvel. No caso de absorsores com canais de escoamento este menor (0,4-0,6 l de fludo de transferncia trmica por m2 da superfcie absorsora) em relao aos absorsores de superfcie total com 1-2 l/m2.

Isolamento

Para reduzir as perdas de calor para o ambiente, atravs de conduo trmica, o colector tem uma camada de isolamento entre a caixa e a placa absorsora.

Uma vez que o colector pode atingir temperaturas mximas entre 150 a 200C (quando est parado), os isolamentos de fibra mineral so os mais indicados para suportar estas temperaturas. necessrio ter em conta o tipo de isolamento utilizado, dado que este no deve derreter, encolher ou libertar gases pois pode dar origem a eventuais condensaes no interior do colector ou mesmo a corroso das superfcie metlicas, reduzindo significativamente a eficcia destes.

Os materiais mais utilizados so: o poliuretano, o poliuretano isento de CFCs, a l de rocha e a l de vidro. O poliuretano isento de CFCs, para alm de ser um isolante trmico, ajuda a melhorar a resistncia estrutural da caixa do colector aumentando o seu peso, nomeadamente para uma rea de superfcie colectora grande. Por causa da falta de resistncia a temperaturas superiores a 130C, estes esto



protegidos por uma camada de fibra mineral de isolamento, na superfcie virada para a placa absorsora (camada-gmea de insolao).

Para alm do isolamento trmico, mencionado nos pargrafos anteriores, existem colectores que esto equipados com um limitador de conveco para reduzir as perdas por conveco (estrutura de plstico entre o absorsor e a cobertura transparente, por exemplo, em Teflon). Alguns colectores so fornecidos com materiais transparentes isolantes debaixo da cobertura transparente.

Caixa e cobertura transparente

A placa absorsora e o isolamento trmico esto instalados numa caixa e esto protegidos com uma cobertura transparente, que provoca o efeito de estufa e reduz as perdas de calor. Os materiais utilizados so geralmente o vidro e ocasionalmente o plstico. Vidro com baixo teor em ferro (vidro muito transparente) com uma espessura de 3-4 mm (factor de segurana) muitas vezes utilizado. O coeficiente de transmisso da luz de 91% no mximo.

A cobertura transparente deve possuir caractersticas que permitam uma elevada transmisso de luz e consequentemente uma baixa reflexo durante a vida til do colector. Para alm disso deve assegurar a estanquicidade do colector gua e ao ar, bem como resistir presso do vento, choques trmicos e impacto de objectos (pedras, ramos, etc...)

Os tratamentos especiais que podem ser aplicados cobertura transparente so:

x tratamento anti-reflexo sobre a superfcie exterior para diminuir as perdas por reflexo dos raios solares incidentes;

x tratamento na superfcie interior para que reflicta as radiaes de elevado comprimento de onda, e no impea a passagem da radiao de onda curta, para diminuir as perdas por radiao.

Por outro lado existe a hiptese de instalao de vidro duplo, que aumenta o efeito de estufa e a temperatura que o fludo de transferncia pode atingir. No entanto as perdas pticas so mais elevadas. Assim, esta cobertura dupla apresenta melhores vantagens para condies metereolgicas adversas, ou seja baixas temperaturas e ventos fortes.

Tabela 3.3 Tipos de cobertura

Cobertura Vidro PlsticoTransmisso Estabilidade a longo prazo Deteriorao

Estabilidade mecnica Estvel Estvel Preo Elevado Baixo Peso Elevado Baixo

Tabela 3.4 Tipos de caixas

Caixa Alumnio Ao Plstico Madeira envernizadaPeso Baixo Elevado Mdio Elevado

Construo Fcil Fcil Mdio Difcil Consumo

energticoAlto Baixo Mdio Baixo

Custo Alto Baixo Baixo Mdio Outros Aumento do tempo de recuperao

energtica e reciclvel Raramente utilizado Pouco Utilizado Material ecolgico,

apenas instalaes integradas no telhado



Caso de estudo: Revestimento anti-reflexo

As coberturas de vidro normalmente utilizadas reflectem cerca de 4% da radiao em ambos os lados da superfcie do vidro. Este factor, em conjunto com a absoro da radiao pelo vidro, permite a transmisso de 91% da luz para o colector solar. Atravs de um tratamento das superfcies do vidro a reflexo reduzida significativamente e a capacidade de transmitir a luz aumentada de 91 para 96%. Neste processo a superfcie da cobertura apresenta rugosidade reduzindo-se o ndice de refraco de 1,53 para 1,3. Assim, a reflexo reduzida ao mnimo.

Figura 3.7 - O efeito do vidro anti-reflexo

Desta forma a eficincia ptica aumenta de 0,8 para 0,86, logo a eficincia do colector aumenta tambm. No que diz respeito aos colectores tpicos a produo sobe 7% a 10%. Para alm disso, os testes realizados durante sete anos ao ar livre provaram a estabilidade do revestimento anti-reflexo, reduzindo-se o aumento de transmisso de 5 para 4,5%.

Este processo de tratamento da cobertura efectuado em circuito fechado, minimizando-se a produo de resduos e de emisses. A gua utilizada tratada e reutilizada no processo de fabrico. Adicionalmente, so geradas pequenas quantidades de clcio e minerais de silicone.

VedantesOs vedantes servem para evitar a entrada de gua, p e insectos. Os vedantes entre a cobertura transparente e a caixa consistem de materiais EPDM ou borracha de silicone. A parte inferior da caixa instalada no encaixe com silicone. Para tubos absorsores conveniente colocar vedante de silicone (temperatura mxima de aplicao 200).

Orifcio para o sensor de temperatura A maioria dos colectores planos so fabricados com um orifcio para o sensor de temperatura. O sensor tem que ser inserido apenas nesse orifcio e conectado ao controlador por um cabo, depois de estar instalado. Para alguns colectores o sensor aparafusado numa faixa da placa absorsora em frente da sada do colector, antes da sada do fludo de transferncia trmica.

Figura 3.8 - Instalao de um sensor no colector

3.1.2.2 Esquema funcional de um colector plano

A irradiao (E0) atinge a cobertura transparente e antes de entrar no colector uma pequena parte da energia (E1) reflectida, nas superfcies internas e externas do vidro. A superfcie selectiva do absorsor tambm reflecte uma pequena parte da luz (E2) e converte a radiao restante em calor. Com um bom



isolamento trmico no colector e usando materiais isolantes no combustveis, tais como a l mineral e/ou poliuretanto sem CFC, as perdas de energia atravs de conduo trmica (Q1) so reduzidas ao mximo possvel.

A cobertura transparente tem a funo de reduzir perdas na superfcie do absorsor, atravs de radiaes trmicas e convectivas(Q2). Isto significa que perdas por conveco e irradiao ocorrem somente para o exterior atravs da cobertura de vidro aquecida.

Assim, da irradiao de energia solar (E0) e retirando os diferentes tipos de perdas (E1, E2, Q1 e Q2) fica o calor remanescente (Q3) que est disponvel para ser utilizado no sistema.

E0 Irradiao E1 e E2 Perdas por reflexo

Q1 e Q2 Perdas trmicas Q3 Quantidade de calor disponvel

Figura 3.9 - Fluxos de energia num colector

Coeficiente de eficincia do colector A eficincia K de um colector definida como a taxa de energia trmica utilizada para o total da irradiao de energia solar: K = QN / E. A eficincia influenciada pelas caractersticas do colector, mais precisamente pelas perdas por reflexo (E1 e E2) e trmicas (Q1 e Q2).

As perdas pticas descrevem a proporo de irradiao solar que no pode ser absorvidas pela placa absorsora, dependem da transparncia da cobertura de vidro (coeficiente de transmisso W) e da capacidade de absoro da superfcie da placa absorsora (coeficiente de absoro D) e so descritas pela eficincia ptica:

u 0As perdas trmicas esto dependentes da diferena de temperatura entre o absorsor e o ar exterior, da insolao e da construo do colector. A influncia da construo descrita atravs do coeficiente global de perdas (UL) em W/mK.

Figura 3.10 - Perdas pticas e trmicas

Perdas pticas

Perdas trmicas

Gama de energia trmica utilizvel



Para uma irradiao constante e com o aumento da diferena de temperatura, entre o absorsor e o ar exterior, as perdas aumentam e a eficincia diminui. Desta forma importante assegurar uma temperatura de retorno baixa e uma irradiao elevada, para um melhor aproveitamento trmico de um sistema solar.

Caso de estudo: Curva caracterstica e coeficiente de perda trmica

A eficincia de um colector pode ser descrita em geral por:

E

QN

Onde QN = Potncia trmica disponvel (W/m) e E = Irradiao que atinge a cobertura de vidro (W/m)

A potncia trmica disponvel calculada atravs da irradiao disponvel no absorsor, convertida em calor retirando as perdas trmicas de transmisso, conveco e irradiao:

VNN QEQ

Onde EN = Irradiao disponvel (W/m) e QV = Perdas trmicas (W/m).

A irradiao disponvel obtida matematicamente, atravs do produto da irradiao que atinge a cobertura de vidro (E) e o coeficiente de transmisso do vidro (W) e o coeficiente de absoro do absorsor (D):

uu EENAs perdas trmicas dependem da diferena de temperatura do absorsor e do ar ('T). Numa primeira aproximao, (para absorsores de baixa temperatura) esta relao linear e pode ser descrita pelo coeficiente global de perdas (W/mK):

TUQ LV 'u

Se forem substitudos os valores na equao de cima obtemos para a eficincia do colector:

E

TU

E

E L 'uuu -

E

TUL 'u 0

Para absorsores de alta temperatura as perdas trmicas no aumentam linearmente com a diferena de temperatura, mas aumentam mais (atravs de uma potncia quadrtica) com o aumento da radiao trmica.

Para este tipo de absorsores a equao caracterstica da curva em segunda aproximao dada pela seguinte equao:

E

TU

E

TU LL2

210

'u

'u

Com UL1 = Coeficiente global de perdas linear (W/mK) e UL2 = coeficiente global de perdas quadrtico (W/mK).

Na literatura refere-se, por vezes, o valor ULef. Este calculado, atravs dos valores de UL1 e UL2:

TUUU LLLef 'u 21

Nos captulos seguintes quando for referido o valor UL a referncia o UL1.

Valores numricos



Os nmeros caractersticos, apresentados anteriormente, servem como critrio de comparao da qualidade de diferentes colectores. Bons colectores planos apresentam uma eficincia ptica K0 > 0,8 e valor de UL < 6 W/mK.

A eficincia mdia anual de um sistema completo com colectores planos de 35-40%, ou seja, para um montante anual de 1.000 kWh/m de radiao solar a produo de energia corresponde a 350 400 kWh/ma. Esta produo assume um sistema dimensionado apropriadamente e o correspondente consumo:

x custo especfico aproximado dos colectores: 170 300 /m (no inclui montagem nem IVA); x custo aproximado do sistema para uma habitao unifamiliar para 4 m/300 l: 2500 (IVA includo

mas no inclui montagem nem acessrios suplementares)

Vantagens e desvantagens dos colectores planos

Vantagens: x mais barato que um colector de vcuo e parablico composto; x oferece mltiplas opes de montagem (sobre o telhado, integrado no telhado, montado na fachada e

de instalao livre); x tem um boa taxa de preo/performance; x permite montagem simples (kits de contruo de colector).

Desvantagens: x apresenta menor eficincia em relao aos colectores de vcuo e colectores parablicos compostos

(CPCs) devido aos elevados valores de UL;x no serve para gerar altas temperaturas, p.e. gerao de vapor, fornecimento de calor para mquinas

de refrigerao; x exige mais espao no telhado do que os colectores de vcuo.

Caso de Estudo: Colector hbrido

Os colectores hbridos so uma combinao de colectores planos trmicos com clulas solares fotovoltaicas, que convertem a luz solar em energia elctrica. O calor que criado, utilizado para aquecer gua potvel. As clulas solares esto isoladas electricamente superfcie de um absorsor, arrefecido por lquido, ao qual esto termicamente ligadas. A produo elctrica tem a mesma proporo que sistemas fotovoltaicos convencionais, enquanto a produo trmica se equipara dos colectores com absorsores no selectivos. Este tipo de colectores continua a ser desenvolvidos estando por determinar o sucesso destes no mercado, em comparao com os modelos que separam os dois tipos de aproveitamento solar.

Figura 3.11 - Spectrum Fonte: Solarwerk Teltow, Solon AG



3.1.3 Colectores Parablicos Compostos (CPCs)

Por forma a reduzir as perdas trmicas existentes nos colectores planos desenvolveu-se uma tecnologia baseada na reduo da rea de absoro, em comparao com a rea de captao da radiao solar. Desta forma reduzem-se as perdas trmicas, tendo em conta que so proporcionais rea do absorsor em contraposio com a rea de abertura.

O modo de funcionamento destes colectores passa pela concentrao da radiao solar, na placa absorsora, atravs dum sistema duplo de absoro da radiao. Assim, os colectores so constitudos por: um sistema de absorsores que permite absorver a radiao de forma semelhante aos colectores planos; um sistema de reflexo da radiao que permite a absoro da radiao na parte inferior do absorsor. Estes colectores so conhecidos como concentradores do tipo CPC (Colectores Parablicos Compostos) devido configurao da superfcie reflectora em forma de parbola.

Figura 3.12 - Colectores Parablicos Compostos Fonte: Ao Sol

A superfcie reflectora, atravs da sua configurao, permite assim concentrar a radiao com a utilizao de materiais espelhados com elevado nvel de reflectividade. O ngulo de abertura destas superfcies permite captar a radiao directa e a difusa tal como nos colectores planos.

Valores numricos

Para os CPCs a eficincia ptica apresenta valores na ordem dos 0,70, semelhantes aos colectores planos no entanto tendo em conta o melhor isolamento trmico o valor de UL < 3,5 W/mK. Os custos do sistema com estes colectores :

x custos especificos do colector: 250 /m (No inclui montagem, reparao e IVA); x custos de sistema para uma habitao unifamiliar para 4m/350l: 3200 (IVA includo mas no inclui

montagem nem acessrios suplementares).

Vantagens e desvantagens de um CPC

Vantagens: x tem elevada eficincia mesmo com elevadas diferenas de temperaturas entre o absorsor e o meio

envolvente (e.g. no vero); x tem uma elevada eficincia com baixa radiao (e.g. no inverno); x suporta aplicaes de calor com mais eficincia do que os colectores planos; x funciona com elevadas temperaturas, e.g. para condicionamento do ar.

Desvantagens: x mais caro do que um colector plano.

Os CPCs consistem em sistemas de concentrao da radiao solar, para obteno de temperaturas mais elevadas, com alto rendimento, devido s menores perdas trmicas, mas com caractersticas de simplicidade que os tornam equivalentes, na montagem e utilizao, aos colectores convencionais planos, pelo facto de se poderem colocar da mesma forma em telhados ou outras estruturas fixas e captar tambm a radiao solar difusa.

3.1.4 Colectores de vcuo



3.1.4.1 Tubos de vcuo

Para reduzir as perdas trmicas num colector, tubos de vidro (com absorsores internos) so sujeitos a vcuo. Por forma a eliminar as perdas de calor por conveco, a presso dentro dos tubos de vidro deve ser pelo menos de 10-2 bar. Um aumento adicional de evacuao reduz as perdas por conduo trmica. Assim, as perdas de calor para a atmosfera so significativamente reduzidas, sendo de realar que mesmo com uma temperatura de absoro de 120C ou maior, os tubos de vidro permanecem frios no seu exterior. A maioria dos tubos de vcuo so evacuados abaixo dos 10-5 bar. No que diz respeito a perdas por radiao, uma vez que as caractersticas de perda do colector no dependem do meio em que este se encontra, no podem ser reduzidas pela criao de vcuo. Estas perdas de radiao mantm-se reduzidas, como no caso de colectores planos, pela seleco de bons revestimentos (valor de H baixo).

Figura 3.13 - Principio de isolamento trmica de vcuo

Placa absorsora, tubo de vidro, colector e caixas distribuidoras

Nos colectores de vcuo as placas absorsoras so instaladas como placas absorsoras planas, convexas ou cilndricas. A forma tubular destes colectores controla, atravs da sua alta compresso, as foras que aumentam com o vcuo.

Um colector de tubo de vcuo consiste num nmero de tubos, que esto ligados entre si pelo topo atravs de um distribuidor ou caixa colectora, no qual se localizam o isolamento e as linhas de alimentao e retorno. Existem dois tipos de colectores de tubos de vcuo: escoamento directo e tubo de aquecimento.

Colectores de tubos de vcuo de fluxo directo

Neste tipo de colectores o fluido de transferncia de calor conduzido atravs de um sistema de tubo-entre-tubo (tubos coaxiais) para a base do absorsor onde flui para a caixa colectora, aumentando a temperatura do fludo, ou flui atravs de um tubo em forma de U.

Os tubos colectores de evacuao de fluxo directo podem ser orientados a sul mas podem ser tambm montados horizontalmente num telhado plano.

Figura 3.14 - Colector de Tubo de Vcuo Fonte: Thermomax, Frigicoll

Outro tipo de tubo colector de fluxo directo o colector Sydney. Este colector consiste num duplo tubo de vcuo selado. O bolbo de vidro interno tem um revestimento de metal e carbono sobre cobre. Neste tubo duplo de evacuao colocada uma placa de conduo trmica em conexo com um tubo em U onde

Conduo de calor

Conveco

Radiao trmica



efectuada a transferncia de calor. Diversos tubos so combinados num nico mdulo (6 a 21 de acordo com o alimentador). Para colectores instalados em telhados inclinados e para aumentar o ganho da radiao o colector calibrado com reflectores externos. Para telhados planos deve ser colocada uma cobertura no telhado com uma boa reflectividade, tal como cascalho ou folha metlica reflectora, porque estes colectores no tm reflectores.

Figura 3.15 - Tubo Sydney Fonte: Microtherm, Lods

No caso de sistemas de tubos de vcuo, desenvolvidos pela Schott, no utilizado metal, consistindo de trs tubos de vidro coaxiais (invlucro, absorsor parcialmente revestido e interno).

Figura 3.16 - Tubo colector Schott

Tubos colectores de calor

Linha de alimentao Tubo de vidro exterior

Placa de conduo trmica Linha de retorno Tubo de vidro interior com revestimento absorsorReflector Espao evacuado



Neste tipo de colectores um revestimento selectivo de metal com propriedades de condutor-trmico, ligado a um tubo de aquecimento, colocado dentro do tubo de vcuo. O tubo de aquecimento preenchido com lcool ou com gua em vcuo, que evaporado para temperaturas a partir dos 25 C. O vapor que criado sobe, transferindo calor por condensao atravs do permutador de calor para o fludo de transferncia de calor. O fludo condensado arrefece e volta a descer para ser aquecido novamente. Para um desempenho apropriado dos tubos estes devem ser instalados com uma inclinao mnima de 25 C.

Tubos colectores de evacuao de calor esto disponveis em duas verses, com ligao seca e com ligao molhada.

Figura 3.17 - Secco transversal de um tubo colector de evacuao de calor com ligao seca, Vitasol 300

Valores numricos

Para tubos colectores de vcuo a eficincia ptica apresenta valores mais baixos, em relao aos dos colectores planos, devido forma do tubo (K0 = 0,6 0,8) no entanto o melhor isolamento trmico reduz o valor global de perdas trmicas UL < 1,5W/mK.

A mdia anual da eficincia, de um sistema completo com coletores de vcuo, encontra-se entre os 45 e 50%. Tendo em conta um valor de irradiao solar anual de 1.000 kWh/m a produo de energia ser de 450 a 500kWh/ma. Assume-se um dimensionamento apropriado do sistema para atingir esta produo.

x Custos especficos do colector: 750 /m (No inclui montagem, reparao e IVA).

Vantagens e desvantagens de um colector de vcuo

Vantagens: x apresenta boa eficincia, mesmo com elevadas diferenas de temperatura entre o absorsor e o meio

envolvente (p.e. no vero); x apresenta boa eficincia com baixa radiao (p.e. no inverno); x suporta cargas trmicas com mais eficincia do que os colectores planos; x atinge elevadas temperaturas, possibilitando a utilizao em sistemas de ar condicionado e produo de

vapor;x facilmente transportado para qualquer local (apresenta um baixo peso e pode ser montado no local da

instalao); x atravs da afinao das placas absorsoras (na montagem, na fbrica ou durante a instalao) estas

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

providenciando menores perdas trmicas, devido ao vento e menores custos de instalao evitando-se a remoo de material do telhado e mantendo a sua estrutura intacta.

Desvantagens x mais caro do que um colector plano; x no pode ser utilizado numa instalao no telhado; x no pode ser usado para instalaes horizontais no caso dos sistemas de tubos de aquecimento

(inclinao no mnimo 25). 3.1.4.2 Colectores de vcuo planos



A sua construo idntica ao colector plano standard. A principal diferena que o isolamento trmico efectuado com um vcuo de 10-1 para 10-3 bar (presso do ar 1 bar = 1.000 mbar) em vez de ser utilizada fibra mineral ou espuma de poliuretano. Este vcuo reduz as perdas trmicas por conveco. Adicionalmente, este colector preenchido com cripton a 50 mbar de modo a reduzir perdas trmicas atravs da conduco. Para suportar as foras causadas pela diferena de presso, entre a presso exterior e interior, elementos de suporte so encaixados entre a base da caixa e a cobertura de vidro (espaamento de 10 cm). Por causa disto, existe um nmero correspondente de buracos no absorsor.

De facto mais correcto falar de um colector plano de vcuo parcial porque neste caso a presso de vcuo significativamente menor, comparada com a presso dos tubos de vcuo. O colector plano de vcuo evacuado depois da instalao e deve ser verificado para certos intervalos de tempo e re-evacuado quando necessrio. Portanto uma linha de vcuo tem que ser instalada. A eficincia ptica K0 do colector plano de vcuo cerca de 0,8 e o valor de k cerca de 2,6 W/mK.

Figura 3.18 - Colector de vcuo plano

Fonte: Thermosolar sales, IFF, Kollmannsberger, KG

3.1.5 Curva caracteristica dos colectores e aplicaes

Apresentam-se, na figura seguinte, as curvas tpicas da eficincia para diferentes tipos de colectores: absorsor para piscina de natao, colector plano e colector de tubo vcuo com a mesma irradiao solar global, bem como a rea de aplicao. Para 'T = 0 o respectivo tipo de colector apresenta a maior eficicia (K0). Para a temperatura mxima, i.. quando atinge a temperatura de estagnao a eficincia igual a zero.

Figura 3.19 - Curva da eficincia caracteristica para diferentes tipos de de colectores e a rea de aplicao



3.1.6 Temperatura de estagnao

Se a bomba de recirculao falhar e na sequncia de irradiao solar elevada, ou se a gua quente no utilizada (por exemplo no tempo de frias) ento o tanque de armazenamento atinge a temperatura de 60C 90C e o sistema desliga, no sendo retirado mais calor do colector. Nesta situao o absorsor aquece at que as perdas de calor, atravs da conveco, radiao e conduo, atinjam o valor de output trmico do colector. Quanto maior o isolamento, mais elevada a temperatura de estagnao. Os colectores planos com bom isolamento, atingem uma temperatura de estagnao mxima de 160 200 C, colectores de tubo de vcuo chegam a 200300 C e com refletores acima de 350C, para os colectores parablicos compostos a temperatura de estagnao da ordem de grandeza dos colectores de tubos de vcuo.

3.2 Tanques de armazenamento de calor

A energia fornecida pelo sol no pode ser controlada e raramente coincide com a variao das necessidades de energia trmica. Desta forma necessrio armazenar o calor solar gerado para ser utilizado quando necessrio. Idealmente deveria ser possvel armazenar a energia trmica gerada durante o vero para ser utilizada no inverno (armazenamento sazonal). Na Suia este armazenamento est a ser feito h vrios anos, em casas que consomem pouca energia, com tanques de armazenamento de gua quente de diversos m3 de volume e reas de superfcie colectora de diversas dezenas de metros quadrados. Existem tanques que armazenam calor atravs de processos qumicos, neste momento apenas disponiveis como prottipos, que devero estar disponveis no mercado dentro de 1-2 anos. Continuam a ser feitos desenvolvimentos tecnolgicos para minimizar o problema das variaes climticas para armazenamentos de 1-2 dias. Algumas das inovaes neste campo so introduzidas na seco dos novos conceitos de tanque de armazenamento.

De acordo com as aplicaes diferenciam-se os tipos de tanques de armazenamento tendo em conta a fora de compresso e o material.

3.2.1 Materiais dos tanques de armazenamento

Os tanques de presso esto disponveis em ao inoxidvel, esmaltados ou revestidos em plstico. Comparativamente com outros tanques de ao os tanques de armazenamento de ao inoxidvel so mais leves e com menores necessidade de manuteno, mas mais caros em relao aos tanques de ao esmaltado. O ao inoxidvel contudo mais sensvel a guas com muito cloro. Os tanques esmaltados tem que ser equipados com magnsio ou com um nodo externo para proteco contra a corroso (fissuras no esmalte). Tambm esto disponiveis tanque de ao revestidos de plstico mais baratos. O revestimento dos tanques (sensvel a temperatura > 80C) no deve ser poroso. Testes realizados maioria dos revestimentos de plstico tem apresentado problemas de fiabilidade. Os tanques de plstico de superfcie livre apresentam sensibilidades a temperaturas muito elevadas.

Figura 3.20 - Depsito de ao vitrificado e nodo de proteo em magnsio

Fonte: Reflex, Senhores do Tempo



Tabela 3.5 - Classificao de tanques de armazenamento solares

Tipo Tanque de Presso Tanque de Superfcie Livre

Tanque de gua potvelAo inoxidvel, Ao esmaltado e

Ao revestido de plstico Tanque de armazenamento regulador Ao Plstico

Tanque de armazenamento Combi Ao, Ao inoxidvel e Ao

esmaltado

3.2.2 Tanques de armazenamento de gua potvel

Um esquema de tanque de armazenamento solar standard apresentado na figura seguinte. Os tanques tm as seguintes caractersticas:

x dois permutadores de calor para duas fontes de calor (bivalente); x ligao directa para o reservatrio de gua fria; x presso de operao do tanque varivel entre 4-6 bar.

Figura 3.21 - Tanque solar standard

O dimensionamento do tanque de armazenamento deve ter em conta a cobertura de 1,5 a 2 vezes a quantidade de gua quente diria utilizada. Assim o volume dever ser de 50 a 70 litros por pessoa (mdia de consumo). Tanques de armazenamento de grandes dimenses podem absorver grandes quantidades de energia, contudo no caso de superficies dos colectores constantes, aumenta a frequncia de utilizao do sistema de apoio, porque o nvel de temperatura no tanque de armazenamento menor que para um tanque menor.

Para o sector domstico, especificamente para casas de uma ou duas familias, os tanques standard tem uma capacidade de 300 a 500 litros. No caso dos tanques de armazenamentos servirem de depsito de gua potvel a temperatura deve ser limitada at cerca de 60 C, dado que o calcrio precipita a altas temperaturas, podendo bloquear a superfcie do permutador de calor. Para alm disso o calcrio depositado gradualmente na base do tanque armazenamento.

Caractersticas de um bom tanque de armazenamento

Existe uma srie de caracteristicas que influenciam a adequabilidade do tanque para armazenamento de calor:

1. Limitaes do tanque de armazenamento de gua quente

Devido variao diria da radiao solar o tanque de armazenamento deve armazenar a gua quente para consumo para cerca de dois dias. Sempre que uma torneira aberta gua fria entra na parte inferior do tanque de armazenamento. Deste modo no tanque existe gua fria, quente e morna. Por causa das



diferentes densidades o efeito de estratificao trmica forma-se

guia tecnico manual solartermico

Documents