Sistemas de Aquecimento

COLETORES SOLARES

Aquecimento Solar

Sumário

• Tipos de coletores• Sistemas de aquecimento solar com

coletor solar de placa plana

COLETORES SOLARES

coletor solar de placa plana• Qualidade e Normas• Projeto e Dimensionamento

Coletor reservatório

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Placa plana sem cobertura

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Placa plana com cobertura

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Concentrador fixo

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Tubo evacuado

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Parabólico composto (CPC)

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Parabólico de passagem

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Refrator Fresnel

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Refletor Fresnel

COLETORES SOLARES

Refletor prato esférico

COLETORES SOLARES

Refletor prato parabólico

COLETORES SOLARES

Receptor central

COLETORES SOLARES

Torre solar

COLETORES SOLARES

Tipos de coletores solaresTipo Fator de

concentraçãoTemperatura de operação

típica [ºC]

Tanque receptor solar 1 30-70

Coletor sem cobertura (placa plana, plástico) 1 40

Coletor de placa plana metálico com cobertura 1 60-120

COLETORES SOLARES

Coletor de placa plana metálico com cobertura 1 60-120

Concentrador fixo 3-5 100-150

Tubo evacuado 1 50-180

Parabólico composto [com tracking em 1 eixo] 1-5 [5-15] 70-240 [70-290]

Parabólico de passagem 10-50 150-350

Refrator fresnel 10-40 70-270

Refletor prato esférico 100-300 70-730

Refletor prato parabólico 200-500 250-700

Receptor central 500-3000 500-1000

Sistema de aquecimento solar com coletores de placa plana

• Equipamentos– Coletores Solares;– Reservatórios térmicos;

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– Reservatórios térmicos;– Acessórios.

• Instalações– Funcionamento do sistema;– Configurações.

Energia Solar Térmica

• Projeto personalizado– Clima– Demanda

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– Demanda– Materiais e

componentes

• “Roupa sob medida”

Funcionamento – circulação natural

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Conversão da energia solar em energia térmica.

Coletores Solares

COLETORES SOLARES

Gabinete

Absorvedor

ComponentesPrincipais:

• Placa coletora;• Gabinete.

Radiação SolarAquecimento da Aleta

Área de contatoentre aleta e tubo Aleta

Fluxo de calor pelo absorvedor

COLETORES SOLARES

Condução de Calorpela aleta Convecção

Aquicimento da águaTubo

Água

• Gabinete– Caixa

• Perfil e chapa• Chapa dobrada• Estampada Aleta

Coletores Solares

COLETORES SOLARES

• Moldada

– Isolamento– Cobertura

Cabeçote

Isolante

ChapadeFundo

Perfil de AlumínioExtrudado

- Determinação da potência útil em um coletor solar

Onde:- energia útil [J]

Coletores Solares

η⋅⋅= Tcu IAQ

uQ

COLETORES SOLARES

- energia útil [J]- área de coletor [m2]- irradiação solar horária na superfície do coletor [J/m2]- eficiência do coletor solar

uQ

cA

TI

η

- O fator de eficiência de um coletor solar (Fr)

O fator de eficiência de um coletor solar representa a razão entre a energia que é transmitida ao fluído de trabalho em relação à energia que chega ao coletor solar. Essa eficiência vai depender não apenas das características do coletor, mas

Coletores Solares

COLETORES SOLARES

depender não apenas das características do coletor, mas também das condições operacionais podendo ser representada graficamente como uma “curva de eficiência”

TambfLRR ITTUFF /)()( −+= ταη

TambfLRR ITTUFF /)()( −+= ταη

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

ηη ηη

COLETORES SOLARES

)(ταRF

LRUF

0,00 0,05 0,10 0,15 0,200,0

(Tf -Tamb)/IT

- fator de caracterização da absorção de irradiação

- fator de caracterização das perdas térmicas

Exercício- Calcule a energia térmica absorvida e transferida para água em

uma placa coletora durante o período de uma hora considerando as seguintes condições operacionais:- Temperatura de entrada da água: 20º C e 50º C;- Irradiação solar 800 Wh/m2 no período de uma hora;- Temperatura ambiente: 25º C;

COLETORES SOLARES

- Escolher duas placas, uma para aquecimento de banho e outra para piscina.

Coletores de A a Z

0.7

0.8

0.9

1

efic

iênc

ia d

a pl

aca

cole

tora

placa (I)

placa (II)

placa (III)

• Em certos casos não é possível dizer que o desempenho térmico de uma placa é melhor que

COLETORES SOLARES

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 0.05 0.1 0.15 0.2(Ti - Ta) / I

efic

iênc

ia d

a pl

aca

cole

tora

placa (III)

placa (IV)

uma placa é melhor que o que de outra

• Placa de alto desempenho térmico não necessariamente é melhor do que a de pior desempenho.

Reservatórios Térmicos (Boiler)ComponentesPrincipais:

• Cilindro Interno;• Isolante;

Cilindro InternoCapa de proteçãoexterna

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• Isolante;• Capa de

Proteção;• Aquecedor

auxiliar.

ResistênciaElétrica

IsolamentoTérmico

Plástico Aço Inoxidável Aço Carbono

Vantagens - resistente a corrosão- preço

- resistência à corrosão- resistência mecânica- construção simplificada

- preço- resistência mecânica - construção simplificada

Desvantagens - pouca resistência mecânica a - preço - necessita de revestimento

Vantagens e desvantagens dos materiais utilizados para construção de reservatórios térmicos.

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Desvantagens - pouca resistência mecânica a altas temperaturas- dificuldade de fabricação

- preço - necessita de revestimento especial contra corrosão

- Balanço de energia em um reservatório térmico

Reservatório Térmico

Energiados coletores

Energiapara consumo

Reservatório térmico

Perdas térmicas

COLETORES SOLARES

)()()( ambfresresuffp TTUALQTTCm −−−=−⋅⋅ +

Perdas térmicas

- Balanço de energia em um reservatório térmico

Onde:- massa de água no reservatório [kg]- calor específico da água [4.190 J/kgK]- temperaturas (água, ambiente) [K]

Reservatório Térmico

)()()( ambfresresuffp TTtUALQTTCm −∆−−=−⋅⋅ +

m

pC

ambf TT ;

COLETORES SOLARES

- tempo [s]- energia útil dos coletores [J]- coeficiente de perdas térmicas do reservatório [W/K]- consumo de água aquecida [J]

uQ

resUA)(

resL

t∆

Exercício- Um reservatório térmico inicialmente a 50º C recebeu de coletores

solares um total de 2 MJ no período de uma hora. Sabendo que houve um banho de 10 minutos no período, calcule a temperatura final do reservatório. Dados:- Temperatura do banho: 38º C;- Temperatura de fornecimento da água fria: 20º C;

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- Coeficiente de perdas térmicas do reservatório: 3 W/K;- Vazão do chuveiro: 6 litros/minuto;- Volume do reservatório: 200 litros.

PPR – polipropileno copolímero random Tubos de Cobre

Instalações hidráulicas

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CPVC – cloreto de polivinil clorado

PEX – polietileno reticulado

Instalações hidráulicas

Material Cobre Polipropileno CPVC GerpexTipo metal plástico plástico metal+plástico

(Alumínio+PPR)

Pontos Positivos - alta temperatura de operação- não deforma c/ a temperatura- alta pressão de operação- resistência à UV

- temperatura de operação intermediária (120°C)- bom isolante térmico- sem corrosão- custo- flexibilidade

- facilidade de montagem- bom isolante térmico- sem corrosão- custo

- temperatura de operação intermediária (120°C)- plasticamente moldável- engates rápidos- minimiza o número de conexões- sem corrosão- trajetos complexos

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* Relativo a listagem necessária a instalação de um sistema padrãode 200L operando por circulação Natural. Coletorescolocados a 4m do reservatório. Não considera as conexões de água fria. Cotado nas lojas de material de construção.

Pontos Negativos - corrosão- incrustação- complexidade na montagem- custo elevado- condutividade térmica elevada

- montagem especializada- deformação com a temperatura- baixa resistência ao UV

- baixa temperatura de operação (80°C)- deformação com a temperatura- baixa resistência ao UV

- material importado- custo

Fabricantes Eluma , Termomecânica Amanco, Top Fusion,

Unikap

Tigre Emmeti

* Custo R$ 301,66 R$ 198,00 R$ 239,00 R$ 320,00

Isolamento térmico

Polietileno expandido Polietileno expandido com proteção UV

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Isolamento coberto com chapa de alumínio corrugado

AcessóriosBombas Centrífugas

Controlador Diferencial de temperatura

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TermostatoProgramadores horários

• Curva de Variação de Temperatura

50.000

60.000

70.000

80.000

Te

mpe

ratu

ra (

C)

Temperatura do Boiler Temperatura Ambiente

Funcionamento

COLETORES SOLARES

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70

Horas

Te

mpe

ratu

ra (

C)

• Curva de Consumo

C on su m o d e e n e rg i a

80,00

90,00

100,00

po

tên

cia

co

ns

um

ida

Comum Solar

Funcionamento

COLETORES SOLARES

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

jan feb mar apr may jun jul aug sep oct nov dec média

m e se s d o a n o

po

tên

cia

co

ns

um

ida

(k

Wh

)