O Clima

Os problemas climat´ericos n˜ao s˜ao novidade, a utiliza¸c˜ao de combust´ıveis f´osseis provocam enormes impactos no meio ambiente e no pr´oprio clima. As emiss˜oes

de gases perigosos tais como como di´oxido de enxofre, mon´oxido de nitrog´enio e di´oxido de carbono, tomaram propor¸c˜oes impressionantes. O di´oxido de enxofre e o mon´oxido de nitrog´enio s˜ao substˆancias que contribuem fortemente para o aparecimento de chuvas ´acidas, enquanto que o di´oxido de carbono contribuem fortemente para o conhecido efeito de estufa que provoca o aquecimento da atmosfera terrestre. O CO2 tem de momento uma concentra¸c˜ao desmedida e as suas taxas

continuam a aumentar irresponsavelmente. Apesar de o tratado de KYOTO e a Cimeira de Copenhaga terem ajudado a alertar o mundo para os problemas, o grande problema subsiste, os pa´ıses que mais poluem, n˜ao concordam com estes tratados. Na tentativa de mudar este facto diversos pa´ıses e entidades tentaram a cria¸c˜ao de um novo tratado que n˜ao foi ractificado por pa´ıses como a China, ´India, Brasil entre outros, que s˜ao pa´ıses com economias emergentes, que continuam a aumentar as emiss˜oes de gases para atmosfera.

As consequˆencias do efeito de estufa s˜ao desastrosos e preocupantes a curto prazo:

- Aquecimento dos oceanos, fus˜ao dos glaciares levando ao aumento do n´ıvel m´edio das ´aguas do mar, sendo que 1/3 da popula¸c˜ao do mundo vive em regi˜oes costeiras; - Altera¸c˜oes na vegeta¸c˜ao reduzindo dramaticamente de variadas esp´ecies;

- Aumento da liberta¸c˜ao de CO2 e metano provenientes da descongela¸c˜ao dos solos

que aumenta o efeito de estufa;

- A ”mediterraniza¸c˜ao”das latitudes temperadas: calor, ver˜oes secos, invernos amenos mas com mais chuvas;

- Aumento dos ciclones tropicais devido ao aumento de temperaturas dos oceanos; - Intensifica¸c˜ao de conhecidos fen´omenos climat´ericos (tal como EL Ni˜no).

Todos estas consequˆencias, devido a aquecimento global levando ao descongelamento das calotes polares, chuvas ´acidas e destrui¸c˜ao da fauna e ecossistemas.

3

Sistemas Solares T´ermicos

Os sistemas solares t´ermicos encontram-se numa fase de alguma expans˜ao. Atrav´es de incentivos do estado portuguˆes, passaram-se a formar t´ecnicos especializados na ´area. O modo de funcionamento de um colector solar ´e relativamente simples e consiste na convers˜ao da luz que incide atrav´es de um vidro em calor. Este calor n˜ao ´e mais de que, radia¸c˜ao de onda-curta. Os colectores solares ”transferem”a radia¸c˜ao para a ´agua. O calor ´e gerado pela absor¸c˜ao dos raios solares atrav´es de uma placa met´alica que se comporta como um ”corpo negro”, a que se d´a o nome de placa absorsora. A placa absorsora, transfere o calor gerado para um flu´ıdo de transferˆencia t´ermica atrav´es, de um sistema de tubos que por sua vez, flui para um dep´osito de armazenamento de ´agua quente. O calor do flu´ıdo ´e transferido para a ´agua pot´avel atrav´es de um permutador de calor. Ao arrefecer, o flu´ıdo de transferˆencia escoa atrav´es de uma segunda conduta de volta ao colector, entretanto a ´agua pot´avel j´a aquecida sobe no termoacumulador criando desta forma uma estratifica¸c˜ao t´ermica, na qual a ´agua quente se encontra no topo, enquanto que a ´agua fria se encontra no fundo.

A maioria dos sistemas solares trabalha com um flu´ıdo de transferˆencia, composto

por uma mistura de ´agua com anti-congelante de forma a proteger os sistemas de um poss´ıvel congelamento. O anti-congelante, n˜ao ´e mais do que uma mistura de ´agua e glicol que circula num circuito fechado. Existem dois sistemas b´asicos solares t´ermicos:

- Sistemas de circula¸c˜ao for¸cada; - Sistemas de termossif˜ao.

O sistema de circula¸c˜ao for¸cado ´e um sistema mais completo. ´E um sistema que cont´em uma bomba de circula¸c˜ao do circuito solar que ´e controlada por um sistema de comando diferencial. O sistema diferencial liga a bomba de circula¸c˜ao quando, o diferencial de temperatura entre o colector e o termo-acumulador atingir o diferencial programado pelo utilizador. Quando o diferencial ´e atingido o flu´ıdo que foi aquecido ao sol, circula para o dep´osito de ´agua pot´avel, onde ´e transferido para a ´agua do permutador de calor do sistema solar. A figura 3.1 representa uma instala¸c˜ao do tipo for¸cado numa moradia:

23

Por sua vez o sistema de termossif˜ao ´e um sistema que possui o dep´osito de ´agua pot´avel acima dos colectores solares, mas na mesma estrutura. E um sistema´ fechado, em que o flu´ıdo em contacto com a placa absorsora do colector, aquece diminuindo a sua densidade fazendo este, subir at´e ao dep´osito, criando ”lugar”para o flu´ıdo mais frio no interior do colector, proveniente do fundo do dep´osito e desta forma ´e estabelecido um processo natural de circula¸c˜ao do flu´ıdo. A figura 3.2´e um exemplo de um sistema do tipo termossif˜ao:

Figura 3.2 – Sistema solar termossif˜ao

Estes sistemas s˜ao dimensionados, para proporcionar uma cobertura anual de cerca de 50 a 80% das necessidades de aquecimento de ´agua. O restante ´e fornecido por um sistema de apoio convencional (caldeira a g´as, biomassa, ou diesel). O apoio ´e ligado no termo-acumulador e usualmente na parte superior do mesmo, atrav´es de um permutador de calor.

Maior temperatura, implica mais energia necess´aria para a atingir, energia essa que caso seja bem ajustada permite o aquecimento de uma maior quantidade de ´agua. Seguidamente ser˜ao explicados mais detalhamente os componentes dos sistemas solares t´ermicos.

3.1

Colectores solares e a sua constitui¸c˜ao

Os colectores solares s˜ao os respons´aveis na convers˜ao da radia¸c˜ao solar dispon´ıvel em calor e transferir o calor para o restante sistema. Pretende-se que este componente tenha o m´ınimo de perdas poss´ıvel. Com a evolu¸c˜ao deste tipos de sistemas, apareceram diversos colectores solares com configura¸c˜oes variadas e com custos e performances diferentes.

Os colectores solares podem ser classificados segundo a sua tecnologia de concep¸c˜ao (figura: 3.3):

- colector sem vidro absorsor; - colector plano;

- colector com limite de convec¸c˜ao;

- colector com isolador t´ermico transparente; - colector de v´acuo plano;

3.1. COLECTORES SOLARES E A SUA CONSTITUIC¸ ˜AO 25

Figura 3.3– Classifica¸c˜ao dos tipos de colectores

Para caracterizar a geometria dos colectores ´e necess´ario ter em conta trˆes factores:

- a dimens˜ao total;

- a ´area da superf´ıcie de abertura; - a ´area de capta¸c˜ao.

A dimens˜ao total de um colector, ou superf´ıcie bruta corresponde `as dimens˜oes exteriores, definindo desta forma a ´area de superf´ıcie m´ınima necess´aria para a instala¸c˜ao. Por sua vez, a ´area da superf´ıcie de abertura, ´e definida pela ´area atrav´es da qual a radia¸c˜ao solar passa para o colector. Atrav´es da superf´ıcie de abertura, s˜ao comparados os diferentes colectores, segundo o definido pela norma EN 12975. A ´area de capta¸c˜ao corresponde `a ´area da superf´ıcie da placa absorsora.

Podemos observar na figura3.4, a defini¸c˜ao das ´areas referidas.

Figura 3.4 – Identifica¸c˜ao das ´areas colectores solares

3.2

Colectores sem cobertura

S˜ao constituidos apenas por uma placa absorsora, poder˜ao ser encontrados colectores deste tipo com a placa em pl´astico ou placas absorsoras selectivas em a¸co inoxid´avel. Este tipo de colectores pode ser encontrado em aplica¸c˜oes como aquecimento da ´agua de piscinas (placa absorsora em pl´astico) ou em pr´e-aquecimento de ´agua pot´avel para banhos (placa absorsora em a¸co inoxid´avel).

Existem algumas vantagens para um colector sem cobertura:

- a placa absorsora substitui a cobertura do telhado, reduzindo desta forma, os custos de aquisi¸c˜ao da cobertura logo, n˜ao existe investimento na cobertura;

3.3. COLECTORES PLANOS 27

- ´e poss´ıvel obter este tipo de colectores em diversas formas como por exemplo, telhados suavemente curvados;

- ´e uma excelente op¸c˜ao est´etica para telhados em alum´ınio; - custo de aquisi¸c˜ao baixo.

Contudo, este tipo de colector apresenta uma enorme condicionante, a performance ´e bastante baixa, obrigando a instalar uma superf´ıcie de colectores muito superior a outros tipos de colectores dispon´ıveis.

3.3

Colectores planos

Os colectores planos s˜ao constru´ıdos com absorsores de metal. Este absorsor est´a inserido numa caixa rectangular plana. Os lados dessa caixa e a parte inferior s˜ao isolados com um isolante t´ermico. A parte superior ´e transparente contitu´ıda por um vidro resistente. Nos lados do colector est˜ao ligados dois tubos para alimenta¸c˜ao e retorno do flu´ıdo de transferˆencia t´ermica.

Este tipo de colector pesa normalmente entre 15 a 20 kg/m2 _{e existem em diversos}

tamanhos dependendo do fabricante e do campo de aplica¸c˜ao. O rendimento de um colector solar plano depende em grande parte da sua placa absorsora. A placa absorsora ´e constitu´ıda por uma chapa met´alica com uma capacidade de absor¸c˜ao de calor elevada. S˜ao normalmente constru´ıdas em alum´ınio ou cobre, numa superf´ıcie ´

unica ou em diversas placas. Desta forma construtiva, quando a radia¸c˜ao solar atinge o absorsor, ´e absorvida parcialmente e a outra parte ´e reflectida. Esta absor¸c˜ao origina o calor que ´e transferido da chapa met´alica para os tubos ou canais de escoamento. Atrav´es dos canais de escoamento, o flu´ıdo de transferˆencia t´ermica transporta o calor para os tanques de armazenamento.

O absorsor esta optimizado para ter a maior capacidade de absor¸c˜ao poss´ıvel e a menor emissividade t´ermica poss´ıvel, esta optimiza¸c˜ao ´e realizada atrav´es de um

tratamento dado `a chapa met´alica, com um revestimento de pintura preto-ba¸co ou selectivo. O revestimento selectivo ´e formado por uma estrutura com diferentes camadas que melhora a convers˜ao de radia¸c˜ao solar de onda-curta minimizando as perdas. Os revestimentos selectivos, s˜ao resultado de um tratamento electroqu´ımico e inicialmente eram revestidos a cr´omio-preto ou n´ıquel-preto contudo, mas, recente- mente apareceram novos revestimentos como o T iNOx, que consistem numa deposi¸c˜ao

f´ısica do tipo ”sputtering”.

Estes revestimentos selectivos de ´ultima gera¸c˜ao vieram trazer grandes benef´ıcios pois, s˜ao reduzidos os consumos de energia e os impactos ambientais em compara¸c˜ao com os revestimentos n´ıquel-preto ou cromo-preto. As figuras 3.5, 3.6 demonstram o grau de absor¸c˜ao ap´os cada um dos tratamentos poss´ıveis para a placa absorsora e os tipos de placa absorsora do mercado respectivamente:

3.3.1

Isolamentos

Um colector solar pode atingir temperaturas entre 150 e 200oC, caso n˜ao esteja a ocorrer consumo na instala¸c˜ao. Para tal, para suportar temperaturas t˜ao elevadas, ter˜ao de ser utilizados os materiais para isolamentos de fibra mineral. ´E necess´ario que o isolamento n˜ao derreta, encolha ou liberte gases, sob pena de serem criadas condensa¸c˜oes no interior do colector, ou mesmo, chegar ao ponto de corros˜ao das superf´ıcies met´alicas, reduzindo a sua efic´acia. Para a realiza¸c˜ao dos isolamentos, s˜ao utilizados normalmente os seguintes materiais:

- poliuretano;

- poliuretano isento de CFCs; - l˜a de rocha;

3.3. COLECTORES PLANOS 29

Figura 3.5 – Absor¸c˜ao e emiss˜ao atrav´es de superf´ıcies diferentes

Figura 3.6– Tipos de absorsores

Contudo, o isolamento mais utilizado ´e de poliuretano isento de CFCs pois al´em das boas caracter´ısticas como isolante t´ermico, ajuda a aumentar a resistˆencia estrutural da caixa do colector aumentando o peso. Por causa da falta de resistˆencia a temperaturas superiores a 130oC, estes est˜ao protegidos por uma camada de fibra mineral de isolamento, na superf´ıcie virada para a placa absorsora, ´e a chamada camada-gˆemea de insola¸c˜ao.

Neste ˆambito ´e de nomear ainda que, existem no mercado colectores solares que est˜ao equipados com um limitador de convec¸c˜ao para reduzir as perdas por convec¸c˜ao. Este limitador consiste, numa estrutura de pl´astico entre o absorsor e a cobertura transparente por exemplo, o Teflon.