Ensaio de coletores: rendimento, modificador de ângulo de incidência, e constante de

3.2.1

Normas para ensaios de coletores

Em meados dos anos 70, começaram a surgir no mercado muitos e novos tipos de coletores solares com diferentes construções, novas inovações. Perante isto, seria necessário desenvolver uma norma para os ensaios de coletores que permitisse assim o acesso a dados de rendimento de coletores em condições comparáveis.

Esta informação é extremamente necessária na medida em que se percebe assim o comportamento global do coletor, isto é, percebe-se como o coletor absorve energia, como a perde, os efeitos dos ângulos de incidência da radiação solar, e os efeitos significativos da capacidade térmica. Para além disto, é essencial também para a previsão da energia fornecida anual de qualquer sistema solar térmico.

De forma a responder a esta necessidade, surgiu a norma ASHRAE 93-77 (1977). Mais tarde surgiram outras normas internacionais ou normas que cada país adaptou às suas características e mercado.

As três normas de ensaios estacionários de coletores solares térmicos mais usadas são, a ASHRAE 93, a ISO 9806-1 e a EN 12975-2.Todas elas descrevem ensaios de constante de tempo que está relacionado com a capacidade térmica do coletor, ensaios de rendimento térmico instantâneo e de modificador de ângulo de incidência. Apenas a norma EN12975 fornece três diferentes procedimentos em ensaios e é utilizada nos ensaios laboratoriais do LES:

1. Ensaio estacionário em ambiente interior; 2. Ensaio estacionário em ambiente exterior; 3. Ensaio quase-dinâmico em ambiente exterior.

3.2.2

Método de ensaio estacionário

O ensaio estacionário, implica que todas as variáveis importantes para a caracterização térmica de um coletor têm de se manter fixas e constantes ao longo do período de ensaio. Variáveis como a radiação incidente no plano do coletor, a temperatura ambiente, a temperatura de entrada do fluido de transferência de calor e o caudal não devem variar mais do que certos limites definidos na norma EN 12975-2:2006. Neste tipo de ensaio, para a obtenção da curva de rendimento a radiação solar deve ser sempre normal à superfície do coletor pelo que não deve variar ao longo do ensaio.

3.2.2.1

Condições de ensaio

Aquando da realização do ensaio deve haver as seguintes condições:

 A radiação solar total no plano do coletor deve ser maior que 700 Wm-2 ;

 O ângulo de incidência da radiação solar no coletor deve pertencer a uma gama de valores para o qual o modificador de ângulo de incidência não varie mais do que do seu valor com incidência normal. Para coletores planos com uma cobertura esta condição é satisfeita para ângulos de incidência na abertura do coletor de menos de 20°;

 Quando a radiação solar difusa é menos de 30%, a sua influência no ensaio não é tida em conta. O coletor não deve ser ensaiado para radiação difusa superior a 30%;

 A velocidade do vento durante o ensaio deve situar-se entre os 2 e os 4ms1;

 Exceto quando especificado, o valor do caudal deverá situar-se em cerca de 0,02 kgs-1 por metro quadrado da área de abertura do coletor. Este valor deve estabilizar e não

variar mais de em cada período de ensaio e não variar mais de entre um ensaio e o seguinte;

 Apenas são consideradas diferenças de temperatura do fluido de mais de 1 K, devido aos erros relativos à precisão dos instrumentos de medida.

Os ensaios em ambiente exterior são normalmente executados com o coletor colocado num dispositivo de seguimento sob condições de dias de céu limpo. Se possível, a temperatura do fluido de entrada não deve variar mais de da temperatura ambiente, permitindo obter de um modo mais preciso e verdadeiro o valor do rendimento ótico do coletor η0. Se o fluido de transferência de calor é a água, a temperatura máxima do fluido não deve ultrapassar os 80ºC.

3.2.2.2

Parâmetros medidos

No método de ensaio estacionário é possível obter diversos parâmetros:

 Área toral, área de abertura e área de absorsor do coletor;

 Capacidade térmica do fluido;

 Irradiância solar incidente no coletor;

 Irradiância solar difusa no coletor;

 Ângulo de incidência da radiação solar no coletor

 Velocidade do vento paralelo ao coletor;

 Temperatura do ar em volta do coletor;

 Temperatura do fluido de entrada e saída;

 Caudal do fluido de transferência de calor.

3.2.2.3

Condições de estacionariedade

O ensaio em estado estacionário inclui um período de estabilização, com a correta temperatura do fluido de entrada, que deverá ser 4 vezes a constante de tempo do coletor (se conhecido), ou não menos de 15 min (se a constante de tempo não for conhecida).

Neste período há alguns parâmetros do ensaio que se devem manter constantes. As condições de estacionariedade são mostradas na seguinte tabela:

Tabela 6 - Condições de estacionariedade de alguns parâmetros medidos em ensaio

Parâmetro Variação permitida a partir do valor médio Irradiância solar global

Temperatura ambiente (em ambiente interior)

Temperatura ambiente (em ambiente exterior)

Caudal mássico do fluido de transferência

Temperatura do fluido de entrada

Fonte: Norma Europeia EN12975-2(2006)

Para se proceder a medidas de rendimento em coletores são necessários diversos equipamentos de medida:

 Equipamentos que forneçam o coletor com fluido com temperatura de entrada controlada, os ensaios são feitos com diferentes temperaturas do fluido de entrada. As temperaturas são medidas através de sondas de temperatura do fluido à entrada e à saída do coletor. È também medida a temperatura ambiente colocando uma sonda na parte posterior do coletor protegida da radiação solar direta de modo a não haver influências na temperatura.

 Radiação solar medida por um piranómetro no plano do coletor.

 Meios de medição do fluxo através das tubagens com medidores de caudal, temperaturas de entrada e de saída.

 Meios de medição de pressão e queda de pressão através do coletor.  Medidor da velocidade do vento

3.2.3

Ensaio quase-dinâmico

O ensaio quase-dinâmico é feito colocando o coletor orientado a sul e assim permanece durante todo o ensaio. Com o movimento aparente do Sol, os ângulos de incidência vão variando. A radiação solar passa a ser considerada em duas componentes – direta e difusa- com modificadores de ângulo correspondentes. Este tipo de ensaio oferece uma caracterização mais completa e para uma gama mais alargada de coletores que podem ser ensaiados, comparando com os ensaios de método estacionário.

Para além disto, as baixas restrições deste método leva a que os ensaios possam ser realizados em mais dias, havendo um melhor aproveitamento principalmente para zonas com variação climática mais acentuada, como os países do centro e norte da Europa.

As grandezas que se pretendem medir neste ensaio são idênticas às grandezas medidas no método de ensaio estacionário.

O sistema de aquisição de dados deve permitir que estas grandezas sejam adquiridas a uma taxa de 1 a 6 segundos. De seguida, devem ser calculadas as médias de cada variável para intervalos de 5 a 10 minutos e associados ao instante temporal central do intervalo, de forma a ser calculado o ângulo de incidência da radiação solar correspondente a esse ponto experimental.

3.2.3.1

Condições de ensaio

Neste tipo de ensaio, existem algumas condições que devem ser respeitadas no que toca por exemplo á velocidade do vento que se deve situar entre 1 e 4ms-1. Em relação á temperatura do fluido de entrada não deve variar mais de . Para além disto o caudal também não deve variar mais de

do valor inicial de 0,02 kgs-1.

Os constrangimentos dos dois métodos experimentais não são muito diferentes, pelo que é possível selecionar dados obtidos no ensaio quasi-dinâmico e tratá-los segundo o método de ensaio estacionário, desde que cumpram as condições de ensaio.

Tal como o método de ensaio estacionário deve haver um período de pré-condicionamento nas mesmas condições.

3.2.3.2

Período de ensaio

O período recomendado para a aquisição do conjunto de dados recolhidos nos ensaios é de 4-5 dias. O número de dias de ensaio no exterior depende das condições meteorológicas em que decorra, que devem garantir uma variabilidade que cubra as condições de operação de um coletor.

Cada sequência de ensaio deve prolongar-se durante 3horas pelo menos. Tal como no ensaio estacionário a temperatura de entrada não deve variar mais de em relação à temperatura ambiente para uma correta determinação do rendimento ótico e os ensaios devem ser feitos maioritariamente em condições de céu limpo. Inclui também valores de ângulo de incidência maiores que 60º e valores onde a diferença entre o modificador de ângulo de incidência relativamente ao valor de incidência normal ao plano do coletor seja maior que 2%.

Apesar de algumas diferenças entre os procedimentos que regem as normas, todas pretendem fornecer os parâmetros de rendimento dos coletores que poderão ser usados para estimar o comportamento a longo prazo dos sistemas solares térmicos instalados.