Influência de alguns parâmetros no rendimento de um coletor solar térmico

estudo que tem como objetivo perceber a influência de certos parâmetros no rendimento final de um coletor solar térmico, como por exemplo a emissividade do absorsor, diâmetros da tubagem entre outros. Para o estudo foi usado o coletor I (2009) e o modelo de cálculo selecionado, como exposto em 5.4. Como se poderá observar através dos seguintes resultados tabelados, existem parâmetros com mais ou menos influência no rendimento final do coletor.

Tabela 20 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de emissividade do absorsor Emissividade do absorsor Valores 0,05 0,15 0,25 0,6 0,9 0,96 F' 0,907 0,897 0,888 0,864 0,850 0,847 F'η0 0,766 0,758 0,750 0,730 0,718 0,716 F'UL 4,718 5,228 5,677 6,899 7,653 7,781

A emissividade da chapa absorsora influencia o rendimento final de um coletor solar térmico e tem sido um parâmetro cada vez mais em conta na evolução e melhoramentos feitos em absorsores. De facto, absorsores seletivos apresentam emissividades mais baixas e com isso um melhor aproveitamento da energia térmica.

Na tabela 20 pode observar-se isso mesmo, coletores com absorsores de emissividades mais baixas apresentam rendimentos óticos mais elevados e coeficientes de perdas de calor mais baixas e coletores com absorsores de emissividades mais altas apresentam coeficientes de perdas de calor mais elevadas e rendimentos óticos mais baixos.

Tabela 21 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de espessura do absorsor Espessura do absorsor (mm) Valores 0,1 0,2 0,65 1,1 1,55 2 F' 0,768 0,827 0,875 0,885 0,889 0,892 F'η0 0,649 0,698 0,740 0,748 0,751 0,753 F'UL 6,938 7,470 7,912 8,001 8,039 8,060

A espessura do absorsor também influencia o rendimento final de um coletor solar térmico. Coletores com absorsores de maior espessura apresentam maiores rendimentos óticos pois a eficiência da alheta é superior, isto é, mais calor é transferido para o fluido circulante. Pelo contrário, coletores com absorsores mais finos apresentam rendimento mais baixos.

Verifica-se também que para espessuras superiores a1,1 mm a influência no rendimento ótico do coletor é mínima e o coeficiente de perdas de calor aumentam com o aumento da espessura. Comparando com a emissividade, verificamos que a espessura tem mais influência sobre o rendimento ótico e a emissividade sobre o coeficiente de perdas de calor.

O que se verifica neste caso é que o coeficiente de perdas de calor não depende da espessura do absorsor. O parâmetro F'UL é apenas influenciado por F’ já que UL é sempre o mesmo

independentemente da espessura do absorsor.

Tabela 22 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de condutividade do absorsor Condutividade do absorsor (W/mK) Valores 50 130 220 300 350 385 F' 0,642 0,770 0,817 0,837 0,845 0,850 F'η0 0,543 0,651 0,690 0,707 0,714 0,718 F'UL 5,804 6,963 7,382 7,564 7,638 7,680

A condutividade do absorsor reflete a sua capacidade de transferir calor para o fluido circulante. Materiais com maior condutividade permitem maior transferência de calor como o caso de alumínio e do cobre que são os materiais mais utilizados com condutividades de 230 e 380 W/mK respetivamente enquanto materiais como o aço e o ferro têm condutividades de 50 e 72 W/mK respetivamente.

Observando a tabela, verifica-se que coletores com absorsores de materiais pouco condutores têm rendimentos óticos mais baixos e para materiais mais condutores o fator de eficiência da alheta do coletor é pouco alterado tal como acontece com a espessura. Consequentemente, o coeficiente de perdas de calor é também mais influenciado para materiais pouco condutores.

Verifica-se também que a partir de valores de condutividade de 300 W/mK a eficiência da alheta é pouca alterada bem como o coeficiente de perdas de calor.

Novamente à semelhança da espessura do absorsor é possível observar que o coeficiente de perdas de calor não depende da condutividade do material do absorsor.

Tabela 23 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de inclinação do coletor Inclinação do coletor (°) Valores 0 20 45 50 70 75 F' 0,834 0,840 0,843 0,844 0,850 0,852 F'η0 0,709 0,710 0,713 0,713 0,718 0,720 F'UL 7,647 7,606 7,439 7,389 7,125 7,042

A inclinação do coletor para além de influenciar o coeficiente de perdas de calor influencia consequentemente a eficiência da alheta. No entanto, contrariamente aos parâmetros anteriores a eficiência da alheta tem alterações pouco significativas bem como o coeficiente de perdas de calor.

Verifica-se que com o aumento da inclinação do coletor a eficiência da alheta sobe ligeiramente e o coeficiente de perdas de calor decresce ligeiramente.

O ângulo ótimo do coletor para se atingir a eficiência máxima, será com o coletor orientado a sul com o ângulo igual à latitude do local.

Em termos de influência do espaçamento entre o absorsor e a cobertura, verifica-se que o parâmetro F'UL diminui até um mínimo, havendo de seguida um pequeno aumento e depois

novamente uma ligeira diminuição. O mínimo dá-se por volta dos 10mm de espaço absorsor- cobertura.

No entanto, valores abaixo de 10mm não são aconselháveis pois verifica-se um grande aumento do coeficiente de perdas de calor. Será aconselhável termos coletores com espaçamentos absorsor- cobertura entre os 20-30mm. No caso do coletor escolhido (I) o valor do espaçamento é de 30mm.

Gráfico 4 - Influência do espaçamento absorsor-cobertura

Tabela 24 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de distância entre tubos

Distância entre tubos (mm)

Valores 40 70 100 140 160 200 F' 0,959 0,920 0,875 0,810 0,777 0,711 η0 0,845 0,845 0,845 0,845 0,845 0,845 F'η0 0,810 0,777 0,739 0,684 0,656 0,601 UL 10,7 9,035 9,034 9,035 9,033 9,042 F'UL 8,667 8,312 7,905 7,319 7,019 6,429

Quanto à distância entre tubos, verifica-se que para distâncias maiores o rendimento ótico F’η0

cai consideravelmente, isto porque existe menos tubagem e o fator de eficiência da alheta F’ diminui. Pelo contrário, quanto menor a distância entre tubos significa que existe mais tubagem no sistema de captação e o fator de eficiência é maior.

Verifica-se também que para distâncias superiores a 70mm o parâmetro UL sofre poucas

alterações o que permite concluir que o facto do parâmetro F’UL sofrer alterações deve-se ao fator de

eficiência da alheta F’.

Tabela 25 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de coeficiente de transferência de calor no interior dos tubos

Coeficiente de transferência de calor no interior dos tubos (W/m2K)

Valores 300 400 500 700 850 1000

F' 0,849 0,870 0,882 0,898 0,904 0,909 F'η0 0,717 0,735 0,746 0,758 0,764 0,768 F'UL 7,674 7,860 7,976 8,112 8,174 8,218

A grandeza que reflete a capacidade de transferência de calor para o fluido que circula nas tubagens é o coeficiente de transferência de calor no interior dos tubos hfi.

Pela tabela acima, verifica-se que para maiores valores de coeficiente de transferência de calor a eficiência da alheta vai aumentando gradualmente, isto porque mais calor é transferido para o fluido circulante.

No entanto, o coeficiente de perdas de calor não depende deste coeficiente e por isso para maiores valores de F’ maiores serão os valores de perdas de calor F’UL.

Tabela 26 - Comparação de eficiência alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de velocidade do vento Velocidade do vento (m/s) Valores 0 1 1,75 3,5 5,2 6 F' 0,867 0,861 0,856 0,847 0,841 0,839 F'η0 0,732 0,727 0,723 0,716 0,711 0,709 F'UL 6,768 7,065 7,328 7,785 8,076 8,180

A velocidade do vento representa um parâmetro que influencia principalmente o coeficiente de perdas de calor pelo topo do coletor. Perante os valores obtidos é possível reparar que quanto maior a velocidade do vento maior serão é o coeficiente de perdas de calor por convecção pelo coletor e seu rendimento ótico diminui pois já não se verifica um aquecimento tão elevado da cobertura do coletor, reduzindo o efeito da absorção solar no coletor.