Os resultados foram comparados para modelos de irradiação em superfície inclinada, coletor solar e todo o sistema. 77 Tabela 34 - Comparação da temperatura na saída do coletor na média mensal (◦C) 78 Tabela 35 - Comparação da temperatura na saída do coletor na média mensal (◦C).
Fundamentos da Energia Solar
- Irradiação Solar
- Ângulos Básicos
- Irradiação Direta em Superfície Inclinada
- Irradiação Extraterrestre em Superfície Horizontal
- Obtenção de dados de irradiação horários a partir de dados diários
- Obtenção das Componentes Direta e Difusa da Irradiação Global (mé-
- Hora Solar
Para estudar a radiação solar incidente sobre uma superfície, são definidos diferentes ângulos em relação às coordenadas geográficas do local, à posição do sol em relação à superfície ou à orientação da superfície em relação à Terra. A declinação do sol é definida como a posição angular do sol ao meio-dia solar em relação ao plano equatorial, definida como positiva no hemisfério. a) Definição (http://www.pucrs.br/fisica/astronomia/coor-equatoriais2.php).
Dados Meteorológicos
Passos (1) examinou esses bancos de dados de irradiância solar brasileiros e concluiu que o mais atual e confiável é o do projeto SWERA no que diz respeito à abordagem de simulação SAS.
Temperatura da água de abastecimento
Perfil de Consumo de Água Quente
Na determinação de um consumo diário total arbitrado, este perfil pode ser aplicado multiplicando a percentagem de cada hora pelo valor total e tomando o consumo de cada hora do dia.
Descrição de Sistemas de Aquecimento Solar
Coletor Solar de Placa Plana
Linha de Eficiência do Coletor e os Testes padronizados
No Brasil, o Programa Brasileiro de Etiquetagem (PBE), projeto coordenado pelo INMETRO, realiza testes padronizados de diversos painéis solares disponíveis no mercado. Via de regra, as medições ocorrem em modo de operação quase constante do coletor. Os valores de eficiência obtidos são mostrados no gráfico η em função de (Te−Ta)/GT.
A partir desta analogia, obtém-se a equação da reta ajustada e, em seguida, são determinados os valores dos parâmetros FR(τ α) e FRUL, que são equivalentes ao coeficiente linear e ao coeficiente angular desta reta, respectivamente. Portanto, o produto transmissão-absorção das condições utilizadas nos testes corresponde a uma incidência aproximadamente normal de irradiação direta e pode ser escrito como (τ α)n. Além disso, os testes definem apenas uma vazão de líquido para testar cada coletor, o que pode não ocorrer na prática.
Reservatório Térmico
Aquecedores Auxiliares
Desempenho do sistema
Programas Computacionais
A seguir são apresentados modelos para cálculo da radiação absorvida pelo coletor solar, do calor útil por ele fornecido e do balanço energético no reservatório térmico. O programa foi desenvolvido no ambiente computacional MATLAB (26), e trabalha com água SAS com circulação forçada, que envolve coletor solar e reservatório térmico com aquecedor auxiliar interno.
Concepção do Programa
Existe um controlador no sistema que aciona a bomba somente quando há diferença mínima de temperatura, fornecendo calor ao reservatório. Portanto, com um gradiente de temperatura negativo, o fluxo em contracorrente do tanque para o coletor não é permitido. O modelo utilizado para o coletor solar utiliza a equação que representa a linha de eficiência obtida através de testes padronizados.
Irradiação incidente no coletor
Irradiação Total Horária em Superfície Inclinada
- Modelo do Céu Isotrópico
Ambos requerem valores de radiação global e radiação difusa (ou direta), ocorrendo em uma superfície horizontal. Ao calcular a radiação incidente, é necessário incluir um fator de visão para o céu Fc−s = (1 + cosβ)/2 (para difusão isotrópica) e um fator de visão para o solo Fc−g = (1−cosβ) / 2 (para o refletido). Este modelo, desenvolvido por Hal e Davies, é semelhante ao modelo isotrópico do céu, mas leva em consideração a parte solar circular da radiação difusa, que é então dividida em duas partes: isotrópica e circular.
Hal e Davies estimaram a fração da radiação difusa considerada circunsolar e determinaram que sua direção era idêntica à da radiação direta (5). Foi definido um índice de anisotropia, Ai, que determina a fração da radiação difusa horizontal que é tratada como circular. Em dias claros, este índice é elevado e a maior parte da radiação difusa será tratada como circular.
Coletor Solar
Reservatório Térmico
Aquecedor elétrico auxiliar
Balanço de Energia
Substituindo as equações componentes na equação (2.9), obtemos: 2.13) onde T+ representa a temperatura do reservatório ao final de um incremento de tempo∆t. Nesta equação, os seguintes termos diferem a cada passo de tempo: GT, Ta, Taf e Ta0, que se referem aos dados ambientais e m˙af, que está relacionado ao consumo de água quente. Os demais termos são parâmetros relacionados às propriedades físicas do coletor e reservatório e são constantes ao longo da simulação, com exceção de P˙aux, que será explicado posteriormente.
Devido à presença de um aquecedor elétrico, algumas considerações devem ser levadas em consideração antes de determinar os valores finais da energia fornecida pelo aquecedor e pelo deT+. O passo de tempo é definido pelo usuário, deve-se tomar cuidado para evitar problemas de instabilidade conforme descrito em (5). O programa pode operar com qualquer intervalo de tempo, mas esta definição depende da disponibilidade dos dados de entrada.
Determinação da Temperatura ao Final do Incremento e da Energia Au-
Controlador da bomba
Desempenho do sistema
Dados de entrada
- Dados de Irradiação Incidente
- Consumo de água quente
- Temperatura da Água da Rede
- Definição do Passo de Tempo
O arquivo de dados meteorológicos (formato EPW) contém valores médios mensais relativos à temperatura do fundo para alguns níveis de profundidade. Neste programa são adotados tais valores para a temperatura da água da torneira, necessários para calcular a carga térmica do consumo de água quente. Como trabalhamos com a integração numérica de uma equação diferencial (Equação 2.12), deve-se ter cautela na definição do intervalo de tempo.
Segundo Duffie e Beckman (5), passos de tempo muito grandes podem causar instabilidade na integração numérica. Métodos de interpolação aplicados aos dados de entrada permitiriam a utilização de intervalos de tempo menores na simulação, aumentando a estabilidade da integração. De acordo com Duffie e Beckman (5), intervalos de tempo horários têm sido utilizados em simulações SAS sem problemas de estabilidade de integração.
Algoritmo
A validação deste programa foi realizada com base em exercícios resolvidos por Duffie e Beckman (5) e através da comparação com valores obtidos no ambiente de simulação computacional TRNSYS versão 15 (33). Finalmente, várias configurações completas do sistema, incluindo o modelo de radiação incidente, coletor solar e reservatório térmico, foram simuladas pelo presente programa e pelo TRNSYS, e os resultados foram comparados.
TRNSYS Transient Simulation Program
- TYPE 16 - Radiation Processor
- TYPE 1 - Flat Plate Solar Collector
- TYPE 4 - Stratified Fluid Storage Tank
- TYPE 3 - Pump Or Fan
- TYPE 2 - On/off Diferencial Controller
- Rotinas de integração e soluções de sistemas de equações
A documentação do programa descreve os modelos físico-matemáticos utilizados para cada componente, seguido da lista de referências bibliográficas que os suportam. Neste caso, o valor é lido a partir dos valores de saída de um componente diferente do sistema em cada intervalo de simulação. Os componentes TRNSYS usados para validar este programa são detalhados abaixo.
Para P AR 1 = 1, as irradiações horizontais difusa e direta são calculadas apenas a partir do valor de entrada da irradiação horizontal total, em método desenvolvido por Reindl, semelhante ao descrito na seção 1.1.6. P AR1 = 5 define que a irradiação de entrada será a irradiação total e a irradiação difusa sobre uma superfície horizontal. O modelo leva em consideração a definição das posições de entrada e saída de líquido no tanque e a existência de aquecedores auxiliares internos a gás e eletricidade.
Validação da irradiação incidente no coletor
Dentre os algoritmos de integração disponíveis no TRNSYS, o mais utilizado e, portanto, adotado por padrão é o método de Euler modificado. Este é um método preditor-corretor de primeira ordem que usa o método de Euler para prever a altura e a regra trapezoidal para corrigir a altura. A vantagem de um algoritmo de integração preditor-corretor para resolver um sistema de equações algébricas e diferenciais simultâneas é que os cálculos iterativos em um único intervalo de tempo são realizados com base em um valor constante de tempo (o que não ocorre com os algoritmos de Runge-Kutta). (5).
Validação do coletor solar
Comparação de dados: Os valores do fluxo de calor fornecido pelo coletor e da temperatura da água de saída foram calculados de hora em hora durante um ano com o programa atual e o TRNSYS e, em seguida, os resultados foram comparados.
Validação do sistema completo
- Sistema I - Rio de Janeiro
- Sistema II - Denver
- Sistema III - Istambul
- Sistema IV - Sidney
No primeiro sistema, os valores aprovados para o coletor são os mesmos descritos no ponto 3.3. Os parâmetros utilizados para o coletor e reservatório no TRNSYS são mostrados nas Tabelas 10 e 11 e os valores de entrada, que também definem as conexões entre os componentes, são mostrados nas Tabelas 12 e 13. Os parâmetros utilizados para o coletor e reservatório no TRNSYS são mostrados nas Tabelas 15 e 16 e os valores de entrada, que também definem as conexões entre os componentes, são apresentados nas tabelas 17 e 18.
Neste sistema, os valores adotados para o coletor são valores obtidos a partir do trabalho realizado por Medeiros (35). Os parâmetros utilizados para o coletor e reservatório no TRNSYS são mostrados nas Tabelas 20 e 21 e os valores de entrada são mostrados nas Tabelas 22 e 23. Os parâmetros utilizados para o coletor e reservatório no TRNSYS são mostrados nas Tabelas 25 e 26 e o os valores de entrada são mostrados nas tabelas 27 e 28.
Irradiação Incidente
Coletor Solar
Sistema completo
As pequenas diferenças devem-se à diferença no valor do calor útil fornecido pelo coletor solar calculado pelos dois programas. Pode-se ressaltar que, apesar da excelente concordância dos resultados de validação do coletor solar, a potência térmica no coletor depende da temperatura do líquido na entrada, que possui o mesmo valor da temperatura do tanque. Os gráficos apresentados na Figura 24 mostram a temperatura durante algumas horas no meio do ano.
A diferença média entre os valores horários calculados pelos dois programas para esta condição foi de 0,52%. Os valores comparados como médias diárias são apresentados no Anexo C e a comparação com valores como médias mensais são apresentados na Tabela 35. As diferenças encontradas nos valores de temperatura são pequenas em todos os casos e devem-se principalmente à disparidade de os métodos de integração que existem nos dois programas.
Avaliação Econômica Simplificada
O programa apresentado foi capaz de simular sistemas com configuração adequada às normas brasileiras, sem a presença de trocador de calor entre o coletor e o reservatório térmico e com água como fluido de trabalho no coletor. Os arquivos de dados meteorológicos utilizados no programa possuem formato TMY amplamente utilizado, e são obtidos no banco de dados do projeto SWERA, que se mostra o mais atual e confiável para este tipo de simulação. Este formato, que representa o ano meteorológico típico de cada cidade, é mais adequado para simular o desempenho a longo prazo de sistemas de aquecimento solar de água.
Embora o programa apresentado ofereça a possibilidade de escolher qualquer intervalo de tempo na simulação, foram utilizados dados horários, permitindo uma simulação térmica mais precisa do que utilizando dados médios mensais, como é o caso do método de projeto. disponível no mercado hoje. A partir da comparação com o programa comercial de simulação TRNSYS para sistemas térmicos foi possível validar o programa apresentado neste trabalho. O programa mostrou-se capaz de simular o comportamento térmico de sistemas de aquecimento solar de água em regime transitório, em configuração aplicável às condições de operação do Brasil.
Pesquisas Futuras
Um estudo dos efeitos técnicos e econômicos da agregação do aquecimento solar nos domicílios brasileiros. Otimização de sistemas de aquecimento solar de água em habitações unifamiliares através do programa TRNSYS. Economia de energia e redução do topo da curva de demanda para consumidores de baixa renda através do pooling de energia solar térmica.
Reservatórios térmicos para fluidos destinados a sistemas de energia solar - Determinação do desempenho térmico - Método de ensaio.
