FACULDADE DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRÁFICA, GEOFÍSICA E ENERGIA
Modelação de Coletores Solares Térmicos
Pedro Miguel da Silva Lourenço
Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente
II
UNIVERSIDADE DE LISBOA
FACULDADE DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA GEOGRÁFICA, GEOFÍSICA E ENERGIA
Modelação de Coletores Solares Térmicos
Pedro Miguel da Silva Lourenço
Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente
Trabalho realizado sob a supervisão da
Doutora Maria João Carvalho (LNEG)
III
Este trabalho foi expressamente realizado com vista à obtenção do grau de Mestre de Engenharia da Energia e do Ambiente.
IV
Resumo
Os ensaios de rendimento de coletores solares térmicos são de extrema importância pois permitem que determinado coletor seja certificado e possa assim contribuir para uma indústria mais credibilizada no mercado, para além de que sem esse conhecimento não é possível dimensionar sistemas solares térmicos.
Foi por isto que surgiram as normas de ensaio de coletores solares térmicos nos anos 70 com a publicação da norma ASHRAE 93:77. Mais tarde surgiram outras normas internacionais ou normas que cada país adaptou às suas características e mercado. Alguns exemplos de normas mais conhecidas e utilizadas são as normas ISO 9806-1 e a EN 12975-2.
No laboratório de ensaios de coletores solares (LES – Laboratório de Energia Solar) do LNEG os ensaios de coletores solares são feitos de acordo com a norma europeia EN 12975-2, que permite ensaios em estado-estacionário em ambiente interior e exterior, para dias de céu limpo e o ensaio quasi-dinâmico em ambiente exterior para radiação e temperatura variáveis.
Grande parte dos coletores ensaiados no LES são planos e de cobertura simples e o modelo elaborado apenas foi testado e validado para este tipo de coletores.
Os coletores solares planos contém certas características construtivas, tais como emissividade e absortividade do absorsor, espaçamento entre tubos, diâmetro dos tubos, que influenciam o rendimento do coletor.
Os materiais mais utlizados em coletores solares térmicos são o alumínio e o cobre, pois são materiais muito bons condutores de calor permitindo uma boa transferência de calor para o fluido circulante. No entanto, o problema do excessivo uso do cobre surge como um aviso para se começar a optar por diminuir a massa de cobre nos coletores ou por outro lado optar pelo uso do alumínio, visto que o é um metal em maior abundância que o cobre.
Desde 1942 quando Hottel e Woertz pensaram na primeira equação para o cálculo do coeficiente de perdas de calor pelo topo do coletor Ut, surgiram nos anos seguintes autores de novos
modelos mais desenvolvidos para o cálculo deste parâmetro importantíssimo: Klein (1975) Agarwall e Larsson (1981) Malhotra et al. (1981) Mullick e Samdarshi (1988) Akhtar e Mullick (1999)
Todos eles deram o seu contributo para o desenvolvimento e estudo de coletores solares térmicos e com o modelo de cálculo desenvolvido através da ferramenta Microsoft Excel® pretende-se
V determinar o valor de rendimento ótico F’η0 e do coeficiente de perdas de calor globais do coletor
F’UL através das principais características construtivas do coletor. Comparando os resultados obtidos
pelos vários autores, este modelo de cálculo dará uso ao algoritmo do autor cujos resultados obtidos se aproximarão mais dos resultados nos ensaios experimentais no LES. O cálculo destes parâmetros através do processo iterativo também é possível e é testado na ferramenta de cálculo e comparado com os resultados dos restantes autores.
O autor que apresenta menores diferenças relativamente ao coeficiente de convecção exterior hw é McAdams (1954). Para o rendimento ótico são Klein (1975) e Akhtar e Mullick (1999), para o
coeficiente de perdas de calor são Malhotra et al. (1981). Como as diferenças no coeficiente de perdas de calor são mais significativas a escolha do algoritmo para a ferramenta de cálculo (tanto para F’η0 e
F’UL) pertence a Malhotra et al. (1981).
No caso do coeficiente de convecção exterior hw as diferenças para o rendimento ótico são de
0,055 e para o coeficiente de perdas de calor são de 0,988 W/m2K.
A diferença média entre os valores de cálculo e de ensaio para o rendimento ótico é de 0,036, o coeficiente de perdas de calor apresenta diferenças de 0,623 W/m2K. Implementou-se também um modelo de cálculo da capacidade térmica efetiva de um coletor que reflete a capacidade de inércia dos materiais que constituem o coletor e é outro dos parâmetros muito importantes para caracterizar um coletor solar térmico. Os resultados obtidos encontram-se, para quase todos os coletores, muito abaixo dos valores obtidos em ensaio havendo diferenças que chegam a 22,97 kJ/K. A necessidade de estudos posteriores são de extrema importância para perceber estas diferenças.
Palavras-chave: Ensaios de rendimento de coletores solares; EN-12975-2; características construtivas dos coletores; rendimento ótico F’η0; perdas de calor globais do coletor F’UL, capacidade térmica efetiva.
VI
Abstract
The tests for solar thermal collector’s productivity are extreme important because they allow the collector to be certified and thus helping for a more credible market. Without this knowledge it is impossible to dimension the solar thermal collectors.
The origins of the regulations for the trials of the solar thermal collectors were in the 70's with the publication of the ASHRAE 93:77. Later on other international regulations, or regulations that each country created to their own market and specific needs, emerged. Some examples of known and used regulations are the ISO 9806-1 and the EN 12975-2.
In the laboratory used for testing the solar collectors (SEL- Solar Energy Laboratory) of the LNEG; the solar collector tests are done accordingly to the European regulation EN 12975-2, which allows tests in a stationary state for indoor and outdoor climates, on sunny days for tests in quasi-dynamic exterior climate for variation in radiations and temperature.
The majority of the collectors tested on SEL are flat with a simple cover. The elaborated model was only tested and validated for this specific type of collectors.
The flat solar collector’s performance is influenced by certain characteristics such as emittance, absorption of the absorber, the space between the tubes, and the tube diameter.
The most commonly used materials in the solar thermal collectors are aluminium and copper because their capability to transfer heat, allowing for smaller heat losses to the circulating fluid. The large amounts of copper used in the solar collectors can appear as a subsequent problem. This leads to the need for alternatives such as substituting copper for aluminium, since aluminium is more abundant than copper.
Since 1942, when Hottel and Woertz initially came up with the first calculation equation for measuring heat loss through the top of the Ut collector, Arose in the following years many authors
with newer, more developed models for the calculus of this important factor:
• Klein (1975)
• Agarwall and Larsson (1981) • Malhotra and others (1981) • Mullick and Samdarshi (1988) • Akhtar and Mullick (1999)
All contributions to the development and study of solar thermal collectors stems from utilizing the programme Microsoft Excel® for the analysis of data. It enables us to determine the value of optical performance F’η0 and the global heat loses of the collector F’UL through the collectors main
VII principle will use the author’s algorithm, which whom obtained results were closer to those of the SEL experimental tests.
The calculation of these factors through the iterative process is also possible and was tested with the calculation tool and compared to the results of the remaining authors.
The authors that present less differences for the exterior convection coefficient is McAdams (1954). For the optical performance are Klein (1975) and Akhtar and Mullick (1999),for the heat loss coefficient are Malhotra et al. (1981). As the differences in the heat loss coefficient are more important the chosen algorithm for the calculation principle (for both F’η0 e F’UL) belonged to
Malhotra et al. (1981).
For example in the exterior convection coefficient
h
w the differences for the opticalperformance are of 0,055 and for the heat loss coefficient are of 0,988 W/mK.
The average difference between the calculated values and the tests for the optical performance is of 0,036, the heat loss coefficient has differences of 0,623 W/mK.
This model also allows the calculation of the thermal capacity of a collector, this reflects the inertia capacity of the materials used in the collector, which is another important factor when characterizing solar thermal collectors. The obtained results were, for almost all of the collectors, below the obtained results in tests, having a difference that reached 22,97 kJ/K. It's advisable for there to be further testing to better understand these differences.
Keywords: Solar collectors performance tests, EN-12975-2; collector constructive characteristics; optical performance F’UL, thermal capacity.
VIII
Agradecimentos
Quero começar por agradecer à minha orientadora, a Doutora Maria João Carvalho por me ter dado a oportunidade de realizar a minha tese sob sua orientação e pela disponibilidade e ajuda que sempre demonstrou ao longo desta caminhada, tanto no trabalho em si como nas revisões feitas ao relatório final.
Agradeço também à Sofia Mendo pela ajuda nas medições de emissividade e absortividade e ao Nuno Mexa pela disponibilidade em explicar todos os procedimentos de ensaio de rendimento efetuados no LES e sempre que eu lhe solicitava qualquer tipo de ajuda.
Aos meus pais e ao meu irmão, um profundo obrigado por me apoiarem incondicionalmente nesta minha caminhada e pelo esforço que fizeram para que nunca me faltasse nada ao longo destes anos. Sem eles nada disto fazia sentido.
À Lígia Venâncio, quero agradecer o apoio, a paciência, o carinho e toda a ajuda que disponibilizou na leitura e formatações do relatório, pelo orgulho que sempre demonstrou em mim e que sempre fez questão de o referir e por me fazer acreditar em mim mesmo.
A toda a minha família, aos meus amigos da filarmónica e não só, aos meus colegas de curso, um muito obrigado pelo apoio e preocupação demonstrados.
IX
Índice
Resumo ... IV Abstract ... VI Agradecimentos ... VIII Índice ... IX Lista de Figuras ... XII Lista de tabelas ... XIII Lista de gráficos ... XIV Nomenclatura ...XV Lista de Abreviaturas ... XVIICAPÍTULO 1 – Introdução ... 1
1.1 Objetivos do trabalho ... 1
1.2 Energia solar ... 2
1.3 Mercado do solar térmico ... 3
CAPÍTULO 2 - Coletores solares térmicos ... 6
2.1 Vantagens e desvantagens dos coletores solares térmicos ... 9
2.1.1 Coletores planos ... 9
2.1.2 Coletores de tubos de vácuo ... 9
2.1.3 Coletores CPC ... 10
2.2 Design de coletores planos ... 11
2.2.1 Placa absorsora ... 11
2.2.2 Isolamento ... 14
2.2.3 Caixa e cobertura transparente ... 15
2.2.4 Vedantes ... 17
2.3 Esquema funcional de um coletor plano ... 17
2.4 Rendimento de um coletor solar térmico ... 18
2.5 Relação entre o fator de eficiência (F’) e o teor em material de coletores solar planos ... 19
X
CAPÍTULO 3 – Ensaios de coletores solares térmicos ... 22
3.1 Medições de rendimento em coletores ... 22
3.2 Ensaio de coletores: rendimento, modificador de ângulo de incidência, e constante de tempo 22 3.2.1 Normas para ensaios de coletores ... 22
3.2.2 Método de ensaio estacionário ... 23
3.2.2.1 Condições de ensaio………23 3.2.2.2 Parâmetros medidos……….24 3.2.2.3 Condições de estacionariedade ………24 3.2.3 Ensaio quase-dinâmico ... 25 3.2.3.1 Condições de ensaio………26 3.2.3.2 Período de ensaio……….26
3.3 Parâmetros determinados no ensaio estacionário ... 27
3.3.1 Ensaio de rendimento instantâneo ... 27
3.3.2 Ensaio para determinação do modificador de ângulo incidente (IAM) ... 30
3.3.3 Ensaio de determinação da constante de tempo ... 32
CAPÍTULO 4 - Evolução no estudo de alguns parâmetros e aspetos construtivos de coletores solares térmicos ... 33
4.1 Transferências de calor e fator de eficiência F’ ... 33
4.1.2 Condução ... 34
4.1.3 Convecção ... 34
4.1.4 Radiação ... 35
4.1.5 Fator de eficiência F’ ... 35
4.2 Cobertura ... 36
4.3 Coeficiente de convecção exterior hw ... 37
4.4 Coeficiente de perdas de calor pelo topo Ut ... 39
4.4.1 Coletores de cobertura simples ... 39
4.4.1.1 Método iterativo………39
XI
4.4.2 Coletores de cobertura dupla ... 47
4.5 Transferência de calor do absorsor para o fluido ... 50
4.5.1 Coletor de lâmina de água ... 51
4.5.2 Coletor de tubos paralelos ... 53
4.5.3 Coletor de tubos em serpentina ... 55
CAPÍTULO 5 – Apresentação e discussão dos resultados ... 57
5.1 Medições de emissividade e absortividade ... 60
5.2 Parâmetros característicos dos coletores – resultados das simulações ... 64
5.3 Coeficiente de convecção exterior hw ... 65
5.4 Resultados do cálculo dos parâmetros F’η0 e F’UL ... 67
5.5 Influência de alguns parâmetros no rendimento de um coletor solar térmico ... 71
5.3 Capacidade térmica efetiva ... 75
5.3.1 Determinação da capacidade térmica efetiva ... 76
5.3.2 Resultados obtidos ... 79
CAPÍTULO 6 – Apresentação da ferramenta em Microsoft Excel® ... 81
6.1 Cálculo para absorsores em cobre e em alumínio ... 82
6.2 Cálculo da Capacidade térmica efetiva ... 85
CAPÍTULO 7 – Principais conclusões ... 87
REFERÊNCIAS ... 89
Anexo I ... 93
XII
Lista de Figuras
Figura 1 - Mapa de radiação para o continente europeu ... 3
Figura 2 - Evolução do mercado do solar térmico nos 27 da UE e Suíça ... 4
Figura 3 - Coletor sem cobertura ... 6
Figura 4 - Coletor plano com cobertura ... 6
Figura 5 - Coletor de tubos de vácuo ... 7
Figura 6 - Diferentes tipos de técnicas construtivas em coletores solares de tubo de vácuo ... 8
Figura 7 - Coletor do tipo CPC ... 8
Figura 8 - Secção transversal com as diferentes áreas de um coletor ... 10
Figura 9 - Secção através de um coletor plano ... 11
Figura 10 - Absorção (α) e emissão através de superfícies com diferentes revestimentos ... 12
Figura 11 - Fluxos de energia num coletor plano ... 18
Figura 12 - Perdas óticas e térmicas ... 19
Figura 13 - Definição de ângulo de incidência ... 30
Figura 14 - Componentes transversal e longitudinal do modificador de ângulo de incidência em coletores de tubo de vácuo... 31
Figura 15- Mecanismos de transferência de calor num coletor solar térmico... 34
Figura 16 - Secção tubo-absorsor ... 35
Figura 17 - Rede térmica para coletor de uma cobertura: (a) em termos de resistências de condução, convecção e radiação; (b) em termos das resistências entre placas. ... 40
Figura 18 - Rede térmica equivalente de um coletor solar térmico ... 40
Figura 19 - Processo físicos que ocorrem num coletor... 43
Figura 20 - - Rede térmica para coletor de dupla cobertura: (a) em termos de resistências de condução, convecção e radiação; (b) em termos das resistências entre placas. ... 47
Figura 21 - Coletor lâmina de água. ... 51
Figura 22- Coletor de tubos paralelos e diferentes posições dos tubos na placa absorsora. ... 54
Figura 23 - Esquema transversal de um coletor plano de tubos paralelos e cobertura dupla ... 55
Figura 24 - Coletor com tubagem em serpentina. ... 55
Figura 25 - Esquema de montagem do medidor de emissividade ... 60
Figura 26 - Imagem de um espectrofotómetro ... 61
Figura 27 - Distribuição da irradiância solar espectral terrestre (TSSID) ... 62
Figura 28 - Ilustração do modelo de cálculo do rendimento ... 81
Figura 29 - Dimensões do coletor ... 82
Figura 30 - Espessura dos materiais ... 82
Figura 31 - Grelhas dos tubos ... 83
Figura 32 - Temperaturas ... 83
Figura 33 - Características óticas ... 83
Figura 34 - Resultados dos parâmetros de rendimento ... 83
Figura 36 - Identificação do coletor solar térmico ... 84
Figura 37 - Botão "Apagar" ... 84
Figura 35 - Rendimento e curva de rendimento ... 84
XIII
Lista de tabelas
Tabela 1 - Energia fornecida e consumida por ano no mundo ... 2
Tabela 2 - Dimensão do mercado em termos da capacidade do solar térmico (kWth) e área de coletores (m2) ... 5
Tabela 3 - Vantagens e desvantagens de diferentes modelos de absorsor ... 13
Tabela 4 - Tipos de cobertura ... 16
Tabela 5 - Tipos de caixas ... 16
Tabela 6 - Condições de estacionariedade de alguns parâmetros medidos em ensaio ... 25
Tabela 7 - Intervalo de valores de algumas variáveis para o cálculo de Ut ... 46
Tabela 8 - Comparação F' entre coletores de tubos paralelos e lâmina de água ... 53
Tabela 9 - Características construtivas de coletores do ano de 2008 ... 57
Tabela 10 - Características construtivas de coletores do ano de 2009 ... 58
Tabela 11 - Características construtivas de coletores do ano de 2010 ... 58
Tabela 12 - Características construtivas de coletores do ano de 2011 e 2012 ... 59
Tabela 13 - Valores medidos de absortividade e emissividade ... 63
Tabela 14 - Valores de alguns parâmetros usados no modelo em estudo ... 64
Tabela 15 - Valores de condutividade de alguns materiais isolantes ... 65
Tabela 16 – Diferença média obtida no cálculo de F'η0 de acordo com a escolha do parâmetro hw .. 66
Tabela 17 - Diferença média obtida no cálculo de F'UL de acordo com a escolha do parâmetro hw ... 66
Tabela 18 - Valores da média por autor de ΔF'η0 ... 68
Tabela 19 - Valores da média por autor de ΔF'UL ... 70
Tabela 20 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de emissividade do absorsor ... 71
Tabela 21 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de espessura do absorsor ... 72
Tabela 22 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de condutividade do absorsor ... 72
Tabela 23 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de inclinação do coletor... 73
Tabela 24 - Comparação de eficiência da alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de distância entre tubos ... 74
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 ... 74
Tabela 26 - Comparação de eficiência alheta, rendimento ótico e coeficiente de perdas de calor para diferentes valores de velocidade do vento ... 75
Tabela 27 - Fatores de peso de elementos usados cálculo da capacidade térmica ... 76
Tabela 28 - Massa volúmica e calor específico de alguns materiais usados em coletores solares térmicos ... 78
XIV
Lista de gráficos
Gráfico 1 - Gráfico ilustrativo da curva de rendimento ... 29
Gráfico 2 - Resultados obtidos no cálculo de F'η0 ... 68
Gráfico 3 - Resultados obtidos no cálculo de F'UL ... 69
Gráfico 4 - Influência do espaçamento absorsor-cobertura ... 74
Gráfico 5 - Comparação entre os resultados obtidos e os resultados do ensaio para a capacidade térmica efetiva ... 80
XV
Nomenclatura
a1 coeficiente de perdas térmicas W m
-2 K-1 a2 dependência na temperatura do coeficiente de perdas térmicas W m
-2 K-2
Ac área total do coletor m
2
a difusividade térmica m2 s-1
b0 constante do modificador de ângulo de incidência ---
C capacidade térmica efetiva J K-1
Cp calor específico do material J kg
-1 K-1
D diâmetro externo da tubagem dos coletores m
F eficiência da alheta ---
F’ fator de eficiência da alheta ---
FR fator de remoção do coletor ---
g constante gravítica m s-2
GT radiação solar global W m
-2
hw coeficiente de convecção exterior W m
-2 K-1
hfi coeficiente de convecção no interior dos tubos W m
-2 K-1
Kτα modificador do ângulo de incidência ---
(Kτα)l modificador do ângulo de incidência na direção longitudinal ---
(Kτα)t modificador do ângulo de incidência na direção transversal ---
k condutividade de um material ---
kg condutividade do vidro W m
-1 K-1
L espaçamento entre a placa absorsora e a cobertura m
Lg espessura da cobertura de vidro m
ṁ caudal mássico do fluido de transferência de calor kg s-1
N número de coberturas do coletor ---
XVI
Qu energia útil do coletor W
Ta temperatura ambiente exterior K
To temperatura de saída K
Ti temperatura de entrada K
Tm temperatura média no interior do coletor K
Tp temperatura da placa absorsora K
Ts temperatura do céu K
Ub coeficiente de perdas de calor na parte posterior W m
-2 K-1
Ue coeficiente de perdas de calor nas laterais W m
-2 K-1
Ut coeficiente de perdas de calor pelo topo W m
-2 K-1
UL coeficiente de perdas de calor global W m
-2 K-1
Vw velocidade do vento m s
-1
W espaçamento entre tubos m
ΔT diferença entre a temperatura média do fluido e a temperatura ambiente °C
Letras gregas
α coeficiente de absorção solar ---
α difusividade térmica m2 s-1
αs absortância ---
β ângulo de inclinação de um coletor em relação à horizontal °
δ espessura do material m
εg emissividade da cobertura de vidro ---
εp emissividade da placa absorsora ---
η rendimento térmico do coletor ---
η0 rendimento ótico do coletor com perdas térmicas ---
σ constante de Stefan-Boltzman W m-2 K-4
θ ângulo de incidência da radiação solar no plano do coletor °
τ coeficiente de transmissividade ---
XVII
Lista de Abreviaturas
LNEG Laboratório Nacional de Energia e Geologia
ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers LES Laboratório de Energia Solar
ISO International Organization for Standardization EPDM Ethylene Propylene Diene Monomer
CPC Concentrated Parabolic Colletor CFC Clorofluorcarboneto
IAM Incidence Angle Modifier / Modificador de Ângulo de incidência IEA International Energy Agency /Agência Internacional da Energia TSSID Terrestrial Solar Spectral Irradiance Distribution
CAPÍTULO 1 – Introdução
1.1
Objetivos do trabalho
O Laboratório de Energia Solar do LNEG realiza ensaios de rendimento e fiabilidade necessários à certificação de coletores solares térmicos.
Para efeitos de certificação do coletor, o rendimento só pode ser determinado experimentalmente, mas o desenvolvimento de ferramentas de modelação dos coletores solares é um importante instrumento para a tomada de decisão, por exemplo, sobre o impacto que a alteração de um ou mais componentes do coletor podem ter sobre o rendimento térmico.
O trabalho desenvolvido teve como objetivo desenvolver uma ferramenta de modelação do comportamento térmico de coletores solares em Microsoft Excel®.
De modo a validar esta ferramenta de modelação, foi utilizada a informação existente no laboratório relativa a vinte cinco coletores ensaiados e em que as principais características da superfície absorsora, tais como a emissividade e absortividade, foram medidas.
1.2
Energia solar
Com o desenvolvimento tecnológico tem-se verificado um aumento nunca antes visto no consumo de energia a nível mundial. Os combustíveis fósseis tais como o carvão, o petróleo e o gás natural são as fontes mais utilizadas para suprir as exigências de energia.
No entanto, sendo estas fontes de energia não renováveis é de esperar que, mais década menos década esgotar-se-ão, e para além disto são fontes bastante poluentes contribuindo para as alterações climáticas que se verificam nos dias de hoje. Deste modo, é necessário encontrar outras soluções que possam substituir eficazmente os combustíveis fósseis. A solução encontrada passa pela aposta nas energias renováveis e aproveitar assim recursos para produzir energia como o Sol, o vento e o calor da Terra.
O Sol é um astro que fornece quantidades gigantescas de energia térmica e por isso o aproveitamento desta energia fornecida “gratuitamente” é fulcral à luz do desenvolvimento científico, social e tecnológico que observamos nas sociedades de hoje em dia.
Uma das formas de aproveitar esta energia, é utilizando sistemas que permitem o aquecimento de águas através da radiação solar, como por exemplo os coletores solares térmicos. Outra maneira de aproveitar a radiação solar é feita utilizando painéis fotovoltaicos, que permitem produzir energia elétrica devido à excitação dos eletrões nas células de silício que compõem esses painéis.
Para se ter uma ideia da imensa energia fornecida pelo Sol comparada com a energia que a população do mundo consume anualmente, verificamos que essa energia que recebemos somente através do Sol daria para suprir largamente as nossas necessidades de consumo.
A Terra recebe anualmente 173000 TW de energia solar, das quais chega à superfície terrestre cerca de 120000 TW, pois alguma da radiação é refletida e absorvida pela atmosfera terrestre. A tabela seguinte mostra o potencial que cada energia renovável consegue fornecer e também os valores de energia primária e de eletricidade consumidos por ano a nível mundial.
Tabela 1 - Energia fornecida e consumida por ano no mundo
Recurso de energia Energia fornecida (TW) Energia consumida (TW)
Energia solar 120000
Vento 72
Biomassa 95
Energia primária 16,4
Eletricidade 2
Perante os valores acima tabelados não existem dúvidas de que o Sol representa o recurso que mais energia fornece e que por isso deve ser aproveitado da melhor maneira possível. Ao todo chega à
superfície terrestre cerca de 120000 TW de energia solar que pode ser aproveitada. Os valores de energia fornecida do vento e da biomassa são muito mais baixos que o recurso solar.
Em termos de energia primária consumida, tal como as fontes fósseis por exemplo, representa uma pequena parte da energia que é fornecida pelas fontes de energia renováveis, tal como a eletricidade consumida anualmente, que apesar do crescente consumo apresenta também um valor muito inferior à energia fornecida pelas fontes renováveis.
Portugal tem muitas horas de Sol por ano, é dos países da Europa com mais disponibilidade de radiação solar e portanto é um país onde faz cada vez mais sentido apostar em energias renováveis direcionadas para a componente solar.
Figura 1 - Mapa de radiação para o continente europeu Fonte: Portal das energias renováveis
Na figura acima é possível verificar isso mesmo, as zonas mais escuras são zonas com mais potencial em termos de radiação solar e Portugal perfila-se como um país onde efetivamente este recurso existe em abundância. Também a Espanha, Itália e Grécia, isto é, todos os países do sul da Europa apresentam um bom potencial em termos de energia solar recebida ao longo do ano.
1.3 Mercado do solar térmico
O mercado do solar térmico tem sofrido diferentes evoluções nos últimos anos. De facto, existem países onde a aposta neste tipo de sistemas cresce significativamente tais como a Alemanha e a Polónia onde novos coletores foram instalados em grande número.
Pelo contrário, países que passam por dificuldades, especialmente na Europa do Sul como a Espanha, Portugal, Itália e Grécia, o mercado do solar térmico tem conhecido poucos desenvolvimentos.
No entanto, durante os três últimos anos a indústria do solar térmico mostra um crescimento médio de 3,9% e 9% nos últimos cinco anos.
Figura 2 - Evolução do mercado do solar térmico nos 27 da UE e Suíça Fonte: ESTIF, Solar termal markets in Europe
Os sistemas de maior capacidade (acima de 35 kWth ou 50 m 2
) para aplicações comerciais de aquecimento e arrefecimento têm verificado um desenvolvimento interessante, bem como de sistemas de ainda maior capacidade (acima de 350 kWth ou 500 m
2
), que são utilizados como apoio a redes locais de distribuição de calor ou para processos industriais para produção de energia elétrica.
No entanto, apesar deste crescimento de grandes sistemas, os coletores para aquecimento de águas domésticas têm sofrido um ligeiro retrocesso.
Mesmo perante as dificuldades económicas que se verificam, o uso de coletores solares para aquecimento e arrefecimento são considerados importantíssimos para que a Europa e todo o mundo consiga atingir os objetivos de redução de emissões de gases de efeito de estufa até 2020.
Em termos numéricos, verificou-se no ano de 2011 um novo total de 2,6 GWth de coletores instalados aumentando a capacidade na Europa para 26,3 GWth, gerando 18,8 TWth de energia solar térmica contribuindo para uma poupança de emissões de 13 MMt1 CO2 para a atmosfera. A área do solar térmico contribuiu também para a criação de 32000 empregos a tempo inteiro por toda a Europa.
Em Portugal, tem-se verificado como já referido, um retrocesso no mercado do solar térmico muito devido à falta de apoios de quem usufrui e aposta neste tipo de sistemas.
A tabela seguinte mostra as potências e as áreas de solar térmico instalados em cada ano desde 2009 em Portugal:
Tabela 2 - Dimensão do mercado em termos da capacidade do solar térmico (kWth) e área de coletores (m2)
Em operação Mercado (novos coletores instalados)
Evolução anual do mercado
2011 2009 2010 2011 2010/2011
Total coletores Total coletores Total coletores Total coletores Coletores planos Coletores tubo de vácuo Total coletores Total coletores m2 kW(th) m2 m2 m2 m2 m2 kW(th) % 781295 546906 173762 182271 127198 126308 890 89039 -30.2
Fonte: ESTIF, Solar termal markets in Europe
Depois de um crescimento impressionante em 2009 e 2010 o solar térmico caiu bastante em 2011 em Portugal.
O mercado do imobiliário tem sofrido bastantes retrocessos e devido a isso a indústria do solar térmico acompanha essa crise havendo menos construção de novos edifícios, indústrias em funcionamento, que poderiam dar uso e usufruir deste tipo de sistemas de aquecimento de águas.
Também devido ao aumento do IVA levou a que houvesse um decréscimo nos resultados que se esperavam nas vendas de coletores. A evolução anual do mercado em Portugal sofreu uma redução na ordem dos 30% baixando para um total de potência instalada de 89000 kWth e área de coletores de cerca de 127200 m2.
CAPÍTULO 2 - Coletores solares térmicos
O coletor solar é um equipamento que recebe a energia proveniente do Sol, armazena-a e transforma-a em energia térmica, permitindo assim aquecer o fluido que circula no seu interior através de tubos.
Existem vários tipos de coletores solares térmicos usados para diferentes aplicações:
Figura 3 - Coletor sem cobertura
Fonte: Caregnato Piscinas e Equipamentos
Este tipo de coletor é muito utilizado para aquecimento de água de piscinas. São coletores sem cobertura e por isso o seu rendimento é mais baixo que os coletores com cobertura. O coletor é constituído por um sistema de tubos onde circula a água que é aquecida, que consistem basicamente em tubos de plástico (propileno, policarbonato ou polivinil) unidos por dois tubos de maior diâmetro nas partes inferior e superior. Resumindo, estes coletores são mais utilizados para situações em que se pretenda atingir baixas temperaturas de aquecimento (20°C a 30°C).
Figura 4 - Coletor plano com cobertura Fonte: Portal das Energias Renováveis
O coletor solar plano com cobertura é o mais comum e destina-se á produção de água quente a temperaturas inferiores a 60°C. São constituídos muito resumidamente por uma ou mais coberturas, por uma superfície absorsora, fixada numa caixa estanque, que permite a transferência de energia para o fluido circulante, é constituído também por isolamento posterior e lateral de modo a minimizar as perdas de calor. Este tipo de coletor obriga à utilização de sistemas indiretos resultando na necessidade da introdução de um permutador de calor. São mais utilizados para aquecimento de águas domésticas. A utilização de um sistema indireto resulta no facto de as águas domésticas poderem ter
variações de temperatura bruscas, conterem produtos que danifiquem as tubagens do sistema. Assim, é utlizado um fluido circulante tratado para resistir às variações de temperatura ambiente e não danificar as tubagens.
Figura 5 - Coletor de tubos de vácuo Fonte: GLEA Energias alternativas
Os coletores de tubos de vácuo consistem em tubos de vidro transparentes que no interior contêm superfícies absorsoras que absorvem a radiação solar incidente. No espaço entre o tubo de vidro e a superfície absorsora existe vácuo, permitindo eliminar ao máximo as perdas de calor por convecção e condução elevando o rendimento do sistema de captação. Permite assim obter temperaturas de funcionamento superiores aos outros tipos de coletores (< 120°C). São mais utilizados em processos industriais.
Existe uma gama variada de coletores tubos de vácuo com várias formas construtivas como se pode observar nas figuras seguintes:
(c) (d)
Figura 6 - Diferentes tipos de técnicas construtivas em coletores solares de tubo de vácuo
Na figura 6(a) é apresentado um tubo de um coletor Sydney que consiste num coletor de duplo tubo em vácuo com um tubo em U conectado à superfície absorsora. Em 6(b) temos um tubo de coletor Schott em que não é utilizado metal e consiste em três tubos de vidro coaxiais (invólucro, absorsor parcialmente revestido e interno). Em 6(c) tem um coletor de evacuação de calor de ligação “seca” (tubo de aquecimento) que através da evaporação e condensação de álcool ou água em vácuo é possível a transferência de calor através de um permutador. Em 6(d) temos um coletor de tubo de fluxo direto com placa absorsora.
Figura 7 - Coletor do tipo CPC Fonte: Portugalrenováveis
Um outro tipo de coletor é o que permite concentrar a radiação captada, sendo por isso chamado de coletor de tipo CPC. É composto por uma série de refletores que permitem concentrar a radiação e direcioná-la para uma alheta que se situa por cima de cada refletor e que está em contacto com o tubo onde circula o fluido que se pretende aquecer. Permite atingir temperaturas de funcionamento mais elevadas (> 70°C) e maiores rendimentos e podem ser também utlizados em
processos industriais ou mesmo domésticos mas sem grande relevo no mercado ao contrário dos coletores planos e de tubos de vácuo.
2.1 Vantagens e desvantagens dos coletores solares térmicos
2.1.1 Coletores planos
Vantagens: Mais barato que um coletor de outras tecnologias como o de tubos de vácuo ou CPC;
Múltiplas opções e simplicidade de montagem, sobre o telhado, integrado no telhado, montado na fachada e de instalação livre;
Boa relação preço/rendimento.
Desvantagens:
Menor eficiência em relação aos coletores de tubos de vácuo e CPC devido aos valores mais elevados de UL;
Não gera altas temperaturas, por exemplo, geração de vapor, fornecimento de calor para máquinas de refrigeração;
Exige mais espaço disponível no telhado do que os coletores de tubos de vácuo.
2.1.2 Coletores de tubos de vácuo
Vantagens: Apresenta bom rendimento, mesmo em situações de elevadas diferenças de temperatura entre o absorsor e o ambiente e em situações de baixa irradiância;
Atinge elevadas temperaturas comparativamente aos coletores planos; Facilidade de transporte, apresentam baixo peso;
Coletores de tubo de fluxo direto podem ser montados horizontalmente num telhado plano, providenciando menores perdas térmicas e evitando a remoção de material do telhado.
Desvantagens:
Mais caro que um coletor plano;
Não pode ser para instalações horizontais no caso de sistemas de tubos de aquecimento (inclinação mínima de 25°).
2.1.3 Coletores CPC
Vantagens: Tem elevado rendimento mesmo em situações de diferenças grandes entre a temperatura do absorsor e o ambiente e de baixa irradiância;
Suporta aplicações de calor com mais eficiência do que os coletores planos; Funciona com elevadas temperaturas;
Desvantagens:
Mais caro que um coletor plano;.
De um modo geral, independentemente da sua tipologia, os coletores apresentam diferentes áreas.
Área do absorsor: área máxima projetada do absorsor;
Área de abertura: área máxima projetada através da qual é captada a radiação solar não concentrada;
Área bruta: área máxima projetada excluindo quaisquer meios de montagem e os tubos de ligação para os fluidos.
Figura 8 - Secção transversal com as diferentes áreas de um coletor
Fonte: Planning and Installing. Solar Thermal Systems, Aguide for installers, architects and engineers.
Para os cálculos de rendimento e ensaios feitos em coletores é necessário definir qual a área que se usa. Segundo a Norma EN 12975, por onde se regem os ensaios no Laboratório de Energia Solar do LNEG, é usada a área de abertura. Se fosse usada a área total, haveria radiação que não seria aproveitada pois acabaria por incidir nas laterais do coletor levando a resultados de rendimento menos fiáveis do que na realidade acontece.
2.2 Design de coletores planos
Os coletores planos podem ter absorsores feitos de diferentes materiais sendo atualmente dois os tipos de materiais amplamente mais utilizados devido às suas características térmicas – o cobre e o alumínio. O absorsor encontra-se no centro do coletor e é protegido por uma caixa resistente. Os coletores contêm também isolamento na parte posterior e nas partes laterais de modo a evitar ao máximo as perdas de calor para o ambiente. Na parte superior existe a cobertura transparente e na parte lateral existem dois tubos ligados para alimentação e retorno do fluido circulante.
Figura 9 - Secção através de um coletor plano
Fonte: Energia SolarTérmica – manual sobre tecnologias, projeto e instalação
Existem muitos tipos de coletores planos com pesos e tamanhos diferentes. Os coletores podem pesar entre 15 a 30 kg/m2 e ter dimensões desde 1,5 m2 a 12,5 m2 e até maiores. Contudo, os tamanhos mais usuais são de 2 m2 de área, isto é, coletores com peso de cerca de 40 kg por módulo.
2.2.1
Placa absorsora
Um dos constituintes de um coletor plano, como já referido, é a placa absorsora. Esta consiste em tubos de transferência de calor e numa chapa metálica de cor escura que apresenta boas características de absorção, isto é, com absortividade elevada.
Esta placa é normalmente revestida de tinta preto-baço ou com um revestimento seletivo. Quando a radiação solar atinge a superfície absorsora, parte desta é absorvida e outra parte é refletida.
A radiação solar absorvida é transformada em calor aumentando a temperatura da placa absorsora, sendo a energia térmica posteriormente transferida da placa para o fluido que circula nos tubos ou canais de escoamento. O fluido que circula nestes tubos servirá de meio de transmissão do calor captado pelo absorsor para os depósitos de armazenamento.
Os coletores têm como objetivo absorver parte da radiação solar incidente e transformá-la em calor. Posto isto, é necessário transferir esse calor para o fluido circulante reduzindo as perdas de calor. Assim, o absorsor deve estar adaptado para conter a maior capacidade de absorção possível da
radiação solar e conjugando com este aspeto o absorsor deve ter também a menor emissividade térmica possível.
Esta otimização é possível recorrendo a tratamentos da chapa metálica, usando-se por exemplo um revestimento de pintura preto-baço ou revestimento seletivo.
Existem diferenças entre o revestimento de tinta preto-baço e o revestimento seletivo. Um revestimento de tinta preto-baço permite à superfície absorver a radiação solar incidente, mas não evita as perdas. Aqui reside a principal diferença para o revestimento seletivo que é formado por diferentes camadas que melhora a conversão da radiação solar altamente energética de pequeno comprimento de onda, reduzindo a emissividade da radiação de grande comprimento de onda (infravermelhos) e consequentemente minimizando as perdas.
Figura 10 - Absorção (α) e emissão através de superfícies com diferentes revestimentos Fonte: Energia SolarTérmica – manual sobre tecnologias, projeto e instalação
Os tratamentos mais utilizados em revestimentos seletivos são os tratamentos eletroquímicos, como por exemplo, o crómio-preto ou o níquel-preto.
No entanto, nos últimos tempos temos assistido a novos desenvolvimentos em revestimentos, com a melhoria ao nível das suas caraterísticas óticas, como é o caso do TiNOx (revestimento por deposição física do tipo “sputtering”2
).
Este processo “sputtering” apresenta vantagens durante a sua produção em comparação com o processo eletroquímico de revestimentos de crómio-preto ou níquel-preto, pois permite um baixo consumo de energia e menores impactos ambientais.
A tabela seguinte resume de uma forma geral as vantagens e desvantagens dos diferentes tipos de absorsores que existem. Como se poderá verificar, conforme os diferentes modelos podemos ter mais ou menos inércia térmica, peso, dimensão etc.
2
Sputtering é uma técnica de deposição de películas finas de um material sobre uma superfície. É feito bombardeando o material alvo com partículas energéticas levando a que átomos do material sejam ejetados. Isto só acontece quando a energia cinética das partículas de entrada é muito elevada.
Tabela 3 - Vantagens e desvantagens de diferentes modelos de absorsor
Modelo do absorsor Vantagens Desvantagens
Absorsor Roll-bond Boas propriedades térmicas, separação de materiais – reciclagem simplificada Sujeito a corrosão do alumínio em contato
com tubo de cobre Faixa absorsora com
tubo de cobre soldado
Tamanho flexível e barato
Muitos pontos de soldadura Absorsor com sistema
de tubo prensado entre duas folhas de metal
Separação de materiais – reciclagem simplificada
Custo elevado de produção por causa das
ligações Absorsor com sistema
de tubos “clipados” Tamanho flexível – taxa de escoamento flexível Baixa otimização de transferência de calor Absorsor de escoamento total em aço inoxidável Boa otimização de calor para o líquido
Peso elevado e inércia térmica
Absorsor em serpentina
Dois pontos soldados no sistema de tubos Elevadas perdas de pressão em relação ao absorsor de superfície total Absorsor de superfície total Baixas perdas de pressão em relação ao absorsor em serpentina Muitos pontos de soldadura no sistema de
tubos, preço elevado
Fonte: Energia SolarTérmica – manual sobre tecnologias, projeto e instalação
O cobre e o alumínio são materiais com ótima condução térmica (380 e 230 W/mK respetivamente) e são dos mais utilizados para a constituição da chapa absorsora. Para além disto, a transferência de calor entre a chapa absorsora e os tubos onde circula o fluido tem que ocorrer com a melhor eficiência possível o que é caracterizado pelo fator de eficiência F’ (explicado no capítulo 4) o mais elevado possível, como se verá mais a frente neste trabalho.
Existem também outros pormenores muito importantes para se conseguir atingir uma maior produção de energia, que tem que ver com o aquecimento de menores quantidades de fluido de
transferência, permitindo que o coletor tenha um tempo de resposta mais alto, mesmo em situações de variações bruscas de irradiação solar.
2.2.2
Isolamento
De forma a reduzir as perdas de calor para o ambiente por condução, o coletor contém uma camada de isolamento entre a caixa e a placa absorsora.
Um coletor é um sistema que pode atingir temperaturas muito elevadas entre 150 a 200°C e portanto tem de conter isolamento que suportem estas temperaturas sendo os mais indicados os isolamentos de fibra mineral.
O isolamento é um elemento muito importante para o bom rendimento de um coletor. É necessário que este não derreta, encolha ou liberte gases pois pode dar origem a eventuais condensações no interior do coletor ou mesmo corrosão das partes metálicas reduzindo significativamente a eficácia destes elementos.
Os materiais mais utilizados para isolamento são:
Poliuretano isento de CFCs;
Lã de rocha;
Lã de vidro.
O poliuretano isento de CFCs, revela ser um bom isolante térmico, mas para além disto contribui também para dar mais peso e consistência ao coletor, aumentando a sua resistência, principalmente para grandes áreas de coletores. No entanto, este tipo de isolamento térmico apresenta frágil resistência a temperaturas superiores a 130°C. De modo a resolver este problema, é comum proteger o isolamento por uma camada de fibra mineral, na superfície virada para a placa absorsora.
Para além destes tipos de isolamentos térmicos, existem coletores equipados com um limitador de convecção para reduzir as perdas de calor por convecção fazendo uso de uma estrutura de plástico entre o absorsor e a cobertura transparente, por exemplo, em Teflon.
Alguns coletores contêm materiais isolantes transparentes debaixo da cobertura que servem também para evitar as perdas.
2.2.3
Caixa e cobertura transparente
A cobertura transparente é outro elemento muito importante, pois para além de proteger a placa absorsora e o isolamento térmico, provoca o efeito de estufa reduzindo as perdas térmicas por radiação.
Os materiais mais utilizados para as coberturas são o vidro e ocasionalmente o plástico. É muita vez utilizado vidro com baixo teor de ferro que permite vidro com uma alta transparência, de espessura de 3-4 mm de modo a dar alguma segurança contra choques ou outras alterações que se possam verificar no coletor. O coeficiente de transmissão da luz tem que ser elevado de modo a deixar passar o máximo de radiação para a placa absorsora. Normalmente este coeficiente tem um valor máximo de 91%.
Para além de um elevado valor de transmissividade da cobertura é necessário também a complementaridade com um baixo valor de refletância, ou seja, baixa reflexão da radiação solar que chega à cobertura. Deve resistir à pressão exercida pelo vento, choques térmicos e impacto de objetos. Existem dois tipos de tratamentos que se podem aplicar nas superfícies interiores e exteriores da cobertura transparente:
Tratamento anti-reflexo sobre a superfície exterior da cobertura de modo a diminuir a reflexão dos raios solares incidentes na cobertura;
Tratamento na superfície interior com duplo objetivo: refletir as radiações de elevado comprimento de onda (radiação infravermelha) que provêm da radiação emitida pela placa absorsora; e que não impeça a passagem de radiação de pequeno comprimento de onda para a placa absorsora, diminuindo assim as perdas de calor por radiação. Este efeito já é comum nos vidros normais, mas para estes casos específicos este efeito é melhorado. Por outro lado existe outra maneira de evitar as perdas de radiação utilizando cobertura de vidro dupla, aumentando assim o efeito de estufa do sistema. Contudo as perdas óticas são mais elevadas pois menos radiação solar consegue chegar à placa absorsora devido a maior absorção da radiação quando se usam mais coberturas.
Concluindo, a cobertura dupla apresenta maiores vantagens em países com condições meteorológicas adversas, ou seja, baixas temperaturas e ventos fortes como é o caso dos países nórdicos de clima mais rigoroso.
Tabela 4 - Tipos de cobertura
Cobertura Vidro Plástico
Transmissão Estabilidade a longo prazo Deterioração
Estabilidade mecânica Estável Estável
Preço Elevado Baixo
Peso Elevado Baixo
Fonte: Energia SolarTérmica – manual sobre tecnologias, projeto e instalação
Tabela 5 - Tipos de caixas
Caixa Alumínio Aço Plástico Madeira envernizada
Peso Baixo Elevado Médio Elevado
Construção Fácil Fácil Médio Difícil
Consumo
energético Alto Baixo Médio Baixo
Custos Alto Baixo Baixo Médio
Outros Aumento do tempo de recuperação energética e reciclável Raramente utilizado Pouco utilizado
Material ecológico, apenas instalações integradas no telhado
Fonte: Energia SolarTérmica – manual sobre tecnologias, projeto e instalação
Observando a primeira tabela acima (tabela 4), percebe-se porque o vidro é o material mais usado para as coberturas. De facto, apresenta uma longevidade muito superior em relação às coberturas de material polimérico. No entanto, o único inconveniente num investimento inicial prende-se com o preço mais elevado das coberturas de vidro em relação às coberturas de material polimérico.
Quanto aos tipos de caixas e seus materiais (tabela 5), verifica-se que o alumínio é o tipo de material mais utilizado mas com custos mais elevados e peso mais baixo. Apresenta também um consumo energético mais alto durante a sua construção. Pelo contrário, materiais como o plástico ou a madeira envernizada que é mais utilizada em instalações integradas no telhado, os custos são mais baixos bem como os consumos energéticos inerentes à sua construção. Contudo, a madeira é um material mais pesado.
2.2.4
Vedantes
Os vedantes são de extrema importância para o bom funcionamento de um coletor. Eles servem para evitar a entrada de água, pó e insetos que prejudiquem o rendimento do coletor. Os vedantes entre a cobertura transparente e a caixa isolando assim o coletor, consistem de materiais EPDM ou borracha de silicone.
2.3
Esquema funcional de um coletor plano
Através de parágrafos anteriores foi possível perceber que a radiação solar ao incidir na cobertura transparente pode ser desviada podendo ser refletida de volta para o ambiente, ou pelo contrário passar pela cobertura e ser aproveitada pelo sistema. A irradiância (E0) atinge assim primeiramente a cobertura transparente e antes de atingir o absorsor uma pequena parte da energia é refletida (E1) nas superfícies internas e externas da cobertura de vidro, como é possível verificar na Figura 11. Ainda assim parte da radiação que chega ao absorsor pode ser refletida e a outra parte é convertida em energia térmica.
Utilizando um bom isolamento térmico no coletor, tais como a lã mineral e/ou o poliuretano sem CFCs, consegue-se reduzir as perdas de energia através de condução térmica (Q1).
Através da cobertura transparente pode haver perdas por convecção e radiação (Q2). A cobertura tem a função de reduzir as perdas na superfície do absorsor. Pode-se verificar que as perdas de calor por convecção e radiação ocorrem principalmente através da cobertura enquanto as perdas por condução verificam-se na parte posterior e laterais do coletor.
E
E0 – Irradiância solar E1 – Perdas por reflexão Q1 e Q2 – Perdas térmicas Q3 – Quantidade de calor disponível Figura 11 - Fluxos de energia num coletor plano
Fonte: Solarpraxis
2.4
Rendimento de um coletor solar térmico
O rendimento η de um coletor é definido como a razão entre a energia útil fornecida pelo coletor sobre a irradiância solar incidente no coletor:
(2.1)
O rendimento é um parâmetro fortemente influenciado pelas características construtivas do coletor, isto é, espessura do absorsor, dimensões do coletor, características óticas da cobertura e absorsor (refletância, absortividade, emissividade, transmissividade), fator de eficiência F’, características essas que afetam as perdas globais e consequentemente o rendimento do coletor.
As perdas óticas de um coletor dependem das caraterísticas óticas do absorsor e da cobertura. Assim, de acordo com a transmissividade da cobertura – coeficiente de transmissão - e com a absortividade da placa absorsora – coeficiente de absorção – é definido o rendimento ótico do coletor:
(2.2)
Quanto às perdas térmicas dependem da diferença de temperatura entre o absorsor e o ar ambiente. Dependem também do isolamento e da construção do coletor. As perdas térmicas são descritas através do coeficiente global de perdas (UL) em W/m
2 K.
Figura 12 - Perdas óticas e térmicas
Fonte: Energia SolarTérmica – manual sobre tecnologias, projeto e instalação
Analisando a figura acima (Figura 12), verifica-se que para uma irradiância constante e com o aumento da diferença de temperatura entre o absorsor e o ambiente, as perdas térmicas aumentam e o rendimento diminui.
Bons coletores planos para aplicação em águas domésticas apresentam valores típicos de rendimento ótico η0 > 0,8 e valores de coeficiente global de perdas UL < 6 W/m2K.
O rendimento de um coletor também depende de onde se encontra localizado e do clima. Portanto, existem locais mais apropriados do que outros para o aproveitamento da energia solar para aquecimento de água. Ainda assim o rendimento médio anual de um sistema completo com coletores planos é de 35-40%, ou seja, para um valor anual de 1.000 kWh/m2 de radiação solar, a produção de energia corresponde a 350-400 kWh/m2ano.
2.5 Relação entre o fator de eficiência (F’) e o teor em material de coletores solar
planos
O parâmetro F’ representa o fator de eficiência da alheta na transferência de calor do absorsor para o fluido circulante, isto é, a eficácia com que a energia térmica absorvida é depois transferida para fluido. Será explicado mais a frente com mais detalhe no capítulo 4.
Com a produção em massa de coletores solares no futuro e devido à restrição do uso do cobre (recurso tende a escassear), é cada vez mais importante encontrar medidas de poupança de material e racionalização no uso do cobre.
Se um recurso tende a escassear, o seu preço de mercado aumentará ao longo dos anos e por isso espera-se que no futuro os custos de um coletor solar serão fortemente influenciados pelo teor em cobre das tubagens e do absorsor.
Existem diversos fatores construtivos que afetam o fator de eficiência da alheta F’. Quanto maior a espessura da placa absorsora e quanto mais perto estiverem as tubagens, maior será o fator de eficiência da alheta. Devido à escassez cada vez maior dos recursos, é crucial investir na poupança do material e construir placas mais finas e menos tubagens ao longo do coletor, mas, no entanto, o fator de eficiência tenderá a diminuir.
Daqui surge o grande problema de construir coletores com menos material mas sem prejudicar o rendimento final do coletor.
Por tudo isto, têm-se desenvolvido alguns estudos que relacionam o fator de eficiência F’ com o teor em material do coletor (W. Eisenmann et al. 2004).
Hoje em dia, um coletor solar plano tem que apresentar no mínimo um fator de eficiência de 0,9 de modo a ser competitivo.
A expressão para o cálculo do teor em material é a razão entre a massa e a área do absorsor:
(2.3)
Com o aumento dos custos do material a razão F'/Z tem que ser maximizada, ou seja, o fator de eficiência tem que ser o maior possível para o teor mínimo de material Z.
2.5.1
Condições económicas e limites técnicos
Para se obter um decréscimo do teor em material do coletor sem comprometer o fator de eficiência não se pode reduzir o teor em material do absorsor e das tubagens ao mesmo tempo. De facto, uma das maneiras de poder reduzir o teor de material é diminuir a espessura do absorsor o que conduzirá a uma diminuição da distância entre tubos (mais material para tubagens), ou então aumentar a distância entre tubos (menos material para as tubagens) e aumentar um pouco a espessura do absorsor.
Conseguindo por exemplo diminuir a espessura do absorsor e poupar mais material que aquele que vai ser exigido para o aumento em tubagens, ter-se-á menos teor em material no seu todo (cerca
de 20-25% menos cobre). Portanto, terá que haver especial cuidado neste balanço espessura do absorsor - distância entre tubos se não se quiser prejudicar o seu rendimento.
No entanto, quando se tenta atingir este teor em material ótimo Z, surgem alguns problemas e algumas desvantagens que têm que ser encaradas e que poderão desencorajar para já esta política de redução de material.
Um dos problemas que surgem para absorsores mais finos prende-se com os custos adicionais devido ao trabalho e às dificuldades técnicas na produção e corte destes materiais finos.
Para além disto o absorsor ficaria bastante mais fragilizado, aumentando a probabilidade de possíveis estragos e quebras.
Com a diminuição da distância entre tubos, o número de junções aumentarão bem como os tubos soldados ao absorsor. Por tudo isto, os custos de produção também aumentarão por esta via.
Uma outra maneira de reduzir material seria através da redução da espessura da parede dos tubos . A pressão não seria o fator delimitante neste caso, mas sim o processo de soldadura dos tubos, que necessitam de uma certa estabilidade mecânica.
Todo o processo de minimizar o teor em material dos coletores pode exigir custos de construção muito elevados devido à fragilidade de todos os componentes no processo de fabrico.
Perante isto, esperam-se muitas dificuldades no futuro no que se refere ao objetivo de construir coletores com menos material e com igual eficiência. Uma das possibilidades passa pela substituição do cobre por alumínio ou plásticos e não tanto por minimizar a rigidez e estabilidade do material do coletor.
CAPÍTULO 3 – Ensaios de coletores solares térmicos
3.1
Medições de rendimento em coletores
O primeiro estudo detalhado para avaliação do rendimento de coletores solares térmicos pertence a Hottel e Woertz (1942), estudo esse baseado em medidas de balanço de energia num conjunto de coletores colocados num edifício.
Os dados experimentais foram obtidos para períodos de tempo de vários dias, e foi tido em conta os efeitos de sujidade, poeira e sombreamento nos cálculos e medições do rendimento.
Mais tarde Tabor (1958) modificou a fórmula do cálculo de perdas de Hottel e Woertz usando novas correlações para a transferência por convecção entre placas paralelas e valores mais baixos de emissividade do vidro do que os utilizados por Hottel e Woertz.
Estas modificações permitiram as primeiras estimativas dos coeficientes de perdas para coletores com superfícies seletivas.
Moore et al. (1974) fizeram mais tarde intensivas comparações de rendimento de coletores planos com resultados previstos pelo método usado por Hottel e Woertz e verificou-se que existia uma concordância razoável entre estes dois estudos.
Através destes exemplos e de muitas outras medições efetuadas, verificou-se que existia uma boa correlação entre os métodos experimentais e os métodos de cálculo desenvolvidos.
3.2
Ensaio de coletores: rendimento, modificador de ângulo de incidência, e
constante de tempo
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:
