Aquecimento solar de ´
agua para a ind´
ustria
Por
Samuel Filipe Dias de Sousa
Orientador: S´ergio Augusto Pires Leit˜ao
Co-orientador: Manuel Ressurrei¸c˜ao Cordeiro
Disserta¸c˜ao submetida `a
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o 74/2006 de 24 de Mar¸co e no
Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD DR, 2.a s´erie – Delibera¸c˜ao n.o 2391/2007
Aquecimento solar de ´
agua para a ind´
ustria
Por
Samuel Filipe Dias de Sousa
Orientador: S´ergio Augusto Pires Leit˜ao
Co-orientador: Manuel Ressurrei¸c˜ao Cordeiro
Disserta¸c˜ao submetida `a
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de
MESTRE
em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no DR – I s´erie–A, Decreto-Lei n.o 74/2006 de 24 de Mar¸co e no
Regulamento de Estudos P´os-Graduados da UTAD DR, 2.a s´erie – Delibera¸c˜ao n.o 2391/2007
Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :
S´ergio Augusto Pires Leit˜ao
Doutor do
Departamento de Engenharia Electrot´ecnica e Computadores UTAD - Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Manuel Ressurrei¸c˜ao Cordeiro
Doutor do
Departamento de Engenharia Electrot´ecnica e Computadores UTAD - Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Acompanhamento do trabalho :
Miguel Vieira
Engenheiro do
Departamento de Manuten¸c˜ao Roca S.A Leiria
”Um homem pode imaginar coisas que s˜ao falsas, mas ele pode somente compreender coisas que s˜ao verdadeiras, pois se as coisas forem falsas, a no¸c˜ao delas n˜ao ´e compreens´ıvel.” Isaac Newton (1643 – 1727)
”A genialidade ´e 1% inspira¸c˜ao e 99% transpira¸c˜ao.” Thomas Edison(1847 – 1931)
Aos meus pais, irm˜aos e namorada
UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO Mestrado em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores
Os membros do J´uri recomendam `a Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro a aceita¸c˜ao da disserta¸c˜ao intitulada “ Aquecimento solar de ´agua para a ind´ustria” realizada por Samuel Filipe Dias de Sousa para satisfa¸c˜ao parcial dos requisitos do grau de Mestre.
Junho 2010
Presidente: Doutor Salviano Soares Filipe Pinto Soares,
Direc¸c˜ao do Mestrado em Engenharia Electrot´ecnica e de
Computadores do Departamento de Engenharias da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Vogais do J´uri: Salvador Malheiro Ferreira da Silva,
Doutor do Departamento de Engenharia Mecˆanica da UTAD -Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
S´ergio Augusto Pires Leit˜ao,
Doutor do Departamento de Engenharia Electrot´ecnica e
Computadores da UTAD - Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Manuel Ressurrei¸c˜ao Cordeiro,
Doutor do Departamento de Engenharia Electrot´ecnica e
Computadores da UTAD - Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro
Aquecimento solar de ´agua para
a ind´
ustria
Samuel Filipe Dias de Sousa
Submetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de
Mestre em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores
Resumo —”Redu¸c˜ao e Optimiza¸c˜ao”, talvez duas das palavras mais vezes enunciadas na ind´ustria e economia mundial. Os mercados internacionais passam neste momento por momentos de crise em diversos factores, agravado pelo pre¸co dos combust´ıveis f´osseis.
Sendo a palavra de ordem poupar, as empresas procuram meios de se manterem competitivas visto o elevado custo dos combust´ıveis prejudicar o seu planeamento, investimento e competitividade.
Entr´amos na ”Era” das energias renov´aveis, limpas, ilimitadas e seguras, principalmente impulsionadas pela energia solar e e´olica.
Considerando todos este aspectos a empresa ROCA S.A, prima pela sua excelˆencia nos produtos concebidos n˜ao descuidando aspectos ambientais e competitividade. Surge o desafio de utilizar a energia solar de forma a reduzir dependˆencia de combust´ıveis f´osseis aumentando a eficiˆencia das unidades fabris de Leiria, passando numa primeira fase para o aquecimento de ´aguas sanit´arias (AQS). Nesta disserta¸c˜ao ser˜ao avaliadas as diversas tecnologias a poderem ser utilizadas, ser˜ao realizadas auditorias energ´eticas de forma a se avaliarem os os consumos actuais de ´agua e de g´as natural.
Nesta disserta¸c˜ao ser´a projectado um sistema para uma das unidades fabris de Leiria. Visto a Roca possuir ainda outra unidade em Leiria e de forma a se proceder a um dimensionamento r´apido e efic´az ser´a implememtado um software para dimensionamento da quantidade de colectores solares, tubagens e distˆancias entre si na sua montagem bem como a previs˜ao actual do custo da instala¸c˜ao.
Palavras Chave: Energia solar, Aquecimento de ´agua, combustiv´eis f´osseis, colectores solares, simula¸c˜ao, software.
Solar Heating Water system
for Industrial Applications
Samuel Filipe Dias de Sousa
Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Electrical and Computers Engineering
Abstract — ”Reduction and optimization” probably two of the words that are most mentioned in industry and global economy. The international markets are in troubles in several sectors, aggravated by the prices and the speculation about the quantity of existent fossil in the planet. The keyword is save money, the company’s are searching new ways to maintain the competitiveness, because the prices of fuels affect the reinvestment and planning. We are in the ”Age”of renewable energies. Clean, unlimited and secure are the key words for those energies. They are driven by solar and wind energies. ROCA S.A always looks for excellence in the designed products, bering in mind ambiental aspects. That rises the challenge of using solar thermic energy in sanitary installations with the purpose, of reducion the dependence of fossil energies rising the efficiency of the plants in Leiria. In this dissertation, the available technologies will be consider and held energetic audits to evaluate the consumptions of water and natural gas. One installation will be projected to one of the plants of the complex. However ROCA S.A has another plant in the complex, so will be implemented one software for futures projects that calculates rapidly and efficiently, the number of solar collectors, dimension of the pipes, the distance between groups of collectors and also the prevision cost of the installation.
Key Words: Solar energy, heating water, fossil fuels, solar collectors, simulation, software.
Agradecimentos
Institucionalmente, os meus agradecimentos ao Magn´ıfico Reitor da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro, Professor Doutor S´ergio Leit˜ao, Professor Doutor Manuel R. Cordeiro, Director de curso Professor Doutor Salviano Soares , ao Engo
Miguel Vieira, Roca S.A, pelas facilidades concedidas e meios colocados `a disposi¸c˜ao para a realiza¸c˜ao deste trabalho.
Ao Professor Doutor Professor Doutor S´ergio Leit˜ao e Doutor Manuel R. Cordeiro, o meu apre¸co pela maneira como foi tratada esta tese e pela sua orienta¸c˜ao.
Ao Professor Doutor Salviano Soares pela forma como fui recebido nesta institui¸c˜ao e apoiando-me em todo o processo. Ao Engo Miguel Vieira pelos seus conselhos, a
sua dedica¸c˜ao para que este projecto se concretize e `a Roca S.A pela disponibilidade para concretizar este processo.
Aos meus pais, irm˜aos e namorada que sempre me apoiaram e apoiam em todas as grandes decis˜oes.
A todos, muito obrigado !
UTAD, Vila Real Samuel Filipe Dias de Sousa
1 de Junho, 2010
´Indice geral
Resumo xi
Agradecimentos xv
´Indice de tabelas xxi
´Indice de figuras xxiii
Gloss´ario xxvii
1 Introdu¸c˜ao 1 1.1 Enquadramento e motiva¸c˜ao . . . 1 1.2 Objectivos . . . 3 1.3 Organiza¸c˜ao da disserta¸c˜ao. . . 4 2 Energia Solar 7 2.0.1 Princ´ıpios F´ısicos . . . 7
2.0.2 Tipos de radia¸c˜ao e a sua influˆencia . . . 8
2.0.3 Orienta¸c˜ao e a sua influˆencia . . . 15
2.1 Recursos energ´eticos . . . 18
2.1.1 O Clima . . . 19
3 Sistemas Solares T´ermicos 21 3.1 Colectores solares e a sua constitui¸c˜ao. . . 24
3.3.2 Caracteriza¸c˜ao da caixa e da cobertura transparente . . . 30
3.3.3 Vedantes . . . 31
3.3.4 Sondas de temperatura . . . 32
3.4 Funcionamento do colector solar plano . . . 32
3.4.1 Eficiˆencia do colector solar plano . . . 33
3.4.2 Vantagens e desvantagens dos colectores solares planos . . . . 34
3.5 Colectores Parab´olicos Compostos . . . 35
3.6 Colectores solares de tubos de v´acuo . . . 37
3.6.1 Modo de constru¸c˜ao . . . 38
3.7 Dep´ositos de ´aguas sanit´arias . . . 44
3.7.1 Materiais usados para a concep¸c˜ao . . . 44
3.7.2 Dep´ositos de utiliza¸c˜ao ”Standard”e suas caracter´ısticas. . . . 46
3.8 Caracteriza¸c˜ao de permutadores . . . 57
3.9 Isolamento de tubagens . . . 60
3.10 Componentes fundamentais dos sistemas solares t´ermicos . . . 62
3.10.1 Flu´ıdo de transferˆencia t´ermica . . . 62
3.10.2 Carateriza¸c˜ao de bombas de circula¸c˜ao para instala¸c˜oes solares 63 3.10.3 V´alvula anti-retorno . . . 64
3.10.4 Purgadores de ar . . . 65
3.10.5 Medidor de caudal ou caudalimetro . . . 66
3.10.6 Vaso de expans˜ao . . . 66
3.10.7 V´alvulas de seguran¸ca . . . 68
3.10.8 Esta¸c˜ao solar . . . 69
3.10.9 Controlador . . . 69
3.10.10 Controlo da diferen¸ca de temperatura . . . 70
4 Estudo do sistema solar t´ermico 73 4.1 Consumos de ´agua quente consumida e g´as natural . . . 74
4.2 Dimensionamento da instala¸c˜ao solar t´ermica . . . 77
4.3 Dimensionamento dos dep´ositos de acumula¸c˜ao . . . 92
4.4 Dimensionamento de tubagens, bomba circuladora e vaso de expans˜ao 99 4.4.1 C´alculo de tubagens . . . 99
4.4.2 Bomba circuladora . . . 105
4.4.3 Distˆancia entre colectores . . . 114
4.4.4 Estudo viabilidade econ´omica . . . 117
5 Software de dimensionamento 121 xviii
6 Conclus˜oes Finais e Trabalho futuro 131
Referˆencias bibliogr´aficas 133
A C´alculos da ”VAL”e ”TIR”da instala¸c˜ao para trˆes cen´arios 137
B S´ımbolos, constantes f´ısicas e prefixos de unidades 141
Sobre o Autor 143
´Indice remissivo 143
´Indice de tabelas
3.1 Tipos de cobertura . . . 31
3.2 Tipos de caixas . . . 31
4.1 Consumos de g´as natural e ´agua quente do mˆes de Janeiro de 2010 em Leiria 1 . . . 76
4.2 Temperatura da ´agua da rede . . . 78
4.3 Irradiacao horizontal m´edia mensal . . . 80
4.4 Tabela da inclina¸c˜ao dos colectores solares . . . 81
4.5 Factor de correccao de inclinacao (k) . . . 81
4.6 N´umero de horas ´uteis de sol di´arias . . . 83
4.7 Temperatura ambiente m´edia mensal durante as horas de sol . . . 84
4.8 Resumo das necessidades energ´eticas e da energia ´util captada num ano . . . 88
4.9 Resultados energeticos finais . . . 91
4.10 Resultados energ´eticos finais optimizados . . . 97
4.11 Acess´orios a instalar na instala¸c˜ao . . . 106
4.12 Temperatura de ebuli¸c˜ao segundo a press˜ao da instala¸c˜ao . . . 114
4.13 Espessuras do isolamento dos tubos do circuito prim´ario . . . 116
4.14 Custo da instala¸c˜ao . . . 117 xxi
´Indice de figuras
2.1 Varia¸c˜ao di´aria da irradia¸c˜ao solar . . . 8
2.2 Diferentes tipos de radia¸c˜ao no meio ambiente . . . 9
2.3 Altitude solar ao longo de um ano em Lisboa. . . 10
2.4 Espectro Solar MA=0 no espa¸co e MA=1,5 na terra com eleva¸c˜ao solar de 37% . . . 11
2.5 Irradia¸c˜ao solar global e os seus componentes para diferentes condi¸c˜oes do c´eu . . . 11
2.6 Somat´orio mensal da irradia¸c˜ao solar mensal . . . 12
2.7 Radia¸c˜ao global anual em Portugal . . . 13
2.8 N´ıveis de radia¸c˜ao directa e difusa durante o dia em Lisboa ao longo do ano . . . 14
2.9 Insola¸c˜ao global anual em Portugal . . . 14
2.10 ˆAngulos utilizados no dimensionamento dos sistemas solares . . . 15
2.11 Irradia¸c˜ao solar global para diferentes orienta¸c˜oes da superf´ıcie receptora 17
2.12 Irradia¸c˜ao solar global no semestre do ver˜ao para diferentes orienta¸c˜oes da superf´ıcie receptora . . . 17
2.13 Irradia¸c˜ao solar global no semestre do inverno para diferentes orienta¸c˜oes da superf´ıcie receptora . . . 18
2.14 Cubo da energia. . . 19 xxiii
3.4 Identifica¸c˜ao das ´areas colectores solares . . . 26
3.5 Absor¸c˜ao e emiss˜ao atrav´es de superf´ıcies diferentes . . . 29
3.6 Tipos de absorsores . . . 29
3.7 Fluxos de energia num colector solar . . . 33
3.8 Colectores solares parab´olicos compostos . . . 36
3.9 Principio de isolamento t´ermico de v´acuo . . . 38
3.10 Colectores de v´acuo de fluxo directo . . . 39
3.11 Colectores de v´acuo de calor . . . 39
3.12 Colectores de v´acuo de tubo Sydney . . . 40
3.13 Colectores de v´acuo de tubo Schoot . . . 41
3.14 Dep´osito de acumula¸c˜ao . . . 45
3.15 Dep´osito com estratifica¸c˜ao . . . 49
3.16 Dep´osito n˜ao estratificado . . . 50
3.17 Dep´osito com perdas de calor evit´aveis devido a design deficiente. . . 51
3.18 Dep´osito de dupla serpentina . . . 52
3.19 Dep´osito de dupla serpentina ou cˆamara interna . . . 54
3.20 Dep´osito tank in tank. . . 56
3.21 Permutador externo . . . 57
3.22 Permutadores tubulares . . . 59
3.23 Isolamento t´ermico . . . 61
3.24 Bombas circuladoras para instala¸c˜oes solares . . . 64
3.25 V´alvula anti-retorno . . . 65
3.26 Purgador autom´atico . . . 66
3.27 Esta¸c˜ao solar com caudalimetro integrado . . . 67
3.28 Vaso de expans˜ao . . . 68
4.1 Consumo de ´agua quente nos balne´arios de Leiria 1 . . . 74
4.2 Consumo de g´as natural nos balne´arios, em Janeiro de 2010 . . . 74
4.3 Correla¸c˜ao entre o g´as consumido e o volume de ´agua aquecida . . . . 75
4.4 Distribui¸c˜ao de consumos de ´agua quente . . . 75 xxiv
4.5 Colectores solares utilizados no projecto . . . 84
4.6 Curva do rendimento t´ıpico em fun¸c˜ao de T∗ . . . 86
4.7 Optimizacao do numero de colectores solares . . . 92
4.8 Percentagem de energia solar versus volume . . . 93
4.9 Varia¸c˜ao do volume de acumula¸c˜ao com a temperatura obtida . . . . 95
4.10 Dep´osito de acumula¸c˜ao de 1000 e 1500 litros . . . 98
4.11 Disposi¸c˜ao dos colectores solares . . . 108
4.12 Liga¸c˜ao dos colectores na instala¸c˜ao . . . 109
4.13 Distˆancia entre colectores solares . . . 115
5.1 Fluxograma do software . . . 122
5.2 Imagem apresenta¸c˜ao do software . . . 123
5.3 Barra de menu . . . 124
5.4 Edi¸c˜ao de perfis . . . 124
5.5 Escolha de localidade da instala¸c˜ao . . . 125
5.6 Escolha dos componentes da instala¸c˜ao . . . 126
5.7 Exemplo da informa¸c˜ao dos componentes da instala¸c˜ao presentes na base de dados mysql . . . 127
5.8 Tabela de energias calculadas para a instala¸c˜ao . . . 127
5.9 C´alculo do n´umero de colectores e diˆametro da tubagem da instala¸c˜ao 128
5.10 Tabela com dados necess´arios para c´alculo . . . 130
B.1 Instala¸c˜ao . . . 141
B.2 Instala¸c˜ao . . . 142
Gloss´
ario
Prefixos do Sistema Internacional de Unidades (SI)
Os prefixos para os m´ultiplos e subm´ultiplos decimais definidos no Sistema Internacional de Unidades (SI) s˜ao os seguintes:
Factor Multiplicativo Prefixo S´ımbolo
1024= 1 000 000 000 000 000 000 000 000 yotta Y 1021= 1 000 000 000 000 000 000 000 zetta Z 1018= 1 000 000 000 000 000 000 exa E 1015= 1 000 000 000 000 000 peta P 1012= 1 000 000 000 000 tera T 109= 1 000 000 000 giga G 106= 1 000 000 mega M 103= 1 000 kilo (quilo1) k 102= 100 hecto h 101= 10 deka d 100= 1 (Unidade) — — 10−1= 0, 1 deci d 10−2= 0, 01 centi c 10−3= 0, 001 milli (mili1) m
(continua na p´agina seguinte)
10−9= 0, 000 000 001 nano n 10−12= 0, 000 000 000 001 pico p 10−15= 0, 000 000 000 000 001 femto f 10−18= 0, 000 000 000 000 000 001 atto a 10−21= 0, 000 000 000 000 000 000 001 zepto z 10−24= 0, 000 000 000 000 000 000 000 001 yocto y 1Prefixo aportuguesado. xxviii
1
Introdu¸c˜
ao
1.1
Enquadramento e motiva¸c˜
ao
A civiliza¸c˜ao mundial tem vindo a ter como uma das bases da sua enconomia a energia. O consumo de energia tem vindo a aumentar impulsionado por pa´ıses como ´India e China que possuem economias emergentes. No entanto, existem custos demasiados elevados para o meio-ambiente pois neste tipo de pa´ıses a energia ´e maioritariamente de origem termoel´ectrica atrav´es do consumo de carv˜ao. Nas ´
ultimas decadas tˆem havido diversas altera¸c˜oes clim´aticas devido ao problema dos Gases de Efeito de Estufa (GEE). As emiss˜oes poluentes de di´oxido de carbono (CO2), metano (CH4) e os ´oxidos de azoto (NOx), tˆem vindo progressivamente a
degradar a camada de ozono. O clima, zonas costeiras, a biodiversidade, recursos h´ıdricos e sa´ude, s˜ao alguns do afectados por este aumento progressivo [1]. As emiss˜oes gasosas s˜ao bastante elevadas no sector energ´etico, industria e transportes e ´e urgente que se baixem estas emiss˜oes sob pena de o futuro do planeta Terra ser hipotecado. ´E necess´ario que se promova a sustentabilidade, que se invista em novas tecnologias e novas formas de energia. A humanidade come¸ca a despertar para este grande problema e s˜ao ratificados protocolos a n´ıvel mundial tais como
o Protocolo de Quioto e a cimeira de Copenhaga. Contudo alguns do pa´ıses com maiores emiss˜oes, recusam-se a ratificar este tipo de protocolos, alegando que a sua economia sairia afectada assim como o seu desenvolvimento.
Os recursos energ´eticos mundiais esgotam-se a cada dia que passa e cabe `a humanida-de encontrar novas formas humanida-de energia, racionalizar os seus consumos e utilizar sistemas com maior rendimento e fiabilidade e reutiliza¸c˜ao de desperd´ıcios.
As empresas de todo o mundo apresentam um enorme dependˆencia dos combust´ıveis f´osseis. Como sabido o mercado dos combust´ıveis f´osseis tem se revelado muito inst´avel devido a aumentos elevados dos derivados do petr´oleo e do aumento do carv˜ao. Esta instabilidade afecta o desenvolvimento, planeamento e competitividade das empresas e da pr´opria economia.
Em Portugal surgem programas do governo para fomentar as energias renov´aveis. A energia solar t´ermica, fotovolt´aica e a energia e´olica s˜ao as energias que mais se come¸cam a implementar. A energia solar t´ermica apresenta-se uma boa solu¸c˜ao para o aquecimento de ´aguas sanit´arias, aquecimento de ´aguas para processo industrial e surgem agora as primeiras centrais de produ¸c˜ao de energia el´ectrica atrav´es do aquecimento de ´agua.
Ap´os um primeiro per´ıodo de aparecimento em que a tecnologia era mal aplicada por falta de legisla¸c˜ao e conhecimentos t´ecnicos que levaram `a descredibiliza¸c˜ao. Com o aparecimento de sistemas mais fi´aveis devido ao aparecimento de legisla¸c˜oes e `a forma¸c˜ao de t´ecnicos, os sistemas solares t´ermicos apresentam-se agora bastante fi´aveis e compensat´orios levando a que diversas fam´ılias atrav´es de incentivos governa-mentais, passam a instalar nas suas casas com sucesso. Surgem os desafios de aplica¸c˜ao em sistemas de larga escala para a ind´ustria de forma a aumentar a sua competitividade e reduzir a sua dependˆencia dos combust´ıveis f´osseis.
Este trabalho surge nesse ˆambito. A ROCA S.A pretende um sistema solar t´ermico para o aquecimento das ´aguas sanit´arias de uma das suas unidades fabris em Leiria.
1.2. OBJECTIVOS 3
Com o intuito de obter uma solu¸c˜ao eficiente e vi´avel, ´e necess´ario identificar o tipo de consumo, quantidade de ´agua quente consumida, tecnologia a utilizar e selec¸c˜ao de tipo de instala¸c˜ao sendo necess´ario ter aten¸c˜ao as normas em vigor EN 12975 e EN 12976 [2]. Foram instalados caudal´ımetros, para supervisionar e caracterizar os consumos de ´agua, os per´ıodos de consumo de ´agua natural e g´as natural. Prevendo o futuro ainda ´e parte integrante deste trabalho o desenvolvimento de um software de dimensionaento r´apido de forma a serem dimensionados sistemas deste tipo rapidamente e com grande fiabilidade.
1.2
Objectivos
Este trabalho tem como principal objectivo a realiza¸c˜ao de um projecto e avalia¸c˜ao de um sistema solar t´ermico para o aquecimento de ´aguas quentes sanit´arias dos balne´arios, de uma das unidade fabris da ROCA S.A em Leiria de forma a, minimizar os consumos de g´as natural realizados neste momento. Ser˜ao estudadas as principais tecnologias dispon´ıveis no mercado e modo de funcionamento As principais mais-valias deste trabalho s˜ao demostrar a forma de dimensionamento de um sistema solar t´ermico, aspectos considerados, modos de implementa¸c˜ao, cuidados a ter num sistema deste tipo, retorno de investimento no futuro e elementos constituintes. Para a realiza¸c˜ao deste trabalho, ser˜ao realizados os seguintes estudos:
• Caracteriza¸c˜ao de consumos de ´agua quente e g´as natural;
• C´alculo das necessidades energ´eticas para o aquecimento de ´agua;
• Caracteriza¸c˜ao a irradia¸c˜ao e temperaturas ambiente e da ´agua atrav´es do software SOLTERM 5.0 do INETI;
• Caracteriza¸c˜ao e optimiza¸c˜ao dos componentes do sistema solar t´ermico; • C´alculo de tubagens e perdas de carga;
• C´alculos de componentes hidr´aulicos da instala¸c˜ao; • Avalia¸c˜ao t´ecnico-econ´omica dos sistemas a instalar; • Realiza¸c˜ao de um software de dimensionamento.
Com a realiza¸c˜ao deste trabalho, pretende-se contribuir para que tanto a ROCA S.A como outras empresas invistam neste tipo de tecnologia. Desta forma, a redu¸c˜ao da dependˆencia de combust´ıveis f´osseis far´a com que, as emiss˜oes poluentes diminuam no nosso pa´ıs de forma a atingirmos as metas tra¸cadas para Uni˜ao Europeia. Pretende-se ainda que, Pretende-se utilizem os software de simula¸c˜ao e dimensionamento para estes tipos de instala¸c˜ao, esperando que os softwares evoluam de forma a n˜ao existir d´uvidas na sua fiabilidade devido `a sua complexidade.
1.3
Organiza¸c˜
ao da disserta¸c˜
ao
Este trabalho possui al´em do presente cap´ıtulo de introdu¸c˜ao que visa o enquadramento do trabalho desenvolvido bem como apresentar os objectivos tra¸cados e motiva¸c˜ao , mais cinco cap´ıtulos.
O cap´ıtulo 2 apresenta a potencialidade da energia solar bem como os fen´omenos f´ısicos que influˆenciam a a sua capta¸c˜ao, aspecto da orienta¸c˜ao dos colectores solares, fazendo referˆencia ao clima em Portugal. No cap´ıtulo 3, s˜ao apresentados os istemas solares t´ermicos, onde se realiza um breve caracteriza¸c˜ao de cada um dos componentes da instala¸c˜ao, aspectos a ter em conta durante o dimensionamento, tecnologis presentes no mercado e os princ´ıpios f´ısicos que obdecem. No cap´ıtulo 4, realiza-se o dimensiona-mento da presente instala¸c˜ao, s˜ao apresentadas as express˜oes matem´aticas para o correcto dimensionamento e optimiza¸c˜ao do campo de colectores solares e dos dep´ositos de acumuala¸c˜ao. No cap´ıtulo 5, ´e explicada a concep¸c˜ao do software de dimensionamento realizado na plataforma Labview, s˜ao avaliadas as potencialidades,
1.3. ORGANIZAC¸ ˜AO DA DISSERTAC¸ ˜AO 5
e os dados c´alculados para cada instala¸c˜ao de energia solar t´ermico. No cap´ıtulo 6 s˜ao apresentadas as conclus˜oes do presente trabalho e s˜ao mostradas algumas evolu¸c˜oes que poder˜ao ser realizadas no futuro.
2
Energia Solar
A Energia Solar ´e considerada a maior fonte de energia dispon´ıvel no planeta Terra. ´
E indispens´avel para a nossa existˆencia, devido ´a sua importˆancia no nosso processo evolutivo. Felizmente com a evolu¸c˜ao humana, foi observado que a Energia Solar ´e uma fonte de energia vi´avel para diversas aplica¸c˜oes.
De uma forma objectiva, a Energia Solar ´e consequˆencia de um processo de fus˜ao nuclear no qual, dois n´ucleos de Hidrog´enio se fundem com um de H´elio. Esta energia ´e radiada para o espa¸co sob forma de ondas electromagn´eticas, contudo uma pequena parte ´e radiada para o planeta Terra. A Terra encontra-se a uma distˆancia do Sol de cerca de 143 milh˜oes de quil´ometros. Contudo, e em modo de compara¸c˜ao num ´unico quarto de hora da energia solar radiada pelo Sol ´e superior a toda a energia utilizada a n´ıvel mundial durante um ano.
2.0.1
Princ´ıpios F´ısicos
A energia irradiada pelo Sol, para a atmosfera ´e praticamente constante e a sua intensidade de radia¸c˜ao ´e definida como a constante solar relativa a uma ´area de um
metro quadrado. Existem factores que afectam esta constante, tais como a varia¸c˜ao da actividade solar e com a excentricidade da ´orbita da Terra. O valor m´edio da constante solar ´e de E0=1.367 W/m2. Levando em conta os dados astron´omicos
podemos dizer que a energia solar dispon´ıvel na Terra ´e muito vari´avel, pois esta varia com a latitude geogr´afica, com o dia e com as esta¸c˜oes do ano. Devido `a inclina¸c˜ao do eixo da Terra, os dias de ver˜ao s˜ao maiores que os dias de inverno e as altitudes solares que o sol atinge s˜ao mais elevadas nos meses de ver˜ao do que no inverno. Pode ser observado na figura 2.1, a varia¸c˜ao da irradia¸c˜ao solar di´aria em Lisboa no ano de 2008:
Figura 2.1 – Varia¸c˜ao di´aria da irradia¸c˜ao solar
2.0.2
Tipos de radia¸c˜
ao e a sua influˆ
encia
A radia¸c˜ao solar divide-se em diversas componentes tais como, a radia¸c˜ao solar directa Edire a radia¸c˜ao difusa Edif. A radia¸c˜ao directa ´e caracterizada pela radia¸c˜ao
proveniente do sol, que atinge o planeta Terra sem qualquer mudan¸ca da sua traject´o-ria, por outro lado a radia¸c˜ao difusa ´e caracterizada pela radia¸c˜ao que chega aos olhos
9
do observador atrav´es da difus˜ao de mol´eculas de ar e part´ıculas de p´o. A radia¸c˜ao difusa ´e ainda constituida pela radia¸c˜ao reflectida pela superf´ıcie terrestre. A soma das componente enunciadas ´e denominada por radia¸c˜ao global EG.
EG = Edir+ Edif (2.1)
A equa¸c˜ao 2.1 refere-se `a radia¸c˜ao sobre uma superf´ıcie horizontal. Na figura 2.2, s˜ao mostrados diferentes tipos de radia¸c˜oes existentes no meio ambiente.
Figura 2.2 – Diferentes tipos de radia¸c˜ao no meio ambiente
Como referido anteriormente, a posi¸c˜ao do Sol em rela¸c˜ao `a Terra ´e um dos factores influenciativos da intensidade da energia irradiada. Quando o sol se localiza vertical-mente, acima de uma dada localiza¸c˜ao, a radia¸c˜ao efectua o caminho mais curto atrav´es da atmosfera, na situa¸c˜ao contr´aria se o Sol se encontra num ˆangulo mais
baixo, a radia¸c˜ao tem de percorrer um caminho mais longo, estando assim dispon´ıvel uma menor intensidade de radia¸c˜ao de energia. Para traduzir este fen´omeno, o factor ”Massa de ar”(MA) ´e definido como o n´umero de vezes que o caminho da luz solar leva a chegar `a superf´ıcie da Terra, corresponde `a espessura de uma atmosfera. A figura 2.3 representa a altitude solar ao meio-dia ao longo de um ano em Lisboa.
Figura 2.3 – Altitude solar ao longo de um ano em Lisboa
A radia¸c˜ao solar no espa¸co, sem influˆencia da atmosfera terrestre ´e considerada tendo um espectro de MA=0. Contudo ao passar pela atmosfera existem diversos factores que reduzem a intensidade da radia¸c˜ao, entre os quais se destacam:
- Reflex˜ao causada pela atmosfera;
- Absor¸c˜ao atrav´es de mol´eculas na atmosfera (O3, H2O, O2 e CO2);
- Difus˜ao Rayleigh (difus˜ao de mol´eculas de ar);
11
A figura 2.4 reflecte a altera¸c˜ao da intensidade da radia¸c˜ao espectal devidos aos factores apresentadas anteriormente para uma eleva¸c˜ao solar de 37%:
Figura 2.4 – Espectro Solar MA=0 no espa¸co e MA=1,5 na terra com eleva¸c˜ao solar de 37%
Por outro lado, a nebulosidade ou o pr´oprio estado do c´eu s˜ao, factores decisivos pois a quantidade de radia¸c˜ao difusa e directa varia com a quantidade de nuvens. A figura 2.5, demonstra a influˆencia do c´eu terrestre na quantidade de radia¸c˜ao dispon´ıvel:
Em modo de balan¸co, verifica-se que na zona de Lisboa, a propor¸c˜ao m´edia da radia¸c˜ao solar difusa ´e de cerca 40 % da radia¸c˜ao global, sendo que como ´e normal nos meses de inverno esta propor¸c˜ao aumenta. A figura 2.6 demonstra o aumento de radia¸c˜ao solar dispon´ıvel ao longo do ano:
Figura 2.6 – Somat´orio mensal da irradia¸c˜ao solar mensal
´
E poss´ıvel observar durante o ano que existem grandes oscila¸c˜oes na irradia¸c˜ao solar global ao longo do dia, estas varia¸c˜oes devem-se sobretudo `a radia¸c˜ao directa. A figura 2.7 mostra como dentro de Portugal, existe uma grande oscila¸c˜ao de norte a sul:
13
Figura 2.7 – Radia¸c˜ao global anual em Portugal
Tendo em vista o objectivo deste trabalho, interessa salientar que o valor m´edio anual da irradia¸c˜ao solar global, ´e de 1400kWh/m2 em Vila Real (Norte) e de
1700kWh/m2 em Faro (Sul), como representado na figura 2.8. No entanto, ainda
que exista um aumento da irradia¸c˜ao solar global de Norte para Sul, para um sistema solar de aquecimento de ´agua esta diferen¸ca n˜ao ´e muito significativa. Para o dimensionamento dos sistemas solares, outro factor a ter em conta ´e o n´umero de horas de luz (insola¸c˜ao). Este parˆametro em Portugal varia, entre 1800 e 3100 horas por ano conforme se ilustra na figura 2.9:
Figura 2.8– N´ıveis de radia¸c˜ao directa e difusa durante o dia em Lisboa ao longo do ano
15
2.0.3
Orienta¸c˜
ao e a sua influˆ
encia
A orienta¸c˜ao ´e um factor que influˆencia fortemente, o valor m´aximo de radia¸c˜ao produzida.Para diferentes ˆangulos de incidˆencia do sol, durante o ano e a uma determinada latitude,existe um valor m´aximo de radia¸c˜ao recebida por uma superf´ıcie receptora. Se esta estiver inclinada a um determinado ˆangulo que pode ser calculado [6].
No inverno existe menos radia¸c˜ao que no ver˜ao, devido `a sua altura solar, da mesma forma o ˆangulo de inclina¸c˜ao ´optimo no inverno ´e superior ao mesmo ˆangulo no ver˜ao.
A influˆencia do alinhamento e a inclina¸c˜ao de um telhado ´e determinante para o sucesso de uma instala¸c˜ao solar t´ermica.
Para o dimensionamento existem quatro parˆametros a ter em conta como pode ser observado na figura 2.10:
- αS designado por azimute Solar;
- γS designado por ˆangulo de eleva¸c˜ao solar;
- α designado por azimute do colector; - β designado por inclina¸c˜ao do colector.
Atrav´es dos gr´aficos de isolinhas ´e poss´ıvel avaliar a irradia¸c˜ao solar. Na figura 2.11
s˜ao apresentadas as isolinhas de irradia¸c˜ao global s˜ao dadas em kWh/m2 por ano
ou por semestre. No eixo das abcissas podemos consultar o azimute e no eixo das ordenadas o ˆangulo de inclina¸c˜ao. As figuras2.11,2.12 e2.13 mostram a irradia¸c˜ao solar em diferentes altura do ano [6]:
Por an´alise destes gr´aficos facilmente se verifica que, a irradia¸c˜ao ´optima se encontra no alinhamento meridional ou seja para α=0 e para uma inclina¸c˜ao de 30o (β=30o).
Os valores mais elevados de irradia¸c˜ao (1300kWh/m2) est˜ao dispon´ıveis no semestre
de Ver˜ao (Abril a Setembro). Um desvio do alinhamento ´optimo poder´a ser tolerado. O ˆangulo de inclina¸c˜ao ´optimo para o semestre de inverno ´e de 50o. Contudo
dever-se-´a ter algumas precau¸c˜oes pois desvios `a direc¸c˜ao de alinhamento sul podem provocar perdas de radia¸c˜ao muito r´apidas e significativas.
17
Figura 2.11 – Irradia¸c˜ao solar global para diferentes orienta¸c˜oes da superf´ıcie receptora
Figura 2.12 – Irradia¸c˜ao solar global no semestre do ver˜ao para diferentes orienta¸c˜oes da superf´ıcie receptora
Figura 2.13 – Irradia¸c˜ao solar global no semestre do inverno para diferentes orienta¸c˜oes da superf´ıcie receptora
2.1
Recursos energ´
eticos
As energias renov´aveis tomaram grande protagonismo no novo s´eculo. A r´apida explora¸c˜ao e consumo dos combust´ıveis f´osseis levam a que estes recursos num futuro pr´oximo se possam esgotar. Sob pena de ser atingido o stock m´aximo dispon´ıvel no planeta, ´e necess´ario encontrar novas formas de produzir energia, apostar na eficiˆencia energ´etica e na racionaliza¸c˜ao energ´etica. Neste ˆambito a comunidade mundial criou programas de incentivos `a utiliza¸c˜ao de energias renov´aveis (solar, e´olica, biomassa, energia das mar´es, etc.), programas de eficiˆencia energ´etica, legisla-¸c˜ao nova e formalegisla-¸c˜ao em ´areas at´e agora sem t´ecnicos [6].
Nesta disserta¸c˜ao ser´a fomentada, a utiliza¸c˜ao da energia solar numa ind´ustria, sector em que a energia ´e um factor decisivo nos lucros e desempenhos da mesma. As fontes de combust´ıveis f´osseis dispon´ıveis (carv˜ao, petr´oleo e g´as natural e urˆanio)
2.1. RECURSOS ENERG´ETICOS 19
s˜ao exploradas a taxas cada vez maiores, para fazer face `as necessidades energ´eticas do nosso planeta. Na figura 2.14´e apresentado o cubo da energia. ´E um gr´afico que demonstra a rela¸c˜ao entre as reservas de combust´ıveis f´osseis, a energia necess´aria e a radia¸c˜ao solar dispon´ıvel.
Figura 2.14 – Cubo da energia
O sol disponibiliza por ano, mais energia que todas as reservas de combust´ıveis f´osseis conhecidas [3], neste caso avaliadas da seguinte forma:
1.5 x 1018kWh/a=1500 milh˜oes de bili˜oes de kilowatt horas por ano.
Este valor ´e 10000 vezes maior que as necessidades energ´eticas mundiais [3].
2.1.1
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.
3.3.2
Caracteriza¸c˜
ao da caixa e da cobertura transparente
Tanto a placa absorsora como o isolamento t´ermico est˜ao instalados numa caixa e protegidos por uma cobertura transparente. O objectivo ´e provocar o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor. Os materiais utilizados para a cobertura transparente s˜ao geralmente o vidro e em algumas ocasi˜oes o pl´astico. O vidro utilizado apresenta um baixo teor de ferro de forma a ser bastante transparente. O vidro apresenta normalmente uma espessura de 3 a 4 mm, apresentando um coeficiente de transmiss˜ao de 91% no m´aximo (sem tratamentos anti-reflexo). Durante a vida ´util do colector, a cobertura transparente dever´a permitir uma elevada transmiss˜ao de luz e dever´a ter uma baixa reflex˜ao. A cobertura transparente dever´a assegurar a estanquicidade do colector `a ´agua e ao ar, `a press˜ao do vento, choques t´ermicos e a impactos de diversas naturezas [23].
Para melhorar as caracter´ısticas da cobertura transparente, s˜ao aplicados alguns tratamentos especiais, de entre os quais se destacam:
- tratamento anti-reflexo sobre a superf´ıcie exterior, para que as perdas por reflex˜ao dos raios solares incidentes diminuam;
- tratamento na superf´ıcie interior, para que sejam reflectidas as radia¸c˜oes de elevado comprimento de onda e n˜ao impe¸ca a passagem da radia¸c˜ao de onda curta, para diminuir as perdas por radia¸c˜ao.
Para aumentar o efeito estufa de um colector e a temperatura que o flu´ıdo de transferˆencia pode atingir, poder˜ao ser utilizados vidros duplos como cobertura
3.3. COLECTORES PLANOS 31
transparente. No entanto desta forma as perdas ´opticas aumentar˜ao. Visto esta desvantagem, o vidro duplo dever´a ser utilizado somente em aplica¸c˜oes onde, as condi¸c˜oes metereol´ogicas sejam adversas (temperaturas baixas e ventos fortes). As tabelas3.1 e3.2[3] mostram, as tecnologias e tipos de coberturas e caixas existentes no mercado:
Tabela 3.1 – Tipos de cobertura
Cobertura Vidro Pl´astico
Transmiss˜ao Estabilidade a longo prazo Deteriora¸c˜ao Estabilidade mecˆanica Est´avel Est´avel
Pre¸co Elevado Baixo
Peso Elevado Baixo
Tabela 3.2 – Tipos de caixas
Caixa Alum´ınio A¸co Pl´astico Madeira envernizada
Peso Baixo Elevado M´edio Elevado
Constru¸c˜ao F´acil F´acil M´edio Dif´ıcil
Consumo energ´etico Alto Baixo M´edio Baixo
Custo Elevado Baixo Baixo M´edio
Aumento do tempo Material ecol´ogico
Outros de recupera¸c˜ao Raramente Pouco utilizado utilizado apenas
energ´etica e recicl´avel em telhados
3.3.3
Vedantes
Os vedantes s˜ao parte importante num sistema solar t´ermico, servem para evitar a entrada de ´agua, p´o e insectos. Os materiais utilizados para os vedantes entre a cobertura transparente e a caixa, s˜ao EPDM ou a borracha de silicone. A parte inferior da caixa ´e instalada num encaixe de silicone. Para os tubos absorsores
´e conveniente colocar vedantes de silicone, sendo a sua temperatura m´axima de aplica¸c˜ao de cerca de 200oC.
3.3.4
Sondas de temperatura
Os colectores solares planos, tˆem na maioria um orif´ıcio para que seja introduzido uma sonda de temperatura (normalmente PT100). As sondas s˜ao inseridas nos orif´ıcios e ligadas ao controlador dos sistema solar. As sondas de temperatura s˜ao componentes bastante importantes pois, nos sistemas de circula¸c˜ao for¸cada, s˜ao elas que indicar˜ao ao controlador quando ser´a necess´ario recircular o flu´ıdo atrav´es de uma bomba de recircula¸c˜ao.
3.4
Funcionamento do colector solar plano
J´a foram apresentados os principais elementos constituintes de um colector solar plano. Falta especificar a forma como funciona um colector solar plano. A partir do momento em que a irradia¸c˜ao (E0) atinge a superf´ıcie transparente, mesmo antes de
entrar no colector, a energia (E1) ´e reflectida nas superf´ıcies internas e externas do
vidro. Mas as reflex˜oes n˜ao terminam por aqui, visto que, uma pequena parte ainda ´e reflectida na superf´ıcie selectiva do absorsor (E2) e a restante ´e convertida em
calor. Se o colector solar possuir um bom isolamento t´ermico e materiais isolantes n˜ao combust´ıveis, (como poliuretano sem CFC), as perdas de energia atrav´es de condu¸c˜ao t´ermica (Q1) s˜ao reduzidas ao m´ınimo poss´ıvel.
A cobertura transparente tem como principal fun¸c˜ao, reduzir as perdas na superf´ıcie do absorsor, atrav´es de radia¸c˜oes t´ermicas e convectivas (Q2). As perdas por
convec¸c˜ao e irradia¸c˜ao s´o ocorrem para o exterior atrav´es da cobertura de vidro aquecida.
3.4. FUNCIONAMENTO DO COLECTOR SOLAR PLANO 33
Figura 3.7– Fluxos de energia num colector solar
Como poderemos observar na figura3.7, `a irradia¸c˜ao solar E0 s˜ao retiradas as perdas
identificadas como E1, Q2 e Q1, o resultado ´e o calor remanescente (Q3) para ser
utilizado pelo sistema.
3.4.1
Eficiˆ
encia do colector solar plano
O rendimento de um sistema solar t´ermico, depende fortemente do rendimento do colector solar. O rendimento pode ser definido como, a taxa de energia t´ermica utilizada pelo total de irradia¸c˜ao de energia solar como poderemos ver em 3.1.
η = QN
E . (3.1)
Onde: η - rendimento (%);
QN - Energia t´ermica utilizada (W/m2);
E - irradia¸c˜ao de energia solar (W/m2).
Este rendimento pode ser influenciado pelas caracter´ısticas do colector solar, sendo as perdas por reflex˜ao (E1 e E2) e as perdas t´ermicas (Q1 e Q2).
As perdas ´opticas de um colector solar, descrevem a propor¸c˜ao de irradia¸c˜ao solar que n˜ao pode ser obsorvida pela placa absorsora. As perdas ´opticas dependem da ”transparˆencia”da cobertura do vidro cujo factor ´e designado por coeficiente de transmiss˜ao τ e da capacidade de absor¸c˜ao da superf´ıcie da placa absorsora designada pelo coeficiente de absor¸c˜ao α. Desta forma podemos designar as perdas ´opticas por:
η0 = τ × α. (3.2)
Onde: η0 - eficiˆencia ´optica;
τ - coeficiente de transmiss˜ao (W/m2/K)
α - coefiente de absor¸c˜ao (W/m2/K)
As perdas t´ermicas por seu lado, dependem da diferen¸ca de temperatura entre o absorsor e o ar exterior, da insola¸c˜ao e da constru¸c˜ao do colector. Podemos traduzir a influˆencia constructiva atrav´es do coeficiente global de perdas (W/m2K). As
perdas aumentam e a eficiˆencia diminui quando, a irradia¸c˜ao ´e constante e ocorre um aumento da diferen¸ca de temperatura entre o absorsor e o ar exterior. Para tal, deve ser assegurado uma temperatura de retorno baixa e um irradia¸c˜ao elevada para um melhor rendimento.
Podemos considerar que um bom colector plano apresenta uma eficiˆencia ´optica superior a 0.8 e um valor de coeficiente global de perdas inferior a 6 W/m2K.
3.4.2
Vantagens e desvantagens dos colectores solares planos
Os colectores solares planos s˜ao os colectores mais vendidos no mercado.Este tipo de colectores apresenta vantagens e devantagens face a outros tipos de colectores entre as quais se destacam:
3.5. COLECTORES PARAB ´OLICOS COMPOSTOS 35
- pre¸co mais baixo que os colectores de v´acuo e parab´olico composto (que ser˜ao abordados neste trabalho);
- apresentam-se como colectores muito vers´ateis permitindo diversas op¸c˜oes de montagem;
- apresentam boa taxa de pre¸co/performance; - simples montagem.
Por outro lado apresentam as seguintes desvantagens:
- os colectores de v´acuo, parab´olicos compostos apresentam maior eficiˆencia devido ao seu coeficiente global de perdas mais baixo;
- n˜ao podem ser utilizados em aplica¸c˜oes que necessitem de temperaturas de flu´ıdo muito elevadas;
- em rela¸c˜ao aos colectores de v´acuo, a ´area para a instala¸c˜ao do colector plano ´e maior.
3.5
Colectores Parab´
olicos Compostos
Os colectores solares planos s˜ao bastante utilizados, contudo foi necess´ario desenvolver uma tecnologia que permitisse, reduzir a ´area de absor¸c˜ao, em compara¸c˜ao com a ´area de capta¸c˜ao da radia¸c˜ao solar. Diminuindo a ´area do absorsor e sabendo que as perdas t´ermicas s˜ao proporcionais `a ´area do absorsor, s˜ao reduzidas as perdas t´ermicas aumentando assim o rendimento do colector.
Este tipo de colector tem como princ´ıpio de funcionamento, a concentra¸c˜ao da radia¸c˜ao solar na placa absorsora. Para tal, ´e utilizado um sistema duplo de absor¸c˜ao da radia¸c˜ao.
- sistema de absorsores para a absor¸c˜ao da radia¸c˜ao como nos colectores solares planos;
- sistema de reflex˜ao da radia¸c˜ao que permite a absor¸c˜ao da radia¸c˜ao na parte inferior do absorsor.
Na figura 3.8, pode ser observada a constitui¸c˜ao dos colectores parab´olicos :
Figura 3.8 – Colectores solares parab´olicos compostos
Como o pr´oprio nome indica, este tipo de colector possui uma configura¸c˜ao da superf´ıcie reflectora em forma parab´olica. Esta configura¸c˜ao permite que a superf´ıcie reflectora permita concentar a radia¸c˜ao com a utiliza¸c˜ao de materiais espelhados com um elevado n´ıvel de reflectividade. O ˆangulo de abertura destas superf´ıcies permite captar a radia¸c˜ao directa e difusa, como os colectores planos.
Este sistema apresenta vantagens como principais vantagens a descritas a seguir:
- elevada eficiˆencia mesmo com elevadas diferen¸cas de temperaturas entre o absorsor e o meio envolvente;
3.6. COLECTORES SOLARES DE TUBOS DE V ´ACUO 37
- elevada eficiˆencia para baixa radia¸c˜ao;
- maior eficiˆencia que os colectores solares planos em aplica¸c˜oes de alta
temperatura pois, devido ao seu principio de concentra¸c˜ao de energia permite atingir temperaturas mais elevadas com menores perdas que um colector plano.
Como principal desvantagem para este tipo de colectores, pode ser apontado o facto de este ser mais caro que um colector solar plano.
Em suma, este tipo de colector ´e uma excelente op¸c˜ao para sistemas em que seja necess´ario obter temperaturas bastante elevadas, com alto rendimento. Contudo, tal como os colectores solares planos, este tipo de colector tem uma montagem e utiliza¸c˜ao bastante simples para al´em de que, se podem colocar em estruturas fixas simples.
3.6
Colectores solares de tubos de v´
acuo
Todas as evolu¸c˜oes nas formas constructivas e tecnologias utilizadas, visam a redu¸c˜ao de perdas t´ermicas do colector. S˜ao colocados no mercado, os colectores solares de tubos de v´acuo. Este tipo de colector solar ´e constitu´ıdo por tubos de vidro que contˆem absorsores internos sujeitos ao v´acuo de forma a reduzir as perdas t´ermicas. Para eliminar as perdas de calor por convec¸c˜ao, a press˜ao interna dos tubos de vidro dever´a, ser de pelo menos 10−2 bar. Neste tipo de colectores mesmo com
uma temperatura de absor¸c˜ao de 120oC ou superior, os tubos de vidro permanecem
frios no exterior. As perdas de radia¸c˜ao permanecem reduzidas como nos colectores solares planos.
3.6.1
Modo de constru¸c˜
ao
Os colectores de v´acuo tˆem instaladas placas absorsoras, que s˜ao aplicadas como placas absorsoras planas, convexas ou cil´ındricas. Gra¸cas `a forma tubular dos colectores de v´acuo, atrav´es de uma alta compress˜ao as for¸cas que aumentam com o v´acuo s˜ao controladas. Na figura 3.9 pode ser observado o princ´ıpio de isolamento t´ermico dos tubos de v´acuo:
Figura 3.9 – Principio de isolamento t´ermico de v´acuo
Os tubos que constituem o colector de v´acuo, est˜ao ligados entre si pelo topo atrav´es, de um distribuidor ou caixa colectora, zona em que se localiza o isolamento e as linhas de alimenta¸c˜ao e retorno.
Existem no mercado dois tipos de colectores de tubos de v´acuo: - tubo colector de v´acuo de fluxo directo, figura 3.10;
3.6. COLECTORES SOLARES DE TUBOS DE V ´ACUO 39
Figura 3.10 – Colectores de v´acuo de fluxo directo
Figura 3.11 – Colectores de v´acuo de calor
Nos colectores de tubos de v´acuo de fluxo directo, o flu´ıdo de transferˆencia de calor ´e direccionado atrav´es de um sistema de tubo-entre-tubo, chamado de ”tubos coaxiais”para a base do absorsor onde flui, para a caixa colectora, aumentando a temperatura do flu´ıdo, ou flui atrav´es de um tubo em forma de U. Existem ainda variantes dos pr´oprios tubos do sistema de colector de tubos de v´acuo de fluxo directo que permitem melhorar o ganho da radia¸c˜ao do colector tais como:
- tubo Sydney; - tubo Schott.
O tubo de Sydney, consiste num duplo tubo de v´acuo selado. O bolbo de vidro interno tem um revestimento de metal e carbono sobre cobre. Neste tubo duplo de evacua¸c˜ao ´e colocada uma placa de condu¸c˜ao t´ermica em conex˜ao com um tubo em U onde ´e efectuada a transferˆencia de calor como mostrada na figura3.12.
Figura 3.12 – Colectores de v´acuo de tubo Sydney
O tubo de Schott, consiste em trˆes tubos de vidro coaxiais (inv´olucro, absorsor parcialmente revestido e interno) e n˜ao ´e utilizado metal. Neste tipo de colectores um revestimento selectivo de metal com propriedades de condutor-t´ermico, ligado a um tubo de aquecimento, ´e colocado dentro do tubo de v´acuo. O tubo de
3.6. COLECTORES SOLARES DE TUBOS DE V ´ACUO 41
aquecimento ´e preenchido com ´alcool ou com ´agua em v´acuo, que ´e evaporado para temperaturas a partir dos 25o C. O vapor que ´e criado sobe, transferindo calor por
condensa¸c˜ao atrav´es do permutador de calor para o flu´ıdo de transferˆencia de calor. O flu´ıdo condensado arrefece e volta a descer para ser aquecido novamente. Para um desempenho apropriado dos tubos estes devem ser instalados com uma inclina¸c˜ao m´ınima de 25o como mostrado na figura 3.13.
Por outro lado, o colector de v´acuo de calor tem aplicado um revestimento selectivo de metal com propriedade de condutor-t´ermico, que ligado a um tubo de aquecimento, ´e colocado dentro de um tubo de v´acuo. O tubo de aquecimento ´e preenchido com ´alcool ou ´agua em v´acuo, que ´e evaporado para temperaturas acima dos 25oC.
O vapor que ´e criado sobe, transferindo calor por condensa¸c˜ao atrav´es de um permutador de calor para o flu´ıdo de transferˆencia de calor. O flu´ıdo condensado arrefece e volta a descer para ser aquecido novamente. Este tipo de colector dever´a ser instalado com uma inclina¸c˜ao min´ıma de 25o para funcionar correctamente.
Este tipo de colector, apresenta diversas vantagens apresentadas a seguir:
- boa eficiˆencia, mesmo com elevadas diferen¸cas de temperatura entre o absorsor e o meio envolvente;
- boa eficiˆencia para baixos n´ıveis de radia¸c˜ao;
- suporta cargas t´ermicas com mais eficiˆencia do que os colectores planos;
- possibilidade de utiliza¸c˜ao em sistemas de ar condicionado e produ¸c˜ao de vapor pois, tˆem capacidade de atingir elevadas temperaturas;
- apresentam baixo peso;
- atrav´es da afina¸c˜ao das placas absorsoras, na montagem ou em f´abrica, estas podem ser alinhadas na direc¸c˜ao do sol;
- os colectores de tubos de fluxo-directo, podem ser montados horizontalmente num telhado plano, apresentado assim menores perdas t´ermicas, devido ao vento e menores custos de instala¸c˜ao.
H´a ainda no mercado a variante plana dos colectores de v´acuo. O seu modo de constru¸c˜ao ´e o mesmo dos colectores planos standard. A grande diferen¸ca reside no isolamento t´ermico que ´e efectuado com um v´acuo de 10/m−1 para 10/m−3 bar, em
3.6. COLECTORES SOLARES DE TUBOS DE V ´ACUO 43
vez de ser usada, a fibra natural dos colectores solares convencionais realizado em fibra natural ou espuma de poliuretano. A grande vantagem deste colector solar, ´e que este reduz as perdas t´ermicas por convec¸c˜ao. Este colector ´e ”preenchido”com cripton a 50 mbar de modo a reduzir as perdas t´ermicas atrav´es da conduc¸c˜ao. Este colector fica assim, sujeito a grandes for¸cas causadas pela diferen¸ca de press˜ao entre a press˜ao exterior e interior. Para tal, os elementos de suporte s˜ao encaixados entre a base da caixa e a cobertura de vidro. Devido a este facto, existem furos no absorsor. Ainda assim, o v´acuo deste tipo de colectores ´e significamente inferior ao v´acuo dos colectores de tubos de v´acuo. Para este tipo de colector ser instalado ´e necess´ario instalar uma linha de v´acuo para que o colector seja re-evacuado quando necess´ario. Pelos motivos apresentados, este tipo de colector apresenta diversas vantagens mas ainda assim existem algumas desvantagens. As vantagens apresentadas s˜ao:
- boa eficiˆencia, mesmo com elevadas diferen¸cas de temperatura entre o absorsor e o meio envolvente;
- boa eficiˆencia para baixos n´ıveis de radia¸c˜ao;
- suporta cargas t´ermicas com mais eficiˆencia do que os colectores planos;
- possibilidade de utiliza¸c˜ao em sistemas de ar condicionado e produ¸c˜ao de vapor pois, tˆem capacidade de atingir elevadas temperaturas;
- apresentam baixo peso;
- atrav´es da afina¸c˜ao das placas absorsoras, na montagem ou em f´abrica, estas podem ser alinhadas em direc¸c˜ao ao sol;
- os colectores de tubos de fluxo-directo, podem ser montados horizontalmente num telhado plano, apresentado assim menores perdas t´ermicas, devido ao vento e menores custos de instala¸c˜ao.
Como desvantagens s˜ao apresentados os seguintes argumentos:
- mais caro do que um colector plano;
- n˜ao podem ser usados para instala¸c˜oes horizontais no caso dos sistemas de tubos de calor pois para funcionarem correctamente dever˜ao ter uma inclina¸c˜ao min´ıma de 25o;
- Para colectores solares de v´acuo planos, ´e necess´ario uma linha de v´acuo.
´
E necess´ario ap´os encontrar o meio de aquecimento de ´agua, seleccionar o dep´osito para o armazenamento da ´agua aquecida.
3.7
Dep´
ositos de ´
aguas sanit´
arias
Outro ponto essencial nos sistemas solares, s˜ao os dep´ositos de acumula¸c˜ao como pode ser observado na figura3.14. Os dep´ositos de acumula¸c˜ao s˜ao os reservat´orios onde se vai acumular a ´agua aquecida. A instala¸c˜ao deste componente deve-se ao facto, de n˜ao ser poss´ıvel controlar a energia fornecida pelo sol e raramente os per´ıodos de maior consumo n˜ao ocorrerem simulataneamente quando existe maior radia¸c˜ao solar. O grande desenvolvimento deste tipo de componente ´e tentar diminuir as perdas t´ermicas.
3.7.1
Materiais usados para a concep¸c˜
ao
Existem algumas variantes dos dep´ositos acumuladores que ser˜ao apresentados nesta sec¸c˜ao. Os dep´ositos de press˜ao est˜ao dispon´ıveis em a¸co inoxid´avel, esmaltados ou revestidos em pl´astico 3.14. Os dep´ositos de a¸co inoxid´avel s˜ao mais leves e
3.7. DEP ´OSITOS DE ´AGUAS SANIT ´ARIAS 45
Figura 3.14 – Dep´osito de acumula¸c˜ao
apresentam menores custos e per´ıodos de manuten¸c˜ao. No entanto, estes apresentam pre¸cos mais elevados em rela¸c˜ao aos restantes dep´ositos e apresentam maior sensibilida-de a ´aguas com elevados n´ıveis sensibilida-de cloro. Os d´epositos esmaltados tem sensibilida-de ser equipados com magn´esio ou com um ˆanodo externo para a protec¸c˜ao contra a corros˜ao. Numa vertente mais barata, est˜ao dispon´ıveis dep´ositos de a¸co revestidos a pl´astico. Este revestimento de pl´astico ´e resistente at´e uma temperatura da ´agua de 80oC e n˜ao dever´a ser poroso, no entanto, este tipo de dep´ositos apresenta diversos
