Energia solar para
Energia solar para
aquecimento de
aquecimento de
á
á
guas
guas
Notas das aulas da disciplina de
Sol – Fonte de energia térmica
¾
¾ A quantidade de energia incidente sobre a Terra A quantidade de energia incidente sobre a Terra éé imensa, mas
imensa, mas éé difusa, cdifusa, cííclica e sazonal.clica e sazonal.
¾ Sol estrela mais próxima da Terra (1AU=1,496x108 km)
¾ A radiação solar extraterreste é atenuada por dois mecanismos:
• dispersão, devida às moléculas de ar, vapor de água e às poeiras na atmosfera
dispersão de Rayleigh - moléculas de gás, que provocam uma dispersão em todas as direcções de uma forma quase uniforme
dispersão de Mie - poeiras e partículas de aerossóis na atmosfera, concentra as radiações em direcções que estão vedadas aos raios solares
• absorção, especialmente pelo ozono, vapor de água e dióxido de carbono.
¾ A Terra no seu movimento à volta da Sol não mantém uma órbita estável.
Excentricidade do movimento da Terra
Excentricidade de uma elipse: e = c/a e = 0,0167
www.astrofotoportugal.com/ siteapaa/GA/Excentricidade_Brasil_1.pdf
cf. Fig. pag. 2
Variação da distância da Terra ao Sol
¾ Radiação solar sobre a Terra - inversamente
proporcional ao quadrado da sua distância ao
Sol
• Eo=(ro / r)2 = 1+0,033 cos (2
π
dn / 365)
[Duffie and Beckman, 1980]
Eo – factor de correcção da excentricidade da Terra dn – nº do dia do ano
Radiação solar e movimento de
inclinação e translação da Terra
¾ A radiação solar extraterreste (S
e) pode ser
determinada pela expressão:
S
e= S. E
o. cos (
δ
)
S - constante solar (S = 1353 W/m2) [Fonte: NASA, 1971]
http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2003/0313irradiance.html
Eo - factor de correcção de excentricidade da órbita (0,983< Eo <1,017)
– cf. Fig (pag. 2)
δ - ângulo entre o raio solar e o plano equatorial (normal ao eixo polar), chamado de ângulo de declinação solar
Oscilação da Terra em torno do eixo polar
Ângulo de declinação -
δ
δ = (0,006918 - 0,399912 cos Γ + 0,070257 sin Γ - 0,006758 cos 2 Γ + 0,000907 sin 2
Γ-0,002697 cos 3 Γ + 0,00148 sin 3 Γ)(180/π)
Atenuação da radiação solar
¾ A radiação emitida pelo Sol corresponde à radiação emitida por um corpo negro à temperatura de 5762 K
¾ A radiação solar extraterreste é atenuada por dois mecanismos:
• dispersão, devida às moléculas de ar, vapor de água e às poeiras na atmosfera
dispersão de Rayleigh - moléculas de gás, que provocam uma dispersão em todas as direcções de uma forma quase uniforme
dispersão de Mie - poeiras e partículas de aerossóis na atmosfera, concentra as radiações em direcções que estão vedadas aos raios solares
• absorção, especialmente pelo ozono, vapor de água e dióxido de carbono.
Radiação térmica
¾ Propagação de uma onda electromagnética, por agitação molecular e atómica - fotões ou quanta
¾ Velocidade de propagação da luz (c)
c =
λ.ν
¾ Comprimento de onda ¾ Frequência – ν
Radiação térmica no
Espectro de radiação electromagnética
Reacção das superfícies à radiação
¾ Por efeito da irradiação ocorre:
• transmissão (τ), • absorção (α)
Lei de Planck
¾ A radiação total emitida por corpo negro é dada por uma distribuição contínua e não uniforme de radiações monocromáticas, i.e., para temperaturas seleccionadas
ª Radiação emitida varia continuamente com o comprimento de onda
ª Para cada comprimento de onda a intensidade da radiação aumenta com o aumento da temperatura
ª Radiação é mais intensa para baixos comprimento de onda, a que corresponde maiores temperaturas
Corpo negro
¾ Superfície ideal
• Absorve toda a irradiação incidente, independentemente do comprimento de onda e da direcção
• Para uma dada temperatura e comprimento de onda nenhuma superfície emite mais radiação que a de um corpo negro nas mesmas condições (lei de Kirchhoff)
• A radiação emitida é independente da direcção, i.e. um corpo negro é um emissor difuso
Superfície real
¾ Superfícies reais - para as quais os coef. de absorção e emissão são independentes do comprimento de onda
E = ε.σ.T4
ε - emissividade σ = 5,6697 x10-8 W/m2K4
¬ A emissividade de superfícies metálicas é geralmente pequena
Para ouro e prata polida a emissividade é 0,02
• A presença de uma camada de óxidos pode aumentar significativamente a emissividade das superfícies metálicas
- aço ligeiramente oxidado - 0,1 - aço fortemente oxidado - 0,5
Emitância e Radiância
¾ Emitância (E): Quantidade de energia térmica
irradiada por unidade de superfície à temperatura absoluta T
E =
ε σ
.T4¾ Radiância (J): Energia total radiante que abandona
uma dada superfície. Corresponde a toda a emitância mais a parte da energia recebida que é reflectida
Colectores solares
¾ Objectivos:
-
captar radiação solar - concentrada ou não - transferi-la para um fluido- máximo rendimento
»
efeito de estufa + isolamento¾ Meios:
-
captação:radiação directa + difusa + reflectida
- armazenamento
Distribuição da energia solar em
Portugal e nos países vizinhos
data , Tar(C) , Tmax(C) , Tmin(C) , HR(%) , Rs(W/m2), v(m/s) , P (mm) , 01/05/05, 15.7, 23.1, 11.0, 54.1, 142.5, 2.3, 0.0, 02/05/05, 16.1, 23.5, 11.2, 50.7, 260.4, 2.3, 0.0, 03/05/05, 16.0, 24.1, 6.0, 44.2, 294.2, 2.3, 0.2, 04/05/05, 17.8, 26.0, 11.7, 39.2, 261.1, 3.4, 0.0, 05/05/05, 20.8, 29.2, 12.6, 31.5, 322.6, 2.7, 0.0, 06/05/05, 22.1, 30.9, 13.6, 23.3, 320.0, 2.7, 0.0, 07/05/05, 18.5, 29.6, 9.6, 44.8, 294.1, 2.5, 0.0, 08/05/05, 17.5, 25.2, 12.6, 45.8, 277.2, 2.0, 0.0, 09/05/05, 16.8, 23.6, 11.5, 50.7, 215.4, 2.5, 0.0, 10/05/05, 17.6, 25.1, 13.3, 44.8, 252.8, 2.2, 0.0, 11/05/05, 15.9, 22.8, 12.5, 57.7, 128.1, 1.3, 13.7, 12/05/05, 16.5, 22.2, 11.6, 57.1, 218.8, 2.3, 7.9, 13/05/05, 14.3, 20.1, 10.1, 52.9, 197.0, 2.5, 2.5, 14/05/05, 14.8, 23.1, 6.6, 42.2, 315.1, 2.0, 0.0, 15/05/05, 15.0, 22.4, 7.3, 43.5, 285.9, 2.0, 0.1, 16/05/05, 12.6, 18.7, 9.4, 56.3, 224.2, 2.8, 11.5, 17/05/05, 15.8, 23.1, 9.6, 42.5, 338.9, 3.5, 0.1, 18/05/05, 18.2, 26.8, 9.5, 40.2, 334.8, 2.5, 0.1,
Comparação da situação Portuguesa
com a de outros países europeus
Energia solar em processos industriais
¾ Na UE estima-se que o consumo de calor industrial a temperaturas
entre 80ºC e 250ºC seja de 300 milhões de MWh, isto é, 8 % do
consumo total de energia final.
¾ A percentagem de consumo de energia sob a forma de calor nas gamas de temperatura média e média-alta é muito elevada nas
indústrias alimentar, de produção de papel, têxtil e química.
¾ Processos adequados são por exemplo:
• aquecimento de banhos de líquidos para processos de lavagem, tinturaria, processos químicos etc.;
• aquecimento de ar para processos de secagem;
• geração de vapor de baixa pressão para diversas aplicações.
• produção de frio utilizando máquinas de absorção ou outros equipamentos térmicos constitui outro grande campo de aplicações com vantagem reconhecida devido à coincidência entre os picos de consumo e os picos de disponibilidade de energia solar.
Colectores solares
¾ Componentes:
- colector » elemento de absorção: placa selectiva ou não, tubos, isolamento, caixa
- depósito de acumulação - bombas/ventiladores
- permutadores
- sistemas de segurança e controle - válvulas
- tubos e isolamento
¾ Dificuldades:
- congelamento, vaporização, perdas de carga, fixação (acção do vento), orientação e inclinação
Direcção dos raios solares e
inclinação do colector
Tipos de colectores e concentradores
e gamas de aplicação
¾ Tipos de colectores solares
-
planos- cilíndricos
¾ Tipos de concentradores - heliostatos
• planos • parabólicos • lente convexa • lente concava
¾ Gamas de aplicação
-
aquecimento de ar e de águaInstalações e equipamentos no
aquecimento de águas sanitárias
¾ Circulação
• natural » termo sifão • forçada
¾ Tipo de transmissão da energia
• directo • indirecto
¾ Sistemas de controle e segurança
• célula solar
• termóstato simples e/ou diferencial • sensor de temperatura nos painéis
• sensor de temperatura no depósito de acumulação • válvula de segurança
Equipamentos em instalações de
aquecimento de águas sanitárias
¾ Vaso de expansão aberto ou fechado
¾ Purgadores de ar
¾ Válvula de retenção
¾ Válvula reguladora de débito e debitómetro
¾ Bomba
¾ Tubagem
¾ Permutador
Balanço térmico de um colector solar
¾ Potência absorvida pela chapa absorvedora
Q
abs=A
c.
α.τ
.G
T¾ Perdas da chapa absorvedora
Q
perd=A
c.U
L(T
pm-T
a)
¾ Potência útil
Q
util=Q
abs-Q
perdRendimento térmico de um colector solar
Correcção de Tpm (temp. média da água na chapa absovedora) para Ti (temp. da água à entrada)
Q
util= A
cFr [G
T(
ατ
) - U
L(T
i-T
a)]
Rendimento de um colector solar
η
i= Fr (
ατ
) - Fr. U
L(T
i-T
a)/G
TPotência transmitida ao fluido térmico
Curva de rendimento de um
colector solar
Tipo de colector Fr (τα) Fr UL Não selectivo 0,7- 0,8 8 - 9 Selectivo 0,7 – 0,8 4,5 - 6 CPC 0,75 4,2 /3,7 (1)(1) Valores para orientação NS e EO respectivamente
Curva de rendimento η = -5 (Ti-Ta)/GT + 0,8 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 0 0,04 0,08 0,12 0,16 η
Percentagem de anti-congelante e
Cp do fluido térmico
Relações tipo anti-congelante/água
Temperatura ambiente mínima [ºC] Anti-congelante Etileno-glicol [%] Água [%] -5 15 85 -15 30 70 - 25 40 60Materiais e funcionamento do painel solar
Condições tipo
¾ Dimensões dos painéis solares: 2 x 1 x 0,1 m3
¾ Cobertura transparente: vidro temperado (s=4 mm) ¾ Placa absorvente: chapa de aço, soldada, pintada de
preto
¾ Caudal de circulação: 50 – 60 l/h
¾ Isolamento: fibra de vidro (s=50 mm)
¾ Tubagem de ligação: aço, inóx (d= 1’ – 1 ¼’) ¾ Peso (em vazio): 50 kg
Ângulo recomendado para instalação de
colectores solares na Península Ibérica
0 10 20 30 40 50 60 70 28 33 38 43 Latitude (º) Â n g u lo d e in c lin a ç ã o ( º)
Consumo diário médio
Condições tipo
¾ 60 – 70 l/pessoa
¾ 240 – 280 l/família (4)
• »» 2 – 3,5 m2 de superfície de recepção¾ 480 – 560 l/família (8)
• »» 6 – 7 m2 de superfície de recepção (8 pessoas)
Exemplo tipo
Cálculos aproximados
¾ cp = 4,18 kJ/kgºC 1 kg = 1 l – cp = 1,16 Wh/lºC ¾ Vtanque = 100 l ¾ Se T no tanque descer 25ºC > 2900 Wh ¾ Se GT= 300 W/m2 ¾ Se ηcolector= 60% > 180 W/m2 • Ac= 2 m2 > 360 W¾ ∆treposição temperatura = 8 horas
¾ Se 1kWhe = 0,9 € > Poupança de 2,61 €
Observações sobre o dimensionamento de
instalações com colectores solares
¾ A qualidade térmica de um colector avalia-se com base no seu comportamento instantâneo, procurando-se que as condições de ensaio cubram as condições de funcionamento típicas
¾ Os colectores inseridos numa instalação irão funcionar num vasta gama de condições, em função dos dados
meteorológicos e da utilização
¾ O dimensionamento das instalações térmicas solares não se faz para a carga de ponta, uma vez que a captação da
Observações sobre o dimensionamento de
instalações com colectores solares
¾ O aproveitamento prático da energia solar é uma
tarefa de carácter permanente em relação muito
estreita com a capacidade de armazenagem
¾ A energia captada é tanto maior quanto mais
baixa for a temperatura de entrada do fluido no colector
¾ A opção por uma determinada solução, conhecidas as características técnicas, deverá ser condicionada a critérios económicos
Índice de ocupação do país
¾ Aquecimento de água de piscinas cobertas
Tempo de retorno energético e ambiental do KIT solar na substituição de um sistema tradicional
Impacto ambiental dos colectores solares
no Protocolo de Quioto
Decreto-Lei que aprova o Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos
Edifícios - RCCTE
¾ RCCTE - estabelece as regras a observar no projecto de todos os edifícios de habitação e dos edifícios de serviços sem sistemas de climatização centralizados.
• Além da obrigatoriedade do recurso a colectores
solares, pretende-se que as exigências de conforto térmico,
sejam de aquecimento ou de arrefecimento, de ventilação para garantia de qualidade do ar no interior edifícios, ou as necessidades de água quente sanitária, possam vir a ser satisfeitas sem dispêndio excessivo de energia e, por outro lado, que sejam minimizadas as situações patológicas nos elementos de construção provocadas pela ocorrência de condensações superficiais ou internas, com potencial impacto negativo na durabilidade dos elementos de construção e na qualidade do ar interior.
