Energias Renováveis - Energia Solar Térmica

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Energias Renováveis - Energia Solar Térmica

  1. 1. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 1 Não concordo com o acordo ortográfico
  2. 2. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 2 Energia Solar: Radiação solar...  O Sol é a fonte original de toda a energia que move algo na Terra (com excepção da energia nuclear). O Seu valor é altíssimo, assim como é muito alta a temperatura na superfície do Sol.  Por maior que seja o valor da energia que o Sol emite, esta energia se espalha pelo espaço, e a energia que chega a uma determinada área muito distante do Sol será cada vez menor, e fácil de ser medida.  A radiação solar fornece anualmente para a atmosfera terrestre 1,5 x 1018 kWh de energia, a qual, para além de suportar a vasta maioria das cadeias tróficas, sendo assim o verdadeiro sustentáculo da vida na Terra, é a principal responsável pela dinâmica da atmosfera terrestre e pelas características climáticas do planeta.  Radiação solar é a designação dada à energia radiante emitida pelo Sol, em particular aquela que é transmitida sob a forma de radiação electromagnética.  Cerca de metade desta energia é emitida como luz visível na parte de frequência mais alta do espectro electromagnético e o restante na do infravermelho próximo e como radiação ultravioleta.
  3. 3. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 3 Energia Solar: Radiação solar... O Sol http://energiasrenovaveis.com/images/upload/flash/anima_como_funciona/sol7.swf
  4. 4. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 4 Energia Solar: Radiação solar... Energia Solar recebida num ano Reservas Carvão Reservas Urânio Reservas Petróleo Reservas gás natural Consumo anual de Energia Energia solar anual que chega á Terra = 5.497.180.000.000.000.000.000.000 Jules Terra Raio da Terra: 6.371Km Constante solar : 1.360 W/m2  1,5 x 1018kWh O Sol • Diâmetro: 1.390.000 km. • Massa: 1,989 x 1030kg. • Distância média Sol – Terra: 1,496 x 108km (equivale a 1 UA –Unidade Astronómica). • Temperatura: 5.800 K (superfície), 15.600.000 K (núcleo). • 75% Hidrogénio, 25% Hélio. • Potência: 3,86 x 1026W. • Radiação se assemelha à de um corpo negro a 5777 K. • Constante solar –Isc= 1.360 W/m2.
  5. 5. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 5 Energia Solar: Radiação solar... As promessa da energia Solar…. É abundante (muito). Está distribuída uniformemente. É para sempre (para todos os efeitos). Mas… – É altamente variável no tempo. – Está muito diluída (intensidade relativamente baixa espalhada por grandes áreas). – É cara de captar (pelo menos por agora). – Difícil e cara para converter para as principais utilizações finais.
  6. 6. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 6 Energia Solar: Radiação solar... Recursos da energia Solar.  Reactor de Fusão Termo-nuclear muito grande ₋ 1.4 x 106 km (870,000 milhas) de diâmetro. ₋ 1.5 x 108 km (93,000,000 milhas) de distância. ₋ Subentende um meio-ângulo de cerca de 4,7 milirradianos (0.27o).  Superfície é quase um perfeito corpo negro radiador. ₋ T = 6000o K. - lmax = 500 nm (5000 Angstroms).  Potência de Saída ₋ 3.8 x 1026 watts (1.3 x 1027 BTU’s/hr). ₋ 13 triliões Quad’s*/hr.  Potência Interceptada pela Terra ₋ 1.7 x 1017 watts (5.7 x 1017 BTU’s/hr). ₋ 590 Quads*/hr = ~10.000 vezes o consumo mundial de energia! *Um Quad = 1 Quadrilião (1015) BTU’s.  O consumo anual de energia dos EUA é um pouco menos de 100 quads por ano. 1 BTU = 0.000293 Kilowatt-hora 1 Kilowatt-hora = 3,413 BTU
  7. 7. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 7 Energia Solar: Radiação solar... Recursos da energia Solar: (Cont.)  A “Constante Solar" - Imax = 1360 watts/m2 ( no espaço perto da Terra) 1000 watts/m2 ( ao meio dia). 170 watts/m2 ( média anual global). - Total Anual de energia solar incidente na superfície dos EUA = 40.000 quads. - 0.5 % da área terrestre dos EUA a 50% eficiência = Consumo total dos EUA - A energia solar é abundante!  Problemas - Diluída - Intermitente (ajudava se se pudesse armazenar! – “for a do âmbito desta apresentação”). -A fonte é altamente colimada e em constante movimento. - Predominantemente de baixo grau térmico. Simples Economia: (As fontes de energia convencionais ainda são muito baratas!)
  8. 8. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 8 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 Comprimento de onda (mm-1) DistribuiçãodeEnergia(kW/m2/mm) Energia Solar: Radiação solar... Distribuição da energia espectral do Sol Distribuição espectral da energia dum corpo negro a 60000K Actual distribuição de energia espectral do Sol Irradiância: A quantidade de energia do sol que atinge a terra (antes de entrar na atmosfera).  O valor médio de irradiância por ano é chamado de Constante Solar (GSC) e é equivalente a 1353, 1367 ou 1373 W / m2, dependendo da entidade de referência.  1360.8 (0.5%) (2008) – derived from measurements at very high atmosphere and used by NASA.  1367 (1%) Adopted by the World Radiation Centre.  1373 (1-2%) from Frohlich (1978) - derived from satellite data . ~ 43% da energia é na faixa do visível.  ~ 49% na faixa do infravermelho próximo.  ~ 7% na faixa dos ultravioletas.  <1% em raios-x, ondas gama e ondas de rádio.
  9. 9. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 9 Energia Solar: Radiação solar...  Órbita da Terra não é circular 1,300 1,350 1,400 1,450 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Irradiance(W/m2) Variação de radiação solar com a órbita da Terra 360 1 0.033cos 365 on sc n G G         Gon = Irradiância.  Gsc = Constante Solar  n = Número do dia (número de dias desde 1 de Janeiro). Nota: Cosseno em graus.
  10. 10. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 10      - 81a 365 360 sin23.45  Set 23 Declinação () = 0º Mar 23 Declinação () = 0º Jun 23 Declinação () = 23.45º Dez 23 Declinação () = -23.45º  Posição do Sol. Ângulo de declinação 23,450 = 23027’ Energia Solar: Radiação solar...
  11. 11. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 11 Afélio – quando a Terra se encontra mais distante do Sol (cerca de 1,52.108 km) (04/07). Periélio– quando a Terra se encontra mais próxima do sol (cerca de 1,47.108 km) (03/01). Unidade astronómica = distância média Terra-Sol = 1,496.108 km. O movimento de Translação da Terra em torno do Sol provoca uma variação estacional da irradiância solar na superfície terrestre, gerando as estações do ano. Essa variação estacional se deve à inclinação do eixo terrestre em 23o27´em relação à normal ao plano da eclíptica. Isso faz com que um observador na superfície terrestre tenha a sensação de que o Sol se movimenta no sentido Norte-Sul ao longo do ano Verão Outono Primavera Inverno 1,52.108 km Afélio D1,47.108 km Periélio d 23o27’N 23o27’S Energia Solar: Radiação solar... A Terra descreve uma órbita elíptica em torno do Sol, situado num dos focos, em 365 dias e 6 horas e 4 segundos. OBS: Apesar da variação da distância Terra-Sol promover variação na irradiância solar extraterrestre ao longo do ano, essa variação é muito pequena, da ordem de ± 3,3% e essa variação NÃO é a responsável pela formação das estações do ano.  A Terra tem uma inclinação de 23,450 do ano
  12. 12. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 12 21 de Junho 21 de Dezembro S N W E  Posição do Sol: Estações do Ano Energia Solar: Radiação solar...
  13. 13. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 13  No solstício de inverno (21 de Dezembro)  O pólo norte tem o seu ângulo máximo de inclinação longe do Sol.  Em todos os lugares acima de 66.55 N (90-23.45) está na escuridão por 24 horas, em todos os lugares acima 66.55 S é dia durante 24 horas.  O Sol passa directamente por cima do Trópico de Capricórnio (23.45 S).  No equinócio (22 de Março & 22 de Setembro)  Ambos os pólos estão equidistantes.  O dia tem exactamente 12 horas de duração.  O Sol passa directamente por cima do equador.  O Sol rastreia uma linha recta através do céu.  No solstício de Verão (22 de Junho)  O inverso do solstício de inverno.  A Terra tem uma inclinação de 23,450- distância do Sol Energia Solar: Radiação solar...
  14. 14. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 14 Energia Solar: Radiação solar…  Como a radiação solar varia ao longo do ano http://www.uni.edu/morgans/astro/course/Notes/section1/geochrone.gif
  15. 15. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 15 Feixe de radiação f  Energia Solar: Radiação solar... f = Latitude – É o ângulo entre o plano do equador e a normal à superfície de referência. A latitude mede-se para norte e para sul do equador, entre 900 sul, no Polo Sul (negativa), e 900 norte, no Polo Norte (positiva).  = Declinação – Define-se declinação solar como o ângulo entre a direcção da radiação solar e o plano do Equador: O ângulo de declinação (), varia a cada instante, devido à inclinação da terra sobre o seu eixo de rotação e a rotação da terra em torno do sol.         365 n284 36023,45Sin  Geometria Solar : Declinação solar
  16. 16. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 16 Rotação w Feixe de radiação Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar : Ângulo Hora  (w) O deslocamento angular leste-oeste do Sol no meridiano local, devido à rotação da Terra.  150 por hora – ao meio-dia é zero, de modo negativo de manhã, e positivo à tarde.  Depende da Hora Solar aparente. AST = Apparent solar time. LCT = Local clock time. TZ = Time zone. L = Longitude (west = +ve). EQT = Equation of time.60 EQT 15 L TZLCTAST 
  17. 17. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 17 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Equationoftime(min) Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar :Equação do Tempo (Equation of time-EQT)  Nascer e pôr-do-sol são assimétricos  O plano do equador da Terra é inclinado em relação ao plano da órbita da Terra em torno do Sol.  A órbita da Terra em torno do Sol é uma elipse e não um círculo.
  18. 18. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 18 Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar :Equação do Tempo (Equation of time-EQT) EQT = Equation of time. n = número do dia. Onde:       -- -  2B0,04089Sins2B0,014615Co nB0,032077SisB0,001868Co0,000075 2EQT 2.29   365 360 1nB - A diferença entre tempo que o seu relógio marca e a posição do sol (hora do relógio vs. Tempo solar) é chamada de Equação do tempo (Equation-of-Time). Analema  Se a Terra não estivesse inclinada, e se a sua órbita ao redor do Sol fosse perfeitamente circular, então, assim, seria. No entanto, os efeitos da inclinação de 23,450 da Terra e sua órbita ser ligeiramente elíptica se combinam para gerar o número "8" padrão, em relação ao aparecimento do Sol no mesmo ponto ao longo do ano. O padrão é chamada de analema.  Se você olhar para o Sol à mesma hora todos os dias, a partir do mesmo lugar, será que o Sol aparece sempre no mesmo local no céu? Julho Janeiro
  19. 19. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 19  Geometria Solar : Ângulos solares Horizontal as qz f  Feixe de radiação Energia Solar: Radiação solar...
  20. 20. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 20 qz as s Norte Sul E W Zénite Energia Solar: Radiação solar... Ângulo Zenital (qz) - o ângulo entre a vertical (zénite) e a linha do Sol . Ângulo da altura solar (as) - o ângulo entre a horizontal e a linha para o Sol. Ângulo de azimute Solar (s) - O ângulo da projecção do feixe de radiação no plano horizontal (com zero devido ao sul, leste negativo e positivo a oeste).  Geometria Solar :Ângulos solares
  21. 21. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 21 Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar :Ângulos solares  qZ = Ângulo Zenital.  f = Latitude.   = Declinação  w = Ângulo Hora.  s = Ângulo Azimute solar.  as = Ângulo da altura solar. Nota:  & w devem ter o mesmo sinal. fwfq SinSinCosCosCosCos z  s s aCos SinSinCosSinSin Cos fwf  -  Ângulo do pôr-do-sol e comprimento do dia ws =Ângulo do pôr-do-Sol.  =Declinação. f =Latitude. fw tantanCos s - Comprimento do dia:  f tantanCos 15 2 1 - - Nota: Comprimento do dia em horas.
  22. 22. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 22 f (f - )  Normal Horizontal q Feixe de radiação Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar : Ângulos Colectores
  23. 23. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 23 qz qas s   N Sul E W Zénite Energia Solar: Radiação solar...  - Inclinação - o ângulo entre o plano do colector e a horizontal.  - Ângulo do azimute de superfície - o desvio da projecção num plano horizontal da normal do colector em relação ao meridiano local (com zero a sul, leste negativo, e positivo a oeste ). q - Ângulo de incidência - o ângulo entre o feixe de radiação sobre o colector e a normal.  Geometria Solar :Ângulos Colectores
  24. 24. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 24 Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar :Ângulos Colectores  Para os casos gerais, em que o colector tem uma orientação não horizontal ( ≠ 0), o ângulo de incidência não é o mesmo que o ângulo zénite (qz). De facto, o ângulo zénite é um caso especial de um ângulo de incidência de superfícies horizontais, onde o zénite é referenciado para a abertura como uma projecção da normal.  Os primeiro e segundo ângulos de inclinação e azimute de superfície ( e ) são normalmente conhecidos por superfícies fixas. O terceiro ângulo chave é o ângulo de incidência (q), que utiliza a seguinte equação bastante longa: cosθ=sinϕ.sin.cosβ−cosϕ.sin.sinβcos+cosϕ.cos.cosβ.cosw+sinϕ.cos.sinβ.cos.cosw+cos.sinβ.sinsinw.  A fim de gerar um valor real para teta, precisaremos também tomar a arc-coseno da longa equação. Para que sua calculadoras e programas de matemática, todos os argumentos são em termos de graus, e não radianos. Você vai precisar para converter graus em radianos na maioria dos programas.  No entanto, esta é uma equação muito longa que pode realmente ser dividida em partes. Vamos acabar com a equação para o ângulo de incidência (theta, q) em três linhas. Dê uma olhada nela e procure argumentos comuns para as funções Seno e Cosseno: (ϕ, , β: latitude, declinação, e inclinação do colector). (ϕ, , β, : latitude, declinação, inclinação do colector e depois azimute do colector). (ϕ, , β, , w: latitude, declinação, inclinação do colector, azimute do colector e ângulo hora). cosθ=sinϕsinδcosβ−cosϕsinδsinβcos+ cosϕcosδcosβcosω+sinϕcosδsinβcosγcosω + cosδsinβ sinγsinω
  25. 25. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 25 S E W Horizonte Zénite N  as Azimute Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar :Ângulos Colectores s https://www.e-education.psu.edu/eme810/node/576 Altitude solar (as)ao meio-dia ao longo de um ano em Lisboa: 21.Junho -MA 1,04 - as= 75,0° 21.Setembro - MA 1,37- as = 46.9° 21.Dezembro -MA 2,12 - as = 28,2°
  26. 26. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 26 Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar :Ângulos Colectores  Ângulos Solares CosSin sa sSinSinSinCosCos q sa ssa  CosSinCosCos  Ângulos Terrestes  ffq CosSinCos-CosSinSinCos   CosSinSin-CosCosCosCos ffw w SinSinSinCos • q = Ângulo de incidência. • as =Ângulo da altura solar. •  =Ângulo do azimute de superfície. • s =Ângulo do azimute solar. •  =Ângulo de inclinação do colector. •  =Declinação. • f =Latitude. • w =Ângulo Hora. • wss =Ângulo do pôr-do-sol.  Ângulos Pôr-do-Sol Hemisfério Norte  tantanCos fw --ss Hemisfério Sul  tantanCos fw -ss Massa de Ar: O factor “Massa de Ar” (MA) define-se como a medida do número de vezes que o caminho da luz solar até à superfície da terra corresponde à espessura de uma atmosfera. Usando esta definição com o Sol numa posição vertical (s = 90°) obtém-se um valor de MA = 1.
  27. 27. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 27 NS Sul Norte Ângulo igual à Latitude 0o Verão Primavera Outono Inverno Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar :Ângulo Óptimo para Colectores  Embora o ângulo de inclinação ideal para o seu colector seja um ângulo igual à sua latitude, a fixação do seu colector plano sobre um telhado inclinado não irá resultar numa grande diminuição no desempenho do sistema. Deverá, no entanto, ter em consideração o ângulo do telhado ao dimensionar seu sistema. S N (90- Latitude) 90o (Latitude) Polo Norte celeste (180-Lat.) Verão (90-Lat.+23,4.) Equador Celeste Primavera/Outono (90-Lat.) Inverno (90-Lat.-23,4.) Alinhamento N-S : eixo para o "norte verdadeiro" usando um bom mapa ou a direcção da estrela Polar, e não "norte magnético", conforme determinado por uma bússola.
  28. 28. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 28 • Efeitos atmosféricos – Absorção – Espalhamento – Variações locais • Nuvens • Poluição • Tempo atmosférico • Latitude • Estação do ano • Hora do dia  Densidade da Radiação solar na superfície terrestre: Factores de interferência Energia Solar: Radiação solar...
  29. 29. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 29 Energia Solar: Radiação solar... Entrada 100 % 29 Ozónio 20-40 km Absorve 2% Camada de pó Superior 15-35 km Absorve 1% 0.5% para o espaço 1% Para a Terra Moléculas de Ar 0-30 km Absorve 8% 1% Para o espaço 4% para a Terra Vapor de Água 0-3 km Absorve 6% 0.5% para o espaço 1% para a Terra Camada inferior de pó 0-3 km Absorve 1% 1% para a Terra 0.5% para o espaço 18% Absorvida 70% Directa na Terra 3% Reflectida Para o espaço 7% reflectida Para a Terra  Céu limpo:- Absorção & espalhamentos
  30. 30. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 30 Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar : Densidade da Radiação solar na superfície terrestre  Irradiância sobre uma superfície horizontal znbb GG qCos, ,b nG bGzq Gb = Feixe de Irradiância normal à superfície terrestre (W/m2) Gb,n = Feixe de Irradiância (W/m2) qz = Ângulo Zenital.  Feixe de radiação sobre uma superfície Inclinada  q nbG , tbG , Gb,t = Feixe de Irradiância normal à superfície inclinada (W/m2) Gb,n = Feixe de Irradiância (W/m2) q = Ângulo de incidência. qCos,, nbtb GG 
  31. 31. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 31 Energia Solar: Radiação solar...  Geometria Solar : Densidade da Radiação solar na superfície terrestre  Feixe de radiação sobre uma superfície inclinada ,b nG bGzq  q nbG , tbG , Gb,t = Feixe de Irradiância normal à superfície inclinada (W/m2) Gb,n = Feixe de Irradiância (W/m2). qz = Ângulo Zenital. q = Ângulo de incidência. b tb tb G G R , ,  zq q Cos Cos  znb nb G G q q Cos Cos , , 
  32. 32. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 32 Constante Solar Ponto de entrada na atmosfera Intensidade ~ 1360,8 ± 0,5W/m2(*) Atmosfera Atmosfera 8000 Km Diâmetro da Terra 12.800 Km Energia Solar: Radiação solar...  Constante solar Quantidade de radiação solar incidente por unidade de área num plano perpendicular aos raios solares. Inclui uma gama de comprimentos de onda (e não apenas a luz visível). (*)Valor calculado pela NASA em 2008.
  33. 33. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 33 IO(W/m2) Plano perpendicular aos raios solares Energia Solar: Radiação solar... A constante solar (Gsc), é a intensidade média de radiação que incide sobre uma superfície imaginária, perpendicular aos raios do Sol e na camada mais alta da atmosfera da Terra. O valor médio da constante solar é igual a 1360 W/m2. Valor ligeiramente impreciso, uma vez que o Sol varia de ± 0,25% de intensidade, devido aos ciclos das manchas solares. A intensidade da radiação solar que incide sobre uma superfície, é chamada de irradiância ou insolação e é medida em W/m2 ou kW/m2. A constante solar pode ser usada para calcular a irradiância incidente (Gon), sobre uma superfície perpendicular aos raios do sol na camada mais alta da atmosfera da Terra em qualquer dia do ano (ou seja, á medida que a distância entre o Sol e a Terra varia ao longo do ano):  Gsc= Constante Solar =1360 W/m2  n = o dia do ano de tal forma que para 1 de Janeiro n= 1.  Gon = irradiância extraterrestre (fora da atmosfera) num plano perpendicular aos raios do sol (W/m2) conforme o dia do ano. 2 scon mW 365 n360 Cos0,031GG /3                Densidade da Radiação solar  n – Dia do ano
  34. 34. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 34 Portugal é um dos países da Europa, com maior disponibilidade... Horas de Sol anuais Energia Solar: Radiação solar… Médias Anuais  Energia solar ……  O mundo evolui cada vez mais rápido a nível tecnológico, foram introduzidas nos últimos anos uma séria de novas tecnologias no aproveitamento de energias renováveis como é o caso da energia solar. Além do uso progressivo da energia solar residencial, existe cada vez mais a sua utilização na produção de energia eléctrica em grande escala através de parques solares fotovoltaicos, e centrais térmicas, em todo o mundo… Em Portugal
  35. 35. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 35 Portugal é um dos países da Europa, com maior disponibilidade... Energia Solar: Radiação solar… Em Portugal 15,7kWh/m2/dia 10,8kWh/m2/dia 10,5kWh/m2/dia 4,4kWh/m2/dia 21- Mar 24- Jun 24- Set 18- Dez  A figura seguinte mostra a sequência de irradiação durante um dia em Lisboa numa placa horizontal com uma superfície de 1 m2, para quatro dias ao longo do ano. 21 Março 24 Setembro 24 Junho 18 Dezembro Horas de Luz 12,1/12,0 14,8 9,3 Altura max. do Sol 52,0/51,0 75,0 28,2 Somatório da irradiação solar diária 10,8/10,5 kWh/m² 15,7 kWh/m² 4,4 kWh/m² Latitude: 38°42′49.72″N Longitude: 9°8′21.79″W
  36. 36. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 36 Oceano  T Vento Hidro Power Vapor Gerador Mecânico Turbo Gerador Boiler Biomassa Lixo urbano Painéis Solares Colectores Solares Processamento Electricidade Utilities Agricultura Industria users Aquecimento Habitação Negócios Agricultura Industria Governo users Biofuels (gás/Liq. Automóvel Negócios Agricultura Industria Governo Energia Solar: Radiação solar… users  O Sol, é praticamente responsável por toda a energia da Terra .  Radiação solar – maior fonte de energia para a Terra, principal elemento meteorológico e um dos factores determinantes do tempo e do clima. Além disso, afecta diversos processos: físicos (aquecimento/ evaporação),bio-físicos (transpiração) e biológicos (fotossíntese).
  37. 37. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 37 Solar Fotovoltaica Solar Fuel Solar Térmica .001 TW PV $0.30/kWh C/S armazenamento CO2 Açúcar Fotossíntese natural 50 - 200 °C Aquecimento de espaços e água 500 - 3000 °C Aquecimento de turbinas para produção de energia eléctrica 1.5 TW electricidade $0.03-$0.06/kWh (fóssil) 1.4 TW solar fuel (biomassa) ~ 14 TW consumo previsto em 2050 0.002 TW 11 TW fuel fóssil (uso presente) 2 TW Aquecimento de espaços e água H2O O2 Energia Solar: Radiação solar… Conversão da energia solar Fotossíntese artificial H2O O2 CO2 H2,CH4 CH3OH Conversão e- h+
  38. 38. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 38 Electricidade Solar Térmica Electricidade fotovoltaica (PV) Calor Arrefecimeto (A/C & Refrigeração Água quente e aquecimento ambiente Aquecimento Industrial Produção de Combustíveis e químicos (Hidrogénio!)Cozinha Solar Energia Solar: Radiação solar… Conversão da energia solar
  39. 39. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 39 Eu colocaria o meu dinheiro sobre o sol e na energia solar. Uma fonte poderosa de energia! Eu espero que não tenhamos que esperar até petróleo e carvão acabem, para tomar essa opção. " Colector Solar para aquecimento de água Vivenda na Califórnia em 1906 Afinal o aproveitamento da energia solar já vem de longa data! Thomas Edison Energia Solar Térmica Aplicações antigas: Água quente solar
  40. 40. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 40 - Colector solar. - Máquina a vapor. - Tanque de água. Energia Solar Térmica Aplicações antigas: Impressora solar  Inventada por Abel Pifre em Paris a 6 de Agosto de 1882    Foi preciso passarem mais de 100 anos para se lembrarem destas tecnologias?
  41. 41. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 41 Produção de Água Quente Sanitária (AQS), para uso doméstico, hospitais, hotéis, etc. Aquecimento de Piscinas. Aquecimento Ambiente. Produção de água a elevadas temperaturas destinada a uso industrial. Energia Solar Térmica Aplicações
  42. 42. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 42 Energia Solar Térmica Sistema doméstico  Os sistemas solares térmicos fornecem água quente para qualquer necessidade: água quente sanitária, apoio ao aquecimento central, aquecimento de piscinas, aplicações industriais… em qualquer situação, um sistema solar adequado garante um óptimo aproveitamento da energia solar, através de Colectores Solares Térmicos, contribuindo assim, para uma máxima poupança energética…  As instalações solares para a produção de água quente doméstica, podem ser instaladas em praticamente todas as moradias uni familiares. A energia solar pode ser aproveitada, utilizando aparelhos de aquecimento de água instantâneos, esquentadores a gás ou combinados com qualquer sistema de aquecimento central a gás ou a electricidade...  Ao contrário dos combustíveis fósseis, a energia solar é praticamente inesgotável, não emite carbono e é grátis. Os modernos sistemas e aquecimento podem ser combinados com painéis solares, tornando os sistemas de aquecimento solar viáveis para aquecimento de água ou para apoiar os sistemas de aquecimento central.  O uso da radiação solar como energia de aquecimento é conhecido como aquecimento solar térmico. Não deve ser confundido com o fotovoltaico, que é a produção de electricidade usando a luz solar. As enormes oportunidades de utilização da energia solar são há muito conhecidas: as tecnologias, ensaiadas e testadas, têm provado o seu valor ao longo de muitos anos.
  43. 43. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 43 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Princípio de funcionamento  A base de funcionamento dos painéis solares térmicos, é a utilização da luz solar para o aquecimento de água existe já desde há centenas de anos, e há muito que é uma solução usada para aquecimento da água em banhos, para a lavagem das mãos, ou para o aquecimento interior da habitação. Este processo é centenário, mas os materiais modernos, e as técnicas actuais tornaram estes sistemas muito mais eficientes.  Apesar de existirem diferentes sistemas de aquecimento solar de água, na sua generalidade o sistema consiste de um painel solar térmico que contem tubos em cobre no seu interior, dentro desses tubos circula um liquido ou gás (não tóxico) especialmente seleccionado pelas suas características termodinâmicas, que se movimenta lentamente dentro do tubo de cobre, absorvendo assim o calor que existe nos tubos (proveniente da energia do sol). Dependendo do colector utilizado (fabricante, modelo, etc.) a temperatura do líquido pode mesmo atingir os 200ºC.  Quando o líquido se encontra suficientemente quente, é transferido para um permutador de calor. O permutador de calor consiste de um cilindro de água semelhante ao utilizado para aquecer a água do chuveiro, mas em vez de utilizar resistências eléctricas para aquecer a água dentro do cilindro, é utilizado o calor elevado a que se encontra o fluído que circula dentro dos tubos de cobre. Assim, o fluído nunca entra em contacto com a água, e a água é aquecida pela transferência de calor do cobre para a água.  A água aquecida é mantida num tanque isolado termicamente, assim, mesmo que a água tenha sido recolhida no dia anterior, ainda pode ser usada para tomar banho na manhã seguinte…
  44. 44. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 44 Colectores de Tubo de Vácuo (aquecimento de águas e produção de vapor) Colectores Concentradores (CPC)com Cobertura (aquecimento de águas e produção de vapor) Colectores Planos com Cobertura (aquecimento de águas) Colectores Planos sem Cobertura (aquecimento de piscinas) Energia Solar Térmica Sistema doméstico: Tipos de Colectores Solares Térmicos
  45. 45. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 45  Os colectores solares térmicos servem para converter a maior quantidade de radiação solar disponível em calor e transferi-lo, com o mínimo de perdas, para o restante sistema. Assim, existem diferentes tecnologias e equipamentos, cujas aplicações variam consoante a gama de temperaturas que se pretenda atingir. Essas tecnologias são apresentadas na tabela seguinte: Gama de temperatura Processo <40 ºC Colectores sem cobertura ou colectores planos de baixo custo. 40-70 ºC Colectores planos com cobertura 70-100 ºC Colectores de tubos de vácuo ou outros colectores estacionários de rendimento elevado. Colectores concentradores para sistemas de média e grande dimensão. >100 ºC Colectores concentradores, colectores de tubos de vácuo com CPC. Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Tipos de colectores solares térmicos
  46. 46. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 46  A luz solar entra no colector através da cobertura de vidro. A luz solar atinge e é absorvida pela placa de metal preto (absorvedor). A energia absorvida transforma-se em energia térmica. O vidro retém o ar aquecido. O isolamento do colector ajuda a reter o calor. O calor transfere-se directamente para os tubos e para o seu líquido. O calor também se irradia para o espaço aéreo dentro do colector Fluido frio que entra no colector. Fluido frio que entra no colector. Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Princípio de funcionamento
  47. 47. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 47 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Princípio de funcionamento
  48. 48. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 48 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos sem cobertura: Perdas Radiação incidente Radiação reflectida Perdas pela traseira do colector Colector Perdas via convecção Absorvido e re-irradiado Calor colectado  Os colectores planos sem cobertura são constituídos somente por uma placa absorsora, não possuindo cobertura, revestimento ou isolamento térmico. Apresentam, por esta razão, uma menor complexidade e uma menor eficiência, sofrendo elevadas perdas de calor. Possuem a vantagem de reduzir os custos de aquisição de cobertura, visto a placa absorsora do colector substituir parte da cobertura do telhado. Além disso, podem instalar-se facilmente em diferentes tipos de cobertura, são uma solução estética para telhados de alumínio e são relativamente baratos. Contudo, devido à sua baixa performance, conduzem à necessidade de instalar uma superfície de colectores com uma área superior comparativamente a outros tipos de colectores . Uso sazonal.
  49. 49. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 49 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos sem cobertura  Estes colectores consistem basicamente em tubos de plástico (propileno, policarbonato ou polivinil), colocados em forma de esteira e unidos por dois tubos de maior diâmetro nas partes inferior e superior e são basicamente usados no aquecimento de águas de piscinas…nos meses de Maio a Setembro em que a radiação solar é mais elevada.  A utilização destes colectores permite a circulação directa da água da piscina pelos mesmos através da bobagem de circulação. Em termos económicos, são mais acessíveis do que os colectores com cobertura, embora o tempo de retorno do investimento seja bastante similar, pois têm menor eficiência e é exigida uma maior área de captação.  De salientar que a utilização de colectores sem cobertura torna necessário que sejam colocados num local onde estes estejam abrigados do vento já que são particularmente sensíveis a velocidades do vento superiores a 1 m/s, que conduzem a uma diminuição drástica do seu rendimento.  Para além deste aspecto, as temperaturas baixas do ar exterior no Inverno tornam igualmente inadequada a utilização destes colectores para o aquecimento de água de piscinas cobertas no Inverno, situação em que se justifica a utilização de colectores com cobertura.
  50. 50. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 50 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos sem cobertura  Baixo Custo.  Baixa temperatura.  Resistente.  Leve.  Aquecimento sazonal de piscinas. Filtro Bomba Colectores Água Fria Água Quente
  51. 51. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 51 Absorsor Cobertura A radiação solar incidente é na sua maior parte transmitidas através da cobertura (vidro) (a transmitância do vidro é superior a 90%) e, em seguida é, absorvida e reabsorvida pelo absorvedor. A placa absorsora aquece e, por sua vez emite energia radiante, mas no espectro infravermelho, relativamente às quais o vidro prova ser praticamente opaco (efeito de estufa). Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Princípio de funcionamento
  52. 52. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 52 ❷ ❶         Radiação solar directa Radiação difusa Convecção: Vento, chuva, neve… Perdas por convecção. Perdas por condução térmica. Calor radiado pelo absorvedor. Calor radiado pelo vidro. Entrada/Saída do colector. Reflexões. Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Perdas
  53. 53. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 53 • Tipicamente quando T é à volta de 80 °C, as perdas térmicas, são iguais à irradiação absorvida (ponto de estagnação). Dada por: (1 - a) Possível redução limitada a pelo menos 15 - 20% para um colector plano vitrificado. Energia para o fluído Irradiação solar na área do colector Perdas Ópticas Perdas Térmicas • Aproximadamente proporcional T. • Aumenta dramaticamente quando a diferença de temperatura é elevada. • Explica o uso de ETCs (anticongelantes) em climas severos. Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Perdas ETC -Electrothermal Chemical Energia térmica utilizável Perdas Térmicas 200 W/m 400 W/m 600 W/m 800 W/m 1000 W/m 0 20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 Diferença de temperatura entre o colector e o ambiente em oC EficiênciadoColectorem% 0 Perdas Ópticas
  54. 54. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 54  Pcover =Potência que chega a cobertura do colector (W).  Pabsorber =Potência que chega ao absorvedor do colector (W).  Pabsorbed =Potência absorvida pelo absorvedor do colector (W).  Ac =Área do colector (m2).  Gt = Insolação da superfície inclinada (W m-2).   = Transmissividade.  a = Absorvidade.  ho = Eficiência óptica. Gt Tci T Gt   1tG a- tGa  1tG - cover c tP A G absorber c tP A G absorbed c t c t o P A G A G a h    Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento  loss c L m AP A U T T -  Ploss =Perdas de potência (W).  Ac =Área do colector (m2).  UL= Coeficiente de perdas (W/m2 K).  Tm= Temperatura média do absorsor (K).  TA = Temperatura ambiente (K).
  55. 55. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 55 Gt Tci T Gt   1tG a- tGa  1tG - Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: Valores considerados Normais Gt= Radiação solar no colector (300 – 1000 W m-2). UL= Coeficiente de perdas (1 – 5 W m-2 K).  = Transmissividade da cobertura (0.85). A = Absortividade comprimentos de onda solares (0.95). h = Eficiência óptica (0.9).
  56. 56. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 56 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica Gt Gt1- Parte traseira R3 R4 TA R2 R1 TA Gt Rfin Isolamento Placa absorsora R2 R1 R3 R4 TA TA Gt } top lossback loss 1 3 4 1 1 LU R R R    64 7 48 Cobertura transparente  Contém um termo de radiação e um termo de convecção que actuam em paralelo. Colectores planos com cobertura: Perdas – Cálculo de UL
  57. 57. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 57 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Cálculo de Back loss Energia Solar Térmica R2 R1 R3 R4 TA TA Gt } top lossback loss 1 3 4 1 1 LU R R R    64 7 48 total 3 h 1 R  conrad hh 1    htotal = Perda total (W m-1 K-1).  hrad = Perdas por radiação.  hcon = Perdas por convecção. l k   k= Condutividade do isolamento (W m-1 K-1).  l= Espessura do isolamento (m). Cálculo de Top loss Com placas a 450   0.31 0.07 1.14 1 0.0018 10con T h T l    - -   hcon = Perdas por convecção (W m-1 K-1).  T = Diferença de temperatura entre o painel e a cobertura (K).  T = Temperatura média entre o painel e a cobertura (K).  l = Comprimento (cm).  1 B R 1 U   Perdas Painel /Cobertura: Convecção Colectores planos com cobertura: Perdas – Cálculo de UL
  58. 58. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 58 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Cálculo de Top loss Energia Solar Térmica R2 R1 R3 R4 TA TA Gt } top lossback loss 1 3 4 1 1 LU R R R    64 7 48  Perdas Painel /Cobertura: por radiação total 3 h 1 R  conrad hh 1     2 2 1 1 1 p c p c rad p c T T T T h    - -   -  hrad = Perdas por radiação (W/m K).  Tp = Temperatura do painel .  Tc = Temperatura da cobertura.  p = Emissividade da placa (no infravermelho).  c = Emissividade da cobertura (no infravermelho).   = Constante Stefan Bolzman (5.6697 x 10-8)  Colectores planos com cobertura: Perdas – Cálculo de UL
  59. 59. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 59 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica R2 R1 R3 R4 TA TA Gt  Cobertura /ar: Perdas por convecção 4.5 2.9conh V   hcon = Perdas por convecção (W/m K).  V = Velocidade do vento. Colectores planos com cobertura: Perdas – Cálculo de UL Cálculo de Top loss  Cobertura /ar: Perdas por radiação     4 4 c sky rad cover c sky T T h T T   -  -   hrad = Perdas por radiação (W/m K).  Tc = Temperatura da cobertura (K).  Tsky = Temperatura do céu (K). (podemos usar TA - 10 como uma estimativa).  c = Emissividade da cobertura(nos infravermelhos).   = Constante Stefan Bolzman (5.6697 x 10-8) total 3 h 1 R  conrad hh 1  
  60. 60. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 60 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica R2 R1 R3 R4 TA TA Gt  Temperatura da cobertura Colectores planos com cobertura: Perdas – Cálculo de UL Cálculo de Top loss total 3 h 1 R  conrad hh 1        4 1 con rad p c c ah h T T T T R  -  -  hrad = Perdas por radiação (W/m K).  hcon = Perdas por convecção (W/m K).  Tc = Temperatura da cobertura (K).  Tsky = Temperatura do céu (K). (podemos usar TA - 10 como uma estimativa).  c = Emissividade da cobertura(nos infravermelhos).   = Constante Stefan Bolzman (5.6697 x 10-8)
  61. 61. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 61 Gt Tci T Gt   1tG a- tGa  1tG - Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Eficiência Óptica: Reflectividade  Quando a luz incide sobre um objecto, pode ser transmitida, reflectida ou absorvida… 1 g  a     = Transmissividade.   = Reflectividade.  ag =Absortividade. 2 1 1 m  m  -        m = Índice refractivo • Para vidro (m=1.5),  = 0.044 (por cada camada). • 8.8% da luz é reflectida para cada lâmina de vidro • Melhor pode ser obtido com “echants”, mas a superfície fica frágil. Colectores planos com cobertura: Eficiência Óptica: Absorção  0 explG G l -  Gl = Insolação à profundidade l.  Go = Insolação à superfície.   = Coeficiente de extinção.  l = Profundidade.  O vidro flutuante tem um coeficiente de extinção de 0,03-1 – vidro de baixo ferro é melhor….
  62. 62. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 62 Gt Tci T Gt   1tG a- tGa  1tG - Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Eficiência Óptica: Variação de , com ângulo de incidência  A maioria da variação é devida ao caminho mais longo, não à reflectividade. o n Kh h h  Onde:       - 1 cos 1 b1K 0 q h  Kh = Modificador de ângulo de incidência.  ho = Eficiência óptica.  hn = Eficiência óptica à incidência normal.  q = Ângulo de incidência.  b = Coeficiente de ângulo de incidência (-0.1 para vidro simples, -0.17 para duplo).
  63. 63. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 63 Gt Tci T Gt   1tG a- tGa  1tG - Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: ganho de calor com fluidos Ganho de calor no fluido = calor para absorsor - perdas Qc=Potência transferida para a água (W). Tm= Temperatura média do absorsor (K). TA= Temperatura média ambiente (K). )( AmLcotc TTUAGA -- h lossabsorbed PPQc -  )( AmLotcc TTUGAQ -- h  A temperatura média do absorsor (Tm), é desconhecida, mas a temperatura média do fluido (Tcm), pode ser medida. Assim, define uma resistência ao fluxo de calor a partir de Tcm para Tm (R, em K w-1 m2). c cmmc Q TTA R )( -   cmm c c TT R A Q - R =A resistência ao fluxo de calor. Tcm= Temperatura média do fluido (K).
  64. 64. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 64 Gt Tci T Gt   1tG a- tGa  1tG - Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: Calor para o fluido  Idealmente, a relação seria com a temperatura do fluido de entrada (Ti), que é conhecida em vez da temperatura média do fluido que tem que ser aferida.  Se considerarmos o ganho de calor global em termos de fluido, teremos:  c p co ciQ mc T T -& & m=Taxa de fluxo de massa de fluido (kg/s). cp=Calor específico do fluido (J/kg), (4086 para a água). Colectores planos com cobertura: Balanceamento: Eficiência do colector (h)  Uma equação pode ser derivada, em termos de função da taxa de fluxo e tamanho colector.  )( AmLotRc TTUGFAQ -- h  FR é chamado o factor de remoção de calor, e é definido em termos de F’.
  65. 65. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 65 Gt Tci T Gt   1tG a- tGa  1tG - Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: Eficiência do colector (h)  FR é chamado o factor de remoção de calor, e é definido em termos de F’.                 -- p Lc Lc pR mc UFA exp1 UFA mc F F ' ''  ct c AG Q     ct AciLotRc AG TTUGFA --  h        -- Aci t L oR TT G U F h lectorente no coolar incidRadiação s ra fluidoEnergia pa h
  66. 66. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 66 Vidro Absorsor Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Balanceamento completo Energia Solar Térmica 100% Reflecção: 8% Reflecção: 8% Absorção: 2% 60% Condução de calor: 3% Radiação: 6% Convecção: 13%
  67. 67. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 67 Unglazed (swimming pool) Evacuated tube selective Single glazed selective Single glazed non selective Double glazed non selective i AT T G - h 0.7 0.8 0.95 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Eficiência de outros colectores sem concentradores (h)
  68. 68. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 68 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Constante em tempo dos colectores  A constante de tempo de um colector é o tempo necessário para o fluido que deixa o colector para atingir 63% do seu valor final constante após uma mudança de passo na radiação incidente.  A constante de tempo do colector é uma medida do tempo necessário para que a seguinte relação seja aplicada: 0,368 e 1 TT TT ioi iot  - -Tot = Temperatura da água de saída do Colector após o tempo t (° C). Toi = Temperatura inicial da água de saída do Colector (° C). Ti = Temperatura da água de entrada no colector (°C). O procedimento para realizar este teste é para operar o colector com a temperatura de entrada de fluido mantida à temperatura ambiente. A energia solar incidente deve ser então abruptamente reduzida a zero por blindagem no colector de placa plana, ou desfocagem no tipo com concentrador. As temperaturas do fluido de transferência são então continuamente monitorizadas em função do tempo até que a equação acima seja satisfeita.
  69. 69. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 69 Gt Tci T Gt   1tG a- tGa  1tG - Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Perdas - Balanceamento: Com permutadores de calor Quando no sistema é utilizado um permutador de calor… Vertical ou Horizontal Bomba de circulação coT ciT  pmc& iT oT               -  1 mc mc mc UFAF F minp cp cp LRcR R  1 1´  Onde:    AiLotRc TTUGFAQ -- h'  = Eficácia do permutador de calor. (mcp)min = Fluxo térmico mínimo.
  70. 70. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 70  Trata-se do colector mais convencional, constituído por uma superfície absorsora, fixada numa caixa estanque, com uma cobertura transparente, geralmente de vidro, que devido ao efeito de estufa, reduz as perdas térmicas. O isolamento térmico da parte posterior da caixa também contribui para minimizar as perdas. Este tipo de colector solar pode funcionar eficientemente durante todo o ano.  Com a placa absorsora pintada de negro-mate atingem-se temperaturas máximas de funcionamento da ordem dos 50°C (temperatura habitual de utilização da água quente), com bom rendimento (cerca de 50%).  Com os chamados recobrimentos selectivos podem conseguir-se, ainda com bom rendimento, temperaturas de 60 a 70°C reduzindo as perdas caloríficas por radiação. Estes revestimentos da placa absorsora obtêm-se através de um tratamento electroquímico ou de uma pulverização catódica que confere à placa propriedades ópticas que reduzem a emissão da radiação infravermelha, mantendo a sua capacidade de absorção tão boa como a da tinta negra.  Este tipo de colectores, quando aplicados em piscinas, obriga utilização de sistemas indirectos, pelo facto de os materiais utilizados não serem compatíveis com o cloro contido na água da piscina. Daqui resulta a necessidade da introdução de um permutador de calor, entre o circuito dos colectores e o circuito de água da piscina. Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Características
  71. 71. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 71 Energia Solar Térmica • Moldura posterior em liga de alumínio e moldura galvanizado. • Isolamento Térmico • Tubagem de cobre em serpentina Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias  Normalmente, um colector solar é constituído não só pela superfície absorsora mas também por elementos de protecção térmica e mecânica da mesma.  Existem diversos tipos de colectores solares térmicos, diferindo na protecção térmica que utilizam, na utilização, ou não, de concentração e adequados a diferentes temperaturas de utilização. Colectores planos com cobertura • Vidro temperado de alta performance. • Placa de alta absorvência e baixa emissividade. Colectores planos com cobertura: Composição (Estrutura em serpentina)
  72. 72. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 72 Energia Solar Térmica • Isolamento Térmico • Tubagem serpenteante(cobre) • Vidro temperado de alta performance. Entrada de água fria Água quente • Tubo de fluxo (principal) • Painel posterior • Estrutura • Placa de alta absorvência e baixa emissividade. Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Composição (Estrutura em serpentina)
  73. 73. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 73 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias • Isolamento Térmico • Padrão “S” na tubagem • Placa absorvedora • Cobertura de vidro especial • Estrutura em folha de alumínio • Custo moderado. • Temperatura mais elevada do que os sem cobertura. • Pode operar à pressão da rede de distribuição de água. • Mais pesado e mais frágil. Colectores planos com cobertura Colectores planos com cobertura: Composição (Estrutura em serpentina)
  74. 74. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 74 Energia Solar Térmica Saída de água quente Entrada de água fria • Placa de alta absorvência e baixa emissividade. • Isolamento Térmico • Tubagem de fluxo (cobre) • Tuba de fluxo (principal) Os Colectores planos podem ter tubagens diferentes com tubos de fluxo isolados, encaixados dentro de uma placa absorvente, tudo montado numa estrutura, geralmente de alumínio ou aço galvanizado, e protegido por uma tampa transparente. • Vidro temperado de alta performance. Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Tubagem perpendicular  Os colectores planos com cobertura são usados no aquecimento de águas sanitárias domésticas.  Os colectores planos são os mais comuns e destinam-se à produção de água quente a temperaturas inferiores a 600C.
  75. 75. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 75 Placa Absorvente (1) • cobre e aletas para melhorar a transferência de calor. • Alta Absorvência e baixa emissividade graças a uma pintura selectiva. • Inclui o Rede de Tubagem em cobre (2) e tubagem de ligação (3). Cobertura Transparente (5) • Tipicamente um vidro relativamente espesso com elevada transmitância solar. • Concebido para reduzir a reflexão. • Temperado para maximizar a resistência e durabilidade. Isolamento Térmico (6) • Espuma de poliuretano ou lã mineral. • Circundante da Placa Absorvente para evitar perdas de calor do fluido transportador. • Folha de alumínio (4) actua como uma barreira contra a saída de gás ou vapor. Estrutura (7) • De plástico ou de alumínio. • Garante a força e resistência aos agentes atmosféricos. • Equipada para integração no telhado, ancoradouro ou suporte. • Expansão diferencial da moldura e vidros é absorvida por Juntas (8). • O conjunto é fechado por uma placa posterior (9), geralmente feita de PVC. Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Tubagem perpendicular
  76. 76. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 76          Energia Solar Térmica Placa de absorção: chapa de cobre texturizada (aumento da superfície de contacto) soldada por sobre a tubulação de cobre Revestimento: fluoropolímeros (PTFE) para maximizar a absorção da energia. Isolamento: espuma rígida de Poliuretano e Poliisocianurato para a máxima retenção de calor. Vidro: Vidro temperado de alta performance é indispensável para reduzir reflexos, permitindo alta transmissão da luz solar. Moldura: Alumínio para durabilidade, resistência à corrosão e boa aparência. Tubulação: de cobre para obter fluxo optimizado da condução de calor e durabilidade. Conexão de saída para o cabeçote ou tanque de armazenamento. Fundo: Chapa de alumínio Chapa intermediária: Folha de alumínio atua como barreira contra fluxo de ar quente para o segundo isolante. http://www.newhome.com.br/HTMLs/Ekohome/Solar/T%C3%A9rmico/ColetorPlano.htm Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura: Tubagem perpendicular
  77. 77. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 77 • Colector de Ar. • Colector de placa plana a vácuo (com colunas). • Colector de placa plana com isolador de calor transparente Solar Thermal Energy • Colector de placa plana Standard • Colector de placa plana com convecção limitada • Colector sem cobertura Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colector Plano – Tecnologias
  78. 78. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 78 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura  Custo moderado.  Temperatura mais elevada do que os sem cobertura.  Pode operar à pressão da rede de distribuição de água.  Mais pesado e mais frágil. Apresenta menor eficiência em relação aos colectores de vácuo e colectores parabólicos compostos (CPCs) devido aos elevados valores de perdas térmicas; Não serve para gerar altas temperaturas, p.e. geração de vapor, fornecimento de calor para máquinas de refrigeração; Exige mais espaço no telhado do que os colectores de vácuo. Vantagens: Mais barato que um colector de vácuo e parabólico composto; Oferece múltiplas opções de montagem (sobre o telhado, integrado no telhado, montado na fachada e de instalação livre); Tem um boa taxa de preço/performance; Permite montagem simples (kits de construção de colector). Desvantagens:
  79. 79. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 79 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura tipo CPC (“Compound Parabolic Concentrator")  Por forma a reduzir as perdas térmicas existentes nos colectores planos desenvolveu-se uma tecnologia baseada na redução da área de absorção, em comparação com a área de captação da radiação solar. Desta forma reduzem-se as perdas térmicas, tendo em conta que são proporcionais à área do absorsor em contraposição com a área de abertura.  Os CPCs consistem em sistemas de concentração da radiação solar, na placa absorsora, através dum sistema duplo de absorção da radiação, para obtenção de temperaturas mais elevadas, com alto rendimento, devido às menores perdas térmicas, mas com características de simplicidade que os tornam equivalentes, na montagem e utilização, aos colectores convencionais planos, pelo facto de se poderem colocar da mesma forma em telhados ou outras estruturas fixas e captar também a radiação solar difusa.  Assim, os colectores são constituídos por: um sistema de absorsores que permite absorver a radiação de forma semelhante aos colectores planos; um sistema de reflexão da radiação que permite a absorção da radiação na parte inferior do absorsor. Estes colectores são conhecidos como concentradores do tipo CPC (Colectores Parabólicos Compostos) devido à configuração da superfície reflectora em forma de parábola.
  80. 80. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 80 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura tipo CPC (“Compound Parabolic Concentrator")  No mercado nacional comercializa-se um outro tipo de colector, do tipo CPC, vocacionado para utilização a temperaturas mais elevadas (<110oC). A diferença entre este tipo e os mais convencionais colectores planos, reside no tipo de óptica utilizada e na geometria da superfície absorsora. Os convencionais, como o nome indica, são constituídos por uma placa absorsora plana à qual estão soldados, embutidos ou prensados, os tubos. Por seu lado, os do tipo CPC são compostos por uma série de reflectores, com uma forma que lhes confere uma óptica de baixa concentração, que lhes permite serem igualmente estacionários como os colectores planos.  O design do reflector parabólico composto pode concentrar a luz solar a partir de vários ângulos num ponto focal comum. Assim, o colector solar CPC, não precisa de fazer seguimento solar, a fim de concentrar a energia do sol, para níveis muito mais elevados de densidade de energia.  Por cima de cada reflector é colocada uma alheta (superfície absorsora) em contacto com o tubo por onde circula o fluido aquecer.
  81. 81. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 81 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura tipo CPC (“Compound Parabolic Concentrator")
  82. 82. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 82 Reflector Isolamento Alheta absorsora com tubo de cobre Caixa Metálica Cobertura transparente 1 – Caixa metálica. 2 – Vedante. 3 – Isolamento. 4 – Reflector de alumínio espelhado. 5 – Aleta absorsora selectiva em ambas faces. 6 – Vidro temperado. 7 – Tubo de cobre.        Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura tipo CPC (“Compound Parabolic Concentrator")  A superfície reflectora, através da sua configuração, permite assim concentrar a radiação com a utilização de materiais espelhados com elevado nível de reflectividade.  O ângulo de abertura destas superfícies permite captar a radiação directa e a difusa tal como nos colectores planos.
  83. 83. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 83 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores planos com cobertura tipo CPC (“Compound Parabolic Concentrator") Vantagens:  Tem elevada eficiência mesmo com elevadas diferenças de temperaturas entre o absorsor e o meio envolvente (e.g. no verão); Tem uma elevada eficiência com baixa radiação (e.g. no inverno); Suporta aplicações de calor com mais eficiência do que os colectores planos; Funciona com elevadas temperaturas, e.g. para condicionamento do ar. Desvantagens: Mais caro do que um colector plano…
  84. 84. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 84 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores Planos… a vácuo: Energia Solar Térmica  Adicionalmente, este colector é “preenchido” com crípton a 50 mbar de modo a reduzir perdas térmicas através da condução. Para suportar as forças causadas pela diferença de pressão, entre a pressão exterior e interior, elementos de suporte são encaixados entre a base da caixa e a cobertura de vidro (espaçamento de 10 cm). Por causa disto, existe um número correspondente de buracos no absorsor.  A sua construção é idêntica ao colector plano standard. A principal diferença é que o isolamento térmico é efectuado com um vácuo de 10-1 para 10-3bar (pressão do ar 1 bar = 1.000 mbar) em vez de ser utilizada fibra mineral ou espuma de poliuretano. Este vácuo reduz as perdas térmicas por convecção.  De facto é mais correcto falar de um colector plano de vácuo parcial porque neste caso a pressão de vácuo é significativamente menor, comparada com a pressão dos tubos de vácuo. O colector plano de vácuo é evacuado depois da instalação e deve ser verificado para certos intervalos de tempo e re- evacuado quando necessário. Portanto uma linha de vácuo tem que ser instalada. A eficiência óptica do colector plano de vácuo é cerca de 0,8 e o valor de k é cerca de 2,6 W/m²K.
  85. 85. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 85 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo  Os colectores de tubos de vácuo consistem geralmente em tubos de vidro transparente cujo interior contém tubos metálicos (absorsores). A atmosfera interior dos tubos permite reduzir ou anular as perdas por convecção e condução devido ao efeito de vácuo que se forma entre o absorsor e o vidro e que aumenta bastante o efeito de estufa, tão importante na transformação da luz solar em energia.  Para reduzir as perdas térmicas num colector, tubos de vidro (com absorsores internos) são sujeitos a vácuo. Por forma a eliminar as perdas de calor por convecção, a pressão dentro dos tubos de vidro deve ser pelo menos de 10-2bar. Um aumento adicional de evacuação reduz as perdas por condução térmica. Assim, as perdas de calor para a atmosfera são significativamente reduzidas, sendo de realçar que mesmo com uma temperatura de absorção de 120ºC ou maior, os tubos de vidro permanecem frios no seu exterior.  A maioria dos tubos de vácuo são evacuados abaixo dos 10-5bar. No que diz respeito a perdas por radiação, uma vez que as características de perda do colector não dependem do meio em que este se encontra, não podem ser reduzidas pela criação de vácuo. Estas perdas de radiação mantêm-se reduzidas, como no caso de colectores planos, pela selecção de bons revestimentos (valor de  baixo).
  86. 86. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 86 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: funcionamento  Nos colectores solares de tubos de vácuo com tubos de calor tipo (Heat pipe), consiste de um tubo de calor selado, geralmente feito de cobre para aumentar a eficiência dos colectores em temperaturas frias, está ligado a uma placa absorsora de calor no interior do tubo selado a vácuo. O tubo de calor, oco, no interior do tubo é vácuo, mas contém uma pequena quantidade de um líquido de álcool / água a baixa pressão, além de alguns aditivos adicionais para prevenir a corrosão ou oxidação.  O vácuo permite que o líquido de origem vaporize a temperaturas muito mais baixas do que normalmente à pressão atmosférica. Quando a luz solar sob a forma de radiação solar bate na superfície da placa absorsora no interior do tubo, o líquido no tubo de calor, rapidamente se transforma em vapor quente, devido à presença do vácuo. Como este vapor é agora mais leve, sobe para a parte superior do tubo de calor, fazendo com que o topo atinga uma temperatura muito elevada. A alta temperatura do tubo de calor, e, portanto, o tubo de vácuo, é ligada a um permutador de calor de cobre denominado "colector”.  Quando a ponta do topo do tubo de calor entra no colector, a energia térmica do vapor é transferido para a água ou para o glicol, dependendo do fluido que flui através da tubagem de ligação. Como o vapor quente perde energia e esfria, condensa-se , passando a líquido que flui de volta para baixo o tubo de calor para ser reaquecido.
  87. 87. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 87 Câmara de Irradiação O vapor resfriado liquefaz-se retornando à base do tubo de calor para repetir o ciclo. Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Líquidos em ebulição a uma temperatura mais baixa quando a pressão do ar circundante diminui. A fluido no tubo irá evaporar-se a temperatura do tubo de calor (heat Pipe) atinge 30 ° C. O vapor sobe para a parte superior do tubo de calor e através do condensador, transfere o calor para o fluido do colector aquecendo a á do depósito ou o fluido do colector (permutador de calor). Líquido não tóxico Isto arrefece o vapor que se condensa e regressa ao fundo como líquido, repetindo-se o ciclo até a água do reservatório estar suficientemente quente. Aleta colectora de alumínio integrada Colectores de tubos de vácuo: Princípio de funcionamento (heat pipe)
  88. 88. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 88 Energia Solar Térmica • Reflector Água quente Água fria tubo de calor (Heat pipe) Tubo de Vácuo Condensador Tanque reservatório Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias  Este processo de conversão de um líquido para um gás, e gás para líquido, repete-se continuamente dentro do tubo selado de aquecimento (heat pipe), enquanto o sol brilhar... Colectores de tubos de vácuo: Princípio de funcionamento (heat pipe)  O tubo de calor e, portanto, os colectores de tubos de vácuo, devem ser montados de tal forma a terem um ângulo mínimo de inclinação (cerca de 30 °) para que o fluido interno do tubo de calor possa retornar para a placa de absorção, na parte inferior do tubo.
  89. 89. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 89 Vácuo Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colector tubular a vácuo A alta temperatura de operação dos tubos a vácuo e sua baixíssima perda de calor por radiação conferem a este sistema a condição ideal para fazer o aquecimento de água pela radiação solar. O dispositivo tubular, isento de componentes ferrosos mostra-se ainda muito adequado à exposição às intempéries, utilizando materiais de baixíssima corrosão mesmo sob condições meteorológicas adversas. O desenvolvimento da sua estrutura dentro de um tubo de vácuo minimiza a perda de calor e garante ao colector grande durabilidade, estabilidade e alto desempenho, o que se traduz em baixa manutenção, requerendo inspecções sistemáticas a cada 2 ou 3 anos e tendo vida útil superior a 10 anos. http://www.newhome.com.br/HTMLs/Ekohome/Solar/T%C3%A9rmico/ColetorTubVac.htm 80% 90.7% Luz do Sol 100% Absorção do tubo de vidro 1.8% Reflectância do tubo de vidro 6.3% Reflectância do tubo de vidro interno 6.3% Emissão do revestimento 4.4% Colectores de tubos de vácuo: Os tubos de vácuo… Tubo interior Aleta de calor Revestimento selectivo Tubo de calor Tubo exterior
  90. 90. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 90 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias           Energia solar Tubo de Vácuo Indicador de Vácuo Heat Pipe Isolamento Alumínio Água fria Água quente Cobre Tubo de vidro exterior. Tubo de vidro interior. Vácuo. Aleta de transferência de calor. Heat Pipe. Colectores de tubos de vácuo: Os tubos de vácuo…
  91. 91. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 91 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias       Tubo de vidro exterior. Vácuo. Condensador. Aleta de transferência de calor. Heat Pipe.  Revestimento absorsor. Tampa do tubo em borracha Heat Pipe Absorsor com revestimento (360o) Aleta transferência de calor Vidro exterior Mola clipe Colectores de tubos de vácuo: Os tubos de vácuo…
  92. 92. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 92 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica  Heat Pipe  Sidney -“U” Pipe  Fole  Coaxial  Os Colectores solares de tubos de vácuo são muito eficientes e podem atingir temperaturas muito altas. Um colector de tubos de vácuo contém várias fileiras de tubos de vidro ligadas a um tubo colector, ou directamente para o tanque de água quente. Cada tubo tem o ar removido (evacuado), para eliminar a perda de calor por convecção e radiação. No interior do tubo de vidro, uma aleta de cobre ou de alumínio plana ou curva está ligada a um tubo de metal. A aleta está coberta com um revestimento selectivo, que transfere calor para o fluido que está circulando através do tubo.  Existem basicamente dois tipos principais de colectores de vácuo:  Mas… Há muitas variantes: Colectores de tubos de vácuo: Os tubos de vácuo…
  93. 93. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 93 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica  Single Glass Heat-Pipe  Twin Tube Heat-Pipe  Twin Tube Coaxial Heat-Pipe  Twin Tube “U” Heat-Pipe  Twin Tube “unpressurized” Heat Exchange Direct Flow Systems Colectores de tubos de vácuo: Os tubos de vácuo…  Mas… Há muitas variantes:
  94. 94. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 94 Energia Solar Térmica Colectores de tubos de vácuo : Tubos de Vácuo tipo “Heat Pipe” Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Condensador Heat Pipe Camada anti-reflexão Camada Absorsora Camada de reflexão infravermelhos  Cada tubo de vácuo é constituído por dois tubos de vidro concêntricos. O tubo exterior é extremamente resistente e transparente feito de vidro de silicato de boro resistente a impactos e com cerca de 25mm de diâmetro. O tubo interior também é feito de silicato de boro, mas revestido a alumínio, que tem propriedade excelentes de absorsor do calor solar, de forma a minimizar a reflexão de calor.  Durante o fabrico do tubo o ar é retirado (evacuado) do espaço entre os dois tubos de vidro, formando vácuo que elimina perdas de calor por condução e convecção. De forma a manter o vácuo, um absorvente de bário é exposto a altas temperaturas, o que faz com que a parte de baixo do tubo de vácuo fique revestido com uma camada de bário puro. A camada de bário de cor prateada, também fornece um indicador visual do estado do vácuo, uma vez que ficará branca , se o vácuo for perdido, o que torna fácil detectar quando um tubo está ou não operando correctamente
  95. 95. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 95 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: tipo “Heat Pipe”…..
  96. 96. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 96 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Água quente Água Fria Transferência de calor Heat Pipe Tubos de Vácuo Placas absorsoras Fluído Vácuo Placa Absorsora vidros duplos Heat Pipe Colector de calor Condensador Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe … O mesmo princípio… Maneiras diferente
  97. 97. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 97 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe … Heat Pipe Aleta de transferência Condensador Saída Tubo de Vácuo Estrutura tampa do tubo Entrada tubo colector de cobre Camada isolante Caixa colectora Porta -Sensor
  98. 98. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 98 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias         10 1112 Tubo exterior de vidro temperado. Aleta absorsora. Heat Pipe ∅ 10mm. Indicador de vácuo. Condensador. Colector de cobre. Isolamento fibra de vidro. Invólucro exterior (Al). Porca de união (G1”). Conector de bronze em T.10 Entrada de 1”.11 Carter para sensor solar de ⅟2”.12 Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe … O mesmo princípio… Maneiras diferente
  99. 99. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 99 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe … O mesmo princípio… Maneiras diferente Energia Solar Térmica Com permutador de Calor (Heat exchanger) Isolamento térmico de alta qualidade Vidro temperado de alto grau Permutador de Calor com protecção integral de sobreaquecimento Heat Pipe Absorsor com revestimento sol -titânio  Permutador- dispositivo onde se dá a transferência do calor do circuito primário para o circuito secundário.
  100. 100. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 100 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica  Custo elevado.  Sem perdas por convecção.  Altas temperaturas.  Climas frios.  Frágil.  Instalação pode ser mais complicada.  Manutenção facilitada (substituição).  Neve não é problema.  A principal vantagem dos colectores de vácuo Heat Pipe, é que há uma conexão "seca" entre os tubos absorsores e a água a aquecer (permutador), tornando a ligação ao colector principal e a instalação muito mais fácil do que nos colectores de fluxo directo que iremos ver a seguir. Além disso, no caso de um tubo de vácuo rachar ou quebrar e perder o vácuo, o tubo individual pode ser trocado sem esvaziar ou desmontar todo o sistema.  Essa flexibilidade torna tubos vácuo “heat pipe” os colectores solares de água quente ideal para projectos solares de circuito fechado como um conjunto modular que permite a fácil instalação e facilmente expandir a sua capacidade, adicionando tantos tubos quantos você quiser. Colectores de tubos de vácuo: Heat Pipe
  101. 101. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 101 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Energia Solar Térmica  Neste tipo de colectores o fluido de transferência de calor é conduzido através de um sistema de tubo entretubo (tubos coaxiais) para a base do absorsor onde flui para a caixa colectora, aumentando a temperatura do fluído, ou flui através de um tubo em forma de U.  Os tubos colectores de evacuação de fluxo directo podem ser orientados a sul mas podem ser também montados horizontalmente num telhado plano.  O tubo de vácuo absorve os raios solares e transforma-os em energia térmica, aquecendo a água que se encontra dentro deles. O aumento da temperatura torna a água ligeiramente menos densa, e então, esta ascende para o tanque. Consequentemente, a água a uma temperatura inferior desce até aos tubos de vácuo. Ao manter-se este ciclo natural de aquecimento, a água no depósito ou pelo tubo de retorno, é progressivamente aquecida.
  102. 102. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 102  O colector é constituído por um tubo de vidro feito de vidro de quartzo altamente translúcido onde está localizado o absorvedor. A transferência de calor é realizada, quer por um sistema de tubos-em-tubo para o fundo da ampola de vidro, flui de volta em contracorrente para a parte superior através do tubo coaxial mais largo, convertendo o calor a partir do absorvedor de cobre altamente selectivo. Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Tubo de calor coaxial Saída Entrada Revestimento absorvente selectivo Tubo de vidro Vácuo Tubo de vidro Absorsor Sistema Tubo-em-tubo Viessmann Werke GmbH & Co
  103. 103. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 103 Colector (tanque) Tubo de Vácuo Isolamento Água quente Água fria Placa absorsora Tubo interior Tubo de Vácuo Tubo de retorno Vácuo Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Tubo de calor coaxial
  104. 104. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 104 Energia Solar Térmica Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Isolamento térmico de alta qualidadeTubo de retorna de água quente Vidro de temperado de baixo índice ferroso Absorsor de fluxo directo com revestimento sol -titânio Tubo de distribuição coaxial Tubo coaxial Vácuo Placa Absorsora selectiva Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Tubo de calor coaxial http://www.heck-bad-heizung.de/grundlagen.htm Fluído
  105. 105. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 105 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias  Os colectores de tubos de vácuo de fluxo directo também conhecidos como colectores de tubos em "U", são diferentes dos anteriores na medida em que têm dois tubos de calor que atravessam o centro do tubo. Um tubo funciona como o tubo de fluxo, enquanto o outro como o tubo de retorno.  Ambos os tubos estão ligadas em conjunto na parte inferior do tubo com uma "curva -U", daí o nome, mas na verdade não são dois tubos mas sim o mesmo dobrado. O calor absorvido pela placa absorsora age como uma faixa divisória que separa o os tubos de retorno de fluxo através dos tubos colectores solares.  A placa absorsora e o tubo de transferência de calor também são selados a vácuo dentro de um tubo de vidro, proporcionando propriedades de isolamento excepcionais. Placa Absorsora (Várias tecnologias) Tubo de Vácuo Dobra em “U” Energia Solar Térmica Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Tubo de calor em for de “U”
  106. 106. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 106 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica  Esta configuração do tubo de vácuo em particular é similar em operação para os colectores anteriores.  Os tubos de calor e a placa absorsora plana ou curva são feitos de cobre com uma camada selectiva para aumentar a eficiência global destes colectores.  Se um tubo quebrar ou tiver fugas, não pode tão facilmente ser substituído. O sistema vai exigir drenagem uma vez que há uma ligação em aberto entre o tubo colector e o colector geral (série).  Uma vez que o fluido de transferência de calor flui para dentro e para fora do tubo de vácuo, estes colectores de fluxo directo não são tão flexíveis como os do tipo “heat pipe”.  No caso de sistemas de tubos de vácuo, desenvolvidos pela Schott, não é utilizado metal, consistindo de três tubos de vidro coaxiais (invólucro, absorsor parcialmente revestido e interno). Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Tubo de calor em for de “U”
  107. 107. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 107 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica Camada de Cobre – Absorve e transfere calor Tubo de vidro exterior – protege e isola Vácuo – isola contra calor/frio, permitindo funcionar com tempo frio/ventoso e permite a passagem dos raios solares mas não do frio Camada selectiva –capturas raios solares Tubo interior revestido de Alumínio – conduz e transfere calor Tubo de cobre em “U” –Transfere calor para os fluidos no seu interior Camada isolante – Transfere calor Tubo Absorsor captura raios solares Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Tubo de calor em for de “U”
  108. 108. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 108 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Tubo de calor em for de “U” Placas guias de calor Tubos de calor Tubos de vácuo Reflector SaídaAnilha isolante Estrutura em alumínio Borracha à prova de UV
  109. 109. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 109  Outro tipo de tubo colector de fluxo directo é o colector Sydney. Este colector consiste num tubo duplo de vácuo selado. O bolbo de vidro interno tem um revestimento de metal e carbono sobre cobre. Neste tubo duplo de evacuação é colocada uma placa de condução térmica em conexão com um tubo em U onde é efectuada a transferência de calor. Diversos tubos são combinados num único módulo (6 a 21 de acordo com o alimentador). Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Energia Solar Térmica Colectores de tubos de vácuo de fluxo directo: Colector “Sidney”  Para colectores instalados em telhados inclinados e para aumentar o ganho da radiação o colector é calibrado com reflectores externos. Para telhados planos deve ser colocada uma cobertura no telhado com uma boa reflectividade, tal como cascalho ou folha metálica reflectora, porque estes colectores não têm reflectores.  O vácuo está localizado na fenda anelar entre uma camada exterior e um tubo de vidro interior. O tubo de vidro interior apresenta um revestimento selectivo e, portanto, também actua como absorvedor. Uma folha de metal transfere o calor do absorvedor para um tubo em U, através do qual o fluido do circuito colector está fluindo. A fim de reduzir o número necessário de tubos, um reflector CPC (concentrador parabólico composto) é frequentemente colocado por detrás dos tubos.
  110. 110. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 110 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: Com tubo de calor Sidney Energia Solar Térmica Tubo de vidro exterior Vácuo Tubo Absorsor (Al) Entrada Fluido Frio Saída Fluido quente Tubo de vidro interior Reflector Revestimento em alumínio Corte transversal com reflector Reflector Folha de Metal Tubo de vidro com revestimento selectivo
  111. 111. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 111 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: Com tubo de calor tipo Sidney Energia Solar Térmica Tubos de vácuo: baseados no princípio “thermos flash”, que consiste de dois tubos de vidro concêntricos, com vácuo entre eles. Isto serve para evitar perdas de calor.  Camada absorsora: Altamente selectiva (Al/AlN) na parte interior dos tubos de vidro. Para maximizar o rendimento energético.  Placa transferência de calor: Fornece transferência optimizada de calor para o absorsor transferir calor para o fluido do sistema.  Tubos de calor em cobre ou aço inox: Para transporte efectivo do calor extraído.  Isolamento de lã mineral: com alumínio laminado. Serve para prevenir perdas de calor no colector principal..  Anel de Compressão: com 12mm ∅ para entrada e retorno. Para ligações fáceis e seguras das tubagens.  Reflector CPC: altamente reflector e resistente ás condições atmosféricas, que por detrás dos tubos de vácuo, ajuda a aumentar a sua eficiência. Este reflector direcciona os raios solares incidentes para o absorsor. 
  112. 112. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 112 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: ….. Energia Solar Térmica Vantagens:  Apresentam boa eficiência, mesmo com elevadas diferenças de temperatura entre o absorsor e o meio envolvente (p.e. no verão);  Apresentam boa eficiência com baixa radiação (p.e. no inverno);  Suportam cargas térmicas com mais eficiência do que os colectores planos;  Atingem elevadas temperaturas, possibilitando a utilização em sistemas de ar condicionado e produção de vapor;  Facilmente transportados para qualquer local (apresentam um peso baixo e podem ser montados no local da instalação);  Através da afinação das placas absorsoras (na montagem, na fábrica ou durante a instalação) estas podem ser alinhadas em direcção ao sol (no caso de certos produtos);  Os colectores de tubos de fluxo-directo podem ser montados horizontalmente num telhado plano (ligado em série), providenciando menores perdas térmicas, devido ao vento e menores custos de instalação evitando-se a remoção de material do telhado e mantendo a sua estrutura intacta.
  113. 113. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 113 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Colectores de tubos de vácuo: ….. Energia Solar Térmica Desvantagens:  mais caros do que um colector plano;  Alguns tipos não podem ser utilizados numa instalação no telhado;  Não podem ser usados para instalações horizontais no caso dos sistemas de tubos de calor (inclinação no mínimo 300).
  114. 114. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 114 http://energiasrenovaveis.com/images/upload/flash/anima_como_funciona/solartermico10.swf  Energia solar Térmica: AQS Energia Solar Térmica
  115. 115. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 115 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Componentes principais de um sistema solar térmico para AQS Energia Solar Térmica Colector – Superfície absorsora que capta a radiação solar e a transforma em energia térmica mediante aquecimento do fluido térmico que circula no seu interior. Termoacumulador – depósito que acumula a água quente até que esta seja necessária para consumo. Permutador – Efectua a transferência da energia térmica captada pelos colectores (circuito primário) para a água quente de consumo. Circuito hidráulico – Tubagens, bombas, válvulas, etc. Regulação e controlo – Elementos mecânicos e electromecânicos que asseguram o correcto funcionamento da instalação. Vaso de expansão – Sistema de segurança activo. Sempre que há um aquecimento a água varia de densidade aumentando o seu volume/pressão. O Vaso de expansão funciona absorvendo parte desse aumento de pressão evitando que ocorram falhas no funcionamento normal do sistema. Válvula de segurança – Sistema de segurança passivo. Assegura a descarga do circuito primário do sistema solar caso a pressão de funcionamento exceda o valor suportado pelos restantes componentes do circuito. Sistemas auxiliares de apoio – Em alturas em que a radiação solar é insuficiente para suprimir as necessidades é utilizado um equipamento auxiliar de apoio (caldeira, esquentador, resistência eléctrica).
  116. 116. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 116 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Associação de colectores solares Energia Solar Térmica O conjunto de captação é formado pelos colectores, respectivos elementos de fixação e demais acessórios. Num conjunto de captação todos os colectores deverão ser do mesmo modelo. O campo de colectores compreende o espaço físico onde se encontram, contando com as zonas que devem ficar livres para evitar sombras e facilitar a manutenção. A limitação da superfície disponível, assim como a forma que esta pode ter, fazem com que haja necessidade de encontrar soluções engenhosas que permitam colocar o número de colectores precisos, através de combinações série-paralelo, formando filas que por sua vez se interligam também em paralelo. Como regra geral, para uma distribuição uniforme do caudal é preciso que todas as filas de colectores tenham o mesmo número de colectores para assegurar perdas de carga iguais em todas elas, sem aumentar os custos com acessórios. Do ponto de vista funcional, deve-se considerar o seguinte:  A instalação deve assegurar o percurso hidráulico seja o mesmo para todos os colectores, de forma a que se obtenham perdas de carga similares e em consequência caudais semelhantes em todos eles. O caudal nos colectores não deve baixar de 0,8l/m2 por minuto. desta forma assegura-se um coeficiente de transmissão de calor adequado entre a placa absorsora e o fluído. Os valores óptimos situam-se á volta de 1dm3 por minuto e por m2 de superfície.  O comprimento das tubagens de condução deve ser o mais curto possível para diminuir as perdas hidráulicas e de calor. As perdas de calor nas tubagens e acessórios devem reduzir-se ao mínimo, evitando zonas mal isoladas. Deverão existir dispositivos que impeçam a formação de bolsas de vapor ou ar. A disposição dos colectores deve ser tal que permita a sua montagem e desmontagem. Os grupos de colectores podem interligar-se de 3 formas: série, paralelo ou paralelo de canais.
  117. 117. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 117 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Associação de colectores solares: Ligação em série Energia Solar Térmica  Neste caso o caudal de circulação é igual em todos os colectores. A circulação em série permite menos caudais, secções de tubagens mais pequenas e trajectos mais curtos, o qual reduz os custos de instalação e operação.  A ligação em série de colectores ou de filas de colectores, conduz a um aumento da temperatura da água produzida, mas diminui o rendimento da instalação, pelo que poucas vezes se adoptam estas soluções (apenas quando se pretendem temperaturas acima de 50oC ou quando se pretende reduzir o tempo de aquecimento).  É normal haver valores de típicos de perda de rendimento de um colector para o anterior de 8%. Neste caso o caudal de circulação é igual em todos os colectores. A ligação de entrada a cada fila realizar-se-á pelo tubo de ligação inferior do primeiro colector e a saída pelo tubo de ligação superior do último colector da linha. Para determinar o número máximo de colectores que podem ser ligados em série é preciso ter em consideração que a temperatura nos últimos pode ser elevada e provocar danos nos materiais ou a formação de vapor no circuito, pelo que importa observar e conhecer as recomendações de fábrica.
  118. 118. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 118 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Associação de colectores solares: Ligação em paralelo Energia Solar Térmica  A ligação de colectores em paralelo proporciona comportamentos térmicos similares em todos eles sempre que o número em cada fila não supere os valores estabelecidos pelo fabricante.  Fixar este número não é possível, mas a experiência mostra que pode ser admissível um número máximo de 10 colectores, embora poucas vezes se ultrapassem os 4 colectores.  O traçado realizar-se-á de modo a que o tubo geral de retorno, pelo qual circula o fluído aquecido, tenha o percurso mais curto possível. Assim, é mais conveniente a alimentação invertida.  A ligação em paralelo proporciona maior rendimento, porém aumenta também o diâmetro e comprimento das tubagens pois o caudal total é a soma dos caudais em todos os colectores. Aumenta também o número de acessórios da instalação de bombagem o que encarece a instalação.  Deve-se dispor as ligações de forma a realizar a denominada alimentação ou retorno invertido, para que o circuito resulte hidraulicamente equilibrado.
  119. 119. Energias Renováveis: Energia Solar Térmica 15/02/2016 Por : Luís Timóteo 119 Sistema doméstico : Colectores - constituição e tipologias Associação de colectores solares: Ligação paralelo de canais Energia Solar Térmica  A ligação em paralelo poderá ser feita em paralelo de canais, com a vantagem de necessitar de um menor comprimento de tubagens. O número máximo de colectores ligado em paralelo de canais será 4.  Nestes, a instalação é simples e de baixo custo. Apresentam bom rendimento e baixa perda de carga. Este tipo de ligação depende do tipo de colector. Associação de colectores solares: Ligação em bateria  A ligação em bateria é muito utilizada para grandes instalações e deverá obedecer a algumas regras de arte: Nas montagens de duas linhas de colectores ligadas em série, a entrada da segunda linha será realizada directamente, sem nenhuma válvula de corte intermédia, instalando-se uma válvula de drenagem para esvaziá-lo em caso de avaria do grupo. Na instalação deve-se aplicar no ponto mais alto de cada uma das linhas de colectores, um purgador de ar que permita purgar o ar quando necessário. A instalação da sonda de temperatura far-se-á na saída da linha de colectores seleccionada, verificando que o sensor penetre o máximo possível para detectar a temperatura real do fluído no interior da placa absorsora.

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