Desempenho de coletores solares planos

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1 Universidde do Vle do Rio dos Sinos UNISINOS Progrm de Pós-Grdução em Engenhri Mecânic Energi Solr érmic Desempenho de coletores solres plnos 2 º. semestre, 2015 Os testes seguem norms específics. Brsil: NBR (ABN NBR : 2009) Sistems solres térmicos e seus componentes Coletores Solres. Prte 2: Métodos de ensio Estdos Unidos: ASHRAE 93 (ANSI/ASHRAE Stndrd , 2003): Methods of esting to Determine herml Performnce of Solr Collectors Europ: EN (Europen Stndrd EN , 2001): herml Solr Systems nd Components Solr Collectors Prt 2: est Methods Outrs: ISO (ISO Stndrd , 1994) est Methods for Solr Collectors Prt 1: herml Performnce of Glzed Liquid Heting Collectors Including Pressure Drop 2 1

2 estes principis: -Ensios de pressão intern pr bsorvedores; -Ensio de resistênci lt tempertur; -Ensio de exposição; -Ensio de choque térmico externo; -Ensio de choque térmico interno; -Ensio de penetrção de chuv; -Ensio de resistênci o congelmento; -Ensio de crg mecânic; -este de desempenho térmico. Ensios de confibilidde 3 Ensios de pressão intern pr bsorvedores coletores metálicos empertur mbiente (5 30 C); Pressão 1,5 vezes mior que especificd pelo fbricnte; empo: 15 min; Observções: vzmentos, deformções e distorções. 4 2

3 Ensio de resistênci lt tempertur coletores metálicos em como objetivo determinr se o coletor pode suportr ltos níveis de rdição sem flhs (ruptur do vidro, etc.) empertur mbiente de C; Irrdiânci no plno do coletor > 1000 W/m 2 ; Velocidde do r mbiente < 1 m/s; empo: no mínimo 1 h pós tingir s condições de regime permnente; ods s entrds do coletor devem ser fechds, com exceção de um pr permitir livre expnsão dor r; Instlção de um sensor de tempertur no bsorvedor (eixo centrl 2/3 H); Observções: degrdções, encurtmentos, emnção de gses e distorções. 5 Ensio exposição Indic condições de operção que provvelmente poderim ocorrer durnte vid útil rel do coletor, permitindo que o mesmo se comode, possibilitndo que os ensios de qulificção forneçm resultdos repetitivos. empertur mbiente > 10 C; Irrdiânci no plno do coletor > 850 W/m 2 ; Coletor não deve ser cheio com o fluido. ods s entrds do coletor devem ser fechds, com exceção de um pr permitir livre expnsão dor r; Coletor deve exposto o menos durnte 30 dis (podem ser não consecutivos) lém de mis 30 h ns condições mínims de irrdição e em temperturs miores que mínim; Observções: inspeção visul pr dnos ou degrdções. 6 3

4 Ensio de choque térmico externo Determin cpcidde do coletor em suportr choques térmicos devido à vrições bruscs de tempertur, como por exemplo, chuv em dis quentes e ensolrdos. empertur mbiente > 10 C; Irrdiânci no plno do coletor > 850 W/m 2 ; Coletor não deve ser cheio com o fluido. ods s entrds do coletor devem ser fechds, com exceção de um pr permitir livre expnsão dor r; Coletor deve ser mntido em condições bixo ds referids cim por 1 h ntes do teste; Águ é pulverizd no coletor (< 25 C e vzão entre 0,03 0,05 kg/(s.m 2 ) por 15 min; Observções: inspeção visul pr dnos ou degrdções. 7 Ensio de choque térmico interno Determin cpcidde do coletor em suportr choques térmicos devido à entrd brusc de fluido bix tempertur em dis ensolrdos e quentes. empertur mbiente > 10 C e irrdiânci no plno do coletor > 850 W/m 2 ; Coletor não deve ser cheio com o fluido. ods s entrds do coletor devem ser fechds, com exceção de um pr permitir livre expnsão dor r e permitir síd de fluido e outr conectd vi válvul de bloqueio à fonte de fluido de trnsferênci de clor; Coletor deve ser mntido em condições bixo ds referids cim por 1 h ntes do teste; O fluido frio deve ter tempertur < 25 C e vzão de 0,02 kg/(s.m 2 ) por no mínimo 5 min ou té tempertur do bsorvedor tingir vlor < 50 C; Observções: inspeção visul pr verificção de fissurs, distorções, deformções, penetrção de águ ou perd de vácuo. 8 4

5 Ensio de penetrção de chuv Determin té que ponto o coletor (fechdo) resiste à penetrção de águ devido à chuvs. O coletor deve ser mntido um tempertur mínim de 50 C trvés d limentção de fluido de trnsferênci de clor ou pel irrdição solr; Águ com tempertur < 30 C e vzão > 0,05 kg/(s.m 2 ) é pulverizd de todos os ldos, durnte 4 h; O coletor deve estr inclindo em relção à horizontl no máximo de 30º; Observções: inspeção pr verificção d penetrção de chuv; Métodos: pesgem, medição d umidde, e nível de condensção. 9 Ensio resistênci o congelmento Determin té que ponto o coletor resiste o congelmento e ciclos de congelmento e descongelmento. Métodos: coletores cheios resistentes o congelmento e resistentes o congelmento pós drengem; Pr coletores cheios: O coletor deve estr inclindo em relção à horizontl no máximo de 30º, conectdo e com limentção cortd (mntendo-o cheio); O coletor é instldo em um câmr fri, operndo em ciclos; A cd ciclo, o coletor é preenchido com águ n pressão de operção e mntido -20 C durnte o menos 30 min e lcnçr 10 C durnte o descongelmento (que deve ser < 30 min); O coletor deve ser submetido 3 ciclos de congelmento/descongelmento. Pr coletores pós drengem: Mesm inclinção nterior; O coletor deve ser enchido com águ, mntendo pressão de operção por 10 min e drendo; Se quntidde de águ drend for de proximdmente 95% do totl, não necessit colocá-lo em câmr fri. Observções: inspeção pr verificção de vzmentos, rupturs, distorções e deformções. 10 5

6 Ensio resistênci o congelmento 11 Ensio de pressão positiv d cobertur do coletor Determin té que ponto o coletor, cobertur trnsprente e crcç do coletor são cpzes de resistir à crg de pressão positiv devido o efeito do vento e à neve. Coloc-se sobre o coletor um lâmin metálic delgd e sobre el um estrutur metálic ou de mdeir, suficientemente lt, pr conter quntidde requerid de csclho ou mteril similr; A brit (tipo 2) deve ser pesd e distribuíd uniformemente n estrutur; A pressão é incrementd, em degrus de 250 P, té que ocorr um flh ou sej tingido o vlor especificdo do fbricnte. O ensio deve tingir, no mínimo, P. 12 6

7 Ensio de pressão positiv d cobertur do coletor 13 Ensio de pressão negtiv d cobertur do coletor Determin té que ponto s fixções entre cobertur do coletor e crcç do coletor são cpzes de resistir à forçs de levntmento cusds pelo vento. Aplic-se n cobertur do coletor um forç de estirmento equivlente à crg de pressão negtiv especificd; Aument-se pressão grdtivmente té que ocorr flh; Métodos: (1) crg plicd n cobertur trvés de um conjunto de ventoss e (b) pr coletores com crcç hermétic, plic-se pressão no seu interior, trvés de dois burcos bertos n crcç. (b) 14 7

8 Ensio de resistênci o impcto (opcionl) Determin té que ponto o coletor pode suportr os efeitos de impctos pesdos cusdos pelo grnizo. Métodos: (1) Bols de ço são utilizds pr simulr o impcto (b) bols de gelo; As bols de ço (150 g) devem ser solts verticlmente (0,4; 0,6; té 2,0 m de ltur enqunto s bols de gelo (25 mm de diâmetro e mss de 7,53 g, com velocidde de 23 m/s) são lnçds utilizndo um dispositivo lnçdor. 15 Figure 14 Wrped fsteners fter mechnicl lod tests. 16 8

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10 estes de desempenho térmico Bncd de testes outdoor Bncd Aqutherm, existente no Lb. de Energi Solr d UFRGS. N esquerd está o sistem de refrigerção e direit, no fundo, o sistem de quecimento. 19 Esquem de operção d bncd outdoor : 20 10

11 Medids de velocidde do vento e rdição solr:

12 estes de desempenho térmico Bncd de testes indoor 23 Esquem de um bncd pr testes de coletores (ABN NBR e EN ): 24 12

13 Condições de teste segundo norm O coletor deve ser montdo em um ltur > 0,5 m do solo. Se em telhdo de edifício, > 2 m d bord (evitr efeitos térmicos sobre o coletor); Deve hver livre circulção de r sobre o coletor (lteris, frente e fundo); Ângulo de inclinção de form mnter o ângulo de incidênci < 20º; O coletor deve ser limentdo com fluido tempertur de entrd constnte: os testes são feitos com diferentes temperturs de entrd; A rdição solr é medid com um pirnômetro colocdo no plno do coletor, n metde de su ltur; Medids de vzão, temperturs entrd e síd, tempertur mbiente; Medids de pressão e diferenç de pressão trvés do coletor; Precisão ou incertez dos trnsdutores: ver norm. 25 Os testes podem ser feitos indoor ou outdoor. Os testes indoor são feitos com um simuldor solr que nd mis é que um fonte produzindo energi rdinte com distribuição espectrl, intensidde, uniformidde n intensidde e direção o mis próxim possível d rdição solr. Em gerl, oper-se em condições externs, em condições de regime quse-estcionário, em dis clros, próximo o meio-di, com vlores elevdos d componente diret d rdição solr. Pr minimizr efeitos de cpcidde térmic do coletor, os testes são feitos em pres simétricos, um ntes e outro depois do meio di, cujos resultdos são presentdos como médi entre dois pontos simétricos

14 estes: Précondicionmento do coletor: exposto, vzio, durnte 5 h com G > 700 W/m 2 ; Irrdição solr globl > 700 W/m 2 durnte o ensio; Irrdição difus < 30%; Vzão mássic do fluido de teste: 0,02 kg/(s.m 2 ) de áre de bertur do coletor; A primeir tempertur do fluido de entrd deverá estr com um tempertur m ±3 K d tempertur mbiente (precisão n obtenção de η o ); O vlor máximo d m* deverá ser de, pelo menos, 0,09; Pr cd i devem ser obtidos pelo menos 4 pontos, dndo um totl de 16 pontos (ntes de depois do meio di pontos simétricos). 27 estes em regime permnente Cd ponto d curv necessit pelo menos quinze minutos de estbilidde térmic, dmitindo-se pequens vrições d rdição solr (< 50 W/m 2 ). As vrições n tempertur do fluido n entrd devem ser inferiores ±0,1 K; de ± 1,5 K pr tempertur mbiente e ± 1% n vzão mássic; 28 14

15 1. Determinção d eficiênci: Coletor exposto o sol, medids de temperturs do fluido n entrd e n síd e vzão. Q u = mc & = mc & p ( ) onde m& é vzão mássic do fluido (kg/s); c p é clor específico do fluido (n tempertur médi); o é tempertur n síd e i é tempertur n entrd. Outrs medids efetuds simultnemente são: rdição solr no plno do coletor, G ; tempertur mbiente, e velocidde do vento. Lembrndo que o ângulo de incidênci θ deve ser mntido, 20º (evitr o uso de correção pr o ângulo de incidênci). p o i 29 A energi solr interceptd pelo coletor é A.G (A=A A pr áre do bsorvedor e A=A pr áre igul áre de bertur). A potênci térmic rel do coletor solr será igul : = A G η A tempertur médi é determind como: E diferenç de tempertur reduzid é dd por: Q t m * = t + * m i = ( t t ) o 2 i ( t t ) m G 30 15

16 Representção dos resultdos: η o * m = ( t t ) m G

17 17 33 Exemplo de curv obtid nos testes: η o 34 Ajuste de curvs pelo método dos mínimos qudrdos, resultndo em: Conversão ds crcterístics de ensio (A pr A A ): = m m o G t t G G t t η η = = = A A A A A o oa A A A A A A η η

18 A tx de produção de energi instntâne pelo coletor é dd por: Q * = A G η = A G t m t ηo 1 G 2 ( t t ) m G 2 35 Relção entre NBR e Norm Americn ANSI/ASHRAE Stndrd 93 A representção do teste de coletores solr pel ANSI/ASHRAE Stndrd 93 é: F R ( τα ) η = 0,71 8, 75 i ( ) i G F R U L 36 18

19 Relção entre NBR e Norm Americn ANSI/ASHRAE Stndrd 93 Definindo-se eficiênci instntâne do coletor: Qu ηi = A G c F = R [ G ( τα ) U ( )] v G L i à prtir d equção: q = F u R [ S U ( )] L i e considerndo que F R e U L são proximdmente constntes n fix de operção dos coletores. 37 Relção entre NBR e Norm Americn ANSI/ASHRAE Stndrd 93 Considerndo que mior prte d rdição incidente sej diret: τα τα τα ( ) ( ) ( ) v n então: F ( τα ) R F U R L n São dois prâmetros que definem s condições de operção do coletor F ( τα ) R n indic qunt energi é bsorvid F U R L indic qunt energi é perdid 38 19

20 ipos de coletores solres resultdos de testes 39 Relção entre NBR e Norm Americn ANSI/ASHRAE Stndrd 93 Pel NBR: tm t η = F ( τα ) G η o 2 ( t t ) m G 2 Conforme Duffiee Beckmn(2006), pr converter um termo pr outro, podem ser utilizds s Eq. seguir: F R F ( τα ) = F ( τα ) ( τα ) = F ( τα ) R A F U 1+ 2mc & p A 1 FRU 2mc & p L L 1 1 Obs.: pr vzões elevds F F R 40 20

21 Modificdor do ângulo de incidênci Como ns condições de teste θdeve ser mntido < 20º e durntesuoperção em condiçõesreiso ângulode incidêncivride form significtiv, plic-se seguinte correção: tm t η = F Kτα ( τα ) 1 G 2 ( t t ) m G 2 onde K τα = ( τα ) b ( τα ) n é chmdo de modificdor do ângulo de incidênci. 41 Modificdor do ângulo de incidênci Pr um cso hipotético, curv de K θ é representd como: 42 21

22 Modificdor do ângulo de incidênci Um expressão gerl pr esse modificdor é dd por: K τα 1 = 1 bo 1 cosθ onde b o é um constnte chmd coeficiente do modificdor do ângulo de incidênci. Pr ângulos menores que 60, b o = 0,136 São recomenddos testes com ângulos de 30, 45 e 60 (em testes outdoors: médi dos vlores simétricos ntes e depois do meio di). A norm ABN recomend teste pens pr Modificdor do ângulo de incidênci 44 22

23 Energi solr bsorvid pelo coletor Assim, energi solr efetivmente bsorvid por um coletor será dd por: S = I b R K b τα,b 1 + cos β 1 cos + β g τα,g n 2 2 ( τα ) + I K ( τα ) ρ IK ( τα ) n d τα,d n em lugr d equção nteriormente definid pr S: S = I R b b 1 + cos β 1 cos + β g g 2 2 ( τα ) + I ( τα ) ρ I( τα ) b d d Constnte de tempo: Determinção d cpcidde térmic do coletor em termos d constnte de tempo. A constnte de tempo é definid como o tempo necessário pr que o fluido sindo do coletor mude pr (1-1/e) = (0,632) d vrição totl desde seu vlor inicil té o último vlor, pós plicção de um mudnç tipo degru n rdição incidente ou n tempertur do fluido n entrd

24 Condições de teste: ) Operndo o coletor em condições de regime quse permnente, com tempertur do fluido n entrd igul ou muito próxim d tempertur mbiente, o coletor é sombredo bruptmente ou é reposiciondo ou b) Operr o coletor à noite e impor um mudnç de su tempertur de entrd desde condição bem cim d tempertur mbiente té tempertur mbiente. A constnte de tempo é determind como: o, t o, inicil i 1 = = 0,368 e onde o,t é tempertur de síd no tempo te o,inicil é tempertur de síd qundo rdição foi interrompid. i 47, t 28 1 = e o =, t C o 0,

25 ipos de coletores solres Exemplo de coletores de tubos prlelos, termicmente copldos um plc e conectdos encim e embixo por cbeçotes de dmissão e remoção do fluido. ) Desenho básico de coletor, conforme visto nteriormente; b) Similr o nterior, pens que os tubos estão montdos no topo d plc bsorvedor; c) Os tubos estão centrdos no plno d plc, formndo prte integrl d estrutur. 49 ipos de coletores solres Absorvedores longos, estreitos e plnos montdos dentro de tubos de vidro com vácuo. d) ubo e let simples com selos metl-vidro ns extremiddes; e) ubo em U; f) ipo tubo de clor. A porção do tubo de clor em contto com let é o vporizdor. O condensdor é um prte mis curt com bom contto térmico com o tubo trvés do qul o fluido ser quecido é bombedo

26 ipos de coletores solres het pipe e conexões 51 ipos de coletores solres resultdos de testes ) Aquecedor de líquido com cobertur simples e bsorvedor seletivo; b) Aquecedor de líquido com cobertur simples e bsorvedor pintdo com tint pret moderdmente seletiv; c) Aquecedor de r co cobertur simples com bsorvedor preto-níquel; d) Aquecedor de líquido com tubo de vidro evcudo com bsorvedor sputtered com nitreto de lumínio; e) Aquecedor de líquido sem cobertur com bsorvedor plno preto

27 53 ipos de coletores solres resultdos de testes Coletor tipo tubo de clor 54 27