Energia solar para aquecimento de águas

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1 Energia solar para aquecimento de águas Notas das aulas da disciplina de INSTALAÇÕES E SERVIÇOS INDUSTRIAIS Instalações e Serviços Industriais 1

2 Sol Fonte de energia térmica A quantidade de energia incidente sobre a Terra é imensa, mas é difusa, cíclica c clica e sazonal. Sol estrela mais próxima da Terra (1AU=1,496x10 8 km) A radiação solar extraterreste é atenuada por dois mecanismos: dispersão, devida às moléculas de ar, vapor de água e às poeiras na atmosfera dispersão de Rayleigh - moléculas de gás, que provocam uma dispersão em todas as direcções de uma forma quase uniforme dispersão de Mie - poeiras e partículas de aerossóis na atmosfera, concentra as radiações em direcções que estão vedadas aos raios solares absorção, especialmente pelo ozono, vapor de água e dióxido de carbono. A Terra no seu movimento à volta da Sol não mantém uma órbita estável. Instalações e Serviços Industriais 2

3 Movimento da Terra à volta do Sol Instalações e Serviços Industriais 3

4 Excentricidade do movimento da Terra Excentricidade de uma elipse: e = c/a e = 0, siteapaa/ga/excentricidade_brasil_1.pdf cf. Fig. pag. 2 0,983<E o <1,017 Instalações e Serviços Industriais 4

5 Variação da distância da Terra ao Sol Radiação solar sobre a Terra - inversamente proporcional ao quadrado da sua distância ao Sol E o =(r o / r) 2 = 1+0,033 cos (2π d n / 365) [Duffie and Beckman, 1980] E o factor de correcção da excentricidade da Terra d n nº do dia do ano r o = 1AU = 1,496x10 8 km Instalações e Serviços Industriais 5

6 Radiação solar e movimento de inclinação e translação da Terra A radiação solar extraterreste (S e ) pode ser determinada pela expressão: S e = S. E o. cos (δ) S - constante solar (S = 1353 W/m 2 ) [Fonte: NASA, 1971] E o - factor de correcção de excentricidade da órbita (0,983< E o <1,017) cf. Fig (pag. 2) δ - ângulo entre o raio solar e o plano equatorial (normal ao eixo polar), chamado de ângulo de declinação solar Instalações e Serviços Industriais 6

7 Oscilação da Terra em torno do eixo polar Ângulo de declinação - δ δ = (0, , cos Γ + 0, sin Γ - 0, cos 2 Γ + 0, sin 2 Γ- 0, cos 3 Γ + 0,00148 sin 3 Γ)(180/π) Γ = 2 π (d n -1)/365 Instalações e Serviços Industriais 7

8 Atenuação da radiação solar Instalações e Serviços Industriais 8

9 Atenuação da radiação solar A radiação emitida pelo Sol corresponde à radiação emitida por um corpo negro à temperatura de 5762 K A radiação solar extraterreste é atenuada por dois mecanismos: dispersão, devida às moléculas de ar, vapor de água e às poeiras na atmosfera dispersão de Rayleigh - moléculas de gás, que provocam uma dispersão em todas as direcções de uma forma quase uniforme dispersão de Mie - poeiras e partículas de aerossóis na atmosfera, concentra as radiações em direcções que estão vedadas aos raios solares absorção, especialmente pelo ozono, vapor de água e dióxido de carbono. Instalações e Serviços Industriais 9

10 Radiação térmica Propagação de uma onda electromagnética, por agitação molecular e atómica - fotões ou quanta Velocidade de propagação da luz (c) c = λ.ν Comprimento de onda Frequência ν Velocidade da luz no vácuo c o =2,998x10 8 m/s Instalações e Serviços Industriais 10

11 Radiação térmica no Espectro de radiação electromagnética (Radiação térmica)»» (0,1; 100) (µm) Instalações e Serviços Industriais 11

12 Reacção das superfícies à radiação Por efeito da irradiação ocorre: transmissão (τ), absorção (α) reflexão (ρ) Instalações e Serviços Industriais 12

13 Lei de Planck A radiação total emitida por corpo negro é dada por uma distribuição contínua e não uniforme de radiações monocromáticas, i.e., para temperaturas seleccionadas Radiação emitida varia continuamente com o comprimento de onda Para cada comprimento de onda a intensidade da radiação aumenta com o aumento da temperatura Radiação é mais intensa para baixos comprimento de onda, a que corresponde maiores temperaturas E = σ.t 4 Instalações e Serviços Industriais 13

14 Corpo negro Superfície ideal Absorve toda a irradiação incidente, independentemente do comprimento de onda e da direcção Para uma dada temperatura e comprimento de onda nenhuma superfície emite mais radiação que a de um corpo negro nas mesmas condições (lei de Kirchhoff) A radiação emitida é independente da direcção, i.e. um corpo negro é um emissor difuso Instalações e Serviços Industriais 14

15 Superfície real Superfícies reais - para as quais os coef. de absorção e emissão são independentes do comprimento de onda E = ε.σ.t 4 ε - emissividade σ = 5,6697 x10-8 W/m 2 K 4 A emissividade de superfícies metálicas é geralmente pequena Para ouro e prata polida a emissividade é 0,02 A presença de uma camada de óxidos pode aumentar significativamente a emissividade das superfícies metálicas - aço ligeiramente oxidado - 0,1 - aço fortemente oxidado - 0,5 Instalações e Serviços Industriais 15

16 Emissividade de diferentes materiais Instalações e Serviços Industriais 16

17 Emitância e Radiância Emitância (E): Quantidade de energia térmica irradiada por unidade de superfície à temperatura absoluta T E = ε σ.t 4 Radiância (J): Energia total radiante que abandona uma dada superfície. Corresponde a toda a emitância mais a parte da energia recebida que é reflectida J = ρ.g + E Instalações e Serviços Industriais 17

18 Colectores solares Objectivos: - captar radiação solar - concentrada ou não - transferi-la para um fluido - máximo rendimento» efeito de estufa + isolamento Meios: - captação: radiação directa + difusa + reflectida - armazenamento - apoio» eléctrico, caldeira Instalações e Serviços Industriais 18

19 Conversão térmica da energia solar Instalações e Serviços Industriais 19

20 Distribuição da energia solar em Portugal e nos países vizinhos Fonte: Seminário Nacional JRA Sever do Vouga 18/11/04 Instalações e Serviços Industriais 20

21 data, Tar(C), Tmax(C), Tmin(C), HR(%), Rs(W/m2), v(m/s), P (mm), 01/05/05, 15.7, 23.1, 11.0, 54.1, 142.5, 2.3, 0.0, 02/05/05, 16.1, 23.5, 11.2, 50.7, 260.4, 2.3, 0.0, 03/05/05, 16.0, 24.1, 6.0, 44.2, 294.2, 2.3, 0.2, 04/05/05, 17.8, 26.0, 11.7, 39.2, 261.1, 3.4, 0.0, 05/05/05, 20.8, 29.2, 12.6, 31.5, 322.6, 2.7, 0.0, 06/05/05, 22.1, 30.9, 13.6, 23.3, 320.0, 2.7, 0.0, 07/05/05, 18.5, 29.6, 9.6, 44.8, 294.1, 2.5, 0.0, 08/05/05, 17.5, 25.2, 12.6, 45.8, 277.2, 2.0, 0.0, 09/05/05, 16.8, 23.6, 11.5, 50.7, 215.4, 2.5, 0.0, 10/05/05, 17.6, 25.1, 13.3, 44.8, 252.8, 2.2, 0.0, 11/05/05, 15.9, 22.8, 12.5, 57.7, 128.1, 1.3, 13.7, 12/05/05, 16.5, 22.2, 11.6, 57.1, 218.8, 2.3, 7.9, 13/05/05, 14.3, 20.1, 10.1, 52.9, 197.0, 2.5, 2.5, 14/05/05, 14.8, 23.1, 6.6, 42.2, 315.1, 2.0, 0.0, 15/05/05, 15.0, 22.4, 7.3, 43.5, 285.9, 2.0, 0.1, 16/05/05, 12.6, 18.7, 9.4, 56.3, 224.2, 2.8, 11.5, 17/05/05, 15.8, 23.1, 9.6, 42.5, 338.9, 3.5, 0.1, 18/05/05, 18.2, 26.8, 9.5, 40.2, 334.8, 2.5, 0.1, Instalações e Serviços Industriais 21

22 Comparação da situação Portuguesa com a de outros países europeus Na aplicação de água quente sanitária Instalações e Serviços Industriais 22

23 Em Portugal Instalações e Serviços Industriais 23

24 Energia solar em processos industriais Na UE estima-se que o consumo de calor industrial a temperaturas entre 80ºC e 250ºC seja de 300 milhões de MWh, isto é, 8 % do consumo total de energia final. A percentagem de consumo de energia sob a forma de calor nas gamas de temperatura média e média-alta é muito elevada nas indústrias alimentar, de produção de papel, têxtil e química. Processos adequados são por exemplo: aquecimento de banhos de líquidos para processos de lavagem, tinturaria, processos químicos etc.; aquecimento de ar para processos de secagem; geração de vapor de baixa pressão para diversas aplicações. produção de frio utilizando máquinas de absorção ou outros equipamentos térmicos constitui outro grande campo de aplicações com vantagem reconhecida devido à coincidência entre os picos de consumo e os picos de disponibilidade de energia solar. Instalações e Serviços Industriais 24

25 Colectores solares Componentes: - colector» elemento de absorção: placa selectiva ou não, tubos, isolamento, caixa - depósito de acumulação - bombas/ventiladores - permutadores - sistemas de segurança e controle -válvulas - tubos e isolamento Dificuldades: - congelamento, vaporização, perdas de carga, fixação (acção do vento), orientação e inclinação Instalações e Serviços Industriais 25

26 Direcção dos raios solares e inclinação do colector Instalações e Serviços Industriais 26

27 Tipos de colectores e concentradores e gamas de aplicação Tipos de colectores solares - planos - cilíndricos Tipos de concentradores - heliostatos planos parabólicos lente convexa lente concava Gamas de aplicação - aquecimento de ar e de água - produção de vapor, produção de electricidade - fusão de materiais Instalações e Serviços Industriais 27

28 Construção do colector solar Instalações e Serviços Industriais 28

29 Concentradores Instalações e Serviços Industriais 29

30 Colectores Instalações e Serviços Industriais 30

31 Colectores Instalações e Serviços Industriais 31

32 Instalações e Serviços Industriais 32

33 Instalação para aquecimento de água Instalações e Serviços Industriais 33

34 Instalações e equipamentos no aquecimento de águas sanitárias Circulação natural» termo sifão forçada Tipo de transmissão da energia directo indirecto Sistemas de controle e segurança célula solar termóstato simples e/ou diferencial sensor de temperatura nos painéis sensor de temperatura no depósito de acumulação válvula de segurança Instalações e Serviços Industriais 34

35 Equipamentos em instalações de aquecimento de águas sanitárias Vaso de expansão aberto ou fechado Purgadores de ar Válvula de retenção Válvula reguladora de débito e debitómetro Bomba Tubagem Permutador Depósito de acumulação Instalações e Serviços Industriais 35

36 Balanço térmico de um colector solar Potência absorvida pela chapa absorvedora Q abs =A c. α.τ.g T Perdas da chapa absorvedora Q perd =A c.u L (T pm -T a ) Potência útil Q util =Q abs -Q perd Q util =A c [G T (τα) - U L (T pm -T a )] Instalações e Serviços Industriais 36

37 Rendimento térmico de um colector solar Correcção de T pm (temp. média da água na chapa absovedora) para T i (temp. da água à entrada) Q util = A c Fr [G T (ατ) - U L (T i -T a )] Rendimento de um colector solar η i = Fr (ατ) - Fr. U L (T i -T a )/G T Potência transmitida ao fluido térmico Q util = m cp (T s -T i )] Instalações e Serviços Industriais 37

38 Curva de rendimento de um colector solar Tipo de colector Fr (τα) Fr U L Não selectivo 0,7-0,8 8-9 Selectivo 0,7 0,8 4,5-6 CPC 0,75 4,2 /3,7 (1) (1) Valores para orientação NS e EO respectivamente η 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Curva de rendimento η = -5 (Ti-Ta)/G T + 0,8 0 0,04 0,08 0,12 0,16 (Ti-Ta)/G T Instalações e Serviços Industriais 38

39 Temperaturas e tipo de instalação Instalações e Serviços Industriais 39

40 Percentagem de anti-congelante e Cp do fluido térmico Instalações e Serviços Industriais 40

41 Relações tipo anti-congelante/água Temperatura ambiente mínima [ºC] Anti-congelante Etileno-glicol [%] Água [%] Instalações e Serviços Industriais 41

42 Materiais e funcionamento do painel solar Condições tipo Dimensões dos painéis solares: 2 x 1 x 0,1 m 3 Cobertura transparente: vidro temperado (s=4 mm) Placa absorvente: chapa de aço, soldada, pintada de preto Caudal de circulação: l/h Isolamento: fibra de vidro (s=50 mm) Tubagem de ligação: aço, inóx (d= 1 1 ¼ ) Peso (em vazio): 50 kg Área de colector: 30 50% da superfície dos locais a aquecer (habitações) Instalações e Serviços Industriais 42

43 Ângulo recomendado para instalação de colectores solares na Península Ibérica Ângulo de inclinação (º) Latitude (º) Fonte: Energia Solar para Vivendas, Juan de Cusa, 99 Instalações e Serviços Industriais 43

44 60 70 l/pessoa Consumo diário médio Condições tipo l/família (4)»»2 3,5 m 2 de superfície de recepção l/família (8)»»6 7 m 2 de superfície de recepção (8 pessoas)»» l depósito de acumulação Instalações e Serviços Industriais 44

45 Exemplo tipo Cálculos aproximados cp = 4,18 kj/kgºc 1 kg = 1 l cp = 1,16 Wh/lºC V tanque = 100 l Se T no tanque descer 25ºC 2900 Wh Se G T = 300 W/m 2 Se η colector =60% 180 W/m 2 A c =2 m W t reposição temperatura = 8 horas Se 1kWhe = 0,9 Poupança de 2, dias 522 Instalações e Serviços Industriais 45

46 Observações sobre o dimensionamento de instalações com colectores solares A qualidade térmica de um colector avalia-se com base no seu comportamento instantâneo, procurando-se que as condições de ensaio cubram as condições de funcionamento típicas Os colectores inseridos numa instalação irão funcionar num vasta gama de condições, em função dos dados meteorológicos e da utilização O dimensionamento das instalações térmicas solares não se faz para a carga de ponta, uma vez que a captação da energia solar não pode aumentar em função do aumento de utilização para além de escassos limites Instalações e Serviços Industriais 46

47 Observações sobre o dimensionamento de instalações com colectores solares O aproveitamento prático da energia solar é uma tarefa de carácter permanente em relação muito estreita com a capacidade de armazenagem A energia captada é tanto maior quanto mais baixa for a temperatura de entrada do fluido no colector A opção por uma determinada solução, conhecidas as características técnicas, deverá ser condicionada a critérios económicos Instalações e Serviços Industriais 47

48 Índice de ocupação do país Aquecimento de água de piscinas cobertas I solar /Ac(m 2 ) ( 350) Instalações e Serviços Industriais 48

49 Tempo de retorno energético e ambiental do KIT solar na substituição de um sistema tradicional (taxa 50% de reciclagem) Fonte: Seminário Nacional JRA Sever do Vouga 18/11/04 Instalações e Serviços Industriais 49

50 Impacto ambiental dos colectores solares no Protocolo de Quioto Fonte: Seminário Nacional JRA Sever do Vouga 18/11/04 Instalações e Serviços Industriais 50

51 Decreto-Lei que aprova o Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios - RCCTE RCCTE - estabelece as regras a observar no projecto de todos os edifícios de habitação e dos edifícios de serviços sem sistemas de climatização centralizados. Além da obrigatoriedade do recurso a colectores solares, pretende-se que as exigências de conforto térmico, sejam de aquecimento ou de arrefecimento, de ventilação para garantia de qualidade do ar no interior edifícios, ou as necessidades de água quente sanitária, possam vir a ser satisfeitas sem dispêndio excessivo de energia e, por outro lado, que sejam minimizadas as situações patológicas nos elementos de construção provocadas pela ocorrência de condensações superficiais ou internas, com potencial impacto negativo na durabilidade dos elementos de construção e na qualidade do ar interior. Instalações e Serviços Industriais 51

52 LINKS &e=mit Instalações e Serviços Industriais 52