Departamento de Engenharia Electrotécnica

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1 Departamento de Engenharia Electrotécnica Sistemas Térmicos de Energia Solar Trabalho de Projecto apresentado para a obtenção do grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia Autor Manuel Cerveira Orientador Doutor Victor Daniel Neto dos Santos Professor Adjunto ISEC Coimbra, Dezembro 2012

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3 AGRADECIMENTOS AGRADECIMENTOS Gostaria de agradecer a todos aqueles que me apoiaram e contribuíram para a conclusão deste Mestrado, e em particular: Ao professor Victor Daniel Neto Santos pela orientação, acompanhamento, incentivo e permanente disponibilidade demonstrada durante este projecto; Aos diversos professores das unidades da componente curricular do Mestrado em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia (MACSE) pelo apoio dado durante as aulas; Aos meus colegas de Mestrado que através do companheirismo e entreajuda tornaram mais fácil a conclusão deste ciclo de estudos; À direcção do Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) pelas condições oferecidas e pelo apoio concedido necessários à conclusão deste trabalho; Aos colegas de trabalho, em especial, ao Paulo Santos, que me acompanhou na construção de uma bancada didáctica com aproveitamento solar para aquecimento de águas sanitárias por circulação forçada, que os nossos alunos do Curso Profissional de Manutenção Industrial de Electromecânica levaram a efeito durante o ano lectivo ; Aos amigos Nuno Lucas, Pedro Pardelinha e muito em especial ao Mário Almeida, pela disponibilidade e apoio na execução e concretização do trabalho aqui apresentado; Aos muitos colegas e amigos, que me foram sempre estimulando no sentido de prosseguir e assim avançar até conseguir chegar ao fim desta etapa; À minha família, em particular à minha neta Ana João, pela compreensão e à minha esposa, pelo estímulo e natural apoio demonstrado ao longo da realização deste trabalho. O meu muito obrigado a todos. Manuel Cerveira i

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5 RESUMO RESUMO As crises petrolíferas verificadas na década de 70 do século XX e na primeira década deste século motivaram a procura de soluções alternativas para ultrapassar os seus efeitos. Com esse objectivo, os governos de diversos países têm aplicado políticas de incentivo e apoio na procura de soluções que permitam reduzir a sua dependência dos combustíveis fósseis. Sendo o sol uma fonte de energia de fácil obtenção, não poluente e inesgotável, a energia solar, apresenta-se como a grande aposta de independência energética do futuro. Estas condições foram o principal detonador que estimulou o interesse pela realização deste trabalho em que é estudado o aproveitamento da energia solar para aquecimento de água sanitária (AQS), apoio ao aquecimento ambiente (AAA) e aquecimento de água para piscinas (AAP). No trabalho aqui apresentado, para além de ser realçada a importância da opção pelo aproveitamento da energia solar térmica, são apresentadas soluções de aplicação prática exemplificativas de alguns dos tipos de instalações mais comuns, para cujo dimensionamento foi utilizado o programa SolTerm. Com o objectivo de melhorar o aproveitamento energético das instalações solares, propõe-se a interligação de sistemas de aquecimento de AQS com sistemas de AAA em moradias unifamiliares e em edifícios de utilização colectiva, e ainda com sistemas de AAP. Tendo sido desenvolvido para o efeito um Controlador Electrónico Diferencial (CED) o qual é apresentado neste trabalho como parte integrante do projecto. Porque a opção solar em Portugal é demais evidente, deve-se estimular toda a população e em particular os mais jovens a participar. Porque o informar e estimular, geralmente não cai em saco roto, foi conseguido que os alunos do curso de Manutenção Industrial de Electromecânica da Escola Secundária de Anadia, na sua Prova de Aptidão Profissional construíssem uma Bancada Didáctica Móvel em que foi realizada uma instalação de aproveitamento solar térmico de AQS em circulação forçada. Palavras-chave: Energia Solar; Água Quente Sanitária; Controlador Electrónico Diferencial; Manutenção; Aproveitamento Solar Térmico. Manuel Cerveira iii

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7 ABSTRACT ABSTRACT The oil crises in the 70s of the twentieth century and in the first decade of this century motivated the search for alternative solutions to overcome its effects. To this end, governments of many countries have implemented policies to encourage and support the exploration of new solutions in order to reduce their dependence on fossil fuels. As the sun is a source of energy readily available, non-polluting and inexhaustible, solar, presents itself as the main focus of the future of energy independence. These conditions were the main trigger that stimulated interest in this work, it is studied the use of solar energy for heating domestic hot water (DHW), space heating support and water heating for pools. In the work presented here, besides being highlighted the importance of the solar thermal energy solutions selection are presented for illustrative practical application of some of the most common types of facilities, whose design was performed using SolTerm software. With the aim of improving the utilization of solar energy, it has been proposed to interconnect heating systems with hot water systems in houses and buildings for collective use, and also with systems for water heating in pools, having been developed for such an Electronic Differential controller which is presented in this paper as part of the project. Because the solar option in Portugal is too obvious, it should stimulate the entire population and in particular the younger ones to participate. Because inform and stimulate, not usually falls on deaf ears, that was accomplished students of Industrial Maintenance Electromechanics of High School of Anadia in its Aptitude Test Professional Teaching build a bench that was held in a facility harnessing solar DHW heat forced circulation. Keywords: Solar Energy; Domestic Hot Water; Electronic Differential Controller; Solar System Maintenance. Manuel Cerveira v

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9 ÍNDICE ÍNDICE AGRADECIMENTOS... i RESUMO... iii ABSTRACT...v ÍNDICE... vii ÍNDICE DE FIGURAS... xi ÍNDICE DE QUADROS... xiii ABREVIATURAS...xv SIMBOLOGIA... xvii 1 INTRODUÇÃO História dos Sistemas Solares Térmicos Crise Petrolífera nas Décadas de 70 e 80 do Século XX Aproveitamento Térmico da Energia Solar em Portugal O Sol Fonte de Energia Objectivos e Metodologia Objectivos Metodologia Estrutura da Dissertação PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS SOLARES Colectores Solares Colectores Planos Simples Vitrificados ABSORSOR CAIXA EXTERIOR COBERTURA ISOLAMENTO Colectores Planos Selectivos Colectores Planos Sem Vidro de Cobertura Colectores Parabólicos Concentradores Compostos - CPC Colectores de Tubos de Vácuo Análise de Eficiência de um Colector Solar Curva Característica de um Colector Solar Balanço Energético dos Colectores Solares Depósitos acumuladores Depósito acumulador com bomba de calor Selecção de Depósitos Acumuladores Controlador Electrónico Diferencial ou Central de Comando O Controlador Electrónico Diferencial MANCER Sistema Hidráulico com bomba de circulação Resumo APLICAÇÕES E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES Sistema Solar Térmico em Termossifão Tipo Monobloco Conjunto com acumulador acima do colector Tipo Termosolar Acumulador separado e acima dos colectores Sistema Solar Térmico em Circulação Forçada DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS Sistema Solar Térmico para Moradia Unifamiliar Sistema Solar Térmico para Instituição Particular de Solidariedade Social Perfil de consumo de AQS Implementação prática com dois acumuladores e sistema de apoio Manuel Cerveira vii

10 Estágio no Departamento SAX I 4 da PT Comunicações ÍNDICE Implementação prática com um único acumulador Sistema de AQS Aquecimento da Água em Piscinas e Climatização Soluções Mistas de AQS e Aquecimento de Água de Piscinas Resumo IMPLEMENTAÇÃO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS Instalação e Manutenção de Colectores Solares Térmicos Orientação e Inclinação dos Colectores Estrutura de Suporte dos Colectores Solares e Demais Equipamento Ramal de Entrada e Saída do Colector Solar Instalação dos Depósitos de Armazenamento da Água Prevenção e Controlo de Legionella nos Sistemas de Água (IPQ) Bancada Didáctica Móvel Realização de ensaios prévios Características do Controlador Solar SOLAREG II BASIC Sistema Electrónico de Comando Diferencial e de Informação Controlador Electrónico Diferencial MANCER Elementos integrados na placa principal Elementos integrados na placa de interface Tomadas integradas nas placas de interfaces Layout das placas do Controlador MANCER Placa Principal Placa de Interface Circuito de Acondicionamento de Sinal Módulo RTC Relógio desenvolvido a partir do PCF8583 da Philips Características do PCF Esquema do RTC Descrição do modo operacional do controlador Sensores de utilização no comando diferencial Cálculos efectuados para calibração das sondas Pt Principais Acessórios de Utilização nas Instalações Solar Térmicas Bomba de circulação Vaso de Expansão Fluido Térmico Solar Permutador de Calor Válvula Reguladora de Pressão Válvula Misturadora Termostática Válvula de Passagem Válvula de Segurança Válvula de Três Vias Válvula de Retenção Purgador de Ar Automático Ensaios e Manutenção dos Sistemas Solares Térmicos Requisitos Necessários para a Conservação e Manutenção do Sistema Resumo NORMAS E LEGISLAÇÃO Normas Aplicadas a Sistemas Térmicos de Energia Solar - Portugal Legislação Aplicada aos Sistemas Térmicos de Energia Solar em Portugal Legislação Conexa Eficiência Energética Programa Solar Térmico Certificação e Credenciação de Técnicos e Instalações Certificação de Produtos...84 viii

11 ÍNDICE Certificação Energética Medidas de Melhoria Certificação na Europa Certificação e formação dos técnicos e instaladores Resumo CONCLUSÕES REFERÊNCIAS ANEXO I ANEXO II ANEXO III ANEXO III ANEXO IV ANEXO V ANEXO VI Manuel Cerveira ix

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13 ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Esquema da irradiação da energia solar na terra. [KALOGIROU]... 5 Figura 1.2 Radiação a) e Insolação b) global anual em Portugal Figura 1.3 Evolução da área de colectores solares instalados em Portugal [APISOLAR] Figura 2.1 Elementos constituintes de um colector solar. [KALOGIROU] Figura 2.2 Colector horizontal Figura 2.3 Colector vertical Figura 2.4 Colectores planos selectivos Figura 2.5 Colectores sem vidro de cobertura Figura 2.6 Colectores CPC e esquema de funcionamento Figura 2.7 Colectores de tubos de vácuo Figura 2.8 Eficiência dos diferentes tipos de colectores solares. [AGUAQS] Figura 2.9 Temperatura de funcionamento dos diferentes tipos de colectores solares. [ADENE] Figura 2.10 Balanço energético do absorsor. (Adaptado de [RORIZ]) Figura 2.11 Termoacumuladores de armazenamento de AQS Figura 2.12 Depósitos acumuladores de grande capacidade Figura 2.13 Depósito acumulador com bomba de calor Figura 2.14 Exemplos de centrais de comando Vulcano. [VULCANO] Figura 2.15 Controlador diferencial MANCER Figura 2.16 Sistemas hidráulicos com bomba de circulação Figura 3.1 Sistema solar térmico do tipo monobloco Figura 3.2 Moradias com sistemas em termossifão do tipo monobloco Figura 3.3 Sistema solar térmico em termossifão do tipo termosolar. [KALOGIROU] Figura 3.4 Moradias com sistemas em termossifão do tipo termosolar Figura 3.5 Sistema solar térmico em circulação forçada (indirecto). [KALOGIROU] Figura 3.6 Moradia com sistemas em circulação forçada Figura 3.7 Selecção do concelho no SolTerm Figura 3.8 Definição do perfil de consumo diário de AQS da moradia unifamiliar Figura 3.9 Desempenho do sistema solar térmico: Moradia Figura 3.10 Definição das características do acumulador solar de AQS (Zantia S20 200) Figura 3.11 Sistema solar térmico simulado: Moradia Figura 3.12 Sistema solar térmico da ADCRA Figura 3.13 Definição do perfil de AQS do lar para a) dias de semana e b) fim-de-semana Figura 3.14 Esquema da instalação do sistema solar térmico da ADCRA Figura 3.15 Acumuladores de AQS da Relopa Ref. WW2000LEM [RELOPA] Figura 3.16 Sistema solar térmico simulado: IPSS Figura 3.17 Instalação solar mista AQS+AAA+AAP. [VULCANO] Figura 3.18 Instalação solar térmica mista desenvolvida para o controlador MANCER Figura 3.19 Sistema misto de alto desempenho e elevado rendimento [ZANTIA] Figura 4.1 System granitic com recirculação. [HSC] Figura 4.2 Bancada didáctica desenvolvida Figura 4.3 Apresentação pública da bancada didáctica desenvolvida Figura 4.4 Controlador solar SOLAREG II Figura 4.5 Arquitectura do microcontrolador PIC16F Figura 4.6 Diagrama de blocos do controlador MANCER Figura 4.7 Layout da placa principal Manuel Cerveira xi

14 ÍNDICE DE FIGURAS Sistemas Térmicos de Energia Solar Figura 4.8 Layout da placa de interface Figura 4.9 Esquema do Conversor Pt1000 Analógico Figura 4.10 Relógio/calendário com RAM de 240 x 8-bit xii

15 ÍNDICE DE QUADROS ÍNDICE DE QUADROS Quadro 2.1 Tipo de colectores solares em função da aplicação Quadro 3.1 Análise comparativa dos sistemas solares (termossifão vs circulação forçada) Quadro 3.2 Caracterização do sistema solar térmico para moradia unifamiliar Quadro 3.3 Características do colector solar Zantia ZHS 200. [ZANTIA] Quadro 3.4 Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: Moradia Quadro 3.5 Perfil de consumo de AQS na IPSS Quadro 3.6 Características do colector solar Solargus ESP Quadro 3.7 Características dos depósitos acumuladores de AQS. [RELOPA] Quadro 3.8 Características do depósito acumulador de AQS Quadro 3.9 Estimativa de desempenho do sistema solar térmico: IPSS Quadro 4.1 Comportamento da Legionella em função da temperatura Quadro 4.2 Variação da resistência e da tensão analógica em função da temperatura Quadro 5.1 Mercado solar térmico na EU + Suíça Quadro 0.1 Características do colector plano KBB K423 VH4L Quadro 0.2 Características do Acumulador WBO Quadro 0.3 Características do Acumulador WBO - continuação Manuel Cerveira xiii

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17 ABREVIATURAS ABREVIATURAS AAA Apoio de Aquecimento Ambiente AAP Aquecimento de Água da Piscina ADCRA Associação Desportiva Cultural e Recreativa de Antes ADENE Agência para a Energia ALU Arithmetic and Logic Unit AQS Água Quente Sanitária AQSpP Água Quente Solar para Portugal ASTIG Active Solar Thermal Industrial CE Comunidade Europeia CED Controlador Electrónico Diferencial CEN Comissão Europeia de Normalização CENELEC Comissão Europeia de Normalização Electrotécnica CERTIF Associação para a Certificação de Produtos CFLR Compact Linear Fresnel Reflector CNQ Catálogo Nacional de Qualificações DGEG Direcção Geral de Energia e Geologia DGGE Direcção Geral de Geologia e Energia DIN Deutschs Institut fur Norming E4 Eficiência Energética e Energias Endógenas ENE 2020 Estratégia Nacional para a Energia 2020 EPDM Ethylene Propylene Diene Monomer EU European Union ICSP In Circuit Serial Programming INETI Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovação Manuel Cerveira xv

18 SIMBOLOGIA Sistemas Térmicos de Energia Solar IPQ Instituto Português da Qualidade IPSS Instituição Particular de Solidariedade Social ISEC Instituto Superior de Engenharia de Coimbra ISO International Organization for Standardization ISSO International Students and Scholars Office LECS Laboratório de Ensaio de Colectores Solares LNEC Laboratório Nacional de Engenharia Civil LNEG Laboratório Nacional de Energia e Geologia LNETI Laboratório Nacional de Engenharia e Tecnologia Industrial MACSE Mestrado em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia MANCER Controlador electrónico desenvolvido por MANuel CERveira PANAC Programa Nacional para as Alterações Climáticas PAP Prova de Aptidão Profissional PEN Plano Energético Nacional PNAEE Plano Nacional de Acção para a Eficiência Energética QAI Qualidade do Ar Interior RCCTE Regulamento das Características de Comportamento Térmico dos Edifícios RS232 Recommended Standard 232 RSECE Regulamento dos Sistemas Energéticos de Climatização em Edifícios RTC Real Time Clock SCE Sistema Nacional de Certificação Energética e da Qualidade do Ar Interior SEGS Solar Energy Generating Systems SPES Sociedade Portuguesa de Energia Solar TTL Transistor Transistor Logic UV Ultra Violeta xvi

19 SIMBOLOGIA SIMBOLOGIA α Coeficiente de absorção (absorvidade) A p Área útil de pavimento T Aumento de temperatura necessária para preparar as AQS a 1 Coeficiente linear de perdas térmicas a 2 Coeficiente quadrático de perdas térmicas M AQS Consumo médio diário de referência de AQS E solar Contribuição do sistema de colectores solares térmicos para aquecimento de AQS E ren Contribuição de outras formas de energia renováveis ou de recuperação de calor para a preparação de AQS η Eficiência do colector η o Eficiência óptica do colector (factor de conversão) η a Eficiência de conversão dos sistemas convencionais de preparação de AQS Q a Energia útil despendida com sistemas convencionais de preparação de AQS η k Factor de perda de calor E g Irradiância Me (W/m 2 ) Retirado de tabela de radiometria N ac Necessidades anuais de energia útil para a preparação de AQS n d Número anual de dias de consumo de AQS ρ Reflectividade T a Temperatura ambiente Manuel Cerveira xvii

20 SIMBOLOGIA Sistemas Térmicos de Energia Solar T m Temperatura média de trabalho do fluido no absorsor τ ε Transmissividade Emissividade C p Calor específico a pressão constante m& h β U К CBm I P p R ρ Caudal mássico Coeficiente de concepção Coeficiente de expansão Coeficiente global de transmissão de calor Condutividade térmica Constante de Boltzmann Intensidade de Radiação Potência eléctrica Pressão Resistência eléctrica Resistividade eléctrica [Ω.mm 2 /m] t U Tempo Tensão eléctrica xviii

21 CAPÍTULO 1 1 INTRODUÇÃO A crise energética actual tem suscitado preocupações em todo o mundo quanto à possibilidade de esgotamento futuro das reservas energéticas, designadamente do petróleo e do gás natural, sendo também preocupante, o seu elevadíssimo custo que não pára de aumentar. Tem-se apontado até que, a situação daqui a poucas décadas, tanto pelo aumento desenfreado do custo daqueles combustíveis como pela sua escassez, poderá originar uma crise sem precedentes de todo o sector industrial mundial se não forem encontradas soluções alternativas que possam alterar esta situação. A solução nuclear, que parecia apresentar-se como uma alternativa credível, tem-se revelado demasiado perigosa nas suas consequências, mesmo em países altamente desenvolvidos tecnologicamente, onde são aplicadas as normas mais rigorosas de construção, manutenção e de segurança das suas centrais nucleares de produção de energia. Em situações de catástrofe natural, ficou já demonstrado que podem ser provocados danos com consequências devastadoras, que além de afectarem os países onde estão instaladas essas centrais, poderão originar danos a outras populações próximas ou mesmo afastadas dessas regiões. As acções devastadoras provocadas pelos acidentes verificados nas centrais nucleares de produção de energia em países altamente desenvolvidos, como aconteceram em 1979, nos Estados Unidos; em 1981, 1997, 1999 e 2004 no Japão; em Chernobyl 1986 Ucrânia; em 1993 na Rússia; em 2008 em França e mais recentemente por consequência de um Tsunami em 2011 no Japão; fizeram com que a opção pelas Energias Renováveis surgisse como a aposta mais acertada em diversos países, no qual se inclui Portugal. O final do século XX caracterizou-se pelo aumento acentuado da produção industrial de bens e equipamentos a que passaram a ter acesso grandes camadas da população em virtude dos processos políticos de democratização verificados nessa época. Por outro lado, a melhoria económica das populações, permitiu que nas suas habitações passassem a ter melhores condições de conforto, dada a possibilidade de aquisição e utilização de equipamentos de climatização ambiental. Além disso, as populações passaram a ter mais interesse pela sua mobilidade tendo passado a utilizar em grande escala, não só o comboio, mas também o avião, o barco e outros veículos motorizados de utilização colectiva, ou optaram mesmo pela compra e utilização do automóvel particular para as suas deslocações. Todos estes factores originaram um brutal aumento do consumo de energia que implicou grande utilização de combustíveis de origem fóssil, como o carvão e outros derivados da floresta, e ainda, numa escala sem precedentes, os derivados de petróleo. Com o elevado consumo de energia, foi necessário recorrer à exploração de jazidas de petróleo que não estavam previstas. Tal situação, fez com que aumentassem os custos de exploração dos combustíveis fósseis, que provocou uma subida desenfreada dos preços de venda aos países não produtores, que, tal como em Portugal teve como resultado desde então, elevadas dificuldades financeiras. Manuel Cerveira 1

22 Com o objectivo de minorar as consequências do impacto negativo provocado pela subida do preço da energia, vários países e nomeadamente Portugal, têm procurado soluções alternativas e a utilização das energias renováveis tem mostrado ser a mais favorável para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis. Há pois assim que, procurar novas fontes de energia e o sol que é uma fonte inesgotável, apresenta-se como a melhor e a mais económica. Embora a energia fornecida pelo sol possa ser aproveita de várias outras formas, no trabalho aqui apresentado, é salientada a importância da sua utilização no aproveitamento a baixas temperaturas que se aplica em sistemas: de aquecimento de água sanitária (AQS), de apoio ao aquecimento de ambiente (AAA) e no aquecimento da água de piscinas (AAP). Para o aquecimento de água sanitária e climatização, são utilizados maioritariamente colectores solares térmicos com superfície colectora de cor preta ou bastante escura ou colectores com tubos de vácuo. No caso da aplicação para aquecimento da água de piscinas, são utilizados colectores cuja superfície colectora é geralmente de ligas plásticas, sem necessidade de existência de caixa exterior, que no caso das piscinas cobertas, garantem boas condições de utilização em grande parte do ano, e, no caso das piscinas descobertas, prolonga o seu normal funcionamento e período de utilização, durante uns meses. 1.1 História dos Sistemas Solares Térmicos Desde muito cedo que o homem se apercebeu de que a vida e a energia fluem do sol. Remontam mesmo a alguns séculos a.c. princípios de construção de habitações viradas a sul, com fachadas mais altas de modo a que os raios de sol pudessem penetrar pelos pórticos durante o inverno, e do lado virado a norte fachadas mais baixas para que durante o verão se obtenha sombra e sejam evitados, o vento e o frio. Nestas circunstâncias, é feito o aproveitamento solar térmico passivo, cujos ganhos dependem, das condições de construção e orientação do edifício. Além disso, é ainda possível neste tipo de aplicações, fazer um melhor aproveitamento, se for feito o controlo da quantidade de calor recebida e for realizada de forma adequada a distribuição desse calor. Com um bom controlo da radiação solar, são obtidas temperaturas de trabalho muito mais elevadas do que as necessárias ao conforto térmico. Deste modo, é realizado o aproveitamento solar térmico activo, que pode ser aplicado para obtenção de calor a altas temperaturas através das centrais solares para produção de vapor que é utilizado em processos industriais ou em maior escala, na produção de energia eléctrica. Ao longo dos tempos, foram efectuadas muitas experiências de aproveitamento solar térmico onde não se considerou oportuna a sua aplicação, porém noutras houve, que pelos resultados alcançados se considerou haver condições de aplicação com rendimentos satisfatórios e até muito bons comparativamente a outras formas de energia utilizadas, tendo daí resultado a sua aplicação em grande escala. 2

23 CAPÍTULO 1 As primeiras instalações solares para aplicação doméstica remontam à primeira metade do século XX, e que, de acordo com as revistas científicas da época, terá sido no ano de 1930 em que este tipo de aproveitamento energético começou a suscitar interesse em algumas universidades do Estados Unidos da América do Norte, movidas pela preocupação de poderem garantir uma solução de obtenção de água quente sanitária de utilização doméstica nas zonas mais isoladas das grandes cidades, para as quais se tornava cada vez mais difícil e de custo elevado, fazer o abastecimento dos combustíveis convencionais. Foram então encetadas investigações que se centraram fundamentalmente em locais de maior prolongamento de incidência e mais elevados níveis de intensidade da radiação solar, tendo culminado com os testes efectuados pela Universidade do Arizona em 1950, que resultaram nos ensaios levados a efeito através da realização de uma instalação com colectores de aproveitamento solar térmico a baixa temperatura para o aquecimento de água, para cujo armazenamento e controlo térmico, foram instalados sistemas em diversos edifícios do seu campus universitário. Além disso, no ano de 1966, na cidade de Roma, com o objectivo de encontrar formas alternativas às energias ditas convencionais, foi realizado um Congresso que tomou a designação Novas Fontes de Energia, tendo o aproveitamento da energia solar sido considerada de grande importância, não só para aplicação no sector doméstico, como também no comércio e indústria, em alternativa à utilização dos combustíveis fósseis. Têm sido várias as experiências utilizadas para captação solar associadas à radiação das quais se podem destacar as seguintes centrais solares térmicas: Do tipo torre solar de sal liquefeito que utilizam o ciclo de Stirling o Solar Two Operou entre 1995 e 1999 em Barstow Califórnia 1 ; o Solar Três Na Andaluzia Espanha; De Concentradores Parabólicos Cilíndricos ( tipo trough ) que utilizam o ciclo de Rankinne designados SEGS (Solar Energy Generating Systems) 2 ; o Reflectores Fresnel - Compact Linear Fresnel Refletor (CFLR) - Tavira 3 ; o Existe uma na Alemanha Julich 2008 em funcionamento. 1 eficiência η=32% 2 Construídos entre 1986 e 1990 no deserto do Mojave Califórnia. Estas centrais necessitam de área de implantação com cerca de 50% mais do que as de torre solar, os custos de construção são da ordem de 25% dos de torre solar e a sua eficiência η=15% 3 Apresenta-se como uma solução mais económica, necessita de uma área inferior para colocação dos espelhos do que as anteriores, sendo o custo de construção, por kwh e produzido, cerca de 10 vezes menor que duma torre solar e a área ocupada cerca de 6 vezes menor do que a necessária para o funcionamento duma torre solar com a mesma potência instalada. Manuel Cerveira 3

24 1.1.1 Crise Petrolífera nas Décadas de 70 e 80 do Século XX Com o desenvolvimento industrial iniciado na primeira metade do século XX, que se prolongou nas décadas de 50 e 60 tornou-se necessário proceder a um aumento da procura e exploração de grandes jazidas de petróleo em todo o mundo, de modo a satisfazer as necessidades de combustíveis então necessárias. Porém, com o aumento do custo do petróleo, verificado na sua comercialização, particularmente a partir do final da primeira metade da década de 70, que veio mesmo a originar a chamada crise petrolífera dos anos 70, deu-se início a uma preocupante necessidade de se implementarem medidas tendentes a serem encontradas novas soluções energéticas que pudessem reduzir substancialmente a dependência daquele combustível. Assim, no final da década de 70 princípio de 80, através do Plano Energético Nacional (PEN) pensou-se que com o maior incremento na expansão da utilização do gás natural, teria sido encontrada a solução que garantiria o fim da crise, tendo mesmo sido propalado que em Portugal, estaríamos garantidos em termos energéticos até Para o efeito e baseado nos estudos então realizados, foi implementado o projecto e instalação da rede nacional de gás natural através da grande conduta em toda a faixa litoral de Portugal Continental com ligação a sul através de pipe line ao Magreb de onde seria abastecida. Foi também previsto o seu abastecimento a partir de um sistema de acumulação em depósitos na zona de Sines onde o abastecimento é feito por barcos metaneiros. A rede de gás natural, numa terceira opção, pode ainda através de uma conduta que atravessando toda a zona centro do país, se encontra ligada através de Espanha à rede europeia de gás natural, garantindo também desse modo o abastecimento. As políticas energéticas escolhidas comprometeram o desenvolvimento da utilização de soluções de aproveitamento solar principalmente para AQS, que à data já se tinha começado a fazer sentir, bem como o desenvolvimento de alguma indústria nacional de material e equipamento a ela ligados que embora na época incipiente, já começava a dar alguns passos importantes. 1.2 Aproveitamento Térmico da Energia Solar em Portugal O Sol Fonte de Energia A maior fonte de energia disponível na Terra provém do Sol. A energia irradiada pelo Sol, para a atmosfera terrestre é praticamente constante. Esta energia irradiada ou intensidade de radiação é descrita como a constante solar relativa a uma área de 1 m². Esta constante está sujeita a pequenas alterações, provocadas pela variação da actividade solar e com a excentricidade da órbita da Terra. Estas variações, que se detectam para a gama dos raios Ultra Violeta (UV) são menores que 5 %, e não são significativas para as aplicações de tecnologia solar. O valor médio da constante solar é E 0 = W/m². 4

25 CAPÍTULO 1 Na figura 1.1 está representado um esquema ilustrativo da irradiação da energia solar na terra, dos valores das dimensões do sol e da terra, e, da distância entre eles. Figura 1.1 Esquema da irradiação da energia solar na terra. [KALOGIROU] Se tivermos em atenção, as condições de elevada insolação existentes durante grande parte do ano em Portugal, verificamos que é muito importante desenvolver e promover cada vez mais a sua utilização. Portugal dispõe de muitas horas de sol, cerca de 2600 horas em média por ano, como se pode observar na figura 1.2 e que o torna um dos países da Europa com melhores características para o aproveitamento da energia solar, com níveis de potencial muito superior à média. Por isso, é necessário criar condições que permitam aumentar a instalação de sistemas de aproveitamento solar térmico e fomentar a produção de colectores solares, pela indústria portuguesa. a) b) Figura 1.2 Radiação a) e Insolação b) global anual em Portugal. Manuel Cerveira 5

26 Na elaboração de projectos e concepção dos colectores solares, é importante que estes apresentem as melhores condições de garantia de uma boa captação da radiação solar. Assim, no caso dos colectores mais comuns utilizados nos sistemas de AQS e de circulação de fluido térmico para climatização ambiental, tanto a superfície do elemento transparente como a placa de captação de energia solar, deverão ter dimensões adequadas e serem constituídas por materiais que garantam condições de captação capazes de permitir rendimentos elevados na transmissão do calor a aproveitar para o aquecimento da água de utilização doméstica ou no aproveitamento para climatização. O aproveitamento térmico da energia solar numa escala de grande dimensão, poderá reduzir significativamente a dependência energética externa. Porém, até ao presente, tal ainda não se conseguiu, isto porque as acções levadas a efeito até ao momento, não foram capazes de criar um interesse mobilizador de todos, sejam os investidores, os industriais ou outros e a população em geral. Embora insuficiente, alguma coisa foi feita, tendo sido dados passos significativos em algumas áreas como se pode aferir pela implementação de alguns programas dos quais se destacam: Em 2001 através do Programa E4 Eficiência Energética e Energias Endógenas em que se propunha melhorar a eficiência energética e o aproveitamento das energias renováveis em Portugal entre as quais a promoção da utilização de colectores solares para aquecimento de águas pelo programa Água Quente Solar para Portugal (AQSpP). O objectivo deste programa era atingir 1 milhão de metros quadrados de colectores solares instalados e operacionais até 2010, que não se verificou. A figura 1.3 apresenta a evolução da área de colectores solares instalados. Figura 1.3 Evolução da área de colectores solares instalados em Portugal [APISOLAR]. 6

27 CAPÍTULO Objectivos e Metodologia Objectivos Apresentando Portugal excelentes condições para o aproveitamento da energia solar térmica, o presente trabalho tem como principal objectivo, mostrar que esta forma de energia se apresenta neste país como a melhor opção para fazer face à elevada dependência energética externa. Os benefícios para o ambiente e a comodidade que proporciona aos utilizadores tornam a opção pela energia solar térmica uma atitude inteligente e socialmente responsável, sobretudo pela protecção do meio ambiente que decorre da menor utilização de combustíveis fósseis. Assim, para estimular uma maior participação de todos numa estratégia energética que consubstancie a mudança de paradigma, foi construída uma bancada didáctica móvel de aproveitamento térmico de energia solar, realizada em ambiente escolar, por alunos do ensino secundário sob orientação do autor deste trabalho. Com recurso ao SolTerm 5.1 foi realizado o dimensionamento de um sistema solar térmico de utilização individual para aplicação em moradias unifamiliares e outro de utilização colectiva para aplicação numa instituição particular de solidariedade social (IPSS). Por último, foi desenvolvido um controlador electrónico diferencial destinado a instalações de maior complexidade que contemplam o aproveitamento da energia solar para aquecimento de água sanitária, da água de piscina e de apoio ao aquecimento ambiente Metodologia No início deste trabalho, foi apresentado um resumo da importância do aproveitamento da energia solar para ultrapassar as consequências das crises energéticas que se têm verificado ao longo das últimas décadas. Em seguida, foi apresentado como principal objectivo, dar ênfase à necessidade de se encontrar uma estratégia energética tendente à redução do consumo dos combustíveis fósseis, através da promoção da utilização da energia solar como forma alternativa capaz de permitir fazer face à escassez cada vez maior de reservas daqueles combustíveis e às consequências nefastas para o ambiente derivadas do seu consumo, tendo sido a opção de utilização da energia solar em Portugal como a mais viável e a melhor solução. Com o objectivo de estimular os mais jovens à participação na redução da dependência de Portugal relativamente aos combustíveis fósseis e na preservação do meio ambiente, foi dada informação sobre o tema e alertada a importância dessa participação aos alunos do 12º ano, tendo daí resultado, a construção de uma bancada didáctica por eles realizada, no âmbito da sua Prova de Aptidão Profissional (PAP). Manuel Cerveira 7

28 Com o objectivo de incentivar a utilização das instalações de aproveitamento solar e de forma a melhorar a sua qualidade, foram ao longo do trabalho, apresentadas figuras com esquemas de princípio, fotografias de instalações, componentes e equipamentos mais comuns. Neste trabalho é também apresentado o projecto de uma instalação do tipo colectivo com instalação solar de AQS, AAA, e AAP na qual é aplicado o Controlador Electrónico Diferencial MANCER que se desenvolveu. A partir de documentos dos fabricantes e representantes de equipamento solar térmico, foram apresentadas algumas das características dos materiais seus constituintes, do modo de execução das instalações, das condições de ensaio, e das acções de manutenção e de garantia de assistência técnica. Neste trabalho, são também indicadas algumas normas e legislação que desde 1985 têm vindo a ser implementadas e aplicadas em Portugal. Foram também indicadas, algumas referências bibliográficas, sites para consulta em que se apresentam instalações, componentes e equipamentos relativos aos tipos de instalações mais comuns de aproveitamento térmico da energia solar. 1.4 Estrutura da Dissertação O presente trabalho foi desenvolvido no Instituto Superior de Engenharia de Coimbra (ISEC) com vista à obtenção do grau de Mestre em Automação e Comunicações em Sistemas de Energia, na área de especialização de Sistemas Industriais tendo sido elaborado sob a orientação do professor Doutor Victor Daniel Neto dos Santos. No início do capítulo 1 começa-se por realçar a importância do sol como fonte de energia disponível, evidenciando algumas das suas principais características. Além disso, é feita uma abordagem ao sol como recurso inesgotável, que em Portugal, um dos países da Europa em que apresenta maior nível de incidência solar. Assim sendo, é apontada a importância da utilização da energia solar como aposta, não só pelas excelentes condições de incidência, mas também como meio de reduzir a dependência energética externa e assim poder contribuir para ultrapassar os efeitos negativos na economia, que essa dependência em geral provoca. De seguida é apresentada uma perspectiva histórica do desenvolvimento de alguns projectos e passos importantes nas aplicações dos sistemas solares térmicos ao longo dos séculos, destacando-se alguns, que poderão ser considerados marcos importantes tanto pelos resultados concretos de utilização e aproveitamento energético, como no desenvolvimento de políticas e legislação implementadas, cujo objectivo tem em vista a promoção cada vez maior da sua aplicação também em Portugal. 8

29 CAPÍTULO 1 No capítulo 2, Principais Componentes dos Sistemas Solares Térmicos, começa-se por evidenciar a importância da energia solar em confronto com outros tipos de energia e são apresentados os principais componentes dos sistemas solares térmicos, particularizando aqueles que fazem parte das instalações abordadas ao longo do presente trabalho. No capítulo 3, Aplicações e Dimensionamento de Sistemas Solares, é feita uma abordagem às aplicações de energia solar térmica com particular incidência nos sistemas solares térmicos mais comuns, tanto no que se refere ao aquecimento de água sanitária, como da água para piscinas ou no apoio ao aquecimento ambiental e ainda noutros tipos de aplicações menos comuns em Portugal. Além disso, são apresentados estudos de aplicação em habitação unifamiliar e de utilização colectiva, onde é feito o dimensionamento através da aplicação do programa SolTerm, a partir do qual se apresentaram relatórios. No capítulo 4, Implementação de Sistemas Solares Térmicos é apresentada uma solução tecnológica baseada em sistemas térmicos de energia solar conforme os esquemas das instalações apresentadas. De entre os aspectos analisados refira-se a instalação e manutenção dos colectores solares, dos depósitos de armazenamento de água, das redes de entrada de água fria e saída de água quente e respectivos componentes, tendo sido dada particular relevância à prevenção e controlo de legionellas nos sistemas de água quente. Para efeitos de apoio à leccionação de temas relacionados com energias renováveis em diversas disciplinas do ensino secundário foi implementada uma bancada didáctica móvel. A referida bancada serviu de suporte aos ensaios de aplicação do controlador electrónico diferencial desenvolvido. Este controlador realiza medições de temperatura do fluido térmico circulante, através de sensores adequadamente distribuídos pela instalação e de circuitos de condicionamento de sinal. Estas informações são tratadas pelo microcontrolador que através de interfaces de ligação comandam os diversos actuadores existentes na instalação (bombas electro-circuladoras e electro-válvulas). No capítulo 5, Normas e Legislação são apresentadas algumas das normas e legislação nacional e internacional mais importantes, que oferecem a garantia de poderem ser alcançados os melhores resultados na procura das soluções a utilizar em cada uma das instalações de aproveitamento da energia solar, qualquer que seja a situação a considerar em Portugal e em toda a União Europeia. Por último, no capítulo 6, Conclusões são apresentadas as conclusões do trabalho efectuado durante o projecto. De entre elas refira-se a importância do aproveitamento da energia solar em Portugal sob as mais diversas formas, tendo em consideração que se trata de uma fonte energética alternativa gratuita e inesgotável capaz de permitir a substituição parcial ou total, do consumo de combustíveis fósseis em muitas aplicações. Nestas circunstâncias, além de permitir a redução da dependência energética do exterior, evita-se a saída de divisas na aquisição de combustíveis. Não sendo necessário um consumo tão elevado de combustíveis, eliminam-se ou reduzem-se em parte os efeitos nefastos da poluição do meio ambiente resultante dos produtos derivados da sua queima. Manuel Cerveira 9

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31 CAPÍTULO 2 2 PRINCIPAIS COMPONENTES DOS SISTEMAS SOLARES A energia solar revela-se uma das formas de energia renováveis mais importantes que existe, uma vez que quase todas as outras formas de energia de que são exemplo a energia dos oceanos, biomassa, eólica e combustíveis fósseis, são formas indirectas da energia solar. A energia solar pode ser transformada em dois principais tipos: energia solar térmica e energia solar eléctrica. A energia solar térmica a tratar neste trabalho, tem como principais aplicações, o aquecimento de águas quentes sanitárias em edifícios de utilização colectiva e residencial, bem como o aquecimento ambiente e da água de piscinas, entre outros. Para o efeito são utilizados colectores solares. A este subgrupo pertence também a energia solar passiva, que consiste na aplicação de modelos de construção de edifícios, capazes de por si só realizar o aquecimento do próprio edifício. A energia solar é de longe a fonte alternativa de energia mais atraente para o futuro, pois, além das suas características não poluentes, a quantidade de energia disponível para conversão é equivalente a várias vezes o actual consumo mundial. 2.1 Colectores Solares São os componentes centrais das instalações de aproveitamento de energia solar térmica. Têm como função captar e converter a luz solar (radiação de onda curta) em calor e transferir a energia obtida com o mínimo de perdas para o resto do sistema, geralmente através de água, óleo ou outro fluido consoante a temperatura de funcionamento do sistema. Baseiam o seu funcionamento em dois fenómenos naturais: A absorção de calor pelas superfícies escuras; O movimento de subida dos fluidos líquidos em circuitos com variações de temperatura. Os colectores solares deverão apresentar as seguintes características: Possuir uma superfície de absorção que permita um elevado nível de captação da energia radiante incidente para os baixos comprimentos de onda, da ordem de 0,3 a 3,0 µm; Apresentar reduzido índice de perdas, através da utilização de um bom isolamento térmico; Possuir baixo nível de emissividade para a radiação solar nos comprimentos de onda mais comuns que se situam entre 3,0 e 30 µm. Manuel Cerveira 11

32 2.1.1 Colectores Planos Simples Vitrificados Dos diversos tipos de colectores solares térmicos utilizados, destaca-se o colector solar plano, que apresenta excelentes características de aplicação principalmente para AQS e climatização ambiental, donde resultam significativos ganhos que permitem a redução de utilização das fontes energéticas convencionais. Podem ser utilizados unitariamente ou sob a forma de baterias de dois a cinco colectores solidariamente ligados através de juntas de união, que de forma agrupada através da ligação por canalizações permitem obter grandes extensões de colectores, obtendo-se assim o aquecimento de grandes quantidades de água para utilização simultânea. Um colector solar plano é essencialmente constituído pelos seguintes elementos, como se pode observar na figura 2.1 seguinte: Placa absorsora ou absorsor; Caixa exterior; Cobertura; Isolamento. Figura 2.1 Elementos constituintes de um colector solar. [KALOGIROU] A maioria dos colectores solares de aproveitamento térmico utilizados, apresenta dimensões aproximadas de 2000x1000x100 mm. Porém, são fabricados colectores solares com dimensões muito diversificadas, dos quais se salientam ainda os modelos em que as suas dimensões se aproximam de 1000x1000x100 mm e de 2000x1500x100 mm, cuja aplicação se faz numa escala bastante inferior aos anteriormente referidos ABSORSOR O absorsor é um elemento em cuja superfície é absorvida a radiação solar que é transmitida, sob a forma de calor, a um fluido que geralmente é constituído por uma mistura de água e glicol. Para que sejam obtidas condições de elevado rendimento, a placa do absorsor, deverá apresentar elevados níveis de absorvidade e baixos níveis de emissividade (ε). 12

33 CAPÍTULO 2 Assim, em alguns colectores a placa do absorsor é fabricada em chapa de cobre, pintada de negro baço especial com elevado coeficiente de absorção (α), noutros; designados colectores solares selectivos, a superfície do absorsor apresenta um revestimento com tratamento especial chamado selectivo, que garanta condições de absorvidade distintas; sendo elevada para os baixos comprimentos de onda e baixa para os altos comprimentos de onda, o que permite reduzir muito a irradiação na faixa dos infravermelhos. Nestas circunstâncias, conseguem-se obter índices de perdas mais reduzidos, o que torna ainda mais eficiente a transferência de calor ao fluido solar e consequentemente um maior rendimento neste tipo de colectores. Neste tipo de colectores, conseguem-se níveis de aproveitamento na absorção que ultrapassam os 95 % e rendimentos bastante elevados. Dependendo do tipo de fabricação da placa do absorsor, o fluido térmico de transferência de calor (água + glicol), poderá circular directamente no interior da placa absorsora, através de uma serpentina (pouco vulgar) ou no caso mais comum, através de uma grade geralmente em cobre, que é constituída por tubos longitudinais ligados entre si por 2 tubos adutores transversais, a qual é ligada à chapa da placa absorsora por encaixe mecânico reforçado com soldadura especial. Em ambos os tipos de solução (serpentina ou grade) está prevista a entrada do fluido frio na parte inferior e a saída de fluido quente na parte superior CAIXA EXTERIOR A caixa exterior do colector apresenta em geral estrutura de alumínio anodizado ou aço inoxidável com tapa junta 4 na parte superior que pode ser também em alumínio anodizado ou aço inoxidável e fixada por encaixe, por rebites ou por parafusos cadmiados. A parte de trás ou fundo da caixa é geralmente em chapa de aço galvanizada ou zincada. Em alguns colectores a caixa é totalmente fabricada em fibra de vidro. A caixa deverá ter uma profundidade que assegure um afastamento adequado entre a placa do absorsor e o vidro claro de transparência e resistência elevadas, que geralmente possui uma espessura próxima de 4 mm (entre 3,5 a 5 mm). Entre a placa do absorsor e o fundo da caixa exterior do colector, existe uma camada de isolamento em lã de rocha, poliuretano ou outro de elevada densidade com espessura aproximada de 50 a 60 mm, que garante a redução das perdas de calor irradiadas para o exterior. 4 Tapa junta Elemento metálico em chapa de alumínio ou aço inoxidável, que é interposto entre o perfil de borracha de isolamento Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM) de encaixe do vidro da cobertura do colector solar, à sua caixa exterior também em alumínio. Manuel Cerveira 13

34 O isolamento aplicado deverá apresentar características que permitam suportar temperaturas até 150 C e manter essas características, durante o tempo de vida útil do equipamento, não inferior a 20 anos. No encaixe entre o vidro e a estrutura exterior de alumínio anodizada, poderão ser usadas várias soluções, nomeadamente; parafusos, rebites ou outras. Porém, uma que se apresenta muito interessante é o sistema de encaixe com borracha de elevada resistência aos agentes atmosféricos e elevado nível de Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), que assegura a estanquicidade do colector COBERTURA - Em vidro temperado de baixo teor de óxido de ferro, com espessuras que variam de 3,5 mm a 5 mm e com elevado coeficiente de transmissão (transmissividade - τ). - Perfil de borracha vedante com junta de dilatação, que deverá possuir elevadas características de EPDM permitindo resistir à acção da radiação ultravioleta e das alterações bruscas das condições atmosféricas ISOLAMENTO - Em corticite, lã de rocha, lã de vidro ou poliuretano expandido de alta densidade. - Revestimento por película reflectora entre o isolamento e a placa absorsora. As melhores condições de rendimento neste tipo de colector serão garantidas se forem verificadas as seguintes condições, relativamente à fabricação: - Seja utilizada placa de vidro transparente, com espessura e características que permitam excelente passagem de radiação solar, que devido ao efeito de estufa, reduz as perdas térmicas e, por outro lado, permita filtrar os tipos de radiações não desejadas, nomeadamente radiações ultravioletas ou outras, que sejam nocivas aos materiais envolvidos. - Seja utilizada uma placa absorsora que permita boas condições de captação e de transmissão do calor. Para tal, será utilizada uma placa de cobre ou outro material de elevado coeficiente de condutibilidade térmica, na qual é realizado o tratamento da superfície para se obter o melhor nível de absorção possível da radiação solar incidente. Este tratamento poderá ser feito por pintura a preto baço ou mate, ou ainda, quando se pretenderem atingir níveis de rendimento mais elevados utilizar-se tratamento selectivo da placa por processo electroquímico ou por pulverização. - Seja executada a grade de circulação do fluido térmico em tubos de cobre, cujas dimensões estejam em consonância com as dimensões e ondulação da placa absorsora, de tal modo que a área de transmissão de calor seja adequada à quantidade de fluido térmico circulante. 14

35 CAPÍTULO 2 - Sejam executadas todas as ligações entre os tubos de cobre que compõem a grade por acção de soldas fortes com prata, através de soldadura oxiacetilénica ou outro tipo de soldadura de alta temperatura. - Seja utilizado perfil de borracha de elevadas características de EPDM, onde assentará a placa de vidro. Esta deverá garantir condições de amortecimento para suportar os efeitos das dilatações ou contracções devidos às variações da temperatura e possuir características que permitam garantir boas condições de resistência à radiação solar, calor e outras acções dos agentes atmosféricos. - Ter o material do isolamento térmico utilizado, características que permitam um nível reduzido de perdas de calor no fluido térmico. Para tal, poderão ser utilizados, a corticite, a lã de vidro, a lã de rocha, poliuretano ou outros tipos de isolamento com boas características no que se refere ao coeficiente de condutibilidade térmica, ao coeficiente de absorção de humidade e de resistência mecânica. Deve também assegurar condições adequadas de segurança contra incêndios e apresentar um baixo coeficiente de perdas por degradação das suas características. Figura 2.2 Colector horizontal. Figura 2.3 Colector vertical Colectores Planos Selectivos Os colectores planos selectivos, representados na figura 2.4, diferem dos colectores solares sem cobertura ou colectores planos simples, fundamentalmente pelo vidro solar extra claro de cristal do tipo prismático temperado anti-reflexo e pelo conjunto absorsor constituído por uma placa de cobre tipo lâmina e tubos também de cobre com tratamento superficial selectivo pelo revestimento de óxido de titânio, resultando dai maior rendimento. Esta solução apresenta benefícios para o ambiente e proporciona maior rendimento, o que torna a opção pela energia solar mais atractiva para os utilizadores. A superfície selectiva absorsora em óxido de titânio reduz a irradiação na faixa dos infravermelhos, permite capturar maior nível de calor da irradiação solar e fazer a sua transformação de forma mais eficiente. Manuel Cerveira 15

36 Figura 2.4 Colectores planos selectivos Colectores Planos Sem Vidro de Cobertura Nos casos das aplicações de aquecimento da água de utilização directa em piscinas cobertas ou descobertas e outras aplicações em que as temperaturas não ultrapassam 26 C, ou ainda, para aplicação em sistemas de aquecimento ambiente por chão radiante, onde a temperatura da água ou mistura (água e glicol), poderá ultrapassar pouco mais de 30 C, a solução de utilização dos colectores sem vidro de cobertura, apresenta geralmente custos mais reduzidos de aquisição, maior facilidade de instalação e mais reduzida manutenção, que qualquer dos outros tipos de colectores solares. Os colectores sem vidro de cobertura, representados na figura 2.5, são colectores solares que não possuem vidro, captando a radiação solar directamente no absorsor, que pode ser em material metálico ou constituído por bandas de polipropileno tecno-polímero, propileno, policarbonato ou polivinil e borracha. Os primeiros, com os quais se podem obter temperaturas ligeiramente superiores aos segundos, poderão utilizar-se tanto para o aquecimento de água de piscinas cobertas ou descobertas, como associados à utilização de bombas de calor para AQS, ou aquecimento ambiente, particularmente por chão radiante. Os segundos são geralmente colocados em forma de esteira, que se ligam entre si por acoplamento através de uniões nos tubos de maior diâmetro que se situam nas partes inferior e superior, cujos conjuntos têm um máximo de sete colectores e que trabalham geralmente a baixa temperatura. São principalmente utilizados para aquecimento de água em piscinas descobertas. Figura 2.5 Colectores sem vidro de cobertura. 16

37 CAPÍTULO 2 A utilização destes colectores permite a circulação directa da água da piscina. Apresentam custos de aquisição e instalação mais baratos. Embora o tempo de retorno do investimento seja muito idêntico aos colectores com cobertura, apresentam menor eficiência sendo pois necessária uma maior área de captação. Alguns destes colectores podem ser enrolados, pelo que são facilmente arrumáveis Colectores Parabólicos Concentradores Compostos - CPC São colectores geralmente do tipo tubular, cujos tubos onde circula o fluido térmico solar, são envolvidos por espelhos reflectores de forma concêntrica, que lhes garante um elevado rendimento no aproveitamento da radiação solar independente do seu grau de incidência. Geralmente o espelho é protegido por um revestimento que resiste às influências do meio ambiente. Estes colectores, representados na figura 2.6, são apropriados para o aquecimento de águas sanitárias e/ou apoio do aquecimento ambiente. Apresentam elevado rendimento especialmente na época fria ou em condições climatéricas pouco favoráveis. Figura 2.6 Colectores CPC e esquema de funcionamento Colectores de Tubos de Vácuo São colectores constituídos por uma série de conjuntos de dois tubos em vidro, com vácuo no seu interior, com um revestimento selectivo de alta eficiência. A parte central desses tubos é inteiramente feita em cobre. Os conjuntos de dois tubos são obtidos de borosilicato que é produzido a partir de areia cujo quartzo terá de possuir baixo teor de ferro, de óxidos de boro; de alumínio; de potássio e de sódio e a parte central interna dos tubos será revestida por uma película absorvedora selectiva. Todos os tubos se encontram ligados a um tubo adutor (colector) geralmente em cobre disposto na parte superior, formando assim o conjunto um sistema de distribuição térmica. Manuel Cerveira 17

38 Existem colectores em tubos de vácuo com diversos formatos (arquitecturas), apresentando-se a mais comercializada com a denominação heat pipe ou tubo de calor. Com este formato, cada tubo do colector que contém no seu interior a placa absorsora e o fluido de transferência térmica (água destilada, mistura com glicol ou álcool), é selado em vácuo, sendo de seguida também selados os seus extremos. Pelas condições de revestimento selectivo em todo o perímetro (360 º) dos tubos, obtém-se elevada eficiência e consegue obter-se uma captação de energia solar térmica mesmo em dias nublados no mês de Outubro e mesmo no inverno, através da radiação difusa em qualquer orientação. No verão apresentam menor eficiência que os colectores de superfície plana. O vácuo existente entre os dois tubos fundidos garante um grande isolamento térmico, permitindo assim captar mesmo com temperaturas muito baixas, tornando a produção de água quente mais constante ao longo de todo o ano. Os colectores de tubos de vácuo são particularmente ajustáveis em sistemas de climatização de baixa temperatura, tais como os de pavimento de chão radiante, ou mesmo os de alta temperatura. Figura 2.7 Colectores de tubos de vácuo. Em geral os colectores solares de tubos de vácuo apresentam-se agrupados de modo a formar conjuntos com 12, 16, ou 20 tubos, cujas superfícies específicas de absorção se encontram próximas de 2 m 2, 2,5 m 2 e 3 m 2, respectivamente. A figura 2.7 apresenta um painel colector com 16 tubos de vácuo, cujos constituintes poderão ser observados em corte. 18

39 CAPÍTULO Análise de Eficiência de um Colector Solar Curva Característica de um Colector Solar A eficiência de um colector solar é definida como o quociente da energia térmica utilizável pela energia solar recebida. Além das perdas térmicas existem também sempre, perdas ópticas. O factor de conversão ou a eficiência óptica h 0 indica a percentagem dos raios solares que penetram na tampa transparente do colector de transmissão e a percentagem que é absorvida, obtida pelo produto da taxa de transmissão da tampa pela taxa de absorção do absorsor. Segundo [RORIZ] a curva característica de funcionamento do colector é função da radiação solar, da temperatura ambiente e da temperatura do fluido no colector, da seguinte forma: T * = T f T a (2.1) em que: T f = temperatura média do fluido (ºC); T a = temperatura ambiente (ºC); I = radiação solar (W/m 2 ). Quando T* é nulo, a temperatura média do fluído é igual à temperatura ambiente, temos o rendimento óptico. Quando a temperatura de saída é igual à temperatura de entrada, ou o caudal for nulo, o rendimento é nulo e o colector atinge a temperatura de estagnação (temperatura máxima que o colector pode atingir), como se pode observar na figura 2.8. A perda de calor é indicada pelo factor de perda térmica ou valor k. Quanto maior for a diferença de temperatura, mais calor é perdido. Acima de uma diferença de temperatura específica, a quantidade de perda de calor é igual ao rendimento energético do colector, de forma que nenhuma energia é fornecida ao sistema de circulação solar. Um colector com um bom desempenho terá um factor de conversão elevado e um baixo valor de k. Figura 2.8 Eficiência dos diferentes tipos de colectores solares. [AGUAQS] Manuel Cerveira 19

40 O rendimento do colector diminui à medida que a temperatura média do fluido sobe. Como regra geral deve escolher-se o colector de acordo com a temperatura de utilização pretendida, para que o seu rendimento seja usualmente acima dos 40 %, conforme os dados fornecidos no quadro 2.1 e na figura 2.9. Quadro 2.1 Tipo de colectores solares em função da aplicação. Tipo de instalação Temperatura de utilização Tipo de colector Piscina / Estufa <30 ºC Não vidrado Águas Sanitárias e Préaquecimento Industrial <60 ºC Vidrados (selectivos e não selectivos) Pré-aquecimento Industrial > 60 ºC Tubos de vácuo Figura 2.9 Temperatura de funcionamento dos diferentes tipos de colectores solares. [ADENE] Balanço Energético dos Colectores Solares A quantidade de calor captada (útil) num colector solar atravessado por um caudal mássico de água m& é dada por [RORIZ] Q ( T ) U m C p out Tin = & (2.2) onde C p representa o calor específico do fluido térmico cujo valor é igual a 1,0 kj/kg K para água. No caso da superfície da captação ser plana a energia absorvida (devida à radiação solar directa) é proporcional à radiação directamente incidente, considerando que a absorvidade da superfície é constante. Um colector solar recebe também radiação solar difusa, sendo a intensidade de radiação solar difusa recebida pela superfície do colector dependente da sua inclinação. [RORIZ] Um colector solar pode ainda receber energia radiante resultante da radiação solar reflectida por superfícies vizinhas, bem como a radiação proveniente de objectos próximos. Esta radiação dependerá da temperatura a que se encontram os corpos vizinhos bem como (da emissividade) da sua superfície. 20

41 CAPÍTULO 2 A maioria dos colectores existentes no mercado para aplicação de aproveitamento térmico de energia solar, apresenta uma placa de absorção não completamente plana permitindo dessa forma aumentar a quantidade de energia solar absorvida pelo colector. Na grande maioria dos colectores planos utilizados, a placa absorsora apresenta ondulação onde normalmente se encaixam os tubos da grade de circulação do fluido. Se for desprezada a influência da forma, teremos para o balanço energético de um colector solar plano a seguinte fórmula: Q = + (2.3) I QR + QC + QE QA ou ( QC + QE ) A Q + (2.4) I QR = Q Nas equações anteriores pelo colector, Q I refere-se à energia incidente, Q R refere-se à parte da energia incidente que é reflectida, QA representa a energia absorvida Q C corresponde à energia de perdas por condução-convecção e finalmente Q E o valor da energia emitida. A figura seguinte apresenta o balanço energético do absorsor compreendendo as componentes anteriormente descritas. Q R Q I Q A Q E Q C Em [RORIZ] refere que Figura 2.10 Balanço energético do absorsor. (Adaptado de [RORIZ]) absorsora do colector; sendo que o valor Q Q corresponde à energia radiante absorvida pela superfície I R Q C + QE correspondente à perda de energia pela superfície total do colector devida a fenómenos de radiação própria e convecção pelo que será a energia transmitida ao fluido térmico, logo absorvida pelo sistema solar térmico. Num colector solar plano, o balanço energético deve ser realizado considerando como sistema o absorsor. Assim sendo, a troca de energia por condução-convecção é dada por: Q A Q C C p ( T T ) = U A (2.5) a e a energia emitida expressa por: Q E p 4 4 ( T T ) = A ε σ (2.6) a Manuel Cerveira 21

42 Nas equações anteriores σ é a constante de Stefan-Boltzmann cujo valor é 5, W / m 2 K, ε representa a emissividade do absorsor, U C representa o coeficiente de transmissão de calor, A p a área do absorsor e T a temperatura média do absorsor a qual é dada pela equação (2.7) T ( ) 2 T out T in (2.7) A energia radiante captada pelo absorsor, que recebe uma irradiação I, é dada por Q I QR = A I ηo, n (2.8) onde η o,n é o rendimento óptico para o caso em que a radiação é normal à superfície do absorsor e A é a área de abertura do colector. Por outro lado a energia absorvida é dada por Q A ( T T ) + C dt dt = m& C (2.9) p out in tp Q A = Q + C dt dt (2.10) U tp em que C tp representa a capacidade calorífica do colector. Considerando a temperatura média do colector igual à temperatura média do absorsor, virá para o rendimento: QU η = = QU ( A I ) (2.11) Q I Para o caso em que o colector se encontra à temperatura ambiente, Q I - Q R = Q A (sem perdas convectivas e radiativas para o ambiente) tem-se que o rendimento do colector é igual ao rendimento óptico. Para concluir a exposição teórica falta mencionar que a radiação solar directa faz um ângulo com a normal à superfície absorsora que pode variar entre 0º e 90º sendo pois necessário incluir um coeficiente de correcção ao ângulo de incidência. K ηo, θ = (2.12) η o, n Este factor exprime a razão entre o rendimento óptico para um dado ângulo de incidência e o rendimento óptico para um ângulo de incidência nulo logo perpendicular à superfície absorsora. Segundo [RORIZ] valor de K é aproximadamente unitário para ângulos de incidência menores do que 30º diminuindo de acordo com um polinómio de 2º grau para zero à medida que o ângulo de incidência tende para 90º. 22

43 CAPÍTULO Depósitos acumuladores São os componentes que se destinam ao armazenamento da água quente de consumo cuja temperatura foi elevada por acção da energia solar incidente nos colectores ou pela energia fornecida por acção de um sistema de apoio nos períodos em que a incidência de radiação solar, não foi suficiente para a elevar ao valor requerido para utilização. A garantia das condições de permanência na temperatura da água quente de consumo resulta das propriedades da sua massa e da capacidade calorífica cujo valor é de 4,186 kj/kg ºC, que representa uma capacidade volumétrica de 4,186 kj/ºc m 3. Os depósitos acumuladores apresentam geralmente uma capacidade de armazenamento variável entre os 100 e os litros. A figura 2.11 apresenta os acumuladores de armazenamento de AQS mais comuns de diferentes gamas e fabricantes. Podem ser instalados de forma unitária, mas muitas vezes são agrupados de modo a garantir uma grande quantidade de água armazenada, que permite a utilização de maior quantidade de água quente, simultaneamente. Baseando-se nas condições de transmissão do calor captado pelos colectores para aquecer a água nos sistemas solares térmicos, os depósitos acumuladores são classificados em: Depósitos sem permutador; Depósitos com um permutador; Depósitos com dois ou mais permutadores. Figura 2.11 Termoacumuladores de armazenamento de AQS. No caso dos depósitos sem permutador, o aquecimento da água obtém-se pela circulação directa da água entre colector e acumulador (sistema pouco utilizado em Portugal). Manuel Cerveira 23

44 Na grande maioria das situações, o aquecimento da água é obtido pela troca de calor que lhe é transmitida pelo fluido térmico aquecido no colector ou colectores solares o qual circula através do permutador existente no interior da cuba do depósito acumulador, ou na bainha exterior que em alguns casos existe a envolver a cuba do depósito acumulador de AQS. Nos depósitos de média ou grande capacidade, a cuba de armazenamento da água é em geral de aço esmaltado, vitrificado ou com outro tipo de tratamento interior. Nos depósitos acumuladores de pequena capacidade, (horizontais ou verticais), a cuba de armazenamento de AQS, além dos materiais atrás referidos poderá ser de polietileno ou em cobre tratado. Quando é pretendida a satisfação de armazenamento de água na totalidade das necessidades de água quente de consumo durante todo o ano, isso implica que seja utilizada capacidade de armazenamento sobredimensionada relativamente à época de verão. De modo a garantir 100 % de água quente a temperaturas próximas dos 60 ºC, além do aquecimento obtido por acção da energia solar, quando tal não é suficiente, terá de se utilizar um sistema de apoio para compensação. No apoio ao sistema solar de AQS, poderão ser utilizados diversos processos que permitem garantir uma utilização plena de água quente à temperatura desejada. Com esse objectivo, em muitos casos é utilizada uma ou mais resistências comandas por termostato e colocadas em funcionamento pela central de controlo através de comando electrónico diferencial na relação entre a temperatura do fluido térmico à saída dos colectores solares e a temperatura de água para consumo armazenada na parte inferior do depósito acumulador. Noutras situações, principalmente quando já é utilizada caldeira para aquecimento central do ambiente, opta-se pela aplicação de depósitos acumuladores de AQS com permutador interno ou bainha envolvente da cuba e o apoio é feito através da caldeira que aquece o fluido (água mais glicol), que circulando em circuito fechado faz a transferência do calor à água que se encontra armazenada no depósito acumulador de AQS. Esta é a solução que se apresenta geralmente mais rentável. Noutras situações, é utilizado apoio através da recuperação de calor por lareira ou outra fonte de calor externa. O tipo de soluções que acaba de ser apresentado implica geralmente a utilização de um segundo permutador, já que o primeiro é utilizado para o aproveitamento do calor transferido pela circulação do fluido térmico solar. Esta solução implica que seja utilizado um depósito acumulador com dois permutadores internos, ou no caso de apenas ter um permutador interno, existir um permutador de apoio externo. Assim, o fluido directamente aquecido pela caldeira ou outra fonte de aquecimento irá então passar através de um permutador de aquecimento externo ao depósito acumulador. Na maioria deste tipo de aplicação é geralmente utilizado um permutador de placas, com dois circuitos independentes em que num deles circula o fluido térmico e no outro circuito circula a água vinda de um acumulador de apoio ao aquecimento ambiente ou da água vinda de uma piscina. 24

45 CAPÍTULO 2 Além das soluções atrás enumeradas, poderá ser integrado na saída de água quente solar um módulo de adaptação a um esquentador ou caldeira para que quando a água à saída do acumulador for inferior à temperatura desejada, passe no circuito de aquecimento de água do esquentador ou caldeira antes de ser utilizada para consumo. Os depósitos de grande capacidade ilustrados na figura 2.12, deverão possuir boca de visita de homem para limpeza e reparação, em cuja tampa, estão geralmente alojadas as resistências do sistema de apoio para aquecimento da água, quando as condições de aproveitamento do calor pela energia solar ou outro sistema de apoio não seja mais favorável. Figura 2.12 Depósitos acumuladores de grande capacidade Depósito acumulador com bomba de calor Os depósitos com bomba de calor, como o representado na figura 2.13, apresentam condições que permitem reduzir o perigo de congelamento do termofluido devido ao abaixamento das temperaturas durante o período de inverno. Permitem também resolver a questão de combate anti legionellas. [HSC] Figura 2.13 Depósito acumulador com bomba de calor. Manuel Cerveira 25

46 2.3.2 Selecção de Depósitos Acumuladores O volume óptimo de acumulação depende do tipo de colectores, do local e das características do consumo. De uma forma geral o volume de armazenamento é idêntico ao consumo diário, sendo que valores superiores não originam maiores economias. Se o volume acumulado é menor conseguem-se temperaturas de acumulação mais elevadas mas com um menor rendimento. O sistema de armazenamento deve garantir prioritariamente o uso da energia solar face à energia convencional. Sempre que possível, deve-se separar o depósito acoplado ao sistema solar do depósito ligado ao sistema de apoio. O isolamento a utilizar entre cuba e forra exterior nos depósitos acumuladores de média e grande capacidade deverá possuir como espessura mínima 80 mm e dependerá do material utilizado. Qualquer que seja a solução de aproveitamento de energia (solar ou outra), para obtenção de água quente de consumo, é sempre necessário utilizar depósitos acumuladores para o seu armazenamento que terão de apresentar as seguintes partes: Forra exterior envolvente: geralmente fabricados em chapa de aço comum tratada, de aplicação nos acumuladores que se prevê venham a ser instalados no interior dos edifícios, ou em aço inoxidável, alumínio anodizado ou outro tipo de material, que possua boas características de resistência à acção dos agentes atmosféricos. O material do forra exterior ou revestimento envolvente deverá possuir também características estruturais de robustez suficiente para que nela sejam fixados os diversos elementos, onde serão instalados os acessórios de ligação às diversas tubagens das redes de água fria e quente de consumo, às redes de circuitos de retorno quando existam; e, ainda às redes de circulação do fluido frio e quente. Além disso, deverão ainda garantir que possam ser fixados e instalados os acessórios de ligação aos diversos componentes das instalações. Isolamento: geralmente é utilizada espuma de poliuretano de elevada densidade, lã de rocha ou fibra de vidro, podendo no entanto ser utilizados outros materiais, os quais são aplicados entre a forra ou revestimento exterior e a cuba do depósito acumulador de água. Os materiais utilizados, deverão possuir características e espessura suficiente para que sejam obtidas boas condições de isolamento térmico que deverá ser mantido ao longo do tempo de vida útil dos depósitos, que tal como as instalações onde estão inseridos na maior partes das aplicações, deverá apresentar uma durabilidade com bom desempenho superior a 20 anos garantindo reduzidas perdas na temperatura da água. Cilindro ou Cuba: fabricado na sua maioria em aço inoxidável, é tratado no seu interior por vitrificação ou outro tipo de tratamento, que lhe conferem melhores condições de sanidade para as diversas aplicações em que geralmente são utilizados. 26

47 CAPÍTULO 2 A chapa de que é fabricado cuja espessura está relacionada com o diâmetro e os níveis de pressão para os quais está previsto o depósito acumulador (baixa ou alta pressão), deverá ser suficiente para garantir as melhores condições de aplicação em segurança, prevendo-se sempre a aplicação de sistema de segurança de acordo com o estabelecido na regulamentação, através de válvulas de pressão e/ou de temperatura adequadas às respectivas aplicações. Para proteger a cuba de elevados níveis de oxidação, é geralmente aplicado um ânodo de magnésio no seu interior. É na cuba que são fixados a grande maioria dos componentes das instalações, tais como; de comando (torneiras e válvulas de passagem), de controlo (sondas e termostatos), de protecção e segurança (ânodo de magnésio na cuba, filtros, válvulas reguladoras de pressão, válvulas de segurança e purgadores), e ainda os vários equipamentos de medição (termómetros, pressostatos, caudalímetros), de compensação de volume (vasos de expansão) e de circulação (bombas electro-circuladoras). Principais especificações dos depósitos acumuladores: Capacidade em litros; Temperatura máxima admissível (em ºC ou ºK); Pressão máxima admissível (em bar ou kg/cm 2 ); Disposição horizontal, vertical ou ambas (vertical apresenta melhores condições de estratificação da água); Número de permutadores interiores (geralmente em serpentina); Tipo de sistema de apoio; Medidas dos acessórios de ligações às redes de água quente e fria; Medidas das ligações dos acessórios das ligações das redes de fluido térmico; Dimensões: o Peso aproximado em kg; o Altura em mm; o Diâmetro exterior em mm. Manuel Cerveira 27

48 2.4 Controlador Electrónico Diferencial ou Central de Comando O controlador ou central electrónica de comando, permite comandar o arranque da bomba do circuito primário de fluido térmico solar, quando existe um diferencial de temperatura de 3 º a 7 ºC (conforme opção a programar) entre a temperatura na parte superior dos colectores e a água na parte inferior do depósito acumulador, sendo dada indicação de paragem da bomba quando esse diferencial for igual ou inferior a 2 ºC. Além disso, deverá ser possível efectuar a paragem das bombas a qualquer momento, contemplando um fácil manuseamento e a garantia de segurança de todos os aparelhos de comando da instalação. O controlador electrónico diferencial (ver figura 2.14) é utilizado nos sistemas de circulação forçada, para através do diferencial de temperatura entre colector ou colectores solares e depósito acumulador, ligar ou desligar a bomba de circulação do fluido solar que irá transmitir o calor para aquecer a água armazenada no depósito acumulador cuja temperatura se deverá manter próxima de 60 ºC, para que seja também mantida uma temperatura de consumo de aproximadamente 45 ºC. O controlador pode ser programado para assegurar uma contínua transferência de energia térmica dos colectores solares para o acumulador de água, através do comando electrónico que fará com que a bomba de circulação de fluido não funcione quando a temperatura do fluido à saída do colector for igual ou inferior à temperatura da água na zona inferior do permutador de troca de calor ou do depósito acumulador de água. Figura 2.14 Exemplos de centrais de comando Vulcano. [VULCANO] O Controlador Electrónico Diferencial MANCER O controlador diferencial de comando MANCER que foi desenvolvido no âmbito do presente projecto do mestrado MACSE, apresenta características que permitem a sua aplicação tanto nas pequenas instalações de moradias habitacionais onde o número de informações, sensores e elementos de comando é reduzido, como na aplicação em instalações de utilização colectiva, onde é maior o número de entradas e saídas disponíveis. 28

49 CAPÍTULO 2 Assim, o protótipo apresentado neste trabalho poderá ser utilizado em qualquer das situações de instalação solar referidas. No desenvolvimento deste equipamento foram tidas em atenção condições funcionais de aplicação e qualidade de modo a obter-se um produto de baixo custo, o que poderá evoluir para aplicações mais complicadas que este não contempla, desde que tal se justifique. Na utilização do controlador aqui exposto poderão ser utilizados sensores Pt1000, Pt100 ou ainda NTC. Neste trabalho optou-se pela simulação com sensores Pt1000, que aplicados em diversos pontos da instalação solar, permitem obter informações do tipo físico por controlo de temperatura, que após a sua transformação em sinais eléctricos, accionam dispositivos de comando que irão fazer activar bombas de circulação de fluido térmico ou válvulas de três vias existentes em alguns pontos da rede de tubagens entre os colectores solares e os depósitos acumuladores de AQS, de AAA ou AAP. As imagens do controlador diferencial MANCER estão apresentadas na figura 2.15, em que é utilizado um microcontrolador 16F887 com 40 pinos de ligação (35 IN/OUT), cujas características permitem satisfazer às condições previstas para aplicação neste projecto. Para apresentação final do controlador MANCER optou-se por uma caixa em PVC rígido de cor preta, cuja forma e dimensões permitem fazer a instalação dos diversos componentes em boas condições, permitindo também a colocação de terminais de ligação para os vários componentes e equipamentos externos ao controlador, como sejam sondas, electroválvulas bombas circuladoras, termómetros, caudalímetros, medidores de consumo e outros equipamento de medição, comando, controlo e protecção. Medidas exteriores aproximadas da caixa do controlador MANCER: 280 x 207 x 107 mm. Figura 2.15 Controlador diferencial MANCER. Manuel Cerveira 29

50 2.4.2 Sistema Hidráulico com bomba de circulação Este sistema sofreu uma melhoria significativa nos últimos anos, pela forma como passou a ser apresentado para instalação sob a forma de conjunto agrupado dos vários componentes que o constituem. Incorpora geralmente: termómetro, pressostato, válvulas anti-retorno, caudalímetro, dispositivo de enchimento e drenagem, válvula de segurança, com bomba circuladora incorporada e purgador de ar, adequado para sistemas solares. Este sistema hidráulico em forma de kit (ver os exemplos presentes na figura 2.16), oferece condições de aplicação e de utilização com elevado nível de segurança. A ligação da bomba circuladora na entrada e na saída faz-se com duas válvulas de esfera, de forma a que a bomba circuladora possa ser controlada ou retirada, sem que seja necessário esvaziar todo o circuito. Geralmente dispõe de dois termómetros para controlo das temperaturas de entrada e de saída. Figura 2.16 Sistemas hidráulicos com bomba de circulação. 2.5 Resumo Ao longo deste capítulo, para além dos componentes aqui apresentados, outros poderiam ter sido considerados com características semelhantes. Refira-se no entanto, que foi intenção do autor deste trabalho, fazer apenas alusão a um conjunto de componentes que pudesse de algum modo ilustrar de forma clara o que é mais comum na maioria das aplicações na Europa e em muitos países a nível mundial. Porém, algumas das referências apresentadas, são essencialmente dirigidas para soluções de aplicação em países que apresentam condições climatéricas que são próximas das que se verificam ao longo do ano em Portugal. Além disso importa ainda salientar, que o controlador diferencial MANCER que se apresenta neste trabalho, foi estudado com base num projecto para aplicação em sistemas solares térmicos de média dimensão, mas que apresenta condições de fácil adaptação para aplicação em sistemas com dimensões tanto de nível inferior como de nível superior ao do projecto para o qual foi desenvolvido. 30

51 CAPÍTULO 3 3 APLICAÇÕES E DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES Embora o aproveitamento térmico da energia solar pudesse ser estudado para outros tipos de aplicações, neste trabalho é abordado unicamente o aproveitamento da energia solar para obtenção de AQS, aquecimento ambiental e de água para piscinas. A utilização de colectores solares térmicos de alta temperatura para aquecer o gerador dos sistemas frigoríficos de absorção que produzem a água refrigerada para o arrefecimento dos edifícios é reduzida, sendo a maioria dos colectores solares fabricados para aquecimento de água a temperaturas inferiores a 80 ºC. A produção de calor a partir da energia solar irá ter, durante os próximos anos, um forte incremento tanto devido à tendência que se prevê de aumento do custo dos combustíveis fósseis, como pela legislação e regulamentação que parecem apontar no sentido do apoio a este sector de actividade tornando-se assim num factor determinante para a maior penetração dos sistemas solares activos. As soluções integradas de climatização e de AQS, começam já a ser propostas interessantes de utilização como opções que se prevê aumentem progressivamente durante os próximos anos em todo o mundo, prenúncio do interesse pelo sector do aproveitamento da energia solar térmica, que poderá contribuir decisivamente para aumentar a I&D, a formação e desenvolvimento técnico, a quantidade e qualidade dos fabricantes, a comercialização e outras entidades envolvidas, com o consequente aumento do nível de empregabilidade, dada a necessidade de criação de empresas ligadas a este e a sectores afins, que deverá e se espera venha a verificar-se. Os sistemas térmicos de aquecimento de AQS, baseiam o seu funcionamento no aquecimento da água obtido pela transferência do calor concentrado por efeito de estufa nos colectores solares, onde a radiação solar com um determinado comprimento de onda, incide sobre a cobertura de vidro, que compõe geralmente a parte superior dos colectores solares. O aproveitamento de energia solar para AQS, é geralmente realizado por dois processos: em termossifão; e em circulação forçada. Em qualquer dos dois processos se poderá fazer o aquecimento da água em circuito aberto e em circuito fechado. Os sistemas em termossifão, são caracterizados pela circulação natural de fluidos (líquidos ou gases) que se verifica em geral dos níveis inferiores para os níveis superiores por estes se tornarem mais leves do que no nível inferior. A circulação de fluido manter-se-á, enquanto houver diferencial de temperatura do fluido entre o nível superior do acumulador e inferior do colector, deixando de se verificar quando deixar de haver qualquer diferencial de temperatura. O diferencial de temperatura do fluido de Manuel Cerveira 31

52 circulação é obtido pela acção do calor resultante da incidência de radiação solar no colector, ou seja; na zona do nível inferior do sistema solar. Os sistemas de circulação forçada, caracterizam-se por ser necessária existência de uma bomba circuladora destinada a provocar a circulação do fluido. Nestes sistemas, com o objectivo de garantir o maior aproveitamento do calor devido à incidência da radiação solar, existirá também um controlador electrónico e sensores, que permitirão manter a bomba circuladora em funcionamento mediante regulação apropriada ao melhor rendimento do sistema solar de aproveitamento de energia Sistema Solar Térmico em Termossifão Como já foi referido anteriormente a radiação solar ao atingir a superfície do colector aumenta a sua temperatura. Essa temperatura é transferida para o fluido solar que por sua vez, sob a forma de calor, a transfere para a água armazenada no depósito acumulador, originando assim o aquecimento dessa água armazenada. Neste tipo de sistema, o fluido térmico aquecido no colector, circula no interior do depósito por acção da diferença de densidade verificada no fluido que é provocado pela diferença de temperatura entre colector e o interior do depósito acumulador de água Tipo Monobloco Conjunto com acumulador acima do colector Sistema compacto de circuito fechado baseado no funcionamento por termossifão, representado na figura 3.1, em que por acção do calor os fluidos se tornam mais leves subindo do local mais baixo - o colector para o local mais elevado - o depósito acumulador. O fluido geralmente utilizado, anticongelante e anticorrosivo, é constituído por uma mistura de água com glicol que circulará em circuito fechado (circuito primário) sem qualquer contacto com a água de consumo do depósito, entre o colector ou colectores solares e o permutador do depósito acumulador. Este fluido apresenta um nível de mistura que é função da capacidade do circuito fechado e também da localização da instalação, que está por sua vez relacionado com o valor mínimo da temperatura no inverno previsto nessa zona. Figura 3.1 Sistema solar térmico do tipo monobloco. 32

53 CAPÍTULO 3 Com uma boa utilização do sistema solar térmico de AQS, poderá obter-se uma poupança energética dependente das condições climatéricas particulares, que poderá atingir rendimentos médios superiores a 70 % em grande parte do ano. Há no entanto necessidade de existir apoio auxiliar geralmente eléctrico, podendo também ser a gás ou outro que se utilizará durante os dias sem sol, ou de pouca radiação solar para se garantir AQS de forma contínua. O modelo a instalar terá de ser adaptado à quantidade de AQS necessária em função do número de utilizadores. Importante seria que o maior nível de utilização de AQS em Portugal se efectuasse durante o dia entre as 10h30m e as 15h00m, visto que nessas horas geralmente há máxima irradiação solar. Figura 3.2 Moradias com sistemas em termossifão do tipo monobloco Tipo Termosolar Acumulador separado e acima dos colectores É um modelo muito menos usado que o sistema tipo monobloco. Só é possível, quando existem condições de instalação do depósito acumulador separado (geralmente na vertical) acima do nível dos colectores solares, sendo particularmente vantajosa a possibilidade de ser colocado o acumulador no interior da moradia, de acordo com o esquema da figura 3.3. Neste caso, o acumulador não fica sujeito ao impacto dos agentes atmosféricos, e, além disso, quando instalado na vertical permite maior estratificação da água no depósito, o que possibilita a utilização de água quente durante mais tempo e em maior quantidade do que no caso dos depósitos instalados na posição horizontal. Figura 3.3 Sistema solar térmico em termossifão do tipo termosolar. [KALOGIROU] Manuel Cerveira 33

54 Nas figuras seguintes apresentam-se sistemas tipo termossifão em moradias Figura 3.4 Moradias com sistemas em termossifão do tipo termosolar Sistema Solar Térmico em Circulação Forçada Neste tipo de sistema solar, representado na figura 3.5, o fluido térmico que é aquecido no colector, vai circular no interior do depósito acumulador de AQS, por acção de uma bomba circuladora cuja ordem de funcionamento ou paragem é dada por um controlador electrónico de comando diferencial sempre que é detectado um diferencial de temperatura entre os sensores instalados na saída de fluido quente da parte superior dos colectores e na zona inferior do depósito acumulador de AQS. Assim, sempre que pelos valores detectados nos sensores seja verificado o diferencial de temperatura previamente programado, será dada ordem de ligação da bomba que fará circular o fluido pelo permutador existente no interior do acumulador, sendo aí transferido o calor para aquecer a água. Enquanto os valores de temperatura medidos pelas sondas se mantiverem e originarem um diferencial superior ao estabelecido pela programação, a bomba circuladora mantém-se em funcionamento, sendo dada ordem para a desligar quando tal deixar de se verificar. Esta condição será mantida enquanto não houver diferencial de temperatura que permita dar ordem de ligação da bomba. Figura 3.5 Sistema solar térmico em circulação forçada (indirecto). [KALOGIROU] 34

55 CAPÍTULO 3 A figura 3.6 apresenta os colectores solares implantados no telhado de uma moradia unifamiliar referentes à instalação de um sistema solar térmico em circulação forçada cujo depósito de AQS se encontra no interior da habitação. Figura 3.6 Moradia com sistemas em circulação forçada. Através do quadro 3.1 é feita a análise comparativa das vantagens e desvantagens relativas à utilização das instalações solares em termossifão e em circulação forçada. Quadro 3.1 Análise comparativa dos sistemas solares (termossifão vs circulação forçada). Vantagens Desvantagens Sistema em termosifão Unidade monobloco geralmente com colector e acumulador num só sistema, podendo eventualmente, ter colector e acumulador separado. - Sistema simples auto-regulado pelo sol. - Praticamente isento de manutenção devido à qualidade dos materiais utilizados e à ausência de partes móveis. - A instalação poderá ser dificultada se não existirem pontos de ancoragem em planos inclinados que possam suportar o maior peso do conjunto. - Maiores perdas térmicas da instalação devido à colocação do acumulador geralmente na posição horizontal e sujeito à intempérie. Sistema em circulação forçada - Os colectores e o acumulador ficam fisicamente separados. Este sistema recorre a uma electrobomba accionada por um controlador electrónico que força o fluido a percorrer o circuito solar. - Fácil instalação/integração dos colectores geralmente no telhado. - Menores perdas térmicas do sistema uma vez que o acumulador ficará situado no interior da habitação, na posição vertical. - Necessário instalar uma rede de tubagem em cobre de forma a ligar os colectores e o acumulador. - Consumo eléctrico da bomba e do controlador que, no entanto, são compensados pelo maior rendimento do sistema. Manuel Cerveira 35

56 3.2 DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS SOLARES TÉRMICOS No que se refere ao dimensionamento das instalações de aproveitamento de energia solar para AQS, com a publicação dos Decreto-lei nº. 78/2006 (SCE); Decreto-lei nº. 79/2006 (RSECE) e o Decreto-lei 80/2006, a partir do qual deu entrada em vigor o novo RCCTE foi legislada a obrigatoriedade de serem realizadas infra-estruturas para a instalação de sistemas térmicos de aproveitamento de energia solar, tanto para as novas construções de habitação, como para as que sofram significativas alterações, e, ainda, nas construções que pelas actividades que desempenham ou venham a desempenhar tal deva ser considerado no respectivo projecto. Assim, para garantir o cumprimento da lei e uniformizar as montagens e outras intervenções nas instalações de aproveitamento térmico da energia solar foi desenvolvido pelo INETI o programa de software SolTerm. Este software efectua o dimensionamento de sistemas de energia solar térmico, conforme se exemplifica neste trabalho, permitindo à Agência para a Energia ADENE obter uma maior eficácia no controlo e acompanhamento dos projectos realizados. 3.3 Sistema Solar Térmico para Moradia Unifamiliar No âmbito do trabalho realizado em [ASantos], o autor define um conjunto de passos a seguir no dimensionamento de sistemas solares térmicos de AQS a instalar num edifício mas que podem ser extrapolados para o caso específico de uma moradia unifamiliar. O procedimento apresentado compreende os seguintes passos: Seleccionar o tipo de solução a aplicar, a qual deve ser escolhida em função da configuração da moradia, zonas técnicas disponíveis e do nível de conforto pretendido; Quantificar, de acordo com a regulamentação ou indicações existentes, os consumos de AQS, sendo que, no caso de um edifício de habitação costuma ser associado ao número de utilizadores, considerando-se um dado valor de consumo por utilizador; Tendo em conta as necessidades de consumo de AQS, bem como as limitações de espaço e estruturais da moradia, definir o volume e modelos do depósito a aplicar, em zona técnica no interior da habitação; Definir o tipo de equipamento de apoio a aplicar. A especificação da localização é o factor essencial no projecto, tendo em conta que as condições climatéricas típicas da zona associadas, impõem limitações no que concerne ao rendimento dos colectores. Refira-se também a possibilidade de existência no concelho onde se pretenda instalar o sistema solar térmico de regulamentação própria para o efeito. 36

57 CAPÍTULO 3 As características da cobertura onde serão instalados os colectores, nomeadamente: espaço disponível para instalação de colectores, a sua orientação e inclinação; e a existência de obstáculos que façam sombras sobre os colectores também têm de ser previamente conhecidos e analisados. O quadro 3.2 resume as principais características do sistema solar térmico que se pretende dimensionar, neste primeiro caso numa moradia unifamiliar. Quadro 3.2 Caracterização do sistema solar térmico para moradia unifamiliar. Clima concelho Mealhada Obstruções --- Perfil de consumo Sistema Térmico Colectores Depósito Tubagens RCCTE (4 ocupantes) Circulação forçada ~4 m 2 de colector 200 l 20 m Sistema de apoio (gás natural): 88 % Permutador de serpentina: 55 % Temperatura de consumo: 60 ºC Temperatura média da água da rede: 15 ºC Da análise dos valores da irradiação solar diária horizontal e da temperatura ambiente para uma localização no concelho da Mealhada, representado na figura 3.7, obtêm-se as seguintes conclusões. O valor máximo da irradiação solar diária horizontal é igual a 6,7 kwh/m² e ocorre no mês de Julho, para este valor contribuem a componente difusa, de valor igual a 2,5 kwh/m², e a componente directa cujo valor igual a 4,2 kwh/m². Em oposição o valor mínimo da irradiação solar diária horizontal é igual a 1,7 kwh/m² e ocorre no mês de Dezembro com contribuições similares das componentes difusa e directa. Figura 3.7 Selecção do concelho no SolTerm 5.1. Manuel Cerveira 37

58 No que diz respeito à temperatura ambiente o valor de maior relevância será o valor mínimo da temperatura ambiente mínima o qual é igual a 5,4 ºC (em valor médio) e ocorre no mês de Dezembro. Tendo em conta a sua importância na definição da percentagem de mistura de água e glicol como líquido solar de transferência de calor pesquisou-se o valor da temperatura mínima registada. Em Coimbra a uma distância inferior a 10 km da Mealhada e com condições climatéricas similares verificou-se que, no período , as maiores e menores temperaturas registadas foram respectivamente de 41,6 C e -4,9 C. No entanto, há registos de -7.8 C em 1941 e 42,5 C em O RCCTE descreve em detalhe o método de cálculo das necessidades de energia para preparação da água quente sanitária (N ac ), o qual se encontra descrito no ponto 1 do anexo VI do referido regulamento, em função dos valores das seguintes grandezas: A energia útil despendida com sistemas convencionais de preparação de AQS (Q a ); A eficiência de conversão dos sistemas convencionais de preparação de AQS (η a ); A contribuição de sistemas de colectores solares para o aquecimento de AQS (E solar ); A contribuição de outras formas de energia renováveis ou de recuperação de calor para a produção de AQS (E ren ); A área útil de pavimento (A p ). em que: Q ( M AQS 4187 T nd ) [ kwh ano] = (4.1) a / M AQS Consumo médio diário de referência de AQS [l]; T Aumento de temperatura necessária para preparar as AQS [ºC]; n d Número anual de dias de consumo de AQS (365 dias, em edifícios de utilização permanente). No que concerne ao consumo médio diário de referência o RCCTE especifica que o seu valor para edifícios residenciais é dado pela seguinte expressão: M AQS = 40 [ l] nº ocupantes (4.2) 38

59 CAPÍTULO 3 Baseado na informação presente no anexo VI do RCCTE (ponto 2.2), considera-se que a água fria é fornecida da rede a uma temperatura média anual de 15 ºC e que esta deve ser aquecida até 60 ºC para consumo. Em ambos os cenários considerou-se que o consumo de AQS era equitativamente dividido pelo período da manhã e da noite. Para efeitos de análise do sistema proposto (4 ocupantes), utilizou-se o perfil de AQS representado na figura 3.8 o qual foi introduzido no SolTerm. O perfil de consumo seleccionado pressupõe a utilização de 40 litros por dia por ocupante o que perfaz (160 litros) assim distribuído: 80 litros das 6 às 9 horas e 80 litros das 17 às 22 horas. Figura 3.8 Definição do perfil de consumo diário de AQS da moradia unifamiliar. O ponto 4 do anexo VI do RCCTE refere que o valor E solar deve ser calculado utilizando o programa SolTerm. É também indicado que a contribuição dos sistemas solares só pode ser contabilizada, se os sistemas ou equipamentos utilizados forem certificados de acordo com as normas e legislação em vigor e instalados por instaladores certificados pela Direcção Geral de Geologia e Energia (DGGE). Dos resultados com a simulação efectuada no software SolTerm 5.1 a moradia unifamiliar em análise consumirá 3056 kwh, por ano, em sistemas convencionais de preparação de AQS de acordo com o perfil de consumo apresentado anteriormente. Este valor é igual ao obtido pela expressão presente no RCCTE. Refira-se a título de curiosidade que apesar da carga ser igual ao longo do ano o seu valor é diferente ao longo dos meses do ano em função do número de dias de cada um. Manuel Cerveira 39

60 Figura 3.9 Desempenho do sistema solar térmico: Moradia. Com o intuito de baixar o consumo de energia dedicado ao aquecimento de AQS a partir de fontes convencionais utilizou-se o sistema solar térmico constituído por dois colectores Zantia ZHS 200, cujas características se encontram descritas no quadro 3.3, e um acumulador também Zantia de 200 litros de capacidade [ZANTIA]. Com a implementação deste sistema será possível produzir, por ano, 2084 kwh, resultando numa fracção solar média anual de 68,2 % e num valor de produtividade de 543 kwh/[m 2 colector]. Quadro 3.3 Características do colector solar Zantia ZHS 200. [ZANTIA] Características GOLD 200 Área Total (m 2 ): 2,02 Área do Absorsor (m 2 ) 1,84 Área do Abertura (m 2 ): 1,92 Altura x Largura x Profundidade (mm): 1730 x 1170 x 73 Rendimento Instantâneo (no) 0,759 Coeficiente de Perdas a (W/m 2.k): 3,480 Coeficiente de Perdas a (W/m 2.k 2 ): 0,0161 Capacidade de Fluído (lts) 1,4 Absorção (%): 95 Emissão (%): 5 Ligações Vidro: compressão ø22 temperado 3,2 mm Transmitância do vidro (%): 95 Isolamento Térmico 40 mm (lã mineral) Máx. Temperatura de Estagnação (ºC): 234 Máx. Pressão de Serviço (bar): 10 Peso (kg): 35 40

61 CAPÍTULO 3 Dado o reduzido número de utilizadores (4) e o perfil de consumo considerado, baseado no anexo VI do RCCTE, seleccionou-se para a instalação em análise um termoacumulador de uma serpentina da marca Zantia e modelo S o qual possui uma capacidade de 200 litros. O SolTerm indica uma eficácia típica de 55 % para o permutador de calor (serpentina) do depósito em causa, sabendo-se que o depósito vai ficar instalado no interior da habitação, que é do tipo vertical, feito de aço inoxidável DUPLEX 2205 e conhecendo-se ainda as suas dimensões, utilizaram-se as funcionalidades do editor de tanques do SolTerm para definir o acumulador solar em análise (ver Figura 3.10). Figura 3.10 Definição das características do acumulador solar de AQS (Zantia S20 200). Outros elementos a considerar nas simulações referem-se às tubagens no circuito primário, ao líquido solar utilizado e ao caudal e velocidade do líquido nas tubagens. Figura 3.11 Sistema solar térmico simulado: Moradia. Manuel Cerveira 41