Modelação de sistemas de armazenamento de energia térmica para aumentar a penetração de energias renováveis na produção de electricidade

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1 Modelação de sistemas de armazenamento de energia térmica para aumentar a penetração de energias renováveis na produção de electricidade Manuel Ngola Cusseiala Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Júri Presidente: Professor Doutor Mário Costa Orientador: Professor Doutor Carlos Augusto Santos Silva Vogal: Professora Doutora Tânia Sousa Maio de 2013

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3 In Memoriam À minha querida MÃE, Delfina Mungongo.

4 Agradecimentos Agradeço primeiramente a DEUS Pai todo-poderoso por me ter dado uma mãe como tu Sra. Delfina Mungongo (Que a sua alma descansa em paz), um pai como tu Sr. Fernando Cusseiala e os meus queridos irmãos. Vocês são a razão da minha vida, sem vocês esse trabalho não seria possível. Agradeço o meu orientador Carlos Augusto Santos Silva, por me ter aceitado como orientando e pelo apoio que me foi dado durante a realização deste trabalho. Finalmente agradeço os meus amigos que directa ou indirectamente contribuíram para a realização deste trabalho, pela amizade, carinho e apoio que me forneceram. i

5 Resumo Os sistemas solares térmico permitem o aquecimento de águas sanitárias através do aproveitamento da energia proveniente do sol. Portugal tem condições excelentes para o aproveitamento desta fonte de energia, pelo que a utilização de coletores solares para o aquecimento de águas sanitárias permite uma diminuição dos custos energéticos e dos impactes ambientais e a sua utilização tem vindo a crescer significativamente nos últimos anos. Num contexto onde a optimização do sistema com vista à maximização da sua eficiência técnica e económica, os sistemas solares térmicos podem ainda desempenhar um papel adicional, ainda que indirecto, na integração de energias renováveis na geração de energia eléctrica. Em geral, nos meses de inverno, os sistemas solares térmicos necessitam de outra fonte de energia para apoiar o aquecimento de águas sanitárias, em geral gás ou electricidade. No caso do apoio ser eléctrico, o sistema solar térmico pode então ser utilizado como sistema de armazenamento indirecto, ao utilizar o apoio quando há produção em excesso de energias renováveis na rede e assim evitar a sua utilização em períodos do dia onde a utilização de energia para apoio seja menos interessante. A utilização do solar térmico nesta vertente pode ser vantajosa em edifícios residenciais com geração de electricidade no local e assim optimizar o consumo de energias para uma situação de casas de balanço zero. Para utilizar os sistemas solares térmicos desta forma, é necessário ter um modelo de funcionamento com uma resolução temporal pelo menos horária, quando em geral os modelos disponíveis consideram resoluções temporais mensais (e.g. Solterm). Assim, esta tese apresenta a modelação de um sistema solar térmico convencional para utilização no sector residencial com resolução horária e compara os resultados do modelo com o software de referência para Portugal, o Solterm. A tese apresenta ainda uma análise ao impacto do consumo de electricidade no apoio para diferentes estações do ano e considerando diferentes perfis de consumo de águas quentes sanitárias, demonstrando através do impacto nos custos que a utilização de um modelo de resolução horária tem um impacto significativo na análise da operação do sistema. Palavras-Chave: Energias renováveis, Sistemas solar térmicos, Solterm, Modelo horário ii

6 Abstract Solar thermal systems produce hot water by harnessing energy from the sun. Portugal has excellent conditions for the utilization of this energy source, so the use of solar collectors for water heating has grown significantly in recent years as it uses can reduce significantly energy costs and environmental impacts. In a context where systems have to be optimized to maximize the economic and technical efficiency, solar thermal systems can aid, albeit indirectly, in the integration of renewables for electricity generation. In general, in the winter months, solar thermal systems require the use of another energy source to support water heating, namely gas or electricity. In the case the support is electric, solar thermal systems can then be used as an indirect storage system, using the backup when there is excess of renewable electricity generation and thus prevent its use during periods of the day when the use of backup power is less interesting. The use of solar thermal in this way can be advantageous for example in residential buildings that aim to be net zero energy buildings. The use the solar thermal system as a storage system requires the use of a detailed model with, at least, hourly resolution. However, the available models like Solterm consider in general monthly temporal resolutions. Thus, this thesis presents a hourly model of a conventional solar thermal system used in the residential sector and compares the modeling results with Solterm, the reference software for Portugal. The thesis also presents an analysis of the impact of electricity consumption for backup purposes for different seasons and considering different consumption profiles of hot water, demonstrating through a cost analysis that the use of a hourly resolution model has significant impacts on the system operation. Key-Words: Renewables Energies, Solar Thermal Systems, Solterm, Hourly Model iii

7 Índice Agradecimentos... i Resumo... ii Abstract... iii Índice... iv Índice de Figuras... vi Índice de Tabelas... viii Nomenclatura... ix Capítulo 1 INTRODUÇÃO Motivação Objectivo e Contribuições Abordagem bibliográfica Estrutura da tese... 4 Capítulo 2 SISTEMA SOLAR TÉRMICO Colector solar Colector simples ou sem cobertura Colector plano ou com cobertura Colector evacuado ou colector de tubo de calor Colector Parabólico Composto (CPC ou Concentrador Solar) Colector Híbrido Selecção do colector Tanque de armazenamento Tanque de armazenamento de água potável Tanque de armazenamento de regulação Tanque de armazenamento combinado Tanque de armazenamento estratificado Circuito Hidráulico Capítulo 3 MODELAÇÃO DE SISTEMAS SOLAR TÉRMICO Princípios de transmissão de calor Desenvolvimento do Modelo Modelo do Absorsor Modelo do sistema solar térmico Modelo Horário Implementação do Modelo iv

8 3.4 Implementação do Modelo no Solterm Capítulo 4 ANÁLISE DE RESULTADOS E DISCUSSÕES Definição dos perfis de consumo Validação do Modelo para uma resolução temporal mensal Resultados para o modelo de resolução horária Inverno Primavera Verão Outono Comparação de resultados: Modelo horário vs mensal Capítulo 5 CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA Anexo A: Fundamentos sobre energia solar... i Radiação Solar... ii Movimentos da Terra, Estações... iv Influência da orientação... ix Anexo B: Informações complementares de sistemas solar térmicos... xi Sistema passivo (Circulação natural ou Termosifão)... xi Sistema Ativo (Circulação forçada)... xii Sistema Direto e Indireto... xiv v

9 Índice de Figuras Figura 1-Limite de stock energético Figura 2-Radiação Solar na região continental de Portugal Figura 3-Colector Simples... 6 Figura 4-Colector com cobertura... 7 Figura 5-Coletor de tubo de vácuo Figura 6-Concentrador solar Figura 7-Tipos de tanque de armazenamento Figura 8-Tanque de armazenamento de água potável Figura 9-Tanque de armazenamento estratificado Figura 10-Algoritmo de captação de energia solar Figura 11-Algorítmo de processamento de dados Figura 12-Balanço de energia ao absorsor Figura 13-Variação do coeficiente de correcção com o Ângulo de incidência Figura 14-Modelo de sistema solar térmico para AQS Figura 15-Trocas de calor: necessidades energéticas constantes em funcionamento diário Figura 16-Trocas de calor: necessidades energéticas no período de radiação solar Figura 17-Trocas de calor: necessidades energéticas no período noturno Figura 18-Modelo mensal Figura 19-Modelo Horário Figura 20-Ambiente de trabalho do programa Solterm e seleção de dados Figura 21-Escolha das condições climáticas no programa Solterm Figura 22-Escolha de perfil de consumo Figura 23-Análise de resultados Figura 24-Perfil de Consumo Figura 25-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 160 l Figura 26-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 120 l Figura 27-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 200 l Figura 28-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil1) Figura 29-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil2) Figura 30-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil3) Figura 31-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil1) Figura 32-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil2) Figura 33-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil3) Figura 34-Disponibilidade energética dia de verão (perfil1) Figura 35-Disponibilidade energética dia de verão (perfil2) Figura 36-Disponibilidade energética dia de verão (perfil3) Figura 37-Disponibilidade energética dia de outono (perfil1) Figura 38-Disponibilidade energética dia de outono (perfil2) Figura 39-Disponibilidade energética dia de outono (perfil3) vi

10 Figura 40-Raios solar consequente da fusão nuclear no centro do sol... i Figura 41-Radiação solar.... ii Figura 42-Espectro da radiação solar.... iii Figura 43-Irradiação solar global e os seus componentes para diferentes condições do céu.... iv Figura 44-Plano da eclíptica.... v Figura 45-Estações do ano a nível mundial.... v Figura 46-Coordenadas Horizontais... vi Figura 47-Coordenadas Geográficas... vi Figura 48-Variação da altura do Sol com a latitude.... vii Figura 49- Características dos solstícios e equinócios... viii Figura 50-Descrição dos ângulos para a tecnologia solar.... ix Figura 51-Circuito termosifão.... xii Figura 52-Circulação forçada.... xiii Figura 53-Sistema direto e Indireto.... xiv vii

11 Índice de Tabelas Tabela 1-Material e Tipos de tanque de armazenamento Tabela 2-Dados de entrada. Lisboa Tabela 3-Resultados Solterm vs Modelo Tabela 4-Resultados referentes aos casos analisados Tabela 5-Comparação de resultados Tabela 6-Avaliação de custos Tabela 7-Ângulos utilizados em tecnologia solar.... ix viii

12 Nomenclatura ix

13 x

14 Símbolos Gregos xi

15 Capítulo 1 INTRODUÇÃO 1.1 Motivação O aumento das taxas de exploração dos combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás natural e urânio) tem sido cada vez maior. Estas fontes de energia, que têm reservas finitas à nossa escala de tempo, acabarão por se esgotar e inevitavelmente este processo deixar-nos-á num beco sem saída relativamente à utilização de energia. Por outro lado o sol, que possui ainda cerca de 5 bilhões de anos de vida, disponibiliza uma quantidade de energia muito superior à energia que é actualmente consumida no mundo por unidade de tempo. Assim, e tendo por base o limite de stock disponível por unidade de tempo (figura 1), podemos observar que a energia disponível no sol, que corresponde a um valor aproximado de 1,5 x10 18 kwh /ano, é muito superior à soma de todas as reservas de combustíveis fósseis. (GreenPro, 2004) Figura 1-Limite de stock energético. Fonte (adaptado): Cubo de energia. Para além disso, a utilização crescente de recursos energéticos de origem fóssil apresenta impactes ambientais e induz alterações no clima, provocando mudanças e prejuízos irreversíveis que aumentam com o aumento da utilização dos tais recursos. A solução para se lidar com este problema encontra-se no aumento da eficiência energética, na racionalização da utilização da energia e na utilização de fontes de energia renováveis: sol, vento, água e biomassa. Para o caso da energia solar, considerando radiação solar média, Portugal Continental tem condições muito favoráveis para a exploração de energia solar como fonte de energia renovável, pois a radiação média incidente por metro quadrado tem um valor de 1700 kwh/ano. 1

16 Tradicionalmente, os edifícios nos Estados Unidos da América (EUA) e na União Europeia (UE), consomem 40% do total de energia primária, sendo que desta a maior parte é proveniente dos combustíveis fósseis, o que torna os edifícios um dos principais contribuidores para os gases de efeito de estufa (U.S. Department of Energy, 2012). Uma das estratégias que está a ser analisada para minimizar este efeito é o desenvolvimento de edifícios de balanço zero - Net-zero energy building (NZEB) ou simplesmente net zero energy (ZNE) -que é um termo que designa edifícios em que o balanço entre a energia consumida e a energia produzida é nulo e que consequentemente tem impacte nulo nas emissões de dióxido de carbono por ano (U.S. Department of Energy, 2012). Tipicamente, a energia é produzida no próprio edifício através de fontes de energias renováveis, incluindo a energia solar térmica, energia fotovoltaica e a energia eólica. Deste modo, a procura de energia é igual à geração de energia. Estes edifícios são ainda muito raros, dada a dificuldade em concretizar o objectivo, mesmo nos países desenvolvidos, mas continuam ganhando muita importância e popularidade. (Baden, Fairey, Waide, & Laustsen, 2006). Figura 2-Radiação Solar na região continental de Portugal. (Fonte: ) A geração de energia no próprio edifício pode ser feita recorrendo as várias tecnologias de micro-geração que podem produzir calor e electricidade para o edifício, dentre eles: Electricidade: Utilizando painéis solares fotovoltaicos, turbinas eólicas e células de combustíveis (hidrogénio). Calor: Biocombustíveis, biomassa, painéis solares térmicos (água quente, ar quente, vapor de baixa pressão), etc. Para lidar com as flutuações das necessidades energéticas (calor ou electricidade), os edifícios de energia zero, geralmente são conectados à rede mas permitem a existência de um 2

17 fluxo bidireccional. Deste modo, as casas exportam electricidade durante o dia, quando o consumo é menor e importam durante a noite. A grande vantagem é evitar custos altos de baterias para armazenamento de energia eléctrica. Contudo, pode introduzir grandes perturbações na gestão da rede. Contudo, existem casos onde as construções são completamente independentes (não ligados à rede), apesar dos custos iniciais muito mais elevados e dificilmente resgatáveis sem ajudas (Roaf, Crichton, & Nicol, 2009), onde o armazenamento é essencial. Assim, a integração dos sistemas de produção de calor, cujo armazenamento é mais fácil, com os sistemas de geração de electricidade renovável pode apresentar sinergias interessantes que é necessário explorar, e é esse o objectivo desta tese. 1.2 Objectivo e Contribuições Este trabalho tem como objectivo modelar sistemas solares de produção de águas quentes sanitárias (AQS) com resolução horária, com base no impacto da radiação solar e temperatura exteriores na produção de águas quentes sanitárias e no apoio eléctrico necessário, de forma que possa ser utilizado com modelos de operação de electricidade, que recorrem a resoluções temporais pelo menos horárias. O programa SOLTERM, e que é utilizado para validar o modelo desenvolvido, apresenta os resultados somente a nível mensal e anual Assim o contributo científico desta tese é o desenvolvimento de um modelo matemático que permita utilizar este sistema como armazenamento de energia eléctrica de origem renovável. Este modelo matemático tem como base, o cálculo das necessidades energéticas ao longo do dia, em função das necessidades de consumo após a validação a nível mensal e anual e foi implementado recorrendo a uma folha de cálculo 1.3 Abordagem bibliográfica Na literatura, não foram encontradas referências relativamente a modelos horários de sistemas solares térmicos. Em geral ao tema, em termos de modelação de sistemas solar térmico, tem havido apenas análises em modelos mensais mesmo em trabalhos muito recentes. Exemplos disso são por exemplo, a tese Avaliação de Sistemas Solares Térmicos de Produção de Água Quente Sanitária em Edifícios de Habitação Multifamiliar Alexandre Daniel Sousa Santos, IST 2012, onde se analisa qual a melhor solução para a implementação de sistemas solares térmicos em edifícios multifamiliares ou ainda na tese sobre colectores solares térmicos sob condições transientes, caracterização óptica e térmicas com base no modelo quasi-dinâmico, de Tiago Vaz Pato Osório, ist 2011, onde apesar de ser desenvolvido um modelo para determinar as condições transientes de sistemas solares térmicos, não é desenvolvido nenhum modelo de operação. 3

18 Assim, o desenvolvimento do modelo seguiu a modelação genérica de sistemas solares térmicos, como por exemplo a desenvolvida em (Roriz, Rosendo, Lourenço, Calhau, & Morais, 2010) 1.4 Estrutura da tese A tese está composta por 5 capítulos. Neste primeiro capítulo é introduzida a motivação para o desenvolvimento desta tese, são descritos os objectivos e contribuições e é indicada qual a abordagem bibliográfica ao tema. O segundo capítulo descreve genericamente os sistemas solar térmicos e descreve com maior detalhe os componentes de um sistema convencional, em particular o sistema de absorção e o apoio, quando a radiação solar não é suficiente para suprir as necessidades do utilizador. O terceiro capítulo é a espinha dorsal desta tese, pois é neste capítulo que é feita a modelação matemática para o cálculo das necessidades energéticas do sistema solar térmico, em particular o modelo horário. É ainda introduzido a representação do mesmo modelo no software de referência Solterm. No quarto capítulo é feito o estudo comparativo entre os resultados do modelo proposto e o software de referência Solterm para uma resolução temporal mensal e a análise detalhada dos resultados do modelo horário proposto. Por último, o quinto capítulo vem concluir todo trabalho e as análises feitas. 4

19 Capítulo 2 SISTEMA SOLAR TÉRMICO O colector solar é o elemento do sistema que converte a luz solar (radiação de onda-curta) em calor. Estabelece a ligação entre a energia solar e os restantes componentes do sistema solar através do circuito hidráulico. O calor é gerado pela absorção dos raios solares através de uma placa metálica (placa absorsora) que se comporta como um corpo negro. A placa absorsora é a componente mais importante do colector. Nela está incorporada um sistema de tubos que transferem o calor gerado para o fluido de transferência térmica, que por sua vez flui para o tanque de armazenamento. O calor gerado é transferido para a água potável através de um permutador de calor. O fluido de transferência térmica é composto por uma solução aquosa (mistura de água com anticongelante) para proteger os colectores do perigo de congelamento. O anticongelante normalmente utilizado é o glicol. A mistura circula num circuito fechado e pode ser utilizado em sistemas de transferência indirecta de calor através de um permutador. Existe ainda uma centralina (sistema de comando diferencial) que serve para activar a bomba de circulação do circuito hidráulico, quando o diferencial de temperatura entre o colector e o tanque armazenamento atingir um valor pré-estabelecido. Quando este valor é atingido, a bomba de circulação é activada e o fluido de transferência térmica no colector que foi aquecido pelo sol circula para o depósito de água potável, onde o calor é transferido para a água através do permutador de calor do sistema solar, localizado abaixo do sistema de apoio. 2.1 Colector solar Como já foi dito anteriormente, o colector é o componente que tem como função converter a maior quantidade de radiação solar disponível em calor e transferir este calor com o mínimo de perdas para o resto do sistema. Consoante a sua aplicação, existem diversos tipos de colectores: Colector simples ou sem cobertura Estes colectores são constituídos apenas pelo absorsor. Normalmente são constituídos por conjuntos de tubos flexíveis ligados em paralelo. As eficiências desses colectores são muito elevadas, apresentando um valor superior ou igual a 0,9. Encontram-se sobre variadas formas, desde a placa absorsora de plástico (propileno, policarbonato ou polivinil) constituída por tubos em forma de esteira e unidos por dois tubos de maior diâmetro nas partes inferior e superior ou placas absorsora selectivas de aço inoxidável constituídos da mesma forma. 5

20 Figura 3-Colector Simples (Fonte: Geralmente são utilizados em piscinas exteriores, cuja utilização normalmente ocorre de Maio a Setembro. Os colectores a utilizar numa instalação solar serão preferencialmente os colectores de borracha sem cobertura. A utilização destes colectores permite a circulação directa da água da piscina pelos mesmos. Têm uma menor eficiência relativamente ao colector plano com cobertura, uma vez que além de não possuírem esta camada, também não possuem revestimento e isolamento térmico, fazendo com que as perdas de calor sejam elevadas. De salientar que a utilização de colectores sem cobertura torna necessário que sejam colocados num local onde estes estejam protegidos do vento já que são particularmente sensíveis a velocidades de vento superiores a, que conduzem a uma diminuição drástica do seu rendimento. A placa absorsora pode substituir a cobertura do telhado para a área definida pelo dimensionamento, reduzindo os custos na aquisição da cobertura. Assim, o custo da produção de energia é mais baixa, devido ao menor investimento na componente de cobertura do telhado e está disponível para diversas formas de telhado: telhados planos, telhados inclinados, ou seja, a instalação destes colectores pode ser adaptado a curvas suaves. É também uma solução mais estética para telhados em alumínio. Por causa da baixa performance, é necessário instalar uma superfície de colectores maior do que para outros tipos. Por tudo mencionado atrás, este tipo de colectores deverá ser utilizado unicamente para necessidades de temperaturas de utilização inferiores a 30 ºC, como para o aquecimento de piscinas no verão e estufas agrícolas. As temperaturas baixas do ar exterior no Inverno tornam a utilização deste tipo de colector inadequado para o aquecimento de piscinas cobertas no Inverno. 6

21 2.1.2 Colector plano ou com cobertura Na sua maioria, os colectores usados são do tipo planos, podendo ser de baixa ou alta temperatura variando consoante o fabricante. O colector solar plano é o mais comum; permite aquecer água até aos. Utiliza no seu funcionamento dois fenómenos naturais: a absorção de calor pela cor negra e a subida da água quente. O colector solar plano, é constituído por uma caixa isolada, coberta por uma placa de material transparente. No interior da caixa são colocados tubos por onde circula a água. Figura 4-Colector com cobertura (Fonte: O interior da caixa é pintado (ou revestido) de preto, para receber a energia do Sol e transformá-la em calor que é transmitido aos tubos por onde circula a água. A cobertura transparente permite a passagem dos raios solares, e serve para provocar o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor. A radiação incidente sobre o vidro do colector deve estar convenientemente orientada, de forma a atingir a superfície absorsora de cor negra, convertendo-a em emissora de radiações infravermelhas. Sendo o vidro ou plástico opaco à radiação infravermelha, permite conservar o calor no seu interior ficando a uma temperatura superior à temperatura exterior. O fluido que circula nos canais em circuito fechado, aquece e transporta a energia térmica, muitas vezes com a ajuda de um sistema de bombagem. Assim, os colectores planos com cobertura são constituídos por absorsores de metal no interior de uma caixa rectangular plana com isolamento térmico, sendo que na parte frontal existe uma 7

22 cobertura transparente e na lateral, dois tubos ligados para alimentação e retorno do fluido de transferência térmica. Este tipo de colector solar funciona eficientemente durante todo o ano. Com os chamados recobrimentos selectivos podem conseguir-se melhores rendimentos reduzindo as perdas caloríficas por radiação. Este revestimento da placa absorsora obtém-se através de um processo electroquímico ou de uma pulverização catódica que confere à placa propriedades óticas que reduzem a emissão da radiação infravermelha, mantendo a sua capacidade de absorção tão boa como a da tinta negra. Os colectores planos pesam entre e são fabricados em diversos tamanhos desde e, em alguns casos, dimensões maiores. No entanto, os tamanhos mais comuns são de, apresentando um peso de cerca de por módulo. A eficiência média anual de um sistema completo com colectores planos é de 35 a 40%, isto é, para um valor de de radiação solar, a produção de energia térmica para um sistema bem dimensionado, corresponde a Colector evacuado ou colector de tubo de calor Esses colectores são também conhecidos como colectores de tubo de vácuo. São painéis planos, em que o fluido térmico circula no interior de tubos concêntricos. Figura 5-Coletor de tubo de vácuo. (Fonte: São sistemas que funcionam através da absorção da radiação solar e da radiação difusa, sendo as mesmas transferidas para uma vara de cobre existente no interior do tubo de vácuo, que tem no seu interior um líquido que vaporiza com o calor, subindo até ao ponto mais alto do 8

23 tubo onde se encontra o condensador. A água fria passa pelos vários condensadores do colector, absorvendo assim o calor fornecido por estes, aquecendo a água desta forma. Para se reduzir as perdas térmicas neste colector, usam-se tubos de vidro (com absorsores internos) sujeitos a vácuo. De forma a se eliminar as perdas de calor por convecção, a pressão dentro dos tubos de vidro deve ser no máximo. Assim, as perdas de calor para a atmosfera são significativamente reduzidas, sendo de realçar que mesmo com uma temperatura de absorção de ou maior, os tubos de vidro permanecem frios no seu exterior. Na sua maioria, a pressão de evacuação dos tubos de vácuo é inferior a. O tubo de calor permite ao sistema a função de díodo, isto é, a transferência de calor faz-se sempre na direcção da placa absorvente para a água e nunca ao contrário. Devido às propriedades físicas do líquido do tubo de calor e à construção especial do condensador, a temperatura máxima de funcionamento do sistema pode ser controlada. O líquido especial que está dentro do tubo de calor evapora-se quando aquecido, transferindo energia calorífica para o seu topo. O vapor é condensado, dentro de um condensador especial, regressando o líquido seguramente à sua posição original devido à gravidade. O ciclo é repetido continuamente Colector Parabólico Composto (CPC ou Concentrador Solar) São colectores que possuem uma superfície parabólica com objectivo de concentrar os raios solares para a zona de captação da energia radiante. Estes colectores permitem obter temperaturas superiores a, temperaturas não concebidas para aquecimento de edifícios e de águas sanitárias. São utilizados em centrais térmicas e podem ser do tipo cilíndrico ou de revolução (de disco único ou conjunto de discos com perfil parabólico). Figura 6-Concentrador solar. (Fonte: 9

24 O funcionamento base destes colectores é a concentração da radiação solar, na placa absorsora, através de um sistema duplo de absorção da radiação, do seguinte modo: um sistema de absorsores que permite absorver a radiação de forma semelhante aos colectores planos; um sistema de reflexão da radiação que permite a absorção da radiação na parte inferior do absorsor. São chamados de concentradores do tipo CPC (Colectores Parabólicos Compostos) devido à configuração da superfície reflectora ser parabólica. (GreenPro, 2004) A diferença fundamental relativamente a um colector plano é a geometria do absorsor, já que enquanto nos colectores planos existe uma superfície plana à qual estão soldados os tubos, nos CPC s a área absorsora é constituída por duas alhetas unidas a um tubo e colocadas em cima de uma superfície reflectora. Como consequência, a captação solar realizase nas duas faces das alhetas e as perdas térmicas são inferiores. Assim, o sol incide na parte superior das alhetas e na superfície parabólica reflectora. Os raios são reflectidos e acabam por incidir na parte inferior das alhetas ou directamente no tubo, contribuindo para aquecer ainda mais o fluido térmico. O uso de reflectores permite a concentração da radiação solar sobre a superfície absorsora, resultando numa menor área de absorção para a mesma quantidade de energia absorvida. Tendo em conta que as perdas térmicas são proporcionais à área superficial, absorsores com menor área apresentam menores perdas térmicas. Acontece que, quanto maior é a concentração, menor é o ângulo com a normal aos colectores segundo o qual os raios solares incidem para serem captados, no entanto, para o colector funcionar com um bom rendimento tem de se manter sempre perpendicular aos raios solares, seguindo o sol no seu movimento diurno. Esta é uma desvantagem, pois o mecanismo de controlo para fazer o colector seguir a trajectória do sol, é bastante dispendioso e complicado, para além de só permitir a captação directa Colector Híbrido São colectores que possuem células fotovoltaicas (PV) integradas, efectuando neste caso o aquecimento do fluido térmico e a produção de electricidade. Tendo a produção simultânea de calor e electricidade, mesmo assim não é designada por equipamento de cogeração. A circulação da água (ou de ar, no caso de painéis para aquecimento directo do ar) nestes colectores tem também a função de arrefecer as células fotovoltaicas já que o seu rendimento diminui com a temperatura a que estão sujeitas. Dos diferentes tipos de colectores híbridos, existem actualmente duas soluções mais comuns: No caso do painel térmico servir para aquecimento de ar, as células PV são opacas e no caso do painel térmico servir para aquecimento de água (Objecto de estudo), as células PV são transparentes permitindo a passagem da radiação solar para o painel térmico. 10

25 2.1.6 Selecção do colector A selecção do colector é sobretudo em função da temperatura que se pretende obter para o fluido térmico que atravessa o colector e do seu custo. Pode ainda ser escolhido em função da dificuldade de colocação. Os colectores planos sem ou com acumulação, com ou sem coberturas de vidro ou material sintético, são os mais utilizados para o aquecimento de água sanitária dado que se pretende atingir temperaturas na ordem dos 60 ºC. Caso se pretenda que o colector aqueça o fluido que travessa até uma temperatura que permita o aquecimento de gerador de um sistema frigorífico de absorção, no entanto será necessário usar painéis solares de alta eficiência ou concentradores solares, dado que a temperatura pretendida é superior a 80 ºC. A escolha do painel pode estar relacionada também com o ajuste ao telhado de uma habitação, e.g. se colector é constituído apenas por absorsor de tubos flexíveis, e que, sendo menos eficiente que um colector plano, é uma solução que pode ser considerada arquitectonicamente mais atraente. Pode ainda a escolha recair num colector híbrido ou num painel solar térmico com painel fotovoltaico anexo, de forma a obter-se simultaneamente aquecimento e produção de electricidade. No caso de se pretender aproveitar o calor obtido pelo painel solar para efectuar o aquecimento do gerador de sistema frigorífico de absorção, a escolha recai sobre um colector de alta eficiência (colector plano ou CPC). Os painéis solares podem ser integrados na estrutura do edifício, ou serem montados no edifício (geralmente na cobertura) ou ainda serem colocados no exterior. A opção depende frequentemente do espaço disponível e da insolação a que os diferentes elementos do edifício estão sujeitos, em particular devido ao sobreaquecimento de objectos próximos (sobreaquecimento próprio do edifício, edifícios e vegetação adjacentes, orientação das paredes) e ao espaço livre para a colocação de painéis. (Roriz, Rosendo, Lourenço, Calhau, & Morais, 2010). 2.2 Tanque de armazenamento Tendo em conta que a energia fornecida pelo sol pode ser intermitente e desfasada da utilização de água quente/calor, é necessário armazenar o calor gerado pela radiação solar para ser utilizado quando necessário. (GreenPro, 2004) De acordo com as aplicações diferenciam-se os tipos de tanques de armazenamento tendo em conta a força de compressão e o material. Consoante a ligação e transferência de calor entre o colector solar e o depósito, os tanques podem ser: Tanque de armazenamento (sem permutador de calor) para circuito directo: Fluido que circula nos colectores solares é a água de consumo. Este circuito acarreta problemas de corrosão e calcificação das tubagens, pelo que se encontra em desuso (Figura 7 à esquerda) 11

26 Tanque de armazenamento (com permutador de calor) para circuito primário: Nos colectores circula um determinado fluido térmico, em circuito fechado e com permuta térmica para o circuito de consumo (secundário) num permutador de calor interior ou exterior ao depósito. Esses tanques são os mais utilizados actualmente (Figura 7 à direita) Figura 7-Tipos de tanque de armazenamento. Fonte: concurso solar, Padre Hymalaia) Relativamente ao material utilizado, os tanques de armazenamento classificam-se em tanques de pressão ou tanques de superfície livre. Os tanques de pressão encontram-se disponíveis em aço inoxidável, esmaltados ou revestidos em plástico. Os tanques de armazenamento de aço inoxidável são mais leves e com menores necessidade de manutenção, mas são mais caros em relação aos tanques de aço esmaltado, pelo que o aço inoxidável é mais sensível a águas com muito cloro. Os tanques esmaltados são necessariamente equipados com magnésio ou com um ânodo externo para protecção contra a corrosão (fissuras no esmalte). Também estão disponíveis tanques de aço revestido de plásticos mais baratos. O revestimento dos tanques (sensível a temperatura superiores a 80ºC) não deve ser poroso. Testes realizados à maioria dos revestimentos de plástico tem apresentado problemas de fiabilidade. Os tanques de plástico de superfície livre apresentam sensibilidades a temperaturas muito elevadas. A tabela 1 apresenta um breve resumo sobre os diversos tipos de tanque de armazenamento em função do material: 12

27 Tabela 1-Material e Tipos de tanque de armazenamento. (Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004) Tipo Tanque de Pressão Tanque de superfície Livre Tanque de água potável Tanque de armazenamento regulador Tanque de armazenamento combinado Aço inoxidável, Aço esmaltado e Aço revestido de plástico Aço Aço, Aço inoxidável e Aço esmaltado Tanque de armazenamento de água potável Plástico Um esquema de tanque de armazenamento solar standard é apresentado na Figura 8 e têm as seguintes características: Dois permutadores de calor para duas fontes de calor (bivalente), ligação directa para o reservatório de água fria e, pressão de operação do tanque variável entre. O dimensionamento do tanque de armazenamento deve ter em conta a cobertura de vezes a quantidade de água quente diária utilizada. Assim o volume deverá ser de por pessoa (média de consumo). Tanques de armazenamento de grandes dimensões podem absorver grandes quantidades de energia, contudo no caso de superfícies dos colectores constantes, aumenta a frequência de utilização do sistema de apoio, porque o nível de temperatura no tanque de armazenamento é menor que para um tanque menor. Para o sector doméstico, especificamente para casas de uma ou duas famílias, os tanques standard tem uma capacidade de Figura 8-Tanque de armazenamento de água potável. (Fonte: GreenPro, Energia solar térmico) 13. No caso dos tanques de

28 armazenamentos servirem de depósito de água potável a temperatura deve ser limitada até cerca de, dado que o calcário precipita a altas temperaturas, podendo bloquear a superfície do permutador de calor. Para além disso o calcário é depositado gradualmente na base do tanque de armazenamento Tanque de armazenamento de regulação O tanque de armazenamento de regulação é um tanque de aço (tanque de pressão) ou um tanque de plástico não pressurizado com água para aquecimento. O calor armazenado neste tanque pode ser introduzido directamente no sistema de aquecimento (suporte de aquecimento) ou transferido através de um permutador de calor para a água potável Tanque de armazenamento combinado O tanque de armazenamento combinado é uma combinação de um tanque de regulação e um tanque de armazenamento de água potável. Uma pequena secção com um tanque de armazenamento de água potável é instalada na parte de superior da área quente do tanque de armazenamento de regulação, cuja superfície superior atua como um permutador de calor. Estes tanques são apropriados para usar em sistemas solares para aquecimento de água, com e sem suporte de aquecimento. Por causa do sistema de alimentação o funcionamento da tubagem é simples e o controlo do sistema simples. Todos os geradores de calor (colectores solares, caldeiras de aquecimento) tais como todos os consumidores de calor (água quente, aquecedores) operam no mesmo regulador. O sistema de aquecimento está ligado à área superior do tanque de armazenamento de regulação onde a água potável é aquecida. A zona intermédia pode ser usada para aumentar a temperatura da água de retorno. Na zona inferior há um permutador de calor para alimentar o sistema solar. O tanque de armazenamento de água potável interno é aquecido através da parede Tanque de armazenamento estratificado De modo a ser possível utilizar água quente imediatamente, sem necessidade de antes aquecer o tanque de armazenamento, tanques de enchimento especial foram desenvolvidos para enchimento de tanques de armazenamento com capacidade para mais de 300 litros. Um dispositivo de controlo-próprio engloba a variação da introdução de água aquecida. Este processo tem lugar a uma altura em que a temperatura da alimentação da água é igual à temperatura do tanque de armazenamento nesta camada. Deste modo é criado um bom efeito de estratificação térmica no tanque e a temperatura utilizável na área superior do armazenamento é rapidamente atingida. Comparando com os tanques de armazenamento standard de água quente, as perdas de calor na passagem através das camadas frias é evitada, através do aquecimento da camada indicada, evitando a mistura no tanque de armazenamento durante a migração. Desta forma diminui-se a frequência de utilização do aquecimento adicional (apoio). 14

29 Relativamente aos outros tanques de armazenamento, este tanque apresenta diversas vantagens como: Utilização solar ideal para água quente e aquecimento graças à carga por estratificação com dispositivos de estratificação, limitadores de fluxo de entrada especiais Aquecimento higiénico de água fresca através do tubo ondulado especial em aço inoxidável Melhor rentabilidade para cada sistema de aquecimento (solar, biomassa, bomba térmica) Extracção constante e particularmente rápida de água quente Construção com necessidade de espaço reduzida com uma perda mínima de calor devido ao isolamento térmico extremamente eficiente Longa vida útil Estação solar integrada 2.3 Circuito Hidráulico Figura 9-Tanque de armazenamento estratificado (Fonte: Pro-Clean PLUS ) O calor gerado nos colectores é transportado para os tanques de armazenamento de calor, através do circuito hidráulico. Este é constituído por: Tubagens, que permitem a ligação dos colectores aos tanques de armazenamento que muitas vezes são instalados na cave; Fluido de transferência térmica, que é o fluido que transporta o calor do colector para o tanque de armazenamento; Bomba solar (circulação forçada), que se encarrega de circular o fluido de transferência térmica no circuito solar; Permutador de calor, que transfere o calor para a água potável no tanque de armazenamento; equipamento e acessórios para enchimento, esvaziamento e drenagem, e, equipamento de segurança; vaso de expansão e válvula de segurança que protegem o sistema de danos (perdas) devido à expansão do fluido térmico. 15

30 16

31 Capítulo 3 MODELAÇÃO DE SISTEMAS SOLAR TÉRMICO 3.1 Princípios de transmissão de calor A energia recebida pelo sistema solar térmico é descrita pela energia trocada por radiação entre o sol e o painel. A energia emitida por radiação, isto é, o poder emissivo da superfície é dada por (3.1) Onde é a constante de Boltzmann ( ). Para um corpo real, a intensidade da radiação emitida em cada comprimento de onda é sempre igual ou inferior à emitida pelo corpo negro. Deste facto o poder emissivo dum corpo real é inferior ao do corpo negro, e depende da sua emissividade para diferentes comprimentos de onda ( ). O fluxo de energia recebida por uma superfície por unidade de área, designado por irradiação é dado pela seguinte expressão: (3.2) onde sistema SI é ângulo sólido). representa a intensidade da radiação normal a superfície. A sua unidade no (potência por unidade de área, por comprimento e por unidade de (3.3) As leis de conservação de energia e da radiação proporcionam relações bem definidas entre as propriedades radiactivas dos corpos. No caso apenas de energia radiante, a energia total recebida tem de ser reflectida, transmitida ou absorvida para que o corpo possa manter a sua temperatura. Deste modo, a relação entre a reflectividade ( ), a transmissividade ( ) e a absortividade ( ) de um determinado corpo, para um determinado comprimento de onda é (3.4) onde qualquer das propriedades acima representada, apresenta valores entre 0 e 1. Elas podem variar em função do comprimento de onda da radiação, mas o valor da sua soma será sempre igual a unidade. Em função do comprimento de onda, os corpos podem ser semitransparentes, transparentes ou opacos. Por exemplo, um corpo pode ser transparente à radiação para um determinado comprimento de onda, e ser semitransparente ou opaco à radiação para outro comprimento de onda. Da definição de corpo negro, a reflectividade e transmissividade num corpo negro são nulas, enquanto que a absortividade e a emissividade são iguais a 1. No caso de um corpo 17

32 real, a radiação emitida nos diferentes comprimentos de onda é igual ou inferior à emitida. Em termos energéticos, interessa unicamente o balanço global de energia e não um balanço para diferentes comprimentos de onda, associa-se assim o corpo real a um corpo cuja radiação emitida em função do comprimento de onda varia de forma idêntica à de um corpo negro e que radia a mesma quantidade de energia. Este corpo terá uma superfície cinzenta cuja emissividade é constante e independente do comprimento de onda dada pela razão entre o poder emissivo real e o poder emissivo de corpo negro a mesma temperatura. (3.5) Para um determinado comprimento de onda, a emissividade de um corpo é igual a sua absortividade Lei de Kirchoff. (3.6) Independentemente do comprimento de onda, para um corpo cinzento, a emissividade é sempre igual à sua absortividade - Lei de Kirchoff para os corpos cinzento. (3.7) A transmissão do calor captado ao fluido térmico que se pretende aquecer é controlada por dois fenómenos: A condução e a convecção. De igual forma, assim o são as perdas para o meio envolvente ao painel. A condução é o fenómeno de transferência de calor num determinado corpo sólido, geralmente associado a diferença de temperatura entre as superfícies opostas do material (materiais que constituem o painel). A convecção é o fenómeno de transferência de calor que ocorre nos fluidos, causado pela diferença de densidade e de temperatura dos elementos que formam o sistema (fluído térmico e ar que envolve o painel). O fluxo de calor de condução (calor trocado por unidade de área) é dado pela lei de Fourier, que estabelece que o fluxo de calor através de um material é proporcional ao gradiente de temperatura e vem em sentido oposto ao mesmo. (3.8) A constante, é a condutividade térmica do material. Entre duas substâncias, a que tiver condutividade maior, conseguirá ter uma taxa de transferência de calor maior, para um mesmo gradiente de temperatura. A troca de calor por convecção é dada pela lei de Newton, e fluxo de calor é (3.9) 18

33 Onde representa o coeficiente de convecção, e os índices representam respectivamente a superfície do material sólido e um ponto afastado dessa superfície. O coeficiente de convecção do painel para o ar exterior depende neste caso das condições atmosféricas (orientação do vento, velocidade e temperatura) e coeficiente de convecção do painel para o fluido de transferência térmica depende das condições de funcionamento do painel (velocidade do escoamento e temperatura), embora o efeito de gradiente de pressão seja desprezado. (Roriz, Rosendo, Lourenço, Calhau, & Morais, 2010) 3.2 Desenvolvimento do Modelo O modelo desenvolvido segue genericamente o algoritmo abaixo representado, onde S significa Sim e N significa não: Figura 10-Algoritmo de captação de energia solar (Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz) 19

34 Figura 11-Algorítmo de processamento de dados (Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz) 20

35 3.2.1 Modelo do Absorsor De forma simplificada, as equações do balanço energético podem ser obtidas considerando o absorsor de um colector solar plano atravessado por um caudal de massa. A figura seguinte representa esquematicamente o balanço energético feito ao absorsor. A quantidade de calor captada é dada por Figura 12-Balanço de energia ao absorsor. (Fonte (Adaptado): Energia solar em edifício, Luís Roriz) (3.10) O valor de pode ser considerado caso o fluido térmico seja água sem anticongelante ou ar, respectivamente. Caso o fluido térmico seja uma mistura etilenoglicol-água (50-50), o valor pode ser considerado igual a valores das massas específicas de cada fluido são considerados, respectivamente.. Os A energia proveniente da radiação solar direcqta ( ) incidente, por unidade de superfície do painel é (3.11) Onde n é a normal à superfície do painel. A energia recebida é dada por em que é a área projectada sobre um plano perpendicular à direcção da radiação solar directa. Tendo em conta a consideração de uma superfície plana, ou seja, com um factor de forma igual a zero, a energia absorvida (devido à radiação directa) é proporcional a radiação directa incidente. Caso a superfície não seja plana ou convexa, isto é, o factor de forma diferente de zero, poderá haver um aumento da energia absorvida (se a radiação reflectida por um ponto da superfície volte a incidir na superfície) superfícies côncavas ou onduladas. 21

36 Nem toda a energia incidente ( ) é absorvida pelo painel ( ). Uma parte da energia é refletida ( ), as outras são trocadas por condução-convecção ( ) com o ar que o rodeia com uma temperatura e emitidas por radiação ( ). Da Figura 12, resultam as seguintes equações: (3.12) ou (3.13) O termo corresponde à energia radiante absorvida pelo painel, representa a perda de energia pela superfície total do painel por radiação própria e por convecção e é a energia absorvida, ou seja, a energia transmitida ao fluido térmico. As trocas de energias por condução-convecção e a energia emitida pela radiação solar são dadas por: (3.14) (3.15) onde é a área do absorsor, a emissividade, a constante de Boltzmann ( ) e a temperatura média do absorsor pode se dada por: (3.16) Caso o painel não ser constituído apenas pelo absorsor, a temperatura média da equação (3.15) é igual a temperatura média no interior do painel; representa o coeficiente de transmissão de calor (condução-convecção). A energia radiante absorvida pela superfície absorsora do painel é dada por (3.17) Em que representa o rendimento óptico quando a radiação é normal à superfície do absorsor. Finalmente, a energia absorvida pelo painel é dada por (3.18) Quando a temperatura do painel for igual a temperatura ambiente, ou seja, quando não existem perdas convectivas e nem radiactivas para o ambiente ( ), o rendimento do painel é igual ao rendimento óptico e, é designado por rendimento inicial. 22

37 Tendo em conta que a radiação directa pode apresentar ângulos de incidência entre em relação a normal à superfície absorsora, e que a reflectividade da cobertura transparente (caso exista) varia com este ângulo, é necessário considerar um coeficiente ( ) de correcção a este ângulo ( ). Este coeficiente representa a razão entre o rendimento óptico para um determinado ângulo de incidência e o rendimento óptico num angulo de incidência nulo (raios solares incidente perpendicularmente a superfície absorsora). (3.19) Para valores de ângulos de incidência inferiores a o valor de K é aproximadamente 1, tomando semelhança nos valores para direcção longitudinal ( ) e transversal ( ). Matematicamente a eq. (3.19) pode ser aproximado geralmente à uma equação polinomial do segundo grau, ou por (3.20) Representada graficamente pela seguinte curva: Figura 13-Variação do coeficiente de correcção com o Ângulo de incidência Tratando por semelhança a energia radiactiva utilizando a equação da energia por conduçãoconvecção, e definindo um coeficiente radiactivo temos que (3.21) ou (3.22) e 23 (3.23)

38 ou (3.24) O factor de transferência de calor do painel (fracção solar F S ) é definida como a razão entre o calor recebido pelo fluido e o calor absorvido pelo painel, ou seja, a parcela de energia que é fornecida pelo sistema de aquecimento solar. A fracção solar deve apresentar valores no intervalo de 40 a 90%, em que abaixo deste intervalo o sistema está subdimensionado e, acima deste intervalo o sistema está sobredimensionado. (3.25) sabendo que T E = T, temperatura de entrada da água. A equação (3.13) pode ser expressa por (3.26) logo (3.27) No caso de não haver radiação incidente, o calor captado deve-se apenas a conduçãoconvecção com o ambiente e, a equação anterior torna-se (3.28) E se a temperatura do fluido for igual a temperatura do meio exterior, o calor captado deve-se apenas a radiação incidente, logo (3.29) Em regime estacionário, tem-se. Tendo em conta que o rendimento óptico é definido por (3.30) a partir das eqs. (3.26), (3.27) e (3.30) tem-se 24

39 (3.31) e de (3.17) (3.32) para contabilizar as perdas condutiva-convectivas, utilizando a equação (3.24), a equação (3.26) torna-se (3.33) e a eq. (3.42) (3.34) onde. Em que e representam os coeficientes de perda. No entanto, o rendimento do colector solar poder ser definido (aproximadamente) sabendo o rendimento que o colector teria caso o fluido à entrada estivesse à temperatura ambiente, retirando assim as perdas de calor por condução-convecção. A formulação apresentada, considerando um ou dois coeficientes é universalmente considerada quando são conhecidas as propriedades Modelo do sistema solar térmico Até agora, o balanço de energia foi feito apenas para o absorsor. O esquema seguinte (Figura 14) representa o balanço geral, isto é, desde o painel até ao consumo. A quantidade de energia que entra no sistema é dada por (3.35) e a que sai por (3.36) onde representa a variação de energia do sistema, a energia do apoio, a energia captada pelo colector, a energia dissipada por calor, a energia necessária, as perdas térmicas, as perdas térmicas nas tubagens exterior, as perdas térmicas nas tubagens interior e as perdas térmicas no depósito e a energia associada a água de compensação. A energia de apoio é, para além da energia de aquecimento da água ( ) 25

40 efectuada por um equipamento auxiliar (resistência eléctrica, p. e.), a energia de bombagem ( ) no caso de circulação forçada. Figura 14-Modelo de sistema solar térmico para AQS. (Fonte (Adaptado): Energia solar em edifício, Luís Roriz) A energia necessária ( ) é calculada a partir da expressão (3.37) Onde representa o número de dias por mês, o volume de água consumida por pessoa, a diferença de temperatura e, o número de dias por ano: 26

41 3.2.3 Modelo Horário Considerando um andamento da energia captada semelhante ao da irradiação recebida durante um dia, poderá assim representar-se graficamente as trocas de energias e as necessidade de aquecimento. No caso de as necessidades energéticas e as perdas serem constantes durante o dia (Figura 15), ao início do dia o calor necessário é fornecido pelo sistema de apoio (período 1 da figura). Quando o painel começar a receber irradiação solar, os primeiros instantes (período 2 da figura) serve para o aquecimento do sistema que se encontrava frio devido às temperaturas exteriores durante a noite, até atingir a temperatura predefinida. Figura 15-Trocas de calor: necessidades energéticas constantes em funcionamento diário (Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz) Durante certo tempo, as necessidades de calor são satisfeitas pela energia captada pelo painel e o excesso são armazenadas no depósito de acumulação (período 3 da figura). Quando a temperatura a temperatura limite predefinida é atingida, todo o excesso de calor é dissipado (período 4 da figura). Neste caso o calor captado pelo painel não será suficiente para suprir as necessidades energéticas, mas o calor acumulado no depósito é suficiente para compensar esta diferença (período 5 da figura). Ao final do dia, o painel deixa de captar radiação solar, mas o depósito possui ainda energia acumulada para satisfazer as necessidades energéticas durante algum tempo (período 6 da figura). Quando esta energia se esgota, entra em funcionamento novamente o sistema de apoio (período 1 da figura). Resumidamente, o exemplo da figura 15 nos mostra que o depósito de acumulação está ligeiramente subdimensionado e que, uma maior capacidade permitiria uma maior acumulação de energia e uma redução de energia do sistema de apoio a fornecer. A figura anterior pode ser subdividida em duas figuras, representando o mesmo sistema solar e servindo um sistema com as mesmas necessidades horárias mas com períodos 27

42 e utilização distintos. Como se poderá ver, o calor acumulado, dissipado, fornecido pelo depósito e pelo sistema de apoio são diferentes em cada caso. Figura 16-Trocas de calor: necessidades energéticas no período de radiação solar (Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz) Nesta Figura 16, nos instantes iniciais (período 1 da figura) quando a radiação começa a incidir no painel servem para aquecer o sistema até atingir a temperatura predefinida. Visto não haver necessidades energéticas, o calor captado é armazenado (período 2 da figura). Posteriormente a energia captada pelo painel servem para suprir as necessidades de calor e o excesso é acumulado no depósito (período 3 da figura). Depois de ser atingida a temperatura predefinida, todo calor é dissipado (período 4 da figura). No período 5, o calor captado pelo painel já não é suficiente para satisfazer as necessidades energéticas, mas a energia acumulada no depósito compensa este défice de energia. Após não haver necessidades de calor, o sistema do painel solar, até deixar de captar radiação solar, acumula o calor no depósito (período 6 da figura). Neste caso, contrário ao anterior, não existe necessidade de sistema de apoio, mas é de salientar a importância da energia captada pelo painel ter sido dissipada: este sistema estava sobredimensionado. No segundo caso (Figura 17), nos instantes em que a radiação começa a incidir no painel, os primeiros momentos servem para efetuar o aquecimento do sistema até atingir a temperatura predefinida (período 1 da figura). No período 2 o calor captado é logo armazenado no depósito por não haver necessidades energéticas. Quando a temperatura predefinida é atingida, todo o excesso de calor é dissipado (período 3 da figura). Posteriormente, ao 28

43 existirem necessidades de calor, inicialmente estas são satisfeitas, em parte, pela energia captada pelo painel e as restantes pela energia acumulada pelo depósito (período 4 da figura). Figura 17-Trocas de calor: necessidades energéticas no período noturno (Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz) Ao final do dia, quando o painel já não receber radiação solar, as necessidades energéticas são supridas pela energia acumulada no depósito (período 5 da figura). Ao esgotar a energia acumulada, todas necessidades de calor são supridas pelo sistema de apoio (período 6 da figura). Diferente dos outros, este depósito de acumulação está subdimensionado. A implementação desta análise para uma qualquer resolução temporal t é baseada em duas equações importantes que se seguem: (3.38) (3.39) Onde representa a energia acumulada no instante t, a energia absorvida no instante, a energia absorvida no instante anterior a t, a energia de apoio no instante t e a energia necessária ao consumo no instante t. Se, acumulou-se mais energia do que o necessário, no entanto, não há necessidade de Apoio mas sim de dissipação de energia caso necessário, ou seja,. 29

44 3.3 Implementação do Modelo O modelo descrito em 3.2 foi implementado numa folha de cálculo. A figura 18 representa o modelo analisado em termos mensais, e a figura 19 mostra-nos uma parte do modelo horário, isto é, a análise energética de todas as horas do ano, num total de 8760 horas. Figura 18-Modelo mensal 30

45 Figura 19-Modelo Horário 31

46 3.4 Implementação do Modelo no Solterm O Solterm é um programa de análise de desempenho de sistemas solares térmicos e fotovoltaicos, especialmente ajustado às condições climáticas e técnicas de Portugal. A análise de desempenho de um sistema solar é feita via simulação energética em regime quasiestacionárias: isto é, são simulados os balanços energéticos no sistema em intervalos curtos (5 minutos), durante os quais se considera constante o estado do ambiente e o do sistema. Nestas simulações são usadas informações sobre: Configuração / dimensionamento do sistema Estratégias de controlo e operação Radiação solar horizontal e temperatura ambiente em base horária Obstruções, sombreamentos, albedo das redondezas, turbidez da atmosfera Características técnicas dos componentes (coletores, armazenamento, etc.) Consumo (ou carga ) do sistema em base horária média mensal As informações são armazenadas segundo categorias, algumas em bancos de dados que podem ser geridos e expandidos pelo utilizador. O programa traz já consigo na instalação um conteúdo inicial nestes bancos de dados, em que se realçam os dados meteorológicos de cada concelho de Portugal e os dados dos coletores e kits de tecnologia solar térmica, que à data de lançamento da versão estejam ensaiados e certificados segundo regras europeias da marca Solarkeymark 1 ou Certif 2. No entanto os restantes bancos de dados (depósitos/permutadores, coletores, baterias, ) também já incluem um conteúdo inicial substancial. A partir dos resultados das simulações de um sistema é possível obter o seu pré-dimensionamento - aliás são fornecidas no programa algumas ferramentas de otimização automática sob vários critérios energéticos. O programa possui uma interface amigável e de fácil compreensão. A figura 20 representa a secção na qual escolhemos as propriedades do sistema, vocacionada para o RCCTE 3, na figura 21 é apresentada a secção na qual é feita a escolha dos dados climáticos

47 Figura 20-Ambiente de trabalho do programa Solterm e seleção de dados Na figura 21, indicamos em que conselho estará localizado o sistema, sendo que permite fazer ajustes de dados locais caso o utilizador tenha melhor informação. Figura 21-Escolha das condições climáticas no programa Solterm 33

48 Na figura 22, definimos os perfis de consumo, bem com as temperaturas de entradas de água. Figura 22-Escolha de perfil de consumo Finalmente, na figura 23 obtêm-se os resultados da análise energética da simulação do problema. Figura 23-Análise de resultados 34

49 Onde surgem os seguintes parâmetros: Rad.Horiz. energia acumulada (mensal ou anual) da radiação solar global na horizontal à superfície, por unidade de área (kwh/m²). A radiação global é a soma das componentes direta (vinda da direção do Sol) e difusa (vinda do hemisfério celeste e refletida do solo e superfícies junto ao solo) da radiação. Rad.Inclin. energia acumulada (mensal ou anual) da radiação solar global à face dos coletores solares, por unidade de área (kwh/m²), portanto num plano inclinado. Note-se que este valor não tem incluído o efeito dos modificadores de ângulo de incidência. Desperdiçado energia acumulada (mensal ou anual) que o sistema solar recolhe mas tem de dissipar (kwh). O desperdício de energia recolhida surge quase sempre por se ultrapassarem limites de temperatura de armazenamento de água em situações em que o consumo é pequeno ou nulo. Este valor não deve ser confundido com as perdas térmicas em depósitos, tubagens, etc. Fornecido energia acumulada (mensal ou anual) que o sistema fornece para consumo (kwh). Trata-se de energia final útil, i.e. efetivamente entregue. Este valor é designado por Esolar nos Regulamentos Energéticos para Edifícios, vd. Decreto-Lei no. 80/2006, de 4 de Abril. Carga valor acumulado (mensal ou anual) da energia solicitada para consumo (kwh). Apoio energia acumulada (mensal ou anual) entregue para consumo pelo sistema de apoio, ou auxiliar, para complementar a energia fornecida pelo sistema solar (kwh). Trata-se de energia final útil; o valor de energia final correspondente será superior, e ainda mais o valor de energia primária. Fração solar trata-se da percentagem de energia útil fornecida para consumo a partir de radiação solar (razão Fornecido / Carga em valores anuais). É portanto a contribuição do sistema solar em si para o consumo solicitado. A fração solar é a principal medida de avaliação de desempenho em sistemas solares térmicos. Em geral procura-se atingir uma fração solar (anual) entre 40% e 90%. Abaixo desta gama o sistema estará em geral subdimensionado; acima desta gama é frequente que esteja sobredimensionado. No entanto, trata-se apenas de valores guia para situações típicas. Em muitos casos, tais como cargas noturnas ou cargas fortemente sazonais (concentradas no Verão ou no Inverno), esta indicação não é adequada. De qualquer modo é sempre insuficiente usar a fração solar anual como critério único de dimensionamento. 35

50 36

51 Capítulo 4 ANÁLISE DE RESULTADOS E DISCUSSÕES Após o desenvolvimento do modelo horário, esta secção introduz a análise dos resultados. O sistema testado consiste num sistema solar térmico com colector plano e um depósito de água de 160L com apoio eléctrico. Numa primeira fase são definidos os casos de consumo que servirão de teste ao modelo. Numa segunda fase, o modelo desenvolvido, mas funcionando com resolução mensal é comparado com o modelo implementado no Solterm. Finalmente, é aplicado o modelo horário para os perfis de consumo descritos e é feita uma comparação em função da energia de apoio que é efectivamente considerada no modelo e em função dos custos de diferentes tarifas, como forma de representar o impacto da modelação horária na operação detalhada do sistema. 4.1 Definição dos perfis de consumo Nesta tese, consideramos 3 perfis de consumo que exigirão diferentes apoios de energia, como podemos observar na figura seguinte: Figura 24-Perfil de Consumo No perfil 1 considerou-se o consumo repartido entre a manhã e a noite, representativo de uma família de 2 adultos que tomam banho de manhã e 2 crianças que tomam banho ao final do dia, em conjunto com algumas lides domésticas; 37

52 No perfil 2, temos um consumo sobretudo matinal de uma família de 2 adultos e 2 jovens, onde as necessidades de consumo estão centradas no período da manhã (120L) e algum consumo ao final do dia nas actividades domésticas. No perfil 3, temos uma utilização ao longo do dia que representa famílias com pessoas em casa a meio dia. 4.2 Validação do Modelo para uma resolução temporal mensal Nesta secção vamos validar o modelo desenvolvido com o solterm, comparando os valores mensais. Neste caso no nosso modelo dá sempre igual para qualquer dos perfis, pois as contas são feitas com as mesmas necessidades térmicas globais para os 3 perfis (160 litros por dia). Os dados específicos do sistema solar são os indicados na tabela 3. Tabela 2-Dados de entrada. Lisboa Propriedades do material Colectores ESE Módulos Painéis 5 Área [m2] 11,6 η0,n 0,8 ε 0,7 a1 [W/m2.K] 3,5 a2 [W/m2.K2] 0,016 α 45 βc 45 αs 90 αw 30 Consumo VAQS [l] 40 TN 4 Ucc [W/m2.K] 1,8 38

53 Tabela 3-Resultados Solterm vs Modelo Qfornecido [kwh] Qnecessário [kwh] Qapoio [kwh] Fs SolTerm Modelo SolTerm Modelo SolTerm Modelo SolTerm Modelo Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Total Anual ,91 0,90 Erro (%) 1,68 2,5 8,20 1,1 Dos resultados apresentados na tabela 4, verifica-se que existe pequenas diferenças mensais na energia absorvida e as necessidades térmicas. Isto deve-se ao facto de que como no modelo, não foram contabilizadas as perdas de energias nas tubagens, nem tão pouco no depósito propriamente dito, pelo que a energia fornecida no modelo é sempre maior do que o Solterm e a realidade. Contudo, esta simplificação apresenta um erro de 1,68%. Em relação às necessidades, as diferenças têm a ver com o facto de no modelo a água na instalação é considerada sempre a mesma temperatura (15º C), o que não é verdade para todos os meses, sendo maior nos meses de verão. Em particular o Solterm utiliza valores diferentes do 15º C considerado no modelo Contudo, mais uma vez o erro é de apenas 2,5%. No caso do apoio, as grandes diferenças têm a ver com os desperdícios de energia, apresentando neste caso 25kWh de apoio a mais do que o Solterm, o que significa um erro de 8,2%. De modo geral, nota-se que o valor da fração solar apresentam valores semelhantes. Esta diferença deve-se a vários fatores, que afetam a fração solar de um sistema, tais como a temperatura de utilização da água de consumo, o número de habitantes, volume consumido por habitante por dia e ainda o volume do depósito. Considera-se assim validade o modelo, com um erro inferior a 10%. Tendo-se validado o modelo, os resultados apresentado na tabela 4, podem ser explicadas nas três figuras seguintes, de como variam as energias fornecida pelos coletores, a energia necessária, a energia do apoio e, bem como a fração solar do sistema. Estes gráficos 39

54 ilustram três casos que apresentam a distribuição da energia média mensal necessária para a produção de um determinado volume de AQS com a respetiva contribuição dos coletores solares, mas fazendo variar a o consumo de AQS. A diferença entre ambas está na energia não fornecida pelos coletores solares que terá que ser fornecida pelo apoio (sistema convencional de aquecimento). Os respetivos gráficos mostram ainda que, nos meses de Verão, com o aumento da temperatura da água da rede, a energia necessária para aquecer o mesmo volume de água é inferior quando comparada com os meses mais frios, em contrapartida o apoio será maior nos meses mais frios do que nos meses de verão. Fixando o valor 250 kwh de energia necessária como referência nos três gráficos que ilustram os cenários descritos, é fácil observar as variações referidas. Caso 1 Quando o consumo de AQS é o previsto no dimensionamento do sistema, os coletores solares proporcionam a energia suficiente para suprir cerca de 80% das necessidades e funcionam com um rendimento adequado. Neste exemplo, realizado para um consumo médio diário de 160 litros de AQS, a energia necessária é de 3040 kwh/ano e a contribuição dos coletores solares são de 2738 kwh/ano. A energia de apoio anual será neste caso de 302 kwh/ano, tendo uma fração solar de 0,90. Figura 25-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 160 l Este exemplo nos mostra um caso de sistema ligeiramente sobredimensionado, como descrito anteriormente e representado na figura

55 Caso 2 Figura 26-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 120 l Quando o consumo é inferior ao previsto, a contribuição dos coletores solares também será inferior, mas terá um maior impacto na contabilização total. No caso 2 como se pode ver na figura 26, para um consumo diário de AQS de 120 litros, a energia necessária seria de 2280 kwh/ano, enquanto que os coletores contribuiriam com a mesma quantidade de 2738 kwh/ano, o que representa mais de 100% das necessidades, significando assim que o sistema está sobredimensionado. Nesta situação, as temperaturas de funcionamento seriam mais elevadas e o rendimento dos coletores seria mais baixo e a fração solar muito acima da unidade. A solução deste problema encontra-se na diminuição da energia absorvida, diminuindo a área dos colectores. Neste caso o sistema está sobredimensionado, pois a fracção solar apresenta um valor acima dos 90%. Caso 3 Finalmente, quando o consumo é superior ao previsto, os coletores solares proporcionam mais energia, embora a sua contribuição no total seja menor. Na figura 26, para um consumo de 200 litros por dia, a energia necessária seria de 3800 kwh/ano, sendo constante a contribuição dos coletores solares, 2738 kwh/ano, o que representara cerca de 70% de satisfação das necessidades pelo sistema solar. As temperaturas de funcionamento são mais baixas e o rendimento dos coletores tendem a aumentar. A energia de apoio também terá um acréscimo significativo passando a ter um valor de 694 kwh/ano. 41

56 Figura 27-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 200 l Das análises feitas para os três casos, podemos concluir que os consumos possuem grande influência directa nos benefícios energéticos dos painéis solares. A Tabela 4 quantifica e resume todos estes resultados. Tabela 4-Resultados referentes aos casos analisados Qfornecido [kwh] Qnecessário [kwh] Qapoio [kwh] Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 1 Caso 2 Caso 3 Caso 1 Caso 2 Caso 3 Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Total Anual

57 kwh/dia kwh/dia 4.3 Resultados para o modelo de resolução horária Nesta secção vamos fazer uma análise dos resultados para o modelo horário, considerando os 3 perfis de consumo representado na figura 24, para todas estações do ano Inverno Perfil 1 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio 0, t [h] Figura 28-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil1) Perfil 2 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Energia Necessária Energeia Acumulada Energia de Apoio 0, t [h] Figura 29-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil2) Os perfis 1 e 2, apresentam períodos de consumo semelhantes, mas diferem no volume de consumo. É de notar que das 10 as 19h em qualquer dos casos não há necessidade de 43

58 kwh/dia consumo, mas existe no entanto radiação suficiente para neste casos que toda energia captada seja então armazenada até atingir a temperatura limite, sendo o resto dissipada, que não é o caso. Perfil 3 3,5 3 2,5 2 1,5 1 Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio 0, t [h] Figura 30-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil3) Neste perfil, diferente dos outros, temos necessidade energética no período de elevada radiação. Contudo, devido à fraca radiação deste dia em particular, o apoio ainda é totalmente necessário, consumindo-se totalmente a energia captada pelo coletor, e a restante fornecida pelo sistema de apoio. Desde o começo do dia, todo o calor necessário ao aquecimento é fornecido pelo sistema de apoio, mas a partir dum certo período da figura a radiação solar já começa a incidir sobre o painel, embora insuficiente, e servirá no entanto para aquecer o sistema frio. No fim do dia, quando a radiação começa a diminuir, as necessidades de calor voltam a ser fornecidas pelo sistema de apoio. Como se pode observar, não existe energia acumulada ao meio dia, diferente dos gráficos 28 e 29, isto deve-se ao facto de se estar a consumir ao mesmo tempo que se acumula. 44

59 kwh/dia kwh/dia Primavera Perfil 1 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio 1 0, t [h] Figura 31-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil1) Perfil 2 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio 1 0, t [h] Figura 32-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil2) 45

60 kwh/dia kwh/dia Perfil 3 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio 1 0, t [h] Figura 33-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil3) Na primavera, tipicamente num dia de maio ou princípio de junho a radiação solar aparece mais cedo e é mais elevada do que a do inverno. Neste caso, como se pode observar nas figuras 30, 31 e 32, houve maior acumulação de energia dos dias anteriores, resultando assim numa menor necessidade de recurso a energia de apoio Verão Perfil Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio t [h] Figura 34-Disponibilidade energética dia de verão (perfil1) 46

61 kwh/dia kwh/dia Perfil Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio t [h] Figura 35-Disponibilidade energética dia de verão (perfil2) Perfil Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio t [h] Figura 36-Disponibilidade energética dia de verão (perfil3) Diferente das outras estações, o verão é estação com maior radiação solar. Para além disso, a radiação começa mais cedo do que qualquer outra estação. Nesta estação há maior acumulação de energia, e consequentemente maior dissipação de calor devido a elevada radiação solar. Nas primeiras horas do dia, entre 0 e 8h, as necessidades são fornecidas pela quantidade armazenada no dia anterior ou pelo sistema de apoio, caso necessário. A partir das 8h, já se começa a sentir a radiação solar, isto é, o sistema solar já começa a proporcionar certa quantidade de energia necessária para satisfazer totalmente os consumos. 47

62 4.3.4 Outono Perfil Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio Figura 37-Disponibilidade energética dia de outono (perfil1) Perfil Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio Figura 38-Disponibilidade energética dia de outono (perfil2) 48

63 Perfil Energia Necessária Energia Acumulada Energia de Apoio Figura 39-Disponibilidade energética dia de outono (perfil3) No outono, como podemos observar a partir dos gráficos 45, 46 e 47, existe uma mínima necessidade de recurso a energia de apoio, semelhante a primavera. Cerca de 40% das necessidades energética do primeiro período do dia são supridas pela energia acumulada no dia anterior. 4.4 Comparação de resultados: Modelo horário vs mensal A tabela 6 sumariza os resultados indicados na tese. Como se pode observar, as necessidades de apoio aumentam significativamente quando se considera uma resolução temporal horária. Tabela 5-Comparação de resultados Total Anual [kwh] Mensal Horário Solterm Modelo Perfil 1 Perfil 2 Perfil 3 Qfornecido Qnecessário Qapoio Fração Solar 0,91 0,9 0,89 0,89 0,62 Como podemos observar na tabela 6, não há diferenças significativas na energia fornecida entre o modelo mensal e horário, nos perfis 1 e 2. Contudo para o perfil 3 já existem diferenças significativas. Isto deve-se ao facto de que no modelo horário, a energia é acumulada de hora em hora, e quando não é utilizada, ou seja quando se excede a 49

64 temperatura requerida, há mais necessidades de dissipação de energia, motivo pela qual temse maior energia de apoio no modelo horário do que no mensal. No geral, em termos de fração solar existe apenas divergência no perfil 3, devido ao consumo de energia nas horas de elevada radiação. Em termos de custos de energia, podemos observar que a tarifa simples venha ser mais económico do que as restantes tarifas, sendo a tarifa tri-horária menos económica como se pode observar na tabela abaixo representada. Os preços relativamente ao total anual são maiores no perfil 3 e menores no perfil 1, isto porque, como anterior calculado, a energia de apoio é maior no perfil 3 e menor no perfil 1, tendo o perfil 2 valores semelhantes ao perfil devido a semelhança no período de consumo de energia diária. Tabela 6-Avaliação de custos Perfil 1 Perfil 2 Perfil 3 Custo [ /dia] Total Anual Inverno Primavera Verão Outono [ ] Tarifa Simples 1, , , ,09 Tarifa Bi-horária 1, , , ,60 Tarifa Tri-horária 1, , , ,27 Tarifa Simples 1, , , ,98 Tarifa Bi-horária 1, , , ,60 Tarifa Tri-horária 1, , , ,12 Tarifa Simples 1, , , ,93 Tarifa Bi-horária 1, , , ,26 Tarifa Tri-horária 1, , , ,85 50

65 Capítulo 5 CONCLUSÃO E TRABALHO FUTURO Os sistemas solares térmico permitem o aquecimento de águas sanitárias através do aproveitamento da energia proveniente do sol. Portugal tem condições excelentes para o aproveitamento desta fonte de energia, pelo que a utilização de coletores solares para o aquecimento de águas sanitárias permite uma diminuição dos custos energéticos e dos impactes ambientais e a sua utilização tem vindo a crescer significativamente nos últimos anos. Num contexto onde a optimização do sistema com vista à maximização da sua eficiência técnica e económica, os sistemas solares térmicos podem ainda desempenhar um papel adicional, ainda que indirecto, na integração de energias renováveis na geração de energia eléctrica. Em geral, nos meses de inverno, os sistemas solares térmicos necessitam de outra fonte de energia para apoiar o aquecimento de águas sanitárias, em geral gás ou electricidade. No caso do apoio ser eléctrico, o sistema solar térmico pode então ser utilizado como sistema de armazenamento indirecto, ao utilizar o apoio quando à produção em excesso de energias renováveis na rede e assim evitar a sua utilização em períodos do dia onde a utilização de energia para apoio seja menos interessante. A utilização do solar térmico nesta vertente pode ser vantajosa em edifícios residenciais com geração de electricidade no local e assim optimizar o consumo de energias para uma situação de casas de balanço zero. Para utilizar os sistemas solares térmicos desta forma, é necessário ter um modelo de funcionamento com uma resolução temporal pelo menos horária, quando em geral os modelos disponíveis consideram resoluções temporais mensais (e.g. Solterm). Assim, esta tese apresentou a modelação de um sistema solar térmico convencional para utilização no sector residencial com resolução horária e compara os resultados do modelo com o software de referência para Portugal, o Solterm. A tese apresentou ainda uma análise ao impacto do consumo de electricidade no apoio para diferentes estações do ano e considerando diferentes perfis de consumo de águas quentes sanitárias, demonstrando através do impacto nos custos que a utilização de um modelo de resolução horária tem um impacto significativo na análise da operação do sistema. Sugere-se como trabalho futuro, o desenvolvimento do modelo de forma a incluir as perdas nas tubagens e no depósito, de forma a tornar o modelo ainda mais realista, reduzindo as actuais margens de erro. 51

66 52

67 REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA Baden, S., Fairey, P., Waide, P., & Laustsen, J. (Agosto de 2006). "Hurdling Financial Barriers to Lower Energy Buildings: Experiences from the USA and Europe on Financial Incentives and Monetizing Building Energy Savings in Private Investment Decisions.". Obtido em Abril de 2013, de Proceedings of 2006 ACEEE Summer Study on Energy Efficiency in Buildings, American Council for an Energy Efficient Economy, Washington DC: Cengel, Y. (2010). Fluid Mechanics. Tata McGraw Hill Education Private. Cengel, Y. (2007). Heat and mass transfer: a practical approach. McGraw-Hill. Cengel, Y., & Boles, M. (2006). Thermodynamics: An Engineering Approach. McGraw-Hill Higher Education. Concurso Solar: Padre Himalaya. (2004). Obtido em Agosto de 2012, de Guia Didáctico de Energia Solar: Duffie, J. A., & Beckman, W. A. (1991). Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons. Goswami, Y., Kreith, F., & Kreider, J. F. (2000). Principles of Solar Engineering. Taylor & Francis. GrauSolar. (2011). GRAUSOLAR- Energias renováveis e Aquecimento Central. Obtido em Junho de 2012, de GreenPro. (Janeiro de 2004). Obtido em Setembro de 2012, de Manuais para instalações de solar térmico, fotovoltaico e biomassa: Incropera, F., & Dewitt, D. (2008). Fundamentos de transferência de calor e de massa. LTC. Museu da eletricidade. (18 de Outubro de 2008). wikienergia. Obtido em Setembro de 2012, de r%29 Prakash, G. &., & Garg, H. P. (2000). Solar Energy: Fundamentals and Applications. Tata McGraw-Hill Education. Rabl, A. (1985). Active Solar Collectors and Their Applications. USA: Oxford University Press. Roaf, S., Crichton, D., & Nicol, F. (2009). Adapting buildings and cities for climate change. A 21st Century Survival Guide. Oxford: Architectural Press. Roriz, L., Rosendo, J., Lourenço, F., Calhau, K., & Morais, F. (2010). Energia Solar em Edifícios. Lisboa: Edições Orion. 53

68 U.S. Department of Energy. (27 de Setembro de 2012). Obtido em Abril de 2013, de Annual Energy Review 2011: Universidade Federal do Paraná. (s.d.). Obtido em Outubro de 2012, de Departamento de Física - UFPR: 54

69 Anexo A: Fundamentos sobre energia solar O sol é a maior fonte de energia disponível para Terra. A energia solar é indispensável não só como fonte de energia, mas também para a existência de vida na Terra, sendo o responsável para a realização de processos químicos e biológicos. É a fonte de energia que controla a circulação da atmosfera. O Sol emite energia em forma de radiação eletromagnética, da qual uma parte é intercetada pelo sistema Terra-atmosfera e convertida em outras formas de energia como, por exemplo, calor e energia cinética da circulação atmosférica. É importante notar que a energia pode ser convertida, mas não criada ou destruída. É a lei da conservação da energia. Por outro lado, a energia Solar é das mais amiga do ambiente, podendo ser utilizada de diversas maneiras. No centro do Sol ocorre um processo de fusão nuclear, no qual dois núcleos de hidrogénio se fundem com um de hélio, radiando para o espaço uma grande quantidade de energia. Esta energia é radiada para o espaço em forma de ondas eletromagnéticas. Tendo em conta que o Sol se encontra aproximadamente a 143 milhões de quilómetros da Terra, apenas uma pequena fração da energia irradiada está disponível. No entanto a energia fornecida pelo Sol durante um quarto de hora é superior à energia utilizada, a nível mundial, durante um ano. Figura 40-Raios solar consequente da fusão nuclear no centro do sol (Fonte: Google.pt) O sol, com aproximadamente 5 biliões de anos segundo os astrofísicos e com uma expetativa de existência de 10 biliões de anos, pode ser considerado como fonte de energia para os próximos 5 biliões de anos. Assim, de uma perspetiva humana o sol apresenta uma disponibilidade ilimitada. A energia solar não é distribuída igualmente sobre a Terra. Esta distribuição desigual é responsável pelas correntes oceânicas e pelos ventos que, transportando calor dos trópicos para os polos, procuram atingir um balanço de energia. i

70 Radiação Solar A energia irradiada pelo sol, para a atmosfera terrestre é praticamente constante. Esta mesma energia irradiada pode ser denominada como constante solar por unidade de área num plano perpendicular aos raios solar. Ela está sujeita a pequenas alterações, provocadas pela variação da atividade solar (sun spots) e com a excentricidade da órbita da Terra. Estas variações detetam-se na gama dos raios ultravioletas (UV) e chegam a ser menores que 5%, e não são significativas para as aplicações de tecnologia solar. O valor médio da constante solar é E 0 = 1367 W/m². Segundo os dados astronómicos, sabe-se que a energia solar disponível na Terra é muito variável. Para uma determinada localização esta variação depende da latitude geográfica, do ano e do dia. Devido à inclinação do eixo da Terra os dias de verão são maiores que os dias de inverno, e as altitudes solares que o sol atinge são mais elevadas nos meses de verão do que no inverno. A radiação solar possui duas componentes: a radiação solar direta ( ), proveniente do sol, que atinge a terra sem qualquer mudança de direção e a radiação difusa ( ), que chega aos olhos do observador através da difusão de moléculas de ar e partículas de pó. Na radiação difusa inclui-se também a radiação refletida pela superfície terrestre. A soma das duas radiações (difusa e direta) equivale à radiação solar global.. Esta equação, caso não sejam referidas outras condições, refere-se à radiação sobre uma superfície horizontal. (GreenPro, 2004) Figura 41-Radiação solar. (Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004) ii

71 Na posição vertical do Sol, em relação a uma determinada localização, a radiação solar efetua o caminho mais curto através da atmosfera. Por outro lado, ao posicionar-se a um determinado ângulo (menor que 90º), a radiação efetuará um caminho mais longo, sofrendo a radiação solar uma maior absorção e difusão e, estando disponível uma menor intensidade de radiação. A medida do número de vezes que o caminho da luz solar até à superfície da terra corresponde à espessura de uma atmosfera denomina-se fator Massa de Ar (MA). Com o Sol numa posição vertical ( ) O fator massa de ar apresenta um valor unitário (MA = 1). Mas quando a radiação solar no espaço não sofre influência da atmosfera terrestre o fator massa de ar apresenta um valor nulo (MA = 0). A intensidade da radiação solar ao passar pela atmosfera terrestre também sofre reduções devido a: Reflexão causada pela atmosfera; Absorção através de moléculas na atmosfera (,,, ); Difusão de Rayleigh (difusão de moléculas de ar); Difusão Mie (difusão de partículas de pó e contaminação do ar). A figura 5 representa o espectro da radiação solar para diferentes comprimentos de onda. O espectro da radiação solar está próximo do de um corpo negro com uma temperatura aproximadamente à 5800ºK. Aproximadamente 50% desta radiação situa-se na parte visível de ondas curtas do espectro eletromagnético e a outra metade encontra-se sobretudo na zona dos quase-infravermelhos, Uma pequena parcela está ainda na área ultravioleta do espectro. Quando a radiação ultravioleta não é absorvida pela atmosfera (ou por outro género de proteção) pode provocar uma alteração na pigmentação da pele. Figura 42-Espectro da radiação solar. (Fonte: iii

72 A radiação solar na terra apresenta-se como luz do dia quando o Sol está acima da linha do horizonte. Isto acontece durante o dia, e não só, durante as noites de Verão nos pólos (mas nunca durante o Inverno). Quando a radiação direta não é bloqueada pelas nuvens, a perceção de uma luz brilhante muito forte é associada ao aquecimento do corpo, do solo e de outros objetos (que dependem da absorção da radiação). A distribuição da intensidade da radiação solar varia igualmente segundo a estação e a latitude. Assim, a latitudes de 65º a diferença da energia solar entre o Inverno e o Verão pode variar mais de 25% em resultado da variação orbital da Terra. (Museu da eletricidade, 2008) A nebulosidade ou o estado do céu é o segundo fator decisivo depois das condições astronómicas, a afetar a disponibilidade da radiação solar. A energia irradiada tal como a quantidade de radiação difusa e direta varia com a quantidade de nuvens. Figura 43-Irradiação solar global e os seus componentes para diferentes condições do céu. (Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004) Em Portugal o valor do somatório da média anual da irradiação solar global - valor importante para o dimensionamento de sistemas solares - encontra-se entre aproximadamente 1400 kwh/m 2 em Vila Real (norte) e 1700 kwh/m 2 em Faro (Sul) com um incremento de Norte para Sul. No entanto a variação da radiação solar útil entre o Sul e o Norte de Portugal, aproveitada por um sistema solar para aquecimento de água, não é significativa. Movimentos da Terra, Estações A Terra possui dois movimentos principais: rotação e translação. A rotação é o movimento que a terra faz em torno do seu eixo, e, é responsável pelo ciclo dia-noite. A translação refere-se ao movimento da Terra em sua órbita elíptica em torno do Sol. A posição mais próxima ao Sol denomina-se Perihélio (147*10 6 km), é atingido aproximadamente em 3 de janeiro. A mais distante denomina-se Afélio (152*10 6 km), em aproximadamente 4 de julho. As variações na radiação solar recebida devidas à variação da distância são pequenas. A figura 7 mostra-nos o plano da elíptica, na qual a Terra efetua os seu movimentos em relação ao sol. iv

73 As estações são causadas pela inclinação do eixo de rotação da Terra em relação ao eixo perpendicular ao plano definido pela órbita da Terra (plano da eclíptica, Fig. 44). Esta inclinação é representada por um ângulo chamado de declinação solar ( ), ângulo entre o plano equatorial e o plano da elíptica e tem valor absoluto aproximado de e nos solstícios nos equinócios. Na figura seguinte (fig. 45) estão também representadas as estações do ano para ambos os hemisférios (sul e norte). No caso concreto de Portugal temos as seguintes estações: Figura 44-Plano da eclíptica. Fonte: Energias Renováveis, IST Primavera: 21 de Março a 21 de Junho Verão: 21 de Junho a 23 de Setembro Outono: 23 de Setembro a 21 de Dezembro Inverno: 21 de Dezembro a 21 de Março Figura 45-Estações do ano a nível mundial. Fonte: MAGNOLI, D.; SCALZARETTO. R. Geografia, espaço, cultura e cidadania. São Paulo: Moderna, v. 1. (adaptado) v

74 Devido a inclinação, a orientação da Terra em relação ao Sol muda continuamente enquanto a Terra gira em torno do Sol. O Hemisfério Sul inclina-se para longe do Sol durante o inverno e em direção ao Sol durante verão. Isto significa que a altura solar, o ângulo de elevação do Sol acima do horizonte, (ver sistema de coordenadas horizontais na Fig. 46) para uma dada hora do dia (por exemplo, meio dia) varia no decorrer do ano. No hemisfério de verão as alturas Solar são maiores, os dias são mais longos e há mais radiação solar. No hemisfério de inverno as alturas Solar são menores, os dias mais curtos e há menos radiação solar. Figura 46-Coordenadas Horizontais (Fonte: Figura 47-Coordenadas Geográficas (Fonte: vi

75 A quantidade total de radiação solar recebida depende não apenas da duração do dia como também da altura do Sol. Como a Terra é curva, a altura do Sol varia com a latitude (ver sistema de coordenadas geográficas na Fig. 47), Isto pode ser visto na Fig 48. A altura do Sol influencia a intensidade de radiação solar, ou irradiância, que é a quantidade de energia que atinge uma área unitária por unidade de tempo (também chamada densidade de fluxo). Primeiro, quando os raios solar atingem a Terra verticalmente, eles são mais concentrados. Quando menor a altura solar, mais espalhada e menos intensa a radiação (Figura 48). Segundo, a altura do sol influencia a interação da radiação solar com atmosfera. Quando a altura do sol diminui, o percurso dos raios solar através da atmosfera aumenta (Figura 48) e a radiação solar sofre maior absorção, reflexão ou espalhamento, o que reduz sua intensidade na superfície. Figura 48-Variação da altura do Sol com a latitude. (Fonte: Há 4 dias com especial significado na variação anual dos raios solares em relação à Terra. No dia 21 ou 22 de dezembro os raios solares incidem verticalmente ( ) em S (Trópico de Capricórnio). Este é o solstício de inverno para o Hemisfério Norte (HN). Em 21 ou 22 de junho eles incidem verticalmente em N (Trópico de Câncer). Este é o solstício de verão para o HN. A meio caminho entre os solstícios ocorrem os equinócios (dias e noites de igual duração). Nestas datas os raios verticais do Sol atingem o equador (latitude = 0 ). No HN o equinócio de outono ocorre em 22 ou 23 de setembro e o de primavera em 21 ou 22 de março. As direções relativas dos raios solares e a posição do círculo de iluminação para essas datas estão representadas na Fig. 49. vii

76 Figura 49- Características dos solstícios e equinócios (Fonte: A incidência de raios verticais do sol, portanto, ocorre entre N e S. Todos os locais situados na mesma latitude tem idênticas alturas do Solar e duração do dia. Se os movimentos relativos Terra-Sol fossem os únicos controladores da temperatura, estes locais teriam temperaturas idênticas. Contudo, apesar da altura do Sol ser o principal controlador da temperatura, não é o único. (Universidade Federal do Paraná) viii

77 Influência da orientação Os dados e figuras que se apresentaram até agora, referem-se a uma superfície horizontal recetora, p.e. um telhado em forma de terraço. Para diferentes ângulos de incidência do sol ao longo do ano, a uma determinada latitude, existe um valor máximo de radiação produzida que poderá ser obtida se a superfície recetora estiver inclinada a um determinado ângulo. O ângulo de inclinação ótimo, para os meses de Inverno (menor radiação) é maior que no Verão por causa da menor altura solar. Para a tecnologia solar são usados os seguintes ângulos: Tabela 7-Ângulos utilizados em tecnologia solar. (Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004) Altura Solar Azimute Solar Inclinação Superficial Azimute Superficial Figura 50-Descrição dos ângulos para a tecnologia solar. (Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004) ix

78 x

79 Anexo B: Informações complementares de sistemas solar térmicos Define-se sistema solar térmico como um equipamento que aquece a água a partir do Sol. Este sistema possui duas componentes essenciais: o coletor solar para captação da energia solar e o depósito para armazenamento de água quente. Estes dois componentes podem ser interligados com ou sem bomba de circulação, dependendo da possibilidade de colocar ou não o depósito de acumulação a um nível mais elevado que o coletor solar. Os sistemas solares mais utilizados para aquecimento solar de águas sanitárias, no sector doméstico são: i) Os monoblocos - sistemas compactos em que a captação e o armazenamento formam uma unidade, com ou sem utilização de bomba de circulação; estes sistemas destinam-se a satisfazer as necessidades de água quente de uma família. ii) Os sistemas coletivos - sistemas que servem para mais de uma família num mesmo edifício. Os sistemas solar térmico são também classificados em função de vários parâmetros, dentre eles: A movimentação do fluido, número de circuitos existentes, fixo ou orientável, forma de aquecimento de apoio e a forma como é garantido o não funcionamento quando as condições exteriores são adversas (evitar sobreaquecimento ou congelação da água no sistema). Quanto a transferência do calor, podem realizar-se de duas maneiras: circulação forçada através da instalação de uma bomba ou circulação natural (termosifão). A escolha do tipo de sistema depende da carga energética a cobrir e da possibilidade de colocar o depósito a um nível superior ou inferior aos coletores. Normalmente o sistema de termossifão é aconselhado para pequenas instalações e o sistema de circulação forçada para instalações médias ou grandes. (Roriz, Rosendo, Lourenço, Calhau, & Morais, 2010) Sistema passivo (Circulação natural ou Termosifão) A circulação natural ou Termosifão é o sistema em que circulação é feita por gravidade, ou seja o depósito encontra-se a um nível superior ao coletor solar. Neste caso, o fluido em contacto com o absorsor (coletor) aquece e a sua densidade diminui, o que permite a sua ascensão até ao depósito sendo substituído no interior do coletor pelo fluido de transferência térmica mais frio, proveniente do fundo do depósito. Desta forma estabelece-se um processo natural de circulação do fluido. Este sistema é aconselhável para pequenas instalações, é um sistema autorregulado, isento de componentes mecânicas ou controlos eletrónicos e não consome energia adicional. A sua instalação é menos dispendiosa e não está sujeita a avarias mecânicas. Em contrapartida tem a inconveniência da possibilidade de inversão do sentido de circulação do fluido durante a noite, o que consequentemente causa o arrefecimento do fluido do depósito. No entanto este problema pode ser facilmente ultrapassado colocando um xi

80 desnível na ordem dos 30 cm entre o coletor e o depósito ou instalando válvulas antirretorno. Para além disso, a instalação de depósito a um nível superior ao coletor pode nalguns casos ser problemática, em termos da garantia do máximo de tempo de exposição à radiação solar. (Concurso Solar: Padre Himalaya, 2004) Figura 51-Circuito termosifão. (Fonte: concurso solar, Padre Hymalaia) A circulação em termosifão é autorregulada, estabelecendo-se sempre que existe suficiente irradiação: Fluido térmico nos coletores aquece, tornando-se menos denso e subindo do coletor para o depósito. Fluido térmico dentro do depósito arrefece e desce para os coletores. Sistema Ativo (Circulação forçada) A circulação deste sistema é forçada através de uma bomba acionada por uma centralina (central de controlo ligada a vários sensores) para otimizar a gestão e eficiência do sistema solar. Os sistemas solares com circulação forçada, além dos componentes já referidos para o termossifão (painéis e depósito), são ainda compostos por: um grupo de circulação, uma centralina de controlo, sondas, purgadores e vaso de expansão do circuito fechado. Se for um sistema com alguma dimensão, de apoio ao aquecimento central ou para aquecimento de piscinas poderá ter um depósito de inércia e permutadores de placa. xii

81 Figura 52-Circulação forçada. (Fonte (Adaptação): concurso solar, Padre Hymalaia) Como vantagens relativamente ao termossifão, salienta-se o facto de ser mais agradável visualmente, pois não tem o depósito por cima dos painéis, e como está normalmente dentro de uma divisão da habitação mantém mais facilmente a temperatura, as desvantagens são a distância das tubagens que transportam o fluido térmico e o preço. É de salientar que um sistema solar bem dimensionado, seja termossifão ou forçado pode satisfazer até 75% das necessidades anuais de água quente sanitária de uma habitação, estando a utilizar uma energia inesgotável e limpa, que não provoca emissões de gases nocivos. Tendo em conta que o sol não está sempre presente, é sempre necessário um sistema de apoio a energia solar. Este apoio poderá ser uma caldeira, um esquentador ou uma resistência elétrica, que entram em funcionamento nos dias sem sol e aquecerão a água até a temperatura pretendida. (GrauSolar, 2011) xiii

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