Energia solar térmica

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1 Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Energia solar térmica 2 º. semestre, 2015

2 Ementa: Conceitos de radiação solar e disponibilidade; Transferência de calor em sistemas de energia solar; Radiação em meios opacos e transparentes; Absorção da radiação em coletores; Teoria dos coletores planos; Dimensionamento de sistemas de aquecimento; Sistemas de concentração; Simulação de sistemas de energia solar; Aplicações. 2

3 Bibliografia: IQBAL, H. An introduction to solar radiation. Toronto: Academic Press, HULSTRON, R. L. Solar resources. Massachusetts: The MIT Press, DUFFIE, J.A.; BECKMAN, W.A. Solar engineering of thermal processes. 3th ed. New York: John Wiley, RABL, A. Active solar collectors and their applications. New York: Oxford University Press, LORENZO, E. Radiación solar y dispositivos fotovoltaicos. Vol. II, Sevilla: Progenza, KALOGIROU, S.A., Solar energy engineering: process and systems. Academic Press, Disponível em: Macagnan, M.H. Introdução à radiação solar. Apostila da disciplina. Disponível em: 3

4 Links interessantes: International Energy Agency - Solar Heating & Cooling Programme SANDIA National Laboratories - Sistemas de Concentração NREL - National Renewable Energy Laboratory IRENA - International Renewable Energy Agency Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE 4

5 Bibliografia: 5

6 Bibliografia: 6

7 Bibliografia: 7

8 Introdução: O Sol é a maior fonte de energia da Terra: grátis, limpa, autônoma, etc., mas Mercado da energia solar em crescimento; Crescente preocupação mundial em relação à sustentabilidade, aquecimento global, meio ambiente, green buildings, etc.; Uso extensivo na China e Austrália para aquecimento doméstico de água; Na Europa, através de políticas de incentivo, para aquecimento de água e espaço além da geração de energia com módulos fotovoltaicos. Em paises do Mediterrâneo é utilizada em sistemas de desalinização ou, mais recentemente, para refrigeração por absorção; Nos Estados Unidos, através de política de impostos ou de programas de concessinárias como reação à volatilidade do preço do petróleo (a maioria das instalações é da década de 80); No Brasil 8

9 Introdução: 9

10 Introdução: A capacidade atual instalada, através de coletores solares térmicos, nos 55 países membros do IEA (International Energy Agency) é aproximadamente 195,8 GWth, o que corresponde a uma produção de energia da ordem de GWh (= 583,649 TJ). Isso corresponde a uma economia da ordem de 17,3 milhões de toneladas equivalentes de óleo; Isso também representa a não geração de 53,1 milhões de toneladas de CO 2. 10

11 Introdução: 11

12 Introdução: 12

13 Introdução: 13

14 Country Water Collectors* * * Air Collectors* * * unglazed FPC ETC unglazed glazed TOTAL [MW th ] Albania Australia 3, , ,820.9 Austria , ,191.3 Barbados* Belgium Brazil , ,278.0 Bulgaria Canada Chile China 9, , ,600.0 Cyprus Czech Republic Denmark Estonia Finland France incl. DOM , ,598.0 Germany , ,627.6 Greece 2, ,860.9 Hungary India 2, ,790.4 Ireland Israel , ,917.8 Italy , ,813.9 Japan 3, ,049.6 Jordan Korea, South 1, ,096.4 Latvia Lebanon** Lithuania Luxembourg Macedonia* Malta Mexico ,078.0 Morocco** Namibia Netherlands New Zealand* Norway Poland Portugal Romania Slovakia Slovenia South Africa Spain , ,722.0 Sweden Switzerland ,312.6 Taiwan 0.1 1, ,432.1 Thailand* Tunisia Turkey 9, ,323.1 United Kingdom United States 13, , ,316.7 Uruguay* Zimbabwe TOTAL 21, , , ,

15 Surpreende notar que entre as aplicações menos difundidas mundialmente está a de aquecimento solar de processos industriais, principalmente sabendo que em diversos setores da indústria, conforme mostra abaixo, aproximadamente 60% da demanda de calor está nas faixas de média (100 a 400 ºC) ou baixa temperatura (abaixo de 100 ºC). Distribuição da demanda de calor na indústria por nível de temperatura Fonte: Vannoni et al. (2008, p.4) 15

16 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / PS Copenhagen 90 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / PS Helsinki 95 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / PS Paris 95 C: 6 m² / ST: 300 l / HWD: 150 l/d / PS Würzburg 80 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / PS Athens 100 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / PS Bologna 100 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / PS Tokyo 96 C: 4 m² / Aplicações: ST: 200 l / HWD: 150 l/d / PS Mexico City 28 C: 2 m² / ST: 150 l / HWD: 150 l/d / PDS Amsterdam 90 C: 4 m² / ST: 300 l / HWD: 150 l/d / TS Wellington 95 C: 6 m² / ST: 300 l / HWD: 150 l/d / PS Oslo 98 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / TS Lisbon 95 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / TS Madrid 95 C: 6 m² / ST: 300 l / HWD: 150 l/d / PS Gothenburg 25 C: 6 m² / ST: 300 l / HWD: 150 l/d / PS Zurich 80 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / PS Istanbul 90 C: 4 m² / ST: 200 l / HWD: 150 l/d / PS London 100 C: 6 m² / ST: 300 l / HWD: 150 l/d / PS Denver Los Angeles 100 ctor area ater storage ater demand / day with 60 C osiphon system ed system ed, drain back system 16 Aquecimento de água quente sanitária.

17 Térmico dos Edificios Aplicações: BRI GATÓRI OS! posição solar adequada Edifícios multifamiliares. unifamiliares, iares e de ços. 17

18 Aplicações: Australia C: 200 m² unglazed plastic absorber n.a. n.a. Sydne Los Ange Austria C: 200 m² unglazed plastic absorber 571,806 2,859 Graz Belgium C: 200 m² unglazed plastic absorber 21, Brusse Canada C: 200 m² unglazed plastic absorber 493,000 2,465 Montre Denmark C: 200 m² unglazed plastic absorber 15, Copenha Finland C: 200 m² unglazed plastic absorber 0 0 Helsink France C: 200 m² unglazed plastic absorber 84, Paris Germany C: 200 m² unglazed plastic absorber 615,000 3,075 Würzbu Italy C: 200 m² unglazed plastic absorber 20, Bologn Japan C: 200 m² unglazed plastic absorber n.a. n.a. Tokyo Mexico C: 200 m² unglazed plastic absorber 283,800 1,419 Mexico C Netherlands C: 200 m² unglazed plastic absorber 100, Amsterd New Zealand C: 200 m² unglazed plastic absorber n.a. n.a. Wellingt Norway C: 200 m² unglazed plastic absorber Oslo Portugal C: 200 m² unglazed plastic absorber 1,000 5 Lisbon Spain C: 200 m² unglazed plastic absorber n.a. n.a. Madrid Sweden C: 200 m² unglazed plastic absorber 30, Gothenb Switzerland C: 200 m² unglazed plastic absorber 221,200 1,106 Zurich United Kingdom C: 200 m² unglazed plastic absorber 0 0 London United States C: 200 m² unglazed plastic absorber 14,513,000 72,565 Denve C: collector area Aquecimento de piscinas. 18

19 Aplicações em sistemas passivos 19

20 Instanbul 0 Kingdom London 0 States Denver Los Angeles 0 collector area hot water storage thermosiphon system pumped system Aplicações: pumped, drain back system hot water demand / day with 60 C space heat demand [kwh/m² a] Calor de processo (com concentração). Aquecimento de água e calefação. Figure 4: Hydraulic scheme of the solar combi reference system ntage of total installed collector area (flat plate and vacuum tube) until 2000 for solar combisystems 30 20

21 Aplicações: Ciclo de potência Concentrador tipo calha parabólica Capacidades das 9 plantas localizadas no Deserto de Mojave, Califórnia. 21

22 Aplicações: 22

23 Aplicações: Ciclo de potência Central tipo Torre. 23

24 Aplicações: Ciclo de potência com coletor Fresnel Linear Puerto Errado 2 (Espanha) Condensado 24 Vapor superaquecido

25 Aplicações: Refrigeração com ciclo de absorção. 25

26 Variabilidade da fonte solar 26

27 Variabilidade da fonte solar 27

28 Variabilidade da fonte solar 28

29 O Sol: Estrela de massa gasosa (H e He), possuindo uma temperatura efetiva de corpo negro de 5777K 29

30 O Sol: 30

31 A constante solar: Constante solar, G sc 1367 W/m Btu/ft 2 h 4,92 MJ/m 2 h Distância média Sol-Terra = 1 UA (unidade astronômica) 31

32 A constante solar: A radiação térmica (radiação na região do espectro desde 0,2 até m) é emitida por todas as substâncias em virtude de sua temperatura. A distribuição espectral da radiação emitida por um corpo negro é dada pela Lei de Planck. Eb 2hC 5 hc exp o 2 o 1 kt onde h é a constante de Planck, k é a constante de Boltzmann. Os grupos 2hC o2 e hc o /k são chamados de primeira e segunda constante de radiação, C 1 e C 2, cujos valores são 3,7405x10 8 W m 4 /m 2 e ,8 mk, respectivamente. Integrando-se a equação acima em todos os comprimentos de onda, chega-se na equação de Stefan-Boltzmann, que calcula a energia total emitida pelo corpo negro, por unidade de área. E b Ebd T 0 4 onde é a constante de Stefan-Boltzmann, igual a 5,6697x10-8 W/m 2 K 4. 32

33 A constante solar: Considerando que o raio do Sol, r s, seja igual a 6,965x10 8, a potência térmica emitida pelo Sol pode ser calculada. E b 0 Ebd T r 5, 6697x x10 3, 8496x10 W s A fração dessa potência recebida na superfície externa da Terra pode ser calculada em função da distância média Terra-Sol, r e, que é igual a 1,496x10 11 m. r e G sc E 4 b 2 re T 4 4r 4r 2 s 2 e T 4 2 s 2 e r r W/m 2 ou seja, a energia/potência recebida em uma superfície é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre a fonte emissora e a superfície receptora. 33

34 O espectro da radiação solar: Radiação que seria recebida na Terra na ausência da atmosfera. 34

35 O espectro da radiação solar: 3.4 Energy Balance of the Earth 55 Fig. 3.7 EM spectrum 3.4 Energy Balance of the Earth The earth radiates the same amount of energy into space as the amount of EM energy absorbed from the sun (Fig. 3.8). Hence, in the long term the energy balance of the earth is essentially zero, except for the small amount of geothermal energy generated by radioactive decay. If the in and out energies are not balanced then the 35

36 A extinção da radiação solar 36

37 A extinção da radiação solar Na absorção a energia de um fóton é retida pela matéria enquanto que na dispersão a radiação é desviada do processo de propagação em linha reta. Assim, absorção atmosférica é um processo de extinção da radiação que reduz a disponibilidade da energia solar na superfície da Terra de maneira considerável. Exemplo: Ozônio (O 3 ) presente na alta atmosfera absorve quase que completamente a radiação de ondas curtas em comprimentos de onda menores que 290 nm. Vapor de água absorve fortemente a parte da radiação no espectro do infravermelho, com bandas de absorção em 1, 1,4 e 1,8 m. Dióxido de carbono (CO 2 ) também absorve fortemente a radiação no infravermelho. Devido a esses dois gases, a transmissão de radiação acima de 2,5 m é muito baixa. Também são absorvedores da radiação o oxigênio e o nitrogênio, em uma grande faxia de comprimentos de onda. 37

38 A extinção da radiação solar Dispersão é um processo onde a radiação é forçada a desviar de sua trajetória em linha reta devido a não uniformidades da atmosfera (moléculas, partículas de poeira, etc.). Para a radiação solar, dois tipos de dispersão podem ser caracterizados: 38

39 A extinção da radiação solar 39

40 O espectro da radiação solar: 40

41 O espectro da radiação solar: Cor, m Irradiância, Wm -2 Porcentagem da I sc Violeta 0,390-0, ,85 7,96 Azul 0,455-0,492 73,63 5,39 Verde 0,492-0, ,00 11,70 Amarelo 0,577-0,597 35,97 2,63 Laranja 0,597-0,622 43,14 3,16 Vermelho 0,622-0, ,82 15,57 Ultravioleta <0,4 109,81 8,03 Visível 0,390-0, ,40 46,4 Infravermelho >0, ,40 46,4 41

42 A órbita terrestre: Equinócio de outono 20/21 março = 0 Solstício de inverno 21/22 junho = ,017 UA 1 UA 0,983 UA 1 UA Solstício de verão 21/22 dezembro = órbita elíptica (Eclíptica) Equinócio de primavera 22/22 setembro = 0 42

43 Variação da radiação extraterrestre: Em função da variação da distância Terra-Sol, a radiação extra-terrestre incidente em um plano normal à radiação varia 3,3%. Pode ser calculada como: I on I sc E o I sc onde é a constante solar (1367 W/m 2 ) e E o é o fator de correção da excentricidade da órbita terrestre, calculado como: E o 1, ,034221cos 0,00128sen 0,000719cos 2 0,000077sen2 Nessa equação,, em radianos, é calculado como: 2 ( d 1)/365 n onde d n é o dia no ano (1 em 1 º de janeiro e 365 em 31 de dezembro) 43

44 Variação da radiação extraterrestre: 44

45 A declinação terrestre: Ângulo formado entre o plano equatorial e a linha que une os centros da Terra e do Sol, ao meio dia. Norte celeste ou polo norte verdadeiro 45

46 A declinação terrestre: Nos equinócios: Nos solstícios: 46

47 A declinação terrestre: Esse ângulo pode ser calculado pela equação: 0, ,399912cos sen 0,006758cos 2 0,000907sen2 0,002697cos3 0,00148sen3 A variação máxima da declinação durante um dia (24 h) acontece nos equinócios e é menor que 0,5 considerando-se constante, nesse caso. 47

48 Geometria Terra-Sol: 48

49 Geometria Terra-Sol: 49

50 Trajetória do sol visto por um observador: 50

51 Tempo solar verdadeiro: O tempo solar verdadeiro (ou hora solar) é o tempo especificado em todas as relações envolvendo a posição do Sol em um determinado momento. Está baseado no movimento angular aparente do Sol através do céu, onde o meio dia solar é a hora em que o Sol cruza o meridiano do observador. TSV TO 4 L L E st loc t hora min min onde TO é a hora oficial, L st a longitude do fuso horário, L loc é a longitude do local e E t é a equação do tempo. A equação do tempo é calculada por: E t (0, ,001868cos 0,032077sen 0,014615cos 2 0,04089sen2)(229,18) A equação do tempo considera a perturbação na taxa de rotação da terra, a qual afeta o tempo que o Sol cruza o meridiano do observador. O último termo da direita na equação é a conversão para minutos. 51

52 Variação anual da equação do tempo: 52

53 Geometria Terra-Sol: 53

54 Geometria Terra-Sol: Latitude: é o ângulo entre o plano do equador à superfície de referência ou posição angular do local, norte ou sul do equador, norte positivo ; Longitude: é medida ao longo do Equador e representa a distância entre um ponto e o Meridiano de Greenwich. Também é medida em graus, podendo ir de 0º a 180º para leste ou para oeste; Ângulo de zênite: ângulo formado entre a vertical e o vetor Terra-Sol, i.é, o ângulo de incidência da radiação direta e a horizontal ( z ); Ângulo de altitude solar: é o ângulo entre a horizontal e o vetor Terra- Sol, i.é, o complemento do ângulo de zênite ( s ); Ângulo de azimute solar: deslocamento angular da projeção do vetor Terra-Sol no plano horizontal ( s ); Ângulo horário: deslocamento angular do sol, leste ou oeste, do meridiano local, devido a rotação da Terra, com 15 por hora. Manhã negativo e tarde positivo. 54

55 Geometria Terra-Sol: Ângulo horário: w = ( TSV -12) 15 Ângulo de zênite: cosq z = cosf cosd cosw +sinfsind Ângulo de altitude solar: Ângulo de azimute solar: a s = 90 -q z g s = sign(w) cos -1 ( ) ( ) cosq zsinf -sind sinq z cosf 55

56 Massa de ar: Massa de ar (m): relação entre a massa de atmosfera através da qual a radiação direta passa e aquela que passaria se o sol se encontrasse no zênite, isto é: m 0 0 d z dd dz Para ângulos de zênite < 70 uma boa aproximação é: 1 m cos z 56

57 Massa de ar: m cos z exp 0,5057 h 1, ,080 0, z Equação empírica (Kasten e Young 1989) considerando que a atmosfera não é plana. Nessa equação, h é a altitude do local, em m. 57

58 Definições: SOLAR TÉRMICO -MANUAL SOBRE TECNOLOGIAS, PROJECTO E INSTALAÇÃO A nebulosidade ou o estado do céu é o segundo factor decisivo - depois das condições astronómicas - a afectar a disponibilidade de radiação solar. A energia irradiada tal como Figura a quantidade Irradiação de radiação solar difusa global e e os seus componentes para diferentes condições do céu directa varia com a quantidade de nuvens. Radiação direta: radiação recebida do disco solar, que não tenha sido dispersada na atmosfera. Com base em dados de irradiação difusa e directa, para a Cidade de Lisboa, verifica-se que a proporção média da radiação solar difusa é de 40% da radiação global, sendo que nos meses de inverno esta proporção aumenta Radiação Directa Radiação Difusa 150 Figura Irradiação solar global e os seus componentes para diferentes condições do céu Irradiação (kwh/m² mês) 100 Radiação difusa: radiação solar recebida do sol após sua direção ter sido mudada pela atmosfera (também 50 chamada de radiação do céu, etc.) Com base em dados de irradiação difusa e directa, para a Cidade de Lisboa, verifica-se que a proporção média da radiação solar difusa é de 40% da radiação global, sendo que nos meses de inverno esta proporção aumenta. Irradiação (kwh/m² mês) Radiação Directa Radiação Difusa Jan. Fev. Mar. Abr. Mai Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. 0 Jan. Fev. Mar. Abr. Mai Jun. Jul. Ago. Set. Out. Nov. Dez. Figura Somatório mensal da irradiação solar global / difusa e directa O valor do somatório da média anual da irradiação solar global - valor importante para o dimensionamento de sistemas solares - encontra-se entre aproximadamente KWh/m 2 em Vila Real (norte) e 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. 58

59 Céu claro, encoberto e parcialmente encoberto 59

60 Definições: Radiação total ou global: é a soma dos dois componentes anteriores, isto é, radiação direta mais a difusa. Irradiância (W/m 2 ): taxa de energia radiante incide em uma determinada superfície, por unidade de área. Figura Radiação global anual em Portugal Irradiação (J/m 2 ): energia incidente em Fonte: uma Atlas determinada do Ambiente, Instituto do superfície, Ambiente por unidade de área, obtida pela integração da irradiância sobre um determinado tempo (geralmente influenciado 1 pela hora radiação ou directa. 1 dia). Durante o ano a irradiação solar global sofre variações ao longo do dia. Esta variação é sobretudo Wh/m²d Directa Difusa Processo típico de radiação direta e difusa durante o dia (hemisfério norte) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec 60

61 Coordenadas para superfícies inclinadas: Ângulo de inclinação: ângulo formado entre o plano da superfície em questão e a horizontal 0 180; Ângulo azimutal da superfície: desvio da projeção da normal da normal da superfície no plano horizontal (). Norte 180; Ângulo de incidência: ângulo entre o vetor Terra-Sol e a normal da superfície (). 61

62 62 Ângulo de incidência: Coordenadas para superfícies inclinadas: sin sin sin cos cos cos sin sin cos cos cos cos cos cos sin cos sin cos sin sin cos ou: s z z cos sin sin cos cos cos

63 Efeito da inclinação da superfície 63

64 Duração do dia: Ângulo de nascimento do Sol: sin sin cos s tan tan cos cos Número de horas de Sol: N 2 15 cos 1 tan tan 64

65 Duração do dia: 65

66 Duração do dia: 66

67 Duração do dia: 67

68 Radiação solar disponível na superfície terrestre: Medidas em estações convencionais: Radiação global horizontal 68

69 Radiação solar disponível na superfície terrestre: Medidas em estações convencionais: Radiação direta 69

70 Radiação solar disponível na superfície terrestre: Radiação direta, global horizontal e difusa horizontal 70

71 Radiação solar disponível na superfície terrestre: Piranômetro bimetálico Robitzch-Fuess (actinógrafo) 71

72 Radiação solar disponível na superfície terrestre: Medidas em estações convencionais: Medidas indiretas Heliógrafo de Campbell-Stokes 72

73 No Brasil: Instituto Nacional de Meteorologia (INMET): 73

74 74

75 Uso de satélites: 75

76 Uso de satélites: INPE: 76

77 Uso de satélites: SWERA: 77

78 Uso de satélites: No mundo: 78

79 Uso de satélites: Comparação entre valores de irradiação diários medidos em relação aos do satélite (SoDa). Comparação entre valores de irradiação médios mensais medidos em relação aos do satélite (SoDa). Fonte: Lorenzo, E., 2009, Evaluación del funcionamiento de centrales fotovoltaicas. UPM/Instituto de Energía Solar. 79