ENERGIA SOLAR E APLICAÇÕES

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1 ENERGIA SOLAR E APLICAÇÕES Kamal A. R. Ismail a Fátima Aparecida de Morais Lino a Jose Carlos Charamba Dutra b Ana Rosa Mendes Primo b Jorge Recarte Henríquez Guerrero b Armando Shinohara b Carlos S. Suzuki a a Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Estadual de Campinas,UNICAMP Campinas, São Paulo. b Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Pernambuco, UFPE Recife, Pernambuco.

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3 ENERGIA SOLAR E APLICAÇÕES Kamal A. R. Ismail a Fátima Aparecida de Morais Lino a Jose Carlos Charamba Dutra b Ana Rosa Mendes Primo b Jorge Recarte Henríquez Guerrero b Armando Shinohara b Carlos S. Suzuki a a Faculdade de Engenharia Mecânica Universidade Estadual de Campinas,UNICAMP Campinas, São Paulo. b Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Pernambuco, UFPE Recife, Pernambuco. iii

4 FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP En27 Energia solar e aplicações / Kamal Abdel Radi Ismail.... [et al.]. Campinas, SP.: Ed. do Autor, p. ISBN Energia solar. 2. Coletores solares. 3. Aquecedores solares de água. 4. Conforto térmico. 5. Arquitetura e radiação solar. 6. Energia Armazenamento. I. Ismail, Kamal Abdel Radi. II. Título. iv

5 Agradecimentos Os autores desejam expressar seus profundos agradecimentos à CAPES pelo apoio na forma do PROCAD que foi de grande valia para ambas as instituições (UFPE e UNICAMP). Os agradecimentos dos dois primeiros autores se estendem também ao CNPQ pela bolsa de produtividade em pesquisa do primeiro e pela bolsa de doutorado do segundo. v

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7 Prefácio Esta obra foi elaborada para atender a equipe PROCAD em suas necessidades de obter rápida consulta de forma prática e objetiva nos assuntos relacionados aos projetos em desenvolvimento sobre energia. Atende também à necessidade dos alunos vinculados ao programa a desenvolver seus projetos. O conteúdo da obra pode, inclusive, ser utilizado para oferecimento de disciplinas em nível de graduação e também para profissionais que se interessam por assuntos relacionados aos temas abordados. vii

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9 Índice CAPITULO ENERGIA SOLAR E A BIOSFERA 1.1 O Sol e a biosfera da Terra Atmosfera Atmosfera - Função e Constituição Atmosfera - Importância Atmosfera - Escudo Protetor Atmosfera - Suas Camadas Energia da biosfera Energia solar Aproveitamento direto da energia solar Energia térmica dos oceanos Energia do vento Potência hidráulica Combustíveis fósseis Calor interno Energia dos mares 5 CAPITULO 2 PRINCÍPIOS DE RADIAÇÃO E APLICAÇÕES 2.1 Introdução Radiação térmica Radiação de corpo negro Intensidade de radiação Ângulo sólido Intensidade da radiação emitida Radiação incidente Radiosidade Quantidades espectrais Propriedades radioativas Emissividade Absortividade, refletividade e transmissividade Lei de Kirchhoff O efeito estufa Radiação atmosférica e solar Ganho de calor solar através de janelas. 45 Referencias 54 CAPÍTULO 3 MÉTODOS DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR 3.1 Introdução Detalhamento do Sistema de Aquecimento Solar Coletores Planos de Líquido Cobertura Espaço de ar Placa Absorvedora Isolamento térmico Caixa Receitas para superfícies seletivas Controle do coletor Fatores de Manutenção Coletores planos para ar Projeto do coletor Controles do coletor Manutenção 71 ix

10 3.7 Coletores para alta temperatura Coletores com tubos evacuados Manutenção Coletores concentradores Desempenho dos coletores Tipos de arranjo de coletores Arranjos em série Arranjos em paralelo Armazenamento de energia térmica Introdução Armazenamento em calor sensível Considerações Gerais Armazenamento em líquidos (água) sem estratificação Armazenamento em líquidos com estratificação Modelo unidimensional Armazenamento térmico em tanques estratificados Armazenamento em leito fixo de pedras (Modelo de Mumma & Marvin) Armazenamento em calor latente 89 CAPITULO 4 PROJETO DE SISTEMA SOLAR 4.1 Determinação da posição do Sol Sistema de coordenadas geográficas Sistema de coordenadas equatoriais Sistema de coordenadas horizontais Hora solar Avaliação da radiação solar incidente numa superfície inclinada Uso do modificador de ângulo de incidência Determinação das cargas térmicas Água quente para consumo Carga térmica de resfriamento ou aquecimento Recomendações práticas Sistema solar de aquecimento de água Sistema de aquecimento solar do ar Taxa de fluxo do coletor Altura de pedras no tanque Queda da pressão no armazenador Queda da pressão no coletor (12-14 pés de comprimento) Queda da pressão no coletor (18-20 pés de comprimento) Queda da pressão nos dutos Isolamento para dutos expostos Aquecimento doméstico de água Tamanho do Tanque de Pré-Aquecimento Tamanho da serpentina ar/água Tamanho da serpentina água/água O Método do F chart Aquecedores solares de água Classificação quanto ao tipo de escoamento do lfluído de aquecimento Sistema de aquecimento operando pelo efeito termossifão Cálculo da vazão Recomendações na montagem Sistema de aquecimento com circulação forçada 123 Bibliografia 124 x

11 CAPÍTULO 5 AQUECIMENTO DE ÁGUA E PISCINAS 5.1 Aquecimento de água Sistema convencional de aquecimento Aquecimento solar de água Sistema solar com backup Simulação Desenvolvimento em coletores de baixa temperatura Desempenho comparativo dos coletores Aquecimento solar de piscina Introdução Considerações técnicas Considerações sobre o sistema de aquecimento solar da piscina Tubulação e controles Dimensionamento de aquecimento para piscinas 143 CAPITULO 6 SISTEMAS SOLARES DE AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO COMBINADOS Refrigeração por absorção 149 Manutenção do sistema de absorção Combinação solar - bomba de calor 156 Manutenção do sistema com bomba de calor Motor Solar do Rankine 158 CAPITULO 7 SECAGEM COM ENERGIA SOLAR 7.1 Introdução Mecanismo de Secagem Aplicação dos secadores nas áreas alimentícias e agrícola Secadores industriais Leitos spouted Princípios básicos de secagem solar Classificação de secadores solares 174 CAPITULO 8 DESIDRATAÇÃO DE ALIMENTOS 8.1 Introdução Potencial de aplicação solar Tipos de secadores Unidade solar comercial de desidratação 185 Bibliografia 186 CAPITULO 9 DESTILAÇÃO SOLAR 9.1 Introdução Cálculos teóricos Balanço térmico global do destilador Balanço térmico na cobertura transparente Balanço térmico na bacia Calor transferido por convecção da superfície da água para a cobertura Outros destiladores de efeito múltiplo Destiladores de efeito múltiplo Destilador de efeito múltiplo com Flash 200 xi

12 CAPITULO 10 INTRODUÇÃO A TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA 10.1 Introdução Componentes de sistema fotovoltaico Estratégias de projeto Custo e preços de eletricidade fotovoltaicos Sistemas de placa plana Produção de Wafer Fabricação de células Encapsulamento e construção de módulo Filmes finos Sistema concentrador Sistemas de seguimentos Módulos Conversão de potência Eficiência Como funciona a célula fotovoltaica Formação de junção Propriedades de um diodo O Diodo na presença de luz 210 CAPITULO 11 PISCINA SOLAR RASA 11.1 Introdução Teoria e desempenho da piscina solar rasa Materiais para piscina solar rasa Aplicações da piscina solar rasa 223 CAPITULO 12 ARQUITETURA SOLAR PASSIVA 12.1 Introdução Tipos de sistemas passivos Ganho Direto Circuitos convectivos Paredes de armazenamento térmico Piscina de telhado Estufa incorporada Armazenamento térmico Aplicações típicas de sistemas passivos Aquecimento ambiental Aquecimento/resfriamento Resfriamento Avaliação térmica econômica de sistemas passivos Paredes de trombe Material necessário e dados básicos Desempenho do sistema básico Piscina solar de trabalho Material básico Avaliação de custo e desempenho Coletores de ar de tipo termo sifão 239 Bibliografia Geral xii