SISTEMA AUTOMATIZADO DE TESTES DE COLETORES SOLARES PLANOS

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1 SISTEMA AUTOMATIZADO DE TESTES DE COLETORES SOLARES PLANOS Wesley de Almeida Souto Universidade Federal da Paraíba UFPB/Inst. Fed. de Ed., Ciência e Tecnologia da Bahia - IFBA Douglas Bressan Riffel - dougbr@ufs.br Universidade Federal de Sergie UFS Francisco Antônio Belo belo@esquisador.cnq.br Universidade Federal de Paraíba, Deartamento de Engenharia Mecânica Resumo. Este trabalho aresenta um sistema automatizado de levantamento de desemenho de coletor solar lano. Para realização de ensaios em conformidade com a NBR , foram rojetadas e imlementadas unidades de refrigeração e de aquecimento de líquido, as quais roorcionaram os ajustes dos valores de temeratura do líquido circulante. A vazão mássica do sistema foi controlada or um conversor de freqüência que atuou sobre um conjunto motor-bomba. Nesse sistema, interfaces gráficas informam em temo real valores de temeratura da água, do ar ambiente, vazão do sistema e o estado dos atuadores acionados or relés de estado sólido. Para validação do sistema utilizou-se um coletor solar de 1,7 m 2 área com suerfície de absorção de alumínio e cobertura de vidro. Os dados amostrados através de duas lacas de aquisição de dados de 12 bits em conjunto com todo sistema de instrumentação revelaram os seguintes arâmetros da curva característica resultante: 0,61 ara F R (τα) e 6,64 W/m 2 C ara F R (U L ). Palavras-chave: Sistema automatizado, Aquecimento solar de água, Aquisição de dados 1. Introdução Os coletores solares são disositivos resonsáveis ela absorção e transferência da radiação solar ara a água sob a forma de energia térmica. São instalados em casas, edifícios, hositais, hotéis e similares e odem substituir com vantagens o uso dos chuveiros elétricos. Uma das vantagens é a economia roorcionada ao consumidor, haja vista que o chuveiro é um dos equiamentos que mais consomem energia nas residências brasileiras. Outra vantagem é a economia ara o sistema elétrico, que geralmente fica sobrecarregado no início da noite, no horário em que boa arte dos brasileiros está com seus chuveiros ligados. Além disso, a redução no consumo de eletricidade romove atenuação nos danos ambientais gerados na construção de usinas hidrelétricas. De acordo com a ABRAVA (2005) o aroveitamento térmico da energia solar é uma das alternativas mais viáveis ara substituição ou redução do uso de chuveiros elétricos a exemlo de aíses, tais como, China, Israel, Grécia, Áustria, Austrália, Turquia, Estados Unidos, Jaão, Dinamarca e Alemanha que emregam a tecnologia solar em substituição aos chuveiros elétricos. A adoção da energia solar ara o aquecimento da água de banho contribui ara uma redução no consumo de energia elétrica sendo que essa arcela economizada configurada como uma geração virtual de energia elétrica, visto que os chuveiros elétricos são resonsáveis or mais de 5% do consumo nacional de energia elétrica e or cerca de 18% da demanda de onta do sistema elétrico (Rodrigues, 2005). Os sistemas de aquecimento de água com aroveitamento da energia solar têm sido cada vez mais considerados nos rojetos e no gerenciamento das novas edificações, seja ela obrigatoriedade de instalação de aquecedores solares em edificações, como acontece em algumas cidades brasileiras tais como São Paulo e Rio de Janeiro, ou ela conscientização essoal do uso racional e conservação da energia elétrica e/ou de combustíveis fósseis. A alicação de grandes baterias de coletores ara aquecimento de água, associados em série e aralelo são necessárias ara atender demandas requeridas de níveis de temeratura e de vazão de água. Para tal, são necessários estudos sobre o rendimento global dessa associação de coletores, em função da eficiência individual de cada equiamento e da uniformidade do fluxo de água nas resectivas baterias de coletores solares. 2. Materiais e métodos Os ensaios exerimentais dos coletores solares buscam estabelecer informações sobre a eficiência térmica média e a rodução mensal de energia advinda de sua utilização, com critérios de comaração e avaliação em condições iguais e hiotéticas de oeração sendo que no Brasil, são realizados elo laboratório do Gruo de Estudos em Energia Solar (GREEN SOLAR) da PUC-MG, em Belo Horizonte. Os ontos referenciais adotados são: a inclinação de 25º ara os coletores e o mês de setembro ara a cidade de Belo Horizonte, onde se realizam os ensaios (Pereira et al., 2003). Em atendimento a NBR (Coletores solares lanos ara líquidos Determinação do rendimento térmico) a fim de determinar o rendimento do coletor solar, um regime quase ermanente deve estar resente, sendo um eríodo de ensaio considerado como oeração em regime quase ermanente quando as seguintes condições forem obtidas:

2 Não houver uma diferença entre icos de fluxo de radiação solar total sobre o lano do coletor solar suerior a 50 W/m²; A variação da temeratura de entrada do fluido no coletor não ode exceder um valor de 0,3 C; Não ode haver flutuação da temeratura ambiente suerior a 1 C; A flutuação máxima da vazão mássica média do fluido não ode ser suerior a 2% do valor fixado ara a área total de suerfície em estudo; A diferença de temeratura do fluido entre as seções de entrada e saída do coletor solar deve ser no máximo de 0,6 C; Deste modo, em função das necessidades requeridas ara os ensaios, desenvolveu-se uma bancada de testes de coletores solares no Laboratório de Energia Solar LES, da Universidade Federal da Paraíba UFPB. Para um melhor aroveitamento da incidência da radiação solar osicionou-se o coletor analisado com angulação que corresonde à soma de 15º e a latitude no municíio de João Pessoa do estado da Paraíba, ou seja, 22º em relação à horizontal, voltado ar o Norte. Na Fig. 1 é aresentado um detalhe do coletor solar lano e o radiômetro Eley usados nos ensaios e na Fig. 2, o esquema simlificado do sistema automatizado de testes de coletores solares lanos SATECOL. Figura 1 Detalhe do coletor solar lano e radiômetro usados nos ensaios Figura 2 - Esquema simlificado do sistema automatizado de testes de coletores solares lanos SATECOL.

3 Legenda: 1 - coletor solar 2 - sensor de temeratura 3 - urgador 4 - unidade de resfriamento de líquido URL 5 - unidade de aquecimento de líquido UAL 6 - tanque de exansão 7 - válvula de alívio 8 - reosição de líquido 9 - conjunto motor-bomba 10 - filtro 11- medidor de vazão 12 sistema de suervisão e controle A unidade de refrigeração de líquido (URL) esecialmente desenvolvida reresenta um tio de trocador de calor usado ara reduzir a elevada temeratura de saída do coletor solar sob teste e roorcionar a reutilização da água circulante no circuito, sob temeratura controlada. O sistema adotou o ciclo or comressão de vaor ara refrigerar a água, através de gás refrigerante R-22 como fluído de trabalho, emregando-se um evaorador tíico de um aarelho de ar condicionado tio janela, de 6,16 kw imerso num reservatório ara resfriamento controlado do fluido da URL (banho), a artir de valores de vazão mássica e temeraturas variáveis. O comressor de vaor utilizado na URL foi do tio rotativo, 60 Hz, 208/230 VCA, 9,6 A, 45/370 µf/v, R-22, modelo Matsushita 2K32S3R236A. Nas Fig. 3 e Fig. 4 são aresentados detalhes da unidade de refrigeração de líquido (URL). Comressor Saída do coletor Relé de estado sólido Saída da URL Reservatório Figura 3 Unidade de refrigeração de líquido URL Tubulação de descarga Tubulação de sucção Condensador Comressor Tubos cailares Figura 4 Vista do condensador

4 III Congresso Brasileiro de Energia Solar - Belém, 21 a 24 de setembro de 2010 O condensador tem o objetivo de garantir uma suerfície de transmissão de calor, entre o vaor refrigerante aquecido ara o agente de condensação. A condensação ocorre quando a temeratura do vaor é reduzida a valores inferiores ao de sua temeratura de saturação. Em equiamentos industriais o rocesso resulta usualmente do contato entre o vaor e uma suerfície. A energia latente é liberada, o calor é transferido ara a suerfície e forma-se o condensado (Incroera e De Witt, 2003). A válvula de exansão (neste caso, tubos cailares) reduz a ressão do líquido refrigerante ara que este evaore ao trocar calor no evaorador e a tubulação de sucção conduz o vaor à baixa ressão do evaorador ara a admissão do comressor. A tubulação de descarga fornece vaor da exaustão do comressor ao condensador. Segundo Dossat (2004) o evaorador é uma suerfície de transmissão de calor na qual o líquido volátil é vaorizado com o objetivo de remover calor de um esaço ou roduto refrigerado. É um comonente de refrigeração no qual o refrigerante é evaorado ara roduzir o efeito de resfriamento em um fluido (ASHRAE, 2006), desse modo, a temeratura da URL ode ser reduzida em até 16 ºC, com a habilitação controlada do comressor. No interior deste reservatório instalou-se também uma serentina de cobre de 10 mm de diâmetro e com 7 m de comrimento, que conduz água aquecida oriunda da conexão de saída do coletor solar sob teste, roorcionando uma troca de calor adequada ara ser reutilizada no ensaio, sem haver mistura de massa, conforme ilustrado na Fig. 5. Evaorador Serentina Figura 5 Evaorador e serentina de cobre no reservatório da URL A água aquecida elo coletor solar, ao assar ela serentina imersa no reservatório da URL, sofre uma variação de temeratura, que irá deender da temeratura da água da URL e da vazão mássica, conseguindo-se redução de até 40 C. Para armazenamento e aquecimento auxiliar de água, desenvolveu-se uma unidade de aquecimento de líquido (UAL) com caacidade ara 23 litros, feito de aço carbono com tratamento anti-corrosivo e isolamento térmico, ela adição na suerfície externa de uma manta de olietileno exandido com oliéster aluminizado com 5 mm de esessura. Um sensor de temeratura tio Pt-100, ligado a três fios, com bainha inox, fica em contato com a água que é aquecida através de uma resistência elétrica de imersão tio inox e 4 kw/220 VCA, instalada no interior do reservatório or conexão roscável, conforme ilustrado na Fig. 6. tanque de exansão sensor de temeratura reservatório resistência auxiliar saída ara coletor Figura 6 Unidade de aquecimento de líquido

5 Na UAL o aquecimento se dá diretamente no fluido, diminuindo assim as erdas de energia e tornando o sistema mais eficiente. Três relés de estado sólido energizam os elementos da resistência, conforme a necessidade de otência térmica definida no controlador, ara o ajuste da temeratura da água na entrada do coletor. Para o cálculo de otência elétrica necessária ara aquecimento no boiler levou-se em consideração a viabilidade técnica de instalação e a elevação da temeratura do fluido no interior do reservatório. A vazão mássica, que é a massa de fluido que atravessa uma determinada seção or unidade de temo, é dada na Eq. (1). mɺ = ρ Q (1) mɺ : vazão mássica (kg/s); ρ : massa esecífica do fluido (kg/m 3 ); Q : vazão volumétrica do fluido (m 3 /h). A quantidade de calor necessária ara variar a temeratura do fluido é dada na Eq. (2). q1 = mɺ. c. T (2) q 1: calor de convecção transferido ao fluido (W); mɺ : vazão mássica do fluido (kg/s); c : calor esecífico do fluido (kj/kg C); T : elevação da temeratura do fluido ( C). Adotando-se uma variação de 34 C, encontrou-se a otência da resistência elétrica de 3,98 kw, necessária ara variar a temeratura do fluido. 2.1 Distribuição axial da temeratura no tubo A distribuição axial da temeratura média ara a condição em que a temeratura suerficial ermanece constante é reresentado na Eq. (3) e na Eq. (4) (Incroera, 2003). e dtm P =. h. T m ɺ. c. dt m = h. Pdx. i T dx m c (3) T = T T (4) b s mɺ : vazão mássica [kg/s]; c : calor esecífico [kg/m 3 ]; T m : temeratura média do fluido [ C]; h : coeficiente de convecção; P : osição axial do tubo [m]; : diferença entre as temeraturas de banho e de suerfície [ C]. T A taxa total de transferência de calor or convecção, ara a condição em que a temeratura suerficial ermanece constante é dada ela Eq.(5).

6 _ q = h A T (5) conv s ml _ h : coeficiente médio de transferência de calor or de convecção; A : Área de suerfície do tubo; s T ml : diferença de temeratura média logarítmica. A Eq. (3) ode ser solucionada searando-se as variáveis e integrando da entrada ara um onto qualquer ao longo do eixo do tubo, chegando-se a Eq. (6). Tx Te ( ) d T P = T mc 0 x hdx i (6) O resultado desta equação é usado ara encontrar uma exressão na qual se determina a temeratura num onto x (qualquer) do comrimento axial do tubo. 2.2 Sistema de controle Através de uma interface gráfica desenvolvida em ambiente LabVIEW TM (National Instruments, 2003) ajustava-se a geração de um sinal de saída analógica de 0 a 10 VCC de uma laca de aquisição de dados de 12 bits, da National Instruments TM, de modo a controlar remotamente o conversor de freqüência e conseqüentemente, a variação da vazão do sistema. A amlitude da tensão analógica foi reviamente calibrada com um medidor de vazão tio rotâmetro ara atuação numa faixa de 0,01 a 0,033 l/s, correlacionando, ortanto, tensão com vazão. Analogamente, no controle das unidades de resfriamento e de aquecimento de líquido foram utilizados sinais elétricos de 0 a 10 VCC rovenientes de outra laca de aquisição de dados de 12 bits ara energização dos relés de estado sólido atuantes no comressor da URL e na resistência de aquecimento da UAL, também com interface desenvolvida na linguagem LabVIEW TM. Na Fig. 7 é aresentado o esquema simlificado da unidade de refrigeração de líquido e na Fig. 8 o esquema simlificado da unidade de aquecimento de líquido (UAL). DAQ Relé de estado sólido Amlificador Saída digital DAQ #1 Pt-100 Circuito termômetro Entrada analógica DAQ #1 DAQ URL Entrada rogramada Figura 7. Esquema simlificado da unidade de refrigeração de líquido

7 DAQ Pt-100 Pt-100 Circuito termômetro Conversor A/D Pt-100 Resistência Relé de estado sólido Circuito Amlificador Conversor D/A Entrada rogramada UAL DAQ Figura 8 Esquema simlificado da unidade de aquecimento de líquido A interface de suervisão e controle da unidade de resfriamento de líquido é aresentada na Fig. 9. Nesta ambiente o usuário define o valor desejado de temeratura de resfriamento do líquido contido no reservatório. 2.3 Aquisição de dados Figura 9 - interface de suervisão e controle da unidade de resfriamento de líquido O sistema de aquisição de dados oerou em regime contínuo no intervalo de 10:00 às 14:30. Amostragens foram registradas ara cada novo ajuste desejado no valor de temeratura da água na entrada no coletor solar com duração de 8 minutos. O menor valor de temeratura da água na entrada do coletor solar foi de 27,0 ºC e com os controles de temeratura atingiu-se o valor máximo de 64,3 ºC. Os sensores usados na medição de temeratura foram do tio Pt-100, ligados a três fios que aós calibração aresentaram coeficiente médio de determinação, R 2 = 0,99998, indicando, ortanto, boa linearidade. Durante o eríodo de ensaio não houve uma diferença entre icos de fluxo de radiação solar total sobre o lano do coletor solar suerior a 50 W/m², a variação da temeratura de entrada do fluido no coletor manteve-se estável ara cada valor selecionado e não excedeu um valor de 0,3 C, a flutuação máxima da vazão mássica média do fluido manteve-se em 2% do valor ajustado. Desse modo, a análise de eficiência do coletor solar foi obtida através da Eq. (7). ρ. V. c ( ts te) η = (7) A. H

8 ρ : densidade do fluido na temeratura de fluxo [kg/m 3 ]; V : volume de fluido que circulou elo coletor solar durante a execução do ensaio [m 3 ]; c : calor esecífico do fluido a uma temeratura de 0,5 ( t t ) [kj/kg C]; t e : temeratura da água na seção de entrada do coletor [C]; t : temeratura da água na seção de saída do coletor [C]. s ( ts te) H : energia solar incidente total sobre o lano do coletor durante o temo de ensaio [J/m 2 ]; A : área do coletor [m 2 ]; : diferença entre temeratura do fluido entre as seções de saída e entrada do coletor [ºC]; s e 2.4 Potência absorvida instantânea O cálculo da otência absorvida instantânea elo coletor solar or unidade de área foi realizado através da Eq. (8). P abs ρ mɺ c ( ts - te) = A Sendo que: c (8) P abs : Potência absorvida instantânea elo coletor or unidade de área [W/m 2 ]; ρ : Densidade da água [kg/m 3 ]; mɺ : Vazão mássica da água [kg/s]; c : Calor esecífico da água [kj/kg C]; s t : Temeratura da água na saída do coletor [ C]; t : Temeratura da água na entrada do coletor [ C]; e A : Área suerficial do coletor [m 2 ]. c 3. Resultados Para densidade e calor esecífico da água foram adotados os valores de 1000 kg/m 3 e 4,187 kj/kg C, resectivamente, sendo a vazão mássica de 0, m 3 /s, temeratura ambiente média de 28,2 C e irradiância solar média de 934,5 W/m 2. De acordo com (DUFFIE e BECKMANN, 1991) os sistemas de aquecimento solar de água oeram com mais eficiência quanto mais baixa for a temeratura da água na entrada dos coletores e isto ode ser notado através da Fig. 10 onde a otência absorvida instantânea or unidade de área, atingiu valores mais elevados nas situações onde os valores de temeratura da água na entrada do coletor foram mais baixos. Observa-se também na Fig. 10 que ara o eríodo de 4 h de ensaio, a otência média horária absorvida or unidade de área elo coletor solar foi de 121,6 Wh/m 2.

9 70,0 Tem. de entrada no coletor [ C] Potência absorvida inst. / área[w/m 2 ] 650,0 Temeratura [ C] 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 09:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 Hora 600,0 550,0 500,0 450,0 400,0 350,0 300,0 250,0 Potência absorvida inst. / área [W/m 2 ] Figura 10 - Potência instantânea or unidade de área absorvida elo coletor Neste ensaio, ara o conhecimento do comortamento do coletor sob teste, inicialmente controlou-se a temeratura da água na entrada do coletor solar, tendo como referência a temeratura do ar ambiente durante os quatro rimeiros ontos amostrados e na sequência, ocorreu um crescimento gradual conforme ilustrado na Fig. 11. Temeratura [ C] 70,0 Tem. na entrada do coletor [ C] Tem. na saída do coletor [ C] 65,0 0,5 x (Te + Ts) [ C] Tem. ambiente [ C] 60,0 55,0 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 09:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 Hora Figura 11 - Comortamento do coletor solar em função das temeraturas de entrada A curva característica ajustada aos ontos de ensaios está ilustrada através da Fig. 12 e é reresentada ela Eq. (9).

10 0,65 0,60 Y= -6, *X + 0, R 2 =0, ,55 Eficiência [η] 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 (Te-Ta)/G [ C.m 2 /W] Figura 12 Curva de eficiência térmica instantânea e a reta ajustada te ta η = 6,64 + 0,61 G (9) η : eficiência instantânea; G : radiação solar [W/m 2 ]; te : temeratura do fluido na entrada do coletor [ C]; ta : temeratura ambiente [ C]. Por analogia, a artir da Eq.(9), obtêm-se os valores de F ( U ) e F ( ατ ). R L te ta η = FR ( U L ) + FR ( ατ ) G (10) Que reresentam: t e : temeratura do fluido na entrada do coletor [ C]; t a : temeratura do ambiente [ C]; G: radiação solar incidente no coletor [W/m 2 ]; F ( U ) R L = 6,64 W/m 2 C (erdas térmicas); F ( ) R ατ = 0,61 (rendimento ótico ou eficiência máxima). 4. Conclusões Este trabalho aresentou alternativas nos rocessos descritos na NBR , rojetando e esecificando elementos necessários aos sistemas de testes de coletores, incluindo a sua instrumentação virtual. Para tal, desenvolveram-se circuitos eletrônicos ara instrumentação e aquisição de dados, um sistema de refrigeração de líquido, or comressão de vaor e uma fonte de aquecimento auxiliar de água, necessários ara o controle da temeratura da água na entrada do coletor solar lano. A vazão mássica do sistema foi controlada através da associação de um conjunto motor-bomba comandado or um conversor de freqüência controlado or um comutador através de sinais analógicos de tensão gerados or uma laca de aquisição de dados, a artir de uma calibração tensão/vazão numa lógica de controle, imlementada em um instrumento R

11 virtual no LabVIEW TM conseguindo, deste modo, eliminar o emrego das tradicionais válvulas tio agulha ara o controle de vazão. Através do aarato exerimental, conseguiu-se obter a razão entre a energia útil ganha elo coletor, e a irradiação solar incidente no seu lano; ou seja, a eficiência térmica do coletor. Os arâmetros da curva característica resultante do ensaio do coletor testado, de acordo com as condições meteorológicas do dia do ensaio foram 0,61 ara FR(τα) e 6,64 W/m2 C ara FR(UL), valores coerentes com similares comercializados no mercado brasileiro. 5. Autorizações Os autores são os únicos resonsáveis elo conteúdo do material imresso incluídos no seu trabalho. Agradecimentos Os autores são gratos à Universidade Federal da Paraíba UFPB, ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia IFBA, camus de Vitória da Conquista e ao Programa CAPES/PIQDTec. REFERÊNCIAS ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR : Coletores solares lanos ara líquidos: determinação do rendimento térmico. Rio de Janeiro, ABRAVA - Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento. Disonível em: <htt:// Acesso em: 20/10/05. ASHRAE. American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditionig Engineers.Disonível em: <htt:// > acessado em: 15/08/2006. Dossat, R. J., Princíios de refrigeração. Editora Hemus, São Paulo. Duffie, J.A.; Beckman, W.A., Solar Engineering of Thermal Processes. 2ª Ed. New York: John Wiley & Sons. Incroera, F.P., De Witt, D.P., Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 5ª ed. RJ, Ed LTC. National Instruments, 2003., LabVIEW User Manual, Aril Edition. by National Instruments Cororation. Rodrigues, W., Critérios ara o uso Eficiente de Inversores de Freqüência em Sistemas de Abastecimento de Água. Tese de Doutorado, FEC/UNICAMP, Caminas, SP,Brasil. Pereira, E. M. D.; Mesquita, L. C. S., 2003, O Programa Brasileiro de Etiquetagem de Coletores Solares Planos. Disonível em: <htt:// Acesso:dez/2003.