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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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
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP 621.47 En27 Energia solar e aplicações / Kamal Abdel Radi Ismail.... [et al.]. Campinas, SP.: Ed. do Autor, 2010. 250p. ISBN 978-85-909242-7-2 1. 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
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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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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Índice CAPITULO ENERGIA SOLAR E A BIOSFERA 1.1 O Sol e a biosfera da Terra 1 1.1.1 Atmosfera 1 1.1.2 Atmosfera - Função e Constituição 1 1.1.3 Atmosfera - Importância 1 1.1.4 Atmosfera - Escudo Protetor 1 1.1.5 Atmosfera - Suas Camadas 1 1.2 Energia da biosfera 3 1.3 Energia solar 4 1.4 Aproveitamento direto da energia solar 4 1.5 Energia térmica dos oceanos 5 1.6 Energia do vento 5 1.7 Potência hidráulica 5 1.8 Combustíveis fósseis 5 1.9 Calor interno 5 1.10 Energia dos mares 5 CAPITULO 2 PRINCÍPIOS DE RADIAÇÃO E APLICAÇÕES 2.1 Introdução 7 2.2 Radiação térmica 8 2.3 Radiação de corpo negro 10 2.4 Intensidade de radiação 20 2.4.1 Ângulo sólido 20 2.4.2 Intensidade da radiação emitida 21 2.4.3 Radiação incidente 23 2.4.4 Radiosidade 23 2.4.5 Quantidades espectrais 24 2.5 Propriedades radioativas 27 2.5.1 Emissividade 27 2.5.2 Absortividade, refletividade e transmissividade 33 2.5.3 Lei de Kirchhoff 36 2.5.4 O efeito estufa 37 2.6 Radiação atmosférica e solar 38 2.7 Ganho de calor solar através de janelas. 45 Referencias 54 CAPÍTULO 3 MÉTODOS DE CAPTAÇÃO DE ENERGIA SOLAR 3.1 Introdução 55 3.2 Detalhamento do Sistema de Aquecimento Solar 55 3.2.1 Coletores Planos de Líquido. 55 3.2.2 Cobertura 56 3.2.3 Espaço de ar 61 3.2.4 Placa Absorvedora 62 3.2.5 Isolamento térmico 65 3.2.6 Caixa 67 3.3 Receitas para superfícies seletivas 67 3.4 Controle do coletor 67 3.5 Fatores de Manutenção 68 3.6 Coletores planos para ar 69 3.6.1 Projeto do coletor 69 3.6.2 Controles do coletor 71 3.6.3 Manutenção 71 ix
3.7 Coletores para alta temperatura 71 3.7.1 Coletores com tubos evacuados 71 3.7.2 Manutenção 72 3.7.3 Coletores concentradores 73 3.8 Desempenho dos coletores 73 3.9 Tipos de arranjo de coletores 76 3.9.1 Arranjos em série 77 3.9.2 Arranjos em paralelo 77 3.10 Armazenamento de energia térmica 78 3.10.1 Introdução 78 3.10.2 Armazenamento em calor sensível 78 3.10.3 Considerações Gerais 80 3.10.4 Armazenamento em líquidos (água) sem estratificação 80 3.10.5 Armazenamento em líquidos com estratificação Modelo unidimensional 81 3.10.6 Armazenamento térmico em tanques estratificados 83 3.10.7 Armazenamento em leito fixo de pedras (Modelo de Mumma & Marvin) 86 3.10.8 Armazenamento em calor latente 89 CAPITULO 4 PROJETO DE SISTEMA SOLAR 4.1 Determinação da posição do Sol 95 4.2 Sistema de coordenadas geográficas 95 4.3 Sistema de coordenadas equatoriais 95 4.4 Sistema de coordenadas horizontais 97 4.5 Hora solar 98 4.6 Avaliação da radiação solar incidente numa superfície inclinada 101 4.7 Uso do modificador de ângulo de incidência 109 4.8 Determinação das cargas térmicas 111 4.8.1 Água quente para consumo 111 4.8.2 Carga térmica de resfriamento ou aquecimento 111 4.8.3 Recomendações práticas 112 4.9 Sistema solar de aquecimento de água 112 4.10 Sistema de aquecimento solar do ar 112 4.10.1 Taxa de fluxo do coletor 112 4.10.2 Altura de pedras no tanque 112 4.10.3 Queda da pressão no armazenador 112 4.10.4 Queda da pressão no coletor (12-14 pés de comprimento) 112 4.10.5 Queda da pressão no coletor (18-20 pés de comprimento) 113 4.10.6 Queda da pressão nos dutos 113 4.10.7 Isolamento para dutos expostos 113 4.11 Aquecimento doméstico de água 113 4.11.1 Tamanho do Tanque de Pré-Aquecimento 113 4.11.2 Tamanho da serpentina ar/água 113 4.11.3 Tamanho da serpentina água/água 113 4.12 O Método do F chart 113 4.13 Aquecedores solares de água 118 4.14 Classificação quanto ao tipo de escoamento do lfluído de aquecimento 120 4.15 Sistema de aquecimento operando pelo efeito termossifão. 121 4.15.1 Cálculo da vazão 121 4.15.2 Recomendações na montagem 122 4.16 Sistema de aquecimento com circulação forçada 123 Bibliografia 124 x
CAPÍTULO 5 AQUECIMENTO DE ÁGUA E PISCINAS 5.1 Aquecimento de água 127 5.1.1 Sistema convencional de aquecimento 127 5.1.2 Aquecimento solar de água 128 5.1.3 Sistema solar com backup 132 5.1.4 Simulação 134 5.1.5 Desenvolvimento em coletores de baixa temperatura 135 5.1.6 Desempenho comparativo dos coletores 137 5.2 Aquecimento solar de piscina 137 5.2.1 Introdução 137 5.2.2 Considerações técnicas 137 5.2.3 Considerações sobre o sistema de aquecimento solar da piscina 141 5.2.4 Tubulação e controles 143 5.2.5 Dimensionamento de aquecimento para piscinas 143 CAPITULO 6 SISTEMAS SOLARES DE AQUECIMENTO E RESFRIAMENTO COMBINADOS 6.1.1 Refrigeração por absorção 149 Manutenção do sistema de absorção 155 6.1.2 Combinação solar - bomba de calor 156 Manutenção do sistema com bomba de calor 158 6.1.3 Motor Solar do Rankine 158 CAPITULO 7 SECAGEM COM ENERGIA SOLAR 7.1 Introdução 163 7.2 Mecanismo de Secagem 163 7.3 Aplicação dos secadores nas áreas alimentícias e agrícola 166 7.4 Secadores industriais 166 7.4.1 Leitos spouted 169 7.5 Princípios básicos de secagem solar 172 7.6 Classificação de secadores solares 174 CAPITULO 8 DESIDRATAÇÃO DE ALIMENTOS 8.1 Introdução 181 8.2 Potencial de aplicação solar 181 8.3 Tipos de secadores 182 8.4 Unidade solar comercial de desidratação 185 Bibliografia 186 CAPITULO 9 DESTILAÇÃO SOLAR 9.1 Introdução 189 9.2 Cálculos teóricos 190 9.2.1 Balanço térmico global do destilador 190 9.2.2 Balanço térmico na cobertura transparente 192 9.2.3 Balanço térmico na bacia 192 9.2.4 Calor transferido por convecção da superfície da água para a cobertura 194 9.3 Outros destiladores de efeito múltiplo 198 9.3.1 Destiladores de efeito múltiplo 198 9.3.2 Destilador de efeito múltiplo com Flash 200 xi
CAPITULO 10 INTRODUÇÃO A TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA 10.1 Introdução 203 10.2 Componentes de sistema fotovoltaico 203 10.3 Estratégias de projeto 203 10.4 Custo e preços de eletricidade fotovoltaicos 204 10.5 Sistemas de placa plana 204 10.5.1 Produção de Wafer 205 10.5.2 Fabricação de células 206 10.5.3 Encapsulamento e construção de módulo 206 10.5.4 Filmes finos 207 10.6 Sistema concentrador 207 10.6.1 Sistemas de seguimentos 208 10.6.2 Módulos 208 10.6.3 Conversão de potência 208 10.6.4 Eficiência 208 10.6.5 Como funciona a célula fotovoltaica 208 10.6.6 Formação de junção 209 10.6.7 Propriedades de um diodo 210 10.6.8 O Diodo na presença de luz 210 CAPITULO 11 PISCINA SOLAR RASA 11.1 Introdução 215 11.2 Teoria e desempenho da piscina solar rasa 215 11.3 Materiais para piscina solar rasa 223 11.4 Aplicações da piscina solar rasa 223 CAPITULO 12 ARQUITETURA SOLAR PASSIVA 12.1 Introdução 225 12.2 Tipos de sistemas passivos 225 12.2.1 Ganho Direto 225 12.2.2 Circuitos convectivos 226 12.2.3 Paredes de armazenamento térmico 228 12.2.4 Piscina de telhado 229 12.2.5 Estufa incorporada 231 12.2.6 Armazenamento térmico 232 12.3 Aplicações típicas de sistemas passivos 232 12.3.1 Aquecimento ambiental 232 12.3.2 Aquecimento/resfriamento 234 12.3.3 Resfriamento 234 12.4 Avaliação térmica econômica de sistemas passivos 237 12.4.1 Paredes de trombe 237 12.4.2 Material necessário e dados básicos 238 12.4.3 Desempenho do sistema básico 238 12.5 Piscina solar de trabalho 239 12.5.1 Material básico 239 12.5.2 Avaliação de custo e desempenho 239 12.5.3 Coletores de ar de tipo termo sifão 239 Bibliografia Geral xii