Energia Solar Térmica Prof. Ramón Eduardo Pereira Silva Engenharia de Energia Universidade Federal da Grande Dourados Dourados MS 2014
Componentes de Sistemas Solares Térmicos Energia Solar Térmica - 2014 Prof. Ramón Eduardo Pereira Silva Engenharia de Energia Universidade Federal da Grande Dourados Dourados MS 2014
Introdução Os componentes que integram as instalações de fornecimento de água quente sanitária (AQS), aquecimento de espaços habitados e piscinas, com recurso a energia solar são organizados em nove grupos. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 3
Componentes 1. Coletores Solares 2. Fluído de Transferência 3. Estruturas de Suporte 4. Trocador de Calor 5. Grupo Hidráulico 6. Acumulador 7. Sistemas de Apoio 8. Central de Controle 9. Canalização e Acessórios PROF. RAMÓN SILVA - 2014 4
Coletores Solares O coletor é o dispositivo responsável pela captação da energia proveniente do sol e sua conversão em calor utilizável. Sua função é transformar a radiação solar em energia térmica provocando o aumento da temperatura do fluido que circula pelo seu interior. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 5
Coletores Solares Os painéis solares são os elementos coletores de energia da radiação solar. São instalados no exterior dos edifícios com a finalidade de aumentar a temperatura da água da rede para: Fornecimento e consumo humano Aquecimento de habitações, piscinas e similares. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 6
Coletores Solares Para o consumo, essa temperatura deve estar em 45 C no ponto de consumo. Para que isso ocorra essa água deve ser armazenada a 60 C. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 7
Coletores Solares Para aplicações na habitação, comércio e pequena indúdtria são utilizados painéis de baixa temperatura, disponíveis comercialmente em dois princípios físicos muito diferentes: Coletores solares planos que utilizam o princípio do corpo negro para absorver a energia, e Tubos de vácuo. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 8
Coletores Solares Para coletores solares planos há duas versões: O coletor metálico, plano com cobertura, para instalações de AQS, e O coletor de polipropileno, plano sem cobertura, para aquecimento de piscinas. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 9
Coletores Solares O coletor a tubo de vácuo possui rendimento mais elevado, porém seu custo também é superior. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 10
Coletores Solares Planos com Cobertura Este tipo de painel foi o primeiro a ser apresentado ao mercado e é portanto o mais utilizado. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 11
Coletores Solares Planos com Cobertura Baseado no princípio do corpo negro, absorve a energia solar incidente. No seu interior circula o fluido a ser aquecido, que se transfere de forma direta ou indireta para o acumulador. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 12
Coletores Solares Planos com Cobertura As vantagens do coletor plano, em relação aos demais tipos, são: a simplicidade de construção, relativo baixo custo, nenhuma parte móvel, sem dificuldade de operar em dias nublados, relativa facilidade de reparo e durabilidade PROF. RAMÓN SILVA - 2014 13
Coletores Solares Planos com Cobertura O coletor solar plano com cobertura é composto por quatro elementos dispostos numa caixa, geralmente de alumínio. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 14
Coletores Solares Planos com Cobertura A cobertura frontal de vidro temperado é destinada a limitar as perdas térmicas e provocar o efeito de estufa no seu interior. Complementarmente serve para proteger os componentes internos das intempéries. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 15
Coletores Solares Planos com Cobertura A placa absorvedora capta a radiação solar e a transfere pra o fluido que circula em seu interior. É composta por uma placa e por uma serpentina ou similar de cobre por onde circula o fluido. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 16
Coletores Solares Planos com Cobertura A placa absorvedora capta a radiação solar e a transfere pra o fluido que circula em seu interior. É composta por uma placa e por uma serpentina ou similar de cobre por onde circula o fluido. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 17
Coletores Solares Planos com Cobertura O isolante térmico posicionado nas partes inferior e laterais do painel. Normalmente são de lã mineral, fibra de vidro ou poliuretano. Sua função é limitar ao máximo as perdas térmicas por condução. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 18
Coletores Solares Planos com Cobertura A canalização é composta por conexões destinadas à entrada de fluido frio e saída de fluido quente. A essas ligações podem ser acopladas válvulas de corte para isolar o circuito hidráulico, purgadores de ar e sensores de temperatura. Permitem ainda a ligação entre painéis de em série ou paralelo. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 19
Coletores Solares Tubos de Vácuo O painel térmico desse tipo caracteriza-se por possuir um conjunto de tubos de vidro em vácuo e com boa rigidez para suportar condições adversas. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 20
Coletores Solares Tubos de Vácuo No seu interior há um elemento absorvedor que tem a mesma finalidade nos painéis planos, sendo que por ele também circula o fluido térmico a aquecer. Todos os tubos são unidos a um sistema de distribuição térmica disposto na parte superior. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 21
Coletores Solares Tubos de Vácuo O tipo mais comum é o tubo de calor ou heat pipe. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 22
Coletores Solares Heat Pipes Cada tubo do painel é selado em vácuo, sendo selados os seus extremos. No seu interior fica o líquido que pode ser água com anticongelante ou um álcool PROF. RAMÓN SILVA - 2014 23
Coletores Solares Heat Pipes Cada tubo do painel é selado em vácuo, sendo selados os seus extremos. No seu interior fica o líquido que pode ser água com anticongelante ou um álcool PROF. RAMÓN SILVA - 2014 24
Coletores Solares Heat Pipes O fluido muda de estado para vapor, ao absorver a energia solar, e sobe pelo tubo de calor. O fluido se condensa na parte superior transferindo calor ao fluido a ser aquecido. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 25
Coletores Solares Heat Pipes Todos os tubos do coletor estão acoplados termicamente ao distribuidor de água. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 26
Coletores Solares Planos sem Cobertura Para o aquecimento de piscinas e outras aplicações onde a temperatura média da água pode ficar entre 24 26 C, utilizamse painéis de polipropileno, borracha ou similar. Se apresentam como uma solução econômica, de baixo peso e com muita flexibilidade de montagem. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 27
Coletores Solares Planos sem Cobertura O ângulo de inclinação não é crítico, podendo ser montado até na vertical. Podem ser desmontados após o período de utilização. O princípio de funcionamento é o mesmo que nos coletores com cobertura. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 28
Coletores Solares Interligação de Coletores Para satisfazer a demanda de energia, ou seja para aumentar a área de captação, os coletores podem ser ligados entre si. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 29
Coletores Solares Interligação de Coletores Para aumentar a vazão do líquido interliga-se os coletores em paralelo. O número máximo de painéis que pode ser interligado em paralelo depende da perda de carga máxima da instalação. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 30
Coletores Solares Interligação de Coletores Para aumentar o salto térmico, mantendo-se a vazão, utiliza-se coletores solares em série. O rendimento térmico diminui a cada coletor, pois o salto térmico é menor. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 31
Trocadores de Calor Os trocadores de calor são utilizados devido à necessidade de se isolar o fluido que passa pelos painéis coletores. Esses fluídos normalmente contêm substâncias destinadas a preservar o equipamento de oxidação e de congelamento. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 32
Trocadores de Calor O trocador de calor pode ser uma peça externa ao sistema ou estar integrado ao acumulador ou coletor de água quente. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 33
Trocadores de Calor O trocador de calor externo é composto de placas metálicas com circuitos de água isolados. Por um lado circula o fluido quente proveniente dos painéis e do outro a água a ser aquecida. É utilizado normalmente em pequenas instalações. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 34
Trocadores de Calor Trocador no coletor, a água circula na serpentina e troca calor com a água que está no coletor. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 35
Trocadores de Calor A serpentina de cobre dentro do acumulador é á solução mais utilizada em pequenas instalações de habitação ou similares. Por essa serpentina circula o fluido quente procedente do coletor transferindo energia à água circundante. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 36
Trocadores de Calor Se o acumulador apresentar uma segunda serpentina é possível injetar energia de um sistema de apoio externo. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 37
Circuito Hidráulico Corresponde ao conjunto de acessórios das instalações solares que estão encarregados de interligar os painéis aos outros componentes do sistema. Tubulação, Bombas de circulação, Vaso de expansão Sistema de enchimento, purga e esvaziamento dos painéis, Purgador, Válvulas PROF. RAMÓN SILVA - 2014 38
Circuito Hidráulico - Tubulação De forma geral a tubulação deve ser compatível com as condições de higiene e com as temperaturas dos líquidos em circulação. Deve também ser adequada à pressão de trabalho e ter resistência à corrosão. A rede de distribuição de água quente do sistema de aquecimento solar deve ser projetada de acordo com os mesmos padrões utilizados nos sistemas de aquecimento por acumulação a gás ou elétrico, ou seja, a norma NBR 7198 Projeto e execução de instalações prediais de água quente (ABNT, 1993). PROF. RAMÓN SILVA - 2014 39
Circuito Hidráulico - Tubulação Tradicionalmente as tubulações de água quente eram construídas de cobre. O cobre tem maior durabilidade (cerca de 50 anos, segundo a ABNT), suporta temperaturas de até1.100ºc sem deformação, não trinca e não desgasta. Porém, necessita de isolamento térmico, pois transmite o calor da água para a parede, podendo fazer descolar o revestimento. Este serviço onera em cerca de 20% o custo de instalação e exige mão de obra qualificada. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 40
Circuito Hidráulico - Tubulação Os materiais plásticos para condução de água quente chegaram ao mercado brasileiro há menos de 20 anos com a introdução do policloreto de vinila clorado CPVC. Indicadas para pressões de serviço de até 6,0 kgf/cm², as tubulações de CPVC para água quente dispensam as soldas e têm juntas realizadas a frio, mediante adesivo solvente apropriado, agregando velocidade de execução. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 41
Circuito Hidráulico - Tubulação Em seguida foram lançados o polietileno reticulado (PEX) e o polipropileno copolímetro Random (PPR), com juntas realizadas por termofusão, após a qual ajunta passa a constituir um conjunto único com espessura reforçada. Por isso, conforme a classe de pressão, a instalação PPR suporta temperatura e pressão sob utilização superior à recomendada para tubulações de CPVC. Os tubos de PPR disponíveis no mercado com mais freqüência são relativamente rígidos, permitindo curvaturas permanentes com aplicação de ar quente, com raio não inferiora oito vezes o valor do diâmetro externo. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 42
Circuito Hidráulico - Tubulação Mais flexíveis e maleáveis, os tubos PEX são fabricados em polietileno reticulado com ligação cruzada por processo termoquímico. No PEX do tipo A, a reticulação é obtida por reação química com peróxido de hidrogênio, o que lhe confere alta resistência à pressão, à temperatura e à fadiga mecânica. Menos resistente, o PEX tipo C tem flexibilidade maior do que o tipo A. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 43
Circuito Hidráulico - Tubulação Quanto à condutibilidade térmica, os tubos metálicos apresentam valores elevados, exigindo o uso de isolação térmica adequada, ao passo que os tubos plásticos podem dispensar esse isolamento. Em contrapartida, os tubos plásticos apresentam elevada dilatação térmica em relação aos tubos metálicos. Os tubos plásticos próprios para a condução de água quente apresentam um coeficiente de dilatação térmica entre 3,5 a 8,5 vezes maior do que o coeficiente de uma tubulação equivalente de cobre. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 44
Circuito Hidráulico - Tubulação Cuidados especiais devem ser tomados nos projetos edurante a execução de redes de distribuição de sistemas prediais de água quente, utilizando materiais plásticos, como: Previsão de folgas para a movimentação térmica das tubulações em trechos embutidos e em elementos para absorver essas movimentações, na forma de juntas de expansão ou através do próprio traçado. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 45
Circuito Hidráulico - Tubulação Recentemente, os tubos PEX e PPR incorporaram uma alma de alumínio, com juntas de alta pressão por deformação a frio. A alma é um delgado tubo de alumínio revestido interna e externamente com esses materiais plásticos. Isso lhes conferiu maior resistência mecânica à tração, flexão e tensões radiais, e menor dilatação térmica, procurando conjugar no mesmo produto propriedades dos tubos metálicos com as dos tubos plásticos. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 46
Circuito Hidráulico - Tubulação Quando a instalação de água quente encontra-se em temperatura maior do que a ambiente, as trocas térmicas resultam em perda de energia. Para reduzir tais efeitos se emprega basicamente uma camada de material de baixa condutividade térmica sobre as superfícies de troca. O isolante térmico (como também o acústico) incorpora em seu interior uma grande quantidade de pequenas bolhas de gás, evitando sua movimentação e reduzindo assim a transferência de calor por condução e convecção. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 47
Circuito Hidráulico - Tubulação Para o isolamento térmico de tubulações, assumem particular importância os onepiece-pipe. São tubos de material isolante em uma peça única com corte longitudinal em um lado e um semicorte interno do lado oposto. Estão disponíveis em diversas espessuras e são facilmente ajustados ao tubo que se pretende isolar. São indicados ao isolamento de tubos de até 4. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 48
Circuito Hidráulico - Tubulação Em altas temperaturas se efetua uma construção em dupla camada, visto que o tubo se expande significativamente. Assim o isolamento é efetuado em camadas duplas com juntas escalonadas. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 49
Circuito Hidráulico - Tubulação A alternativa seria o emprego de tubos bipartidos e segmentados (multipartidos) que se constituem em segmentos iguais e separados. São a princípio indicados para tubulações com diâmetros nominais de 4 a 16. Tal tipo de isolamento igualmente está disponível comercialmente em diversas espessuras. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 50
Circuito Hidráulico - Tubulação Podem-se empregar ainda as mantas constituídas de materiais fibrosos, tais como fibra de vidro, fibra de silicato de alumínio e lã de rocha basáltica. Tais mantas podem ser empregadas para o isolamento de tubulações, dutos, flanges, tanques, vasos de pressão, etc. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 51
Circuito Hidráulico - Tubulação Por fim pode-se também citar o cimento expandido, que incorpora grande quantidade de bolhas de gás em seu interior, e que é vertido em molde adequado antes de seu endurecimento. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 52
Circuito Hidráulico Bombas de Circulação São utilizadas para fazer o líquido circular na tubulação. Estão submetidas aos mesmos requisitos das tubulações. Características principais são: vazão, consumo e tensão. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 53
Circuito Hidráulico Vaso de Expansão Têm a função de absorver as variações de pressão que eventualmente possam ocorrer no circuito primário em razão da variação de temperatura. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 54
Circuito Hidráulico Vaso de Expansão É composto por um recipiente metálico com uma membrana que se expende ou comprime em resposta às variações da pressão do líquido. Tem como característica principal a pressão de trabalho e o volume de líquido admissível. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 55
Circuito Hidráulico Enchimento e Esvaziamento O sistema de enchimento, purga e esvaziamento é o conjunto de acessórios destinados a facilitar o enchimento e esvaziamento dos painéis com fluido térmico. No enchimento o líquido deve alcançar a pressão de trabalho para melhor eficiência. Geralmente utiliza-se uma bomba elétrica associada a uma válvula de corte. O esvaziamento é realizado por uma válvula ligada ao sistema de esgoto. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 56
Circuito Hidráulico Purgadores Os purgadores são utilizados para retirar o ar da tubulação. Devem ser posicionados nos pontos mais altos Há purgadores manuais e automáticos. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 57
Circuito Hidráulico Válvulas São os acessórios mecânicos para controle do fluxo do líquido. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 58
Circuito Hidráulico Válvulas de Segurança > São obrigatórias em todos os circuitos submetidos a pressão e a variações de temperatura, e servem para limitar a pressão nesses mesmos circuitos. > A pressão de regulação, ou seja, a pressão à qual a válvula actua deixando escapar fluido, deve ser inferior à pressão que possa suportar o elemento mais delicado do circuito. A tabela apresenta a temperatura de ebulição da água em função da pressão. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 59
Circuito Hidráulico Válvulas de Segurança > Colocam-se também junto da entrada de água fria dos depósitos de acumulação Nos casos em que há mais do que um depósito, o instalador(a) deverá colocar uma válvula de segurança em cada um. > Verificar que a válvula está indicada para a temperatura limite de funcionamento. > Não pode haver nenhuma válvula entre a válvula de segurança e o circuito ou o depósito a proteger. > Devem ser manuseadas periodicamente, em operações de manutenção, para não bloquearem. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 60
Circuito Hidráulico Válvulas de Retenção As válvulas de retenção permitem a passagem do fluido num sentido, impedindo-a em sentido contrário. Utilizam-se no circuito primário e na entrada de água fria dos depósitos Nos sistemas em termossifão apenas são recomendadas válvulas com perda de carga associada muito baixa. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 61
Circuito Hidráulico Válvulas de Passagem ou de Corte As válvulas de passagem permitem interromper total ou parcialmente a passagem do fluido pela tubulação. As de fecho total servem, por exemplo, para isolar uma parte do sistema para manutenção. As de fecho parcial podem servir para produzir uma perda de carga adicional por forma a equilibrar a instalação. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 62
Circuito Hidráulico Válvulas de Passagem ou de Corte As válvulas de passagem permitem interromper total ou parcialmente a passagem do fluido pela tubulação. As de fecho total servem, por exemplo, para isolar uma parte do sistema para manutenção. As de fecho parcial podem servir para produzir uma perda de carga adicional por forma a equilibrar a instalação. Para evitar o seu fecho acidental, em certos locais docircuito, estas válvulas não devem ter manípulo (existe a possibilidade de regulação com chave própria). PROF. RAMÓN SILVA - 2014 63
Circuito Hidráulico Válvulas de Três Vias permitem a circulação do fluido por vias alternativas, sendo úteis, por exemplo, nos casos em que os sistemas têm múltiplas aplicações (AQS e piscina ou aquecimento ambiente), ou quando se pretende fazer um bypass a um equipamento de energia de apoio. podem ser automáticas, sendo o seu funcionamento accionado pelo comando diferencial PROF. RAMÓN SILVA - 2014 64
Circuito Hidráulico Válvula Misturadora Termostática A colocação de uma válvula misturadora termostática, à saída do depósito de acumulação (do qual sai a água quentepara o consumo) Permite a mistura de água fria da rede com a água quente do depósito para uma dada temperatura regulada, pretendida para o consumo. A sua utilização: possibilita a extração de maiores volumes de água; promove a utilização racional de energia; pode evitar queimaduras. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 65
Acumuladores O acumulador é o acessório de armazenamento energético da água de consumo. É formado por três partes básicas Carcaça ou revestimento Isolamento Cilindro PROF. RAMÓN SILVA - 2014 66
Acumuladores A carcaça é a estrutura do equipamento, em que estão dispostos, entre outros, os elementos de ligação para entrada e saída do fluido, O isolamento é uma camada rígida de espuma de poliuretano, lão de rocha ou fibra de vidro utilizada como isolante térmico colocada entre o depósito interior que contém o líquido e o revestimento exterior. O cilindro é a parte que contém a água quente. No seu interior estão as serpentinas e eventualmente um resistência elétrica. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 67
Acumuladores A carcaça é a estrutura do equipamento, em que estão dispostos, entre outros, os elementos de ligação para entrada e saída do fluido, O isolamento é uma camada rígida de espuma de poliuretano, lão de rocha ou fibra de vidro utilizada como isolante térmico colocada entre o depósito interior que contém o líquido e o revestimento exterior. O cilindro é a parte que contém a água quente. No seu interior estão as serpentinas e eventualmente um resistência elétrica. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 68
Sistema de Controle O sistema de controle é responsável pela partida e parada do sistema conforme a demanda de água. PROF. RAMÓN SILVA - 2014 69
Montagem PROF. RAMÓN SILVA - 2014 70
REFERÊNCIAS Benito, T. P., Práticas de energia solar térmica. Publindústria, 2009. Guia para Instaladores de Colectores Solares Ministério da Economia de Portugal Seye, O. Apostila de energia solar térmica. UFGD http://dicasesquemas.blogspot.co m.br/2013/03/ligacao-entrecoletores-paineis-solares.html