01 Solar Palestra

CAP 2 gua Quente Aquecimento Solar de gua

Alexandre K. Guetter [email protected]

TH030 Sistemas Prediais Hidrulico Sanitrios

Energia Solar Radiao Solar

A potncia da radiao solar no topo da atmosfera de 1367 W/m2,

no Equador durante as 12 horas resultaria em 16400 Wh/m2/dia;

Parte dessa energia refletida pela atmosfera e pela superfcie;

Parte dessa energia absorvida pelas nuvens e pela atmosfera

mantendo a sua temperatura e tambm das superfcies (do solo nos

continentes; da gua nos oceanos, lagos e esturios; das geleiras

nos polos);

Estamos interessados na parcela da radiao que incide sobre a

superfcie, no Equador durante as 12 horas resultaria em

aproximadamente 7000 Wh/m2/dia

Energia Solar Radiao e Aquecimento da gua

Estamos interessados na quantidade de radiao incidente sobre uma

superfcie de forma que possamos estimar a radiao disponvel para

aquecer a gua em um coletor;

A energia absorvida em coletores solares aumenta a temperatura da

gua, que passa a ser armazenada em reservatrios com isolamento

trmico (boilers).

Coletor solar

Boiler

Energia Solar Radiao Solar na Atmosfera

Diagrama simblico dos processos de interao da radiao solar

com a atmosfera terrestre.

Os valores numricos representam a frao de energia em cada

processo radiativo na atmosfera.

Energia Solar Radiao Solar ao Nvel do Solo

De toda a radiao solar que chega s

camadas superiores da atmosfera, apenas

uma frao atinge a superfcie terrestre,

devido reflexo e absoro dos raios

solares pela atmosfera.

Esta frao que atinge o solo constituda

por um componente direta e por uma

componente difusa.

H uma terceira componente refletida pelo

ambiente do entorno (solo, vegetao,

obstculos, terrenos rochosos, etc.). O

coeficiente de reflexo destas superfcies

denominado de albedo.

A energia solar varia durante o dia

(variao diurna) e durante o ano

(variao sazonal)

Energia Solar Radiao Solar e Atmosfera

Antes de atingir o solo, a radiao

solar afetada pelas interaes

com a atmosfera devido aos efeitos

de absoro e espalhamento;

As modificaes que a atmosfera

causa na radiao incidente sobre

a superfcie so dependentes da

espessura e composio da

camada atmosfrica (poluio);

O efeito da atmosfera

caracterizado por um coeficiente

denominado "Massa tica do Ar"

(AM), e, portanto, do ngulo Zenital

do Sol, da distncia Terra-Sol e das

condies atmosfricas e

meteorolgicas.

Energia Solar Radiao Solar ao Nvel do Solo

A radiao solar incidente sobre uma superfcie varia com:

Alternncia de dias e noites;

Alternncia das estaes do ano;

Composio da atmosfera (aerossis-poluio, partculas slidas - poeira);

Condies meteorolgicas: perodos de passagem de nuvens e perodos chuvosos;

A variabilidade temporal da radiao solar incidente sobre uma

superfcie deve ser quantificada para estimar a energia efetiva

disponvel para uso;

Para aplicaes de energia solar, NO suficiente se conhecer os

valores mdios anuais ou a climatologia mensal, precisamos conhecer

a sua variabilidade diria.

Energia Solar Fototrmica Aquecimento de gua

Componentes (aquecimento de gua):

Painel coletor;

Reservatrio com isolamento trmico;

Tubulao de distribuio.

Aplicaes:

Aquecimento de gua para uso residencial;

Aquecimento de gua para processos industriais;

Aquecimento de piscina.

Centro de Conferencias, Bethel, Lesotho

Coletores planos no topo de prdio, Ontario, Canada

Energia Solar Fototrmica Aquecimento de Ar

Componentes (aquecimento de ar):

Coletor no envidraado para pr-aquecimento do ar

Parede Solar SolarwallTM: aquece o ar frio quando passa

pelos pequenos orifcios na placa

metlica de absoro

Ventilador: circula o ar quente para o difusor

Difusor: distribui o ar quente para o interior do prdio

Aplicaes:

Calefao residencial e comercial;

Aquecimento de ar para processos industriais;

Difusor de parede

Sada de ar quente

Ventilador

Painel

solar

perfurado

Entrada de

ar frio

Energia Solar Fototrmica Aquecimento de Ar - Exemplos

Prdio Industrial Projetado com Parede Solar

Secagem solar de Folhas

Energia Solar Fotovoltica Gerao de Energia Eltrica

Em Rede - Gerao Distribuda

Central de gerao fotovoltica

Medidor

Medidor

Rede Eltrica

Prdio - Gerao em Rede

Isolado Bombeamento de gua

Isolado Gerao para Residncia Componentes - Isolado

Energia Solar Passiva Aplicaes Bioclimticas Ambiente Construdo

Fornecimento de 20 a 50% do aquecimento ambiental necessrio

na estao fria

Ganhos solares obtidos com janelas eficientes direcionadas para o sol

Armazenam calor na estrutura do prdio

Utilizam elementos arquitetonicos que produzem sombra para reduzir

ganhos do calor do vero

No projeto de novas construes: acrscimo mnimo de custos

(janelas eficientes, orientao do

prdio, sombra adequada)

Nas reformas de prdios existentes: custo competitivo

Inverno

Vero

Aquecimento solar passivo de apartamentos

Medio e Atlas de Energia Solar


Medio de Radiao Solar Piranmetros (1)

Os piranmetros medem a radiao global;

Usa uma termopilha que mede a diferena de temperatura entre duas superfcies, uma pintada de preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas.

A expanso sofrida pelas superfcies provoca um diferencial de potencial que, ao ser medida, mostra o valor instantneo da energia solar.

Outra tecnologia usa uma clula fotovoltaica de silcio monocristalino para coletar medidas solarimtricas.

Piranmetro fotovoltaicos so muito usados pois apresentam custos bem menores do que os equipamentos tradicionais.

Pelas caractersticas da clula fotovoltaica, este aparelho apresenta sensibilidade em apenas 60% da radiao solar incidente.

Medio de Radiao Solar Piranmetros (2)

Piranmetro com termopilha que mede a diferena de temperatura entre duas superfcies, uma pintada de preto e outra pintada de branco igualmente iluminadas;

Existem piranmetros de primeira classe: 2% de preciso;

e tambm de segunda classe: 5% de preciso.

Medio de Radiao Solar Pirelimetros

Os pirelimetros so instrumentos que medem a radiao direta.

Ele se caracteriza por apresentar uma pequena abertura de forma a visualizar apenas o disco solar e a regio vizinha denominada circunsolar.

O instrumento segue o movimento solar onde constantemente ajustado para focalizar melhor a regio do sensor.

Muitos dos pirelimetros hoje so autocalibrveis apresentando preciso na faixa de .5% quando adequadamente utilizados para medies.

Atlas Brasileiro de Energia Solar

Disponvel em: www.cptec.inpe.br/sonda

Apresenta mdias anuais e sazonais de irradiao solar

Atlas Brasileiro de Energia Solar Estimativa e Validao da Irradiao Solar

Usa informaes de sensoriamento remoto coletado por satlites ambientais;

Os dados de satlite foram processados com o modelo BRASIL-SR

As estimativas de irradiao solar foram validadas com estaes de superfcie REDE SONDA. Equipamento de alta preciso em poucos pontos

Atlas Brasileiro de Energia Solar Validao com dados de estaes meteorolgicas

Mede a irradiao solar com equipamentos de mdia preciso em um nmero maior de pontos

Transmite os dados em tempo real (a cada 3-6 horas)

Coletores para Aquecimento de gua Fundamentos de Radiao Solar Conceito de Azimute

Azimute o ngulo que o coletor

faz com o meridiano local (direo

norte-sul)

O coletor com face para o Sul tem

azimute de 0o

O coletor com face para o Norte

tem azimute de 180o

O coletor com face para o Leste

tem azimute de 90

O coletor com face para o Oeste

tem azimute de 90

Atlas Brasileiro de Energia Solar Mdia Anual da Radiao Solar Global (em kWh/m2)

Dados de 1995-2005 do Modelo BRASIL-SR (satlite)

Resoluo espacial: 10 km x 10 km

Varia de 4200 a 6700 Wh/m2

Mximo: 6700 Wh/m2 no norte da Bahia/Piau

Mnimo: 4200 Wh/m2 no litoral do Paran e Santa Catarina

Radiao anual mdia no topo da atmosfera ~ 16000 Wh/m2

Em outros pases, com significativo apoio governamental:

Alemanha: 900 -1250 Wh/m2

Frana: 900 -1650 Wh/m2

Espanha: 1200 -1850 Wh/m2

Atlas Brasileiro de Energia Solar Mdia Sazonal da Radiao Solar Global (em kWh/m2) - Vero


Mximo: 6700 Wh/m2 no oeste do Rio Grande do Sul;

Mnimo: 4200 Wh/m2 no Amap;

A Regio Norte tem a menor incidncia de radiao solar durante o Vero, apesar de sua localizao prxima linha do Equador;

Devido a elevada frao de cobertura de nuvens e chuvas freqentes associadas Zona de Convergncia Intertropical (ZCIT);

A nebulosidade e chuva tambm reduzem a radiao no litoral do Nordeste, sendo semelhante do litoral Sul;

O oeste da regio Sul e Centro-Oeste tem a maior radiao durante o vero.

Atlas Brasileiro de Energia Solar Mdia Sazonal da Radiao Solar Global (em kWh/m2) - Inverno


Mximo: 5200 Wh/m2 no Piau, Maranho e Cear;

Mnimo: 3100 Wh/m2 no sul do Rio Grande do Sul;

No Inverno, a regio amaznica recebe a maior irradiao solar global e a Regio Sul a menor;

A menor radiao na regio Sul se deve latitude, ao clima temperado e a influncia dos sistemas frontais que aumentam a nebulosidade nos meses de Inverno

Coletores para Aquecimento de gua Radiao Global na Superfcie Variao Interanual

Energia solar mdia mensal no topo da atmosfera: H0=11.847 Wh/m2/dia (janeiro)

Energia solar mdia mensal na superfcie: H=4.584 Wh/m2/dia (janeiro)

Ano com menor valor em janeiro: 2003 com H=3976 Wh/m2/dia

Ano com maior valor em janeiro: 2001 com H=5306 Wh/m2/dia

RADIAO SOLAR GLOBAL EM SUPERFCIE

HORIZONTAL - CURITIBA

45

84

43

26

40

53

33

86

27

80

23

13

24

26 30

73

30

71 3

86

3 45

04

46

10

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

JA

N

FE

V

MA

R

AB

R

MA

I

JU

N

JU

L

AG

O

SE

T

OU

T

NO

V

DE

Z

MS

RA

DIA

O -

Wh

/m2/d

ia MLT-Wh 1998 1999 2000 2001 2002 2003

Coletores para Aquecimento de gua Radiao Global na Superfcie Variao Diria

HISTOGRAMA DA ENERGIA SOLAR DIRIA: JAN

CURITIBA

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

100

900

1700

2500

3300

4100

4900

5700

6500

7300

8100

8900

9700

RADIAO DIRIA

FR

EQ

U

NC

IA R

EL

AT

IVA

Energia solar mdia mensal no topo da atmosfera: H0=11.847 Wh/m2/dia (janeiro)

Energia solar mdia mensal na superfcie: H=4.587 Wh/m2/dia (janeiro)

O valor dirio varia entre 700 e 8100 Wh/m2/dia

Atlas Brasileiro de Energia Solar Cenrio para Aplicao em Aquecimento de gua

O aquecimento de gua responsvel por 25% do total de energia eltrica consumida nas residncias brasileiras: 20 bilhes de kWh;

H vantagens econmicas e ambientais no uso da energia solar para o aquecimento de gua: reduz em 20% o pico de consumo de energia eltrica no final da tarde;

O investimento inicial a principal barreira para a adoo em larga escala de sistemas solares para aquecimento de gua no Brasil;

Um sistema compacto dimensionado para famlias de baixa renda apresenta um custo de US$450, ou seja, cerca de 30 vezes superior ao custo de um chuveiro eltrico;

Alm disso, o custo da energia eltrico no pico faz subir a tarifa;

Os impostos sobre a energia eltrica so de 40%, a lgica seria que a adoo de coletores solares reduziria a tarifa (menor pico) e o consumo de energia;

Se a arrecadao tributria diminuir, pela substituio da energia eltrica pela solar, o que poderia acontecer?

A lei no. 10.295 estabelece uma poltica nacional para a racionalizao e conservao da energia que visa incentivar a adoo de aquecimento solar.

Atlas Brasileiro de Energia Solar Cenrio para Aplicao em Aquecimento de gua

Cenrio:

Coletor com rea til de 1,6m2;

Volume dirio de 120 litros;

Temperatura da gua: 40oC

Preo total de US$500;

Curva de eficincia atende ao padro Tipo A pelo INMETRO;

O ciclo de vida: 20 anos.

Custo da eletricidade: US$0,12/kWh;

Inflao: 5%/ano;

Taxa de juros: 10%/ano

Resultados:

Energia para aquecimento de gua: varia entre 2200 e 3300 kWh;

Tempo de retorno do investimento: varia entre 3 e 5 anos;

Atlas Brasileiro de Energia Solar Tempo de retorno do investimento

Carga Trmica


Coletores para Aquecimento de gua Carga Trmica Conceitos

A carga trmica corresponde energia necessria para aquecer a gua fria at uma

temperatura de referncia para a gua quente (p.ex. T=50oC);

A estimativa da carga trmica necessria tanto para coletores com reservatrio

como para os sem reservatrio;

Vl = volume de gua quente na temperatura Th => so especificadas pelo projetista;

Qload = carga trmica em Joule (J)

Cp= calor especfico da gua: Cp= 4200 J/kg/C a 20C

= massa especfica da gua: = 1000 kg/m3

Tc =temperatura da gua fria em oC

Qload calculado para o nmero de dias que o sistema opera por semana

Coletores para Aquecimento de gua Carga Trmica Exemplo

J = 12.250 Wh

1 Wh = 3.600 J

load p l h c

load

Q C V (T T )

Q 4200 * 1* 300 * (50 15 ) 44.100.000

Vl = 300 l

Th = 50C

Cp= 4200 J/kg/C

= 1000 kg/m3

Tc =15 oC

Vl = 300 l

Th = 60C

Cp= 4200 J/kg/C

= 1000 kg/m3

Tc =10 oC

J = 17.500 Wh

1 Wh = 3.600 J

h c

load p l h c

load

(T T )

Q C V (T T )

Q 4200 * 1* 300 * (60 10 ) 63.000.000

Modelagem Energtica de Sistemas de

Aquecimento Solar de gua com

Coletores Revestidos e com Reservatrio


Coletores para Aquecimento de gua

Tipos de Coletores

Trs modelos bsicos para as aplicaes:

Revestidos;

Tubo evacuado;

Sem revestimento (usado principalmente para piscinas)

Coletor de tubo evacuado

Coletor sem revestimento eficiencia depende do vento Coletor cem revestimento eficiencia independe do vento


Coletores Revestidos com Reservatrio

Princpios tecnolgicos dos coletores revestidos e de tubo evacuado:

Sua eficincia independe do vento;

Coletor revestido e com reservatrio para aquecimento de gua


Para Qualquer Tipo de Coletor

Outros fatores que afetam a eficincia de qualquer coletor:

ngulo de incidncia da radiao (HT);

Perda de energia devido neve e sujeira;

Perda de energia na tubulao;

Perda de energia no armazenamento do coletor

Coletores para Aquecimento de gua Componentes de um Sistema com Reservatrio

So opcionais:

Painel fotovoltico

Trocador de calor

Coletores para Aquecimento de gua Equao para Coletores Revestidos

energia coletada na placa por unidade de rea em um dia

fator de conduo de calor do coletor

transmitncia do revestimento

fator de absoro de radiao de onda curta da placa coletora

coll

R

Q

F

G

radiao global incidente no coletor em um dia

coeficiente de perda de calor do coletor

diferena de temperatura da gua no coletor e o ar ambiente

n = numero de horas em que o coletor permanec

LU

T

2

2 o

e aquecido em um

dia e perde calor por conveccao (vento)

Wh/m /dia W/m / C

R

collhoras diaR L

F 0.68Q 0.68 * G 4.90 * T * 12

F U 4.90

termo de perda por conveccaotermo de radiacao

coll R R LQ F G F U T(n)

Coletores para Aquecimento de gua Equao de Coletores Exemplo

1 Wh = 3.600 J

J = 7.000 Wh/dia

load p l h c

load

Q C V (T T )

Q 4200 * 1* 300 * (35 15 ) 25.200.000

Vl = 300 l

Th = 35C

Cp= 4200 J/kg/C

= 1000 kg/m3

Tc = 15 oC

Tar = 20 oC

G = 3000 Wh/m2/dia

2

2

2loadload

Wh/m dia

=1158 Wh/m /dia

Q 7000Q m

coll

coll

2040 882

collcoll

Q 0.68 * G 4.90 * T * n

Q 0.68 * 3000 4.90 * 35 20 * 12

Q * Area Area 6.04Q 1158

Coletores para Aquecimento de gua Outras Perdas no Sistema de Aquecimento

Variao do ngulo de incidncia devido inclinao do coletor

Sugere-se multiplicar a radiao no plano do coletor (para um azimute) por 0.95

Variao da radiao no plano do coletor para diferentes

inclinaes

Curitiba (Lat=-24.4oS; Lon=-47.5

oW)

0.0

6

0.0

6

0.0

5

0.0

5

0.0

5 0.0

5

0.0

5

0.0

5

0.0

7

0.0

6

0.0

6

0.0

6

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

JAN FEV MAR ABR MAI JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ

Ms

Vari

ao

(fr

ao

da r

ad

iao

)

Coletores para Aquecimento de gua Variao do ngulo de Incidncia - Exemplo

Se o coletor for inclinado considera-se a radiao no plano do coletor como

sendo 95% da radiao na superfcie horizontal para um dado azimute

Aumentou a rea de 6.04 para 6.63 m2

1 Wh = 3.600 J

J = 7.000 Wh/dia

load p l h c

load

Q C V (T T )

Q 4200 * 1* 300 * (35 15 ) 25.200.000

2

2

2loadload

W/m

=1056 Wh/m /dia

Q 7000Q m

coll

coll

1938 882

collcoll

Q 0.95 * 0.68 * G 4.90 * T

Q 0.95 * 0.68 * 3000 4.90 * 35 20 * 12


G = 3000 Wh/m2/dia

Vl = 300 l

Th = 35C

Cp= 4200 J/kg/C

= 1000 kg/m3

Tc = 15 oC

Tar = 20 oC


Perdas na tubulao e no armazenamento (flos)

flos: um fator que aumenta a carga trmica ao invs de reduzir a radiao

coletada

0

Coletores para Aquecimento de gua Perdas na tubulao e armazenamento - Exemplo

7.700 Wh/diaload p l h c los

load

Q C V (T T ) 1 f

Q 4200 *1* 300 * (35 15 )* 1 0.1

Aumenta-se em 10% a carga trmica

Aumentou a rea de 6.63 para 7.29 m2

G = 3000 Wh/m2/dia

Vl = 300 l

Th = 35C

Cp= 4200 J/kg/C

= 1000 kg/m3

Tc = 15 oC

Tar = 20 oC

2

2

2loadload

W/m

=1056 Wh/m /dia

Q 7700Q m

coll

coll

1938 882

collcoll

Q 0.95 * 0.68 * G 4.90 * T

Q 0.95 * 0.68 * 3000 4.90 * 35 20 * 12



Perdas por acmulo de neve e sujeira (fdirt)

fdirt: um fator que reduz a radiao coletada mas no reduz as outras

perdas no coletor

0.03

Coletores para Aquecimento de gua Perdas por acmulo de sujeira e neve - Exemplo

fdirt=0.1

Aumentou a rea de 6.04 para 8.93 m2 (aumento de 38% da rea original)

7.700 Wh/diaload p l h c los

load

Q C V (T T ) 1 f

Q 4200 *1* 300 * (35 15 )* 1 0.1

G = 3000 Wh/m2/dia

Vl = 300 l

Th = 35C

Cp= 4200 J/kg/C

= 1000 kg/m3

Tc = 15 oC

Tar = 20 oC

2

2

2loadload

W/m

=862 Wh/m /dia

Q 7700Q m

coll dirt

coll

1744 882

coll

coll

Q (1 f )* 0.95 * 0.68 * G 4.90 * T

Q 0.90 * 0.95 * 0.68 * 3000 4.90 * 35 20 * 12

Q * Area Area 8.93862Q

Referncias

Clean Energy Project Analysis (Third Edition) - RETScreen Engineering & Cases Textbook

Chapter: SOLAR WATER HEATING PROJECT ANALYSIS (p.299-p.356)

Exemplo de Balano Energtico do

Coletor Solar para Curitiba


Exerccio

Dado a radiao(kwh/m), a temperatura do ar mnima, mxima(C) e as horas de brilho de Curitiba diria, estimar:

Temperatura da gua quente diria no coletor para

um volume de 300 litros.

Considere:

=1000Kg/m;

Cp=4200 J/(kg oC);

1 kWh = 3.6 106 J;

fdirt = floss = 0.1

Soluo

Equaes:

Qload = CpVl(Th-Tc)[1+floss]

Qcoll = (1-fdirt)*0.95*(0.68*G)-(4.9*(Th-Tar)*A*Kt; onde Kt=nmero de horas de brilho

Isolando o termo Th obtm-se:

Qload = A*Qcoll

Soluo

(Tmin+Tmax)/2

=(E8+F8)/2

=0.9*0.95*0.68*D8

=4.9*$C$5*G8*H8

=-1.1*4200*$C$3*$F$39/3600

=(I8+J8-

K8)/(4200*$C$3*1.1/3600+4.

9*4*H8)

48,1

22,4 20,7

16,8

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

Tem

pera

tura

(oC

) R

ad

iao

Glo

bal (W

h/d

ia/m

2)

Dia (Jan/2001)

Curitiba Janeiro: Radiao Global, Temperatura da gua no Coletor e Temperatura do ar

Wh/m2/dia Th(oC) Tar (oC)

Alta radiao =

aquecimento elevado

Baixa radiao =

aquecimento reduzido

Anlise de Viabilidade

Economico-Financeira com o uso

do Software RETScreen:

Exemplo: Hotel em Foz do Iguau


01 Solar Palestra

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