Apostila Energia Solar Térmica 1 2012

APOSTILA ENERGIA SOLAR TRMICA Curso de engenharia de energia faen / ufgd

1. O SOL

O fornecimento contnuo de energia do Sol permite a dinmica atmosfrica e a vida dos seres vivos. Durante muitos milhares de anos, o Sol tem sido observado como um Deus ou ser supremo. Recentemente, o astro-rei nos abre a porta do novo sculo para converter a radiao solar em uma fonte renovvel e alternativa que nos permita continuar progredindo como espcie, de maneira sustentvel. Cabe destacar, que o Sol a fonte ltima da energia solar, assim como tambm o de quase o restante de outras fontes de energias renovveis, e de todos os combustveis fsseis. 1.1 UMA APROXIMAO AO SOL O Sol um astro composto por gases a alta temperatura (plasma), basicamente por hidrognio e hlio, e com uma massa total de aproximadamente 2,2 x 107 t. (umas 334.000 vezes a massa da Terra). Calcula-se que tem uma antiguidade de uns 4,5 a 5 Bilhes de anos, e que vai continuar proporcionando energia durante 5 a 8 bilhes de anos mais, antes de se converter em um corpo frio. Esta estrela pode ser comparada a um imenso forno nuclear com um dimetro 110 vezes maior que o da Terra, onde o hidrognio vai se convertendo em hlio atravs de processos de fuso nuclear a uma velocidade de 4 milhes de toneladas por segundo. As temperaturas que geram estes processos nucleares provocam temperaturas que no interior do Sol ascendem at os 60 milhes de K. Tal temperatura vai diminuindo medida que nos aproximamos da superfcie solar, estabilizando-se ao redor dos 6.000 K, e aumentando de novo na coroa solar at atingir temperaturas que alcanam os 2 milhes de K. O Sol no um corpo slido como os planetas, mas uma enorme bola de gs concentrado, pela grande fora de gravidade exercida pelo prprio ncleo. Na superfcie solar ocorrem erupes solares equivalentes exploso de 1000 bombas atmicas, que provocam a expulso de massa solar para o espao. Este fenmeno responsvel pelo efeito conhecido como vento solar. O vento solar formado por partculas eletricamente carregadas, que provocam alteraes magnticas, chegando inclusive a alcanar a atmosfera terrestre, e produzindo fenmenos como os das auroras polares, ou interferncias nas ondas de rdio ou de telecomunicaes. Assim como os demais corpos celestes, o Sol descreve movimentos de rotao e de translao; a rotao ao redor de seu eixo tem um perodo de aproximadamente quatro semanas (no como a de um slido rgido, cuja


velocidade de rotao vai variando de acordo com a latitude), alm disso, realiza um movimento de translao com relao sua prpria galxia. Tabela 1.1 Dados de relevncia a respeito do Sol

Intensidade de emisso superficial absoluta

3,76 1014 TW

Dimetro do Sol 1.392.000 km Massa solar 1,99 1030 kg.

Temperatura de equilbrio na superfcie solar

5.776 K

Composio na camada exterior do Sol

75% Hidrognio 23% Hlio

2% Outros gases Distncia Terra-Sol 150.000.000 km

1.2 - RADIAO E CONSTANTE SOLAR.

Nem toda energia emitida pelo Sol alcana a Terra. Realmente, dos 3,761014 TW que o Sol emite, 173.000 TW so interceptados pelo planeta. Apesar de ser uma quantidade muito menor do que a inicialmente disponvel, supera amplamente o consumo mximo existente em nvel mundial. Entende-se por constante solar a energia de origem solar que alcana por unidade de superfcie e tempo uma superfcie orientada perpendicularmente para os raios solares e situada na borda exterior da atmosfera terrestre, de maneira que no existisse nenhum tipo de obstculo entre o Sol e a superfcie que provocasse a atenuao dos raios solares. Fala-se de constante solar porque caso se suponha que nosso planeta est situado distncia mdia do Sol de uns 1.495 x 1011 m, este fato implicaria que subtende um ngulo slido de 32, com o qual se poderia afirmar que a intensidade que chega superfcie exterior da atmosfera praticamente constante. O valor mdio admitido da constante solar de 1, 354 kW/m2, sem dvida, h que contar com variaes estacionais de 3,5% pela distinta posio do Sol com relao ao nosso planeta devido excentricidade da rbita terrestre, e com diferenas de 1,5% decorrentes das oscilaes ou flutuaes das manchas solares1.

1Fenmeno cclico relacionado con a variao da atividade do sol ao longo do tempo. Um dos primeiros a observar este

fenmeno foi Galileu, em 1610. As manchas solares so zonas de menor temperatura, que aparecem sobre a superfcie do

sol, aproximadamente uns 2.000 K menos que o resto da superfcie. Este processo cclico de surgimento e desaparecimento

das manchas solares, com base em observaes realizadas, estima-se que tem uma durao de cerca de 11 anos, ainda que

sejam possveis as interferncias por ciclos de maior ou menor durao. O desaparecimento quase total das manchas solares

indica um perodo de diminuio da atividade solar, que provoca quedas da temperatura mdia da Terra de at 2,5 C.


Figura 1.1 - Variao da constante solar.

A radiao solar que a Terra recebe do Sol varia em parte pelos movimentos que o planeta realiza. Neste sentido, dever-se- levar em conta os movimentos de rotao e translao que este realiza: o primeiro, ao redor de seu eixo N-S, com um perodo de 24 horas e, o segundo, ao redor do Sol, com um perodo de 365 dias e 6 horas, em uma rbita elptica com uma excentricidade de 3%, denominada eclptica. O eixo polar da Terra mantm durante a translao uma direo aproximadamente constante, e forma um ngulo de 23,45 com o eixo da eclptica; esta inclinao do eixo de rotao responsvel pelas estaes do ano, ou seja, pelo distinto aquecimento dos hemisfrios. 1.3. A ENERGIA RADIANTE, OS FTONS E O CORPO NEGRO De toda a lista de formas convencionais de energia (mecnica, trmica, eltrica, etc.), a radiante desempenha um papel importantssimo na transmisso energtica dentro do contexto da energia solar. uma experincia amplamente conhecida que, se submetermos um corpo aos efeitos da radiao solar, este sofre um aquecimento ao aumentar sua temperatura. Do mesmo modo, tambm podemos perceber o aumento de temperatura em um termmetro, se o aproximarmos de uma lmpada de incandescncia. Caso prossigamos com a experimentao, poderemos comprovar que o calor radiante se refrata, se difrata. Isto , comporta-se de acordo com as leis do movimento ondulatrio: por isso, admite-se que a energia calorfica transmitida por radiao transportada por ondas. Apesar da cotidiana e familiaridade da energia radiante, a franja correspondente ao espectro visvel representa apenas uma pequena frao do


amplo espectro de energia radiante. Seu estudo, conhecimento e aplicaes tecnolgicas, foram desenvolvidos em finais do sculo XIX. A transferncia de calor por radiao a nica que no requer um meio para sua propagao, transmitindo-se no vcuo. A matria sob temperatura distinta do zero absoluto emite e absorve energia radiante, abrangendo um amplo intervalo que se estende para ambos os lados da estreita franja de radiao visvel - compreendida entre os 0,38 e os 0,78 m2, cuja potncia e distribuio de freqncias variam com a temperatura da matria.

Figura 1.2 Espectro de radiao O espectro de radiao eletromagntica, representado na figura 1.2, se estende das ondas longas de rdio de 104 m, at as radiaes energticas ionizantes de 10-14 m, que contm energias de vrias centenas de milhes de eltron-Volts (eV). Cabe destacar que a sensibilidade do olho humano somente est adaptada para captar a franja de radiao solar visvel, compreendida entre os 4500 e os 6500 Amstrong3. Seu conhecimento cientfico provocou uma das primeiras crises do antigo paradigma Newtoniano, ao ser desenvolvida, na metade do sculo XIX, a Teoria Eletromagntica de J.C. Maxwell, que abarcava no somente o comportamento clssico dos campos eltricos e magnticos, mas que tambm incorporava as manifestaes luminosas.

2O mesmo, entre 380 nm e 780 nm (1nm=110-9 m).

31 Amstrong=110-10m.


Sem embargo, a partir do desenvolvimento de alguns conceitos gerais da termodinmica estabelecidos por Kirchoff, que se determina que a transmisso de calor por radiao dependa exclusivamente da temperatura absoluta T(K) do corpo. Por outra parte, os cientistas Stefan e Boltzmann estabeleceram que a quantidade de energia contida em uma unidade de volume (fluxo de potncia radiante Q) cresce muito rapidamente com a temperatura, adotando um valor equivalente quarta potncia daquela, em que:

Q = .T4

Q = fluxo de potncia radiante, W/m2. = constante de Stefan-Boltzmann (5,67 108 W/m2 K4). A = rea da superfcie de emisso, m2. T = temperatura absoluta da superfcie, K. Outra importante contribuio foi a realizada pelo fsico M. Planck que, ao estudar as interaes entre a matria e a radiao, descobriu a famosa "Teoria dos Quanta. Atualmente, tal forma de energia pode ser interpretada como uma prolongao dos conceitos clssicos da energia cintica e potencial, isto , como uma extenso dos campos eltrico e magntico provocados pelas ondas. Uma manifestao de grande importncia associada energia radiante percebida nos resultados da fotossntese, fenmeno que ao possibilitar a conjuno da energia solar com a funo cloroflica das plantas verdes, permite sintetizar de forma natural um grande grupo de compostos orgnicos complexos que armazenam uma grande quantidade de energia em forma de estruturas qumicas (produo primria), e que so definitivamente as sustentadoras da vida em nosso planeta. A determinao de uma lei que expressasse a distribuio espectral da energia emitida por um corpo negro ideal4 se apresentava como problemtica, e embora se pudesse obter uma frmula de sua distribuio (Wien), subsistia uma funo arbitrria que fazia intervir intercmbios de energia entre matria e radiao. Neste campo, foi decisiva a contribuio de M. Planck, o qual inicialmente adotava uma concepo contnua da absoro e da emisso, habitual na poca; sem dvida, ao perceber que tal hiptese no conduzia a alguns resultados aceitveis, adotou uma posio beligerante para com as teorias ondulatrias da luz de Fresnel e Maxwell: a energia radiante no emitida ou absorvida de forma contnua, mas em quantidades discretas. A equao que Planck estabeleceu, correlaciona as transferncias energticas da radiao com sua freqncia, em que:

E = h. h = constante de Planck (6,62 10-34 Js). =freqncia, Hz. 4 Um corpo ideal que pudesse absorver todas as radiaes que lhe chegassem, independentemente de seus comprimentos de

ondas, se comportaria como um corpo negro, dispondo de um nmero infinito de nveis de energia permitidos. Todos os corpos a uma temperatura superior a 0 K emitem energia em forma de radiao, a umas freqncias e comprimentos de onda determinadas, existindo um nmero infinito de radiaes simples que podemos ordenar em funo do comprimento de onda, e que em seu conjunto denominamos espectro eletromagntico.


A equao constitui uma das leis fundamentais da teoria quntica, e nos mostra como a radiao apenas pode ceder energia matria de uma maneira descontnua, em forma de pacotes discretos, mltiplos de uma quantidade definida, os famosos "quanta". A suposio de que a radiao existe em forma de partculas discretas, denominadas "ftons", cada um dos quais transporta uma quantidade fixa de energia, "os quanta", nos permite estabelecer uma correta interpretao das interaes entre radiao e matria. O calor, a luz, os raios X, as radiaes gama, etc., so diferentes manifestaes da energia radiante, e que podem ser expressas atravs de alguns parmetros caractersticos:

I) A freqncia , definida como o nmero de ciclos por segundo, representando uma funo do tempo.

II) O perodo T, que representa a durao de cada ciclo em segundos. Logicamente seu valor ser o inverso da freqncia.

III) O comprimento de onda , que se expressa como a distncia em metros que a onda percorrer durante um perodo da radiao.

A radiao solar recebida pela Terra em forma de constante solar, isto , nas imediaes da atmosfera terrestre, de tipo eletromagntico e se propaga a 300.000 km/s, abrangendo um conjunto de comprimentos de onda, que vo desde a radiao de onda longa da zona dos raios infravermelhos (IR) (>0,75 m), radiao de onda curta da zona dos raios ultravioletas (UV) (


Figura 1.3 - Distribuio espectral da radiao solar estratosfrica.

Tambm muito importante destacar que, ainda que o pico de maior intensidade de radiao corresponda zona visvel (0,4 m.), quase a metade da energia solar emitida radiao de tipo infravermelha. A velocidade de propagao varia em funo dos materiais que devam ser atravessados pelas radiaes (gua, ar, vidro), dado que a freqncia se mantm, a velocidade ser equivalente a nc, sendo n o ndice de refrao do meio considerado. Os ftons so, pois, os elementos constitutivos de qualquer tipo de radiao eletromagntica, ainda que possam se diferenciar por sua energia e origem. Todos os ftons se deslocam velocidade da luz, embora sua energia seja funo das respectivas freqncias. Assim, pois, toda radiao eletromagntica apresenta algumas caractersticas similares, diferenciando-se seu contedo energtico pelo comprimento de onda, associando-se a cada um valor concreto e caracterstico, que diminui com o aumento de comprimento.

= c.T = c

Esta energia corresponde a alguns valores modestos, de forma que somente no caso de freqncias muito altas, a energia quntica alcanar valores o suficientemente elevados para que sejam apreciveis. No caso da luz, os quanta tm um valor aproximado de 310-19 J, com o que as variaes energticas de tais ordens apenas aparecem como importantes em escala atmica. 1.4. O ESPECTRO SOLAR DE EMISSO Tal e como mencionamos anteriormente, o Sol pode ser considerado como um imenso reator termonuclear de fuso em contnuo funcionamento. Trata-se de uma esfera gasosa de hidrognio e hlio de 1,39 milhes de km de dimetro,


de uma densidade mdia 100 vezes da gua, e que chega a temperaturas em seu interior de entre 8 e 40 millhes de graus centgrados. A densidade de potncia radiada em sua superfcie de cerca de 92.000 CV/m2. Com relao Terra, pode-se dizer que o Sol o foco de uma elipse (eclptica), existindo entre os dois astros uma separao mxima a 4 de julho (aflio) e uma distncia mnima a 31 de dezembro (perilio), enquanto que a distncia mdia de 149.600.000 km. O ngulo que o equador forma com a eclptica de 2327 (na poca atual), ou seja, o eixo da Terra no perpendicular sua rbita, aparecendo em conseqncia as estaes (figura 1.4). Ademais, para avaliar a radiao que chega ao nosso planeta, h que considerar todos os fenmenos relacionados com a dupla Terra-Sol, noite e dia, evaporao da gua, crescimento de vegetais. Mais sutis so os efeitos produzidos pela variao na intensidade da radiao emitida pelo solo, as quais no tm conseqncias importantes para a vida em nosso planeta.

Figura 1.4 rbita planetria.

Nos clculos da energia solar se considera o Sol como um corpo negro. Um corpo negro absorve toda a radiao que lhe chega, sendo nulas as fraes de energia refletida e transmitida atravs do mesmo. Supondo o corpo em um equilbrio trmico, impe-se que toda a energia radiante absorvida pelo corpo acaba sendo emitida em forma de radiao trmica. Nestas condies, o espectro solar ideal de corpo negro fica perfeitamente determinado a partir da distribuio dada pela Lei de Planck em funo da temperatura.

em que:


U() = potncia emissiva espectral, W/m2. = freqncia, Hz. c = velocidade da luz no vcuo (3108 m/s). K= constante de Stefan-Boltzmann (5,6710-8 W/m2 K4). h=constante de Planck (6,6210-34 Js). T=temperatura absoluta, K. Atravs da lei de Wien, deduz-se que este espectro se desloca para comprimentos de onda inferiores, e, portanto mais energticas, medida que aumenta a temperatura do corpo:

max*T = 2897,8 m K

Figura 1.5. Deslocamento do espectro de radiao com a temperatura, segundo a lei de Wien.

Em realidade, os corpos no so negros, ou seja, no emitem em forma de calor toda a radiao que recebem, emitindo apenas uma parte. Nos corpos reais, esta frao de energia reemitida depende do comprimento de onda "e()", de maneira que podem apresentar um espectro bastante diferente do de um corpo negro mesma temperatura. Em uma situao intermediria, faz-se a aproximao a um corpo cinza, no qual toma-se um valor de e() mdio para todas os comprimentos de onda, com a condio de obter a mesma potncia trmica total emitida que no caso real. Ao fazer a aproximao do corpo negro, h que supor uma temperatura efetiva do Sol de 5762 K, um pouco inferior que existe realmente em sua superfcie.


1.5. INTERAO DA RADIAO SOLAR COM A ATMOSFERA Em sua passagem pela atmosfera, a radiao solar sofre diversos processos de atenuao e de espargimento, como resultado de sua interao com os distintos componentes atmosfricos: aerossis, nuvens e molculas de oznio, dixido de carbono, oxignio, gua, etc. Os efeitos mais importantes de tal interao so:

a) A diminuio da energia radiante total disponvel ao nvel do solo, em relao disponvel no limite superior da atmosfera.

b) A modificao das caractersticas espectrais e distribuio espacial da radiao.

A absoro de radiao solar na atmosfera ocasionada essencialmente pelo oznio (O3) e pelo vapor de gua (H2O). No primeiro caso, a banda de absoro mais importante est localizada no ultravioleta: praticamente, toda a radiao solar de comprimento de onda inferior a 0,29 m absorvida pelo oznio localizado nas altas camadas da atmosfera; a partir de 0,35 m, desaparece a absoro de radiao por tal gs, voltando a aumentar nas proximidades de 0,6 m. O vapor de gua absorve, fundamentalmente, na zona infravermelha, tendo suas bandas de absoro mais importantes em 1,0; 1,4 e 1,8 m. A partir de comprimentos de onda de 2,3 m, a transmisso da radiao solar na atmosfera se torna praticamente nula, devido absoro por parte da gua e dixido de carbono. O scattering, tambm denominado espargimento, outro dos efeitos anteriormente mencionados, e que se traduz em uma atenuao da radiao solar extraterrestre e sua redistribuio em todas as direes do espao sem mudanas significativas no comprimento de onda. Em ordem de importncia, os constituintes atmosfricos responsveis pelo fenmeno de espargimento so: o vapor de gua, os aerossis, e os componentes moleculares. A contribuio ao fenmeno do scattering est em relao direta ao tamanho do constituinte e de sua densidade atmosfrica. Caso se leve em conta os fenmenos de reflexo e absoro que ocorrem com a radiao solar incidente sobre a atmosfera terrestre, obvio que somente uma parte da energia pode ser aproveitada em nvel de terra. Em geral, o espectro solar, ao atravessar a atmosfera, se desloca para energias mais baixas. Por exemplo, dentro do espectro visvel toma mais importncia a franja dos infravermelhos e se atenua a zona dos ultravioletas. Este efeito torna-se mais evidente nas primeiras horas da manh e nas ltimas da tarde, quando se pode observar uma cor mais avermelhada do Sol, j que so os momentos do dia em que a radiao solar tem que atravessar uma maior espessura de ar. Em contrapartida, em um meio-dia sem nuvens, a cor branca do Sol corresponde ao espectro de radiao calorfica a altas temperaturas, similar ao


que chega s camadas altas da atmosfera, o qual apresenta seu mximo centrado na zona visvel (por isso se obtm a cor branca). Da radiao total incidente sobre a superfcie da Terra (Qt), se tem que uma parte da radiao chega de forma direta (Qd) e outra de forma difusa (Qs). A radiao direta a recebida em nvel de terra sem que os raios do sol tenham variado de direo. A radiao difusa aquela que tem sofrido processos de refrao, reflexo e absoro na atmosfera e, em especial, nas acumulaes de vapor de gua (nuvens, neblina, etc.). Uma parte da radiao que chega superfcie da terra refletida, sendo esta frao conhecida como refletividade ou albedo (r). Portanto, da radiao solar que chega terra, os captadores podem empregar trs componentes: a direta, a difusa e a refletida. A parte restante da radiao solar que incide sobre a atmosfera refletida de novo para o espao (Qr) ou absorvida pelas massas de nuvens (Qa). H que dizer que a frao absorvida Qa pode chegar superfcie da terra de forma indireta (chuvas, radiao calorfica das nuvens), mas em um nvel de degradao energtico no apto para seu aproveitamento.

Qr = (Qd + Qs) * (1 - r) + (Qd + Qs) * r + ( Qr + Qa) Finalmente, cabe mencionar que a energia solar total incidente em um dia completo pode superar os 8 kWh/m2 em uma localidade situada a cerca de 40 de latitude, com uma mdia anual sobre uma superfcie horizontal de cerca de 4,5 kWh/m2. 1.6. IRRADIAO SOBRE UMA SUPERFCIE: ABSORO, REFLEXO E

TRANSMISSO A radiao solar, ao incidir primeiro sobre a atmosfera da Terra e, posteriormente, sobre sua superfcie, experimenta um conjunto de processos prprios da interao da radiao com a matria. Toda energia radiante que interage com um corpo, deve, obrigatoriamente, provocar os seguintes fenmenos:

a. Uma frao da energia recebida (Ei) refletida (Er). Neste caso, o coeficiente de reflexo do material ser dado pela expresso:

r = Er / Ei

b. Outra frao da energia (Et) pode atravessar o material, motivo pelo qual o coeficiente de transmisso do material ser equivalente a:

t = Et / Ei


c. E, finalmente, uma determinada frao (Ea) ser absorvida por ele mesmo. O coeficiente de absoro toma o valor:

b = Ea / Ei

Logicamente, a soma dos trs coeficientes deve ser igual unidade:

r + t + b = 1


2. ConCeitos eLeMentARes De ASTRONOMIA E POSIO SOLAR

2.1. PRINCIPAIS PARMETROS DA POSIO SOL - TERRA At agora se tem visto o processo de atenuao do espectro solar desde sua origem at a chegada Terra, devido natureza emissiva do Sol, disperso geomtrica das ondas radiantes para chegar at o planeta e sua interao fsica com a atmosfera. Alm destes efeitos, sujeitos climatologia de cada regio e estao do ano, a quantidade de energia solar que se pode captar em um determinado momento da superfcie da terra depende de outros parmetros astronmicos e da prpria orientao do captador (coletor). As relaes geomtricas entre um plano de qualquer orientao particular relativa Terra em qualquer momento, e a posio relativa do Sol com respeito a este plano, so descritos mediante a combinao dos ngulos que so definidos nos tpicos seguintes. 2.1.1. LATITUDE () A latitude o ngulo formado pela vertical do ponto geogrfico considerado da superfcie terrestre e pelo plano do equador. Sua variabilidade de - 90 (latitude sul) at 90 (latitude norte).

Figura 2.1 Latitude.

2.1.2. DECLINAO SOLAR () A declinao solar o ngulo formado pela linha Terra-Sol, ao meio-dia, e pelo plano do equador. Sua variabilidade de -23,45 a 23,45. A declinao tem uma dependncia com o dia Juliano5 no qual realizado o clculo, desta forma

5

Ao primeiro dia de janeiro corresponde um dia Juliano de valor D = 1, enquanto que para o dia 31 de dezembro, o dia Juliano

D=365.


e ainda que possa ser obtida a partir de tabelas astronmicas, muito mais prtico para os clculos avali-la a partir da expresso:

365

284360sin45,23 D

em que: D= dia Juliano.

Ainda que para efeitos prticos seja invarivel, no se deve esquecer que a declinao sofre variaes cclicas de perodos compreendidos entre 40.000 e 100.000 anos, que a fazem oscilar entre os 22 e 24, e que se cr seguramente que so as causadoras das mudanas climticas que vm se sucedendo ao longo da histria de nosso planeta.

Figura 2.2. Declinao solar.

Exemplo 1: Avaliar a declinao solar no dia 15 de agosto de 1985 (D=227 dias). Soluo:

osen 78,1314445,23))227284(365360sin(45,23

2.1.3. ALTURA (H) A altura o ngulo formado pela radiao solar direta com o eixo sul do plano tangente Terra no ponto do observador.

2.1.4. AZIMUTE () o ngulo formado pela projeo dos raios solares sobre o plano tangente superfcie terrestre e pelo sul geogrfico, denominado meridiano do lugar. Portanto, o ngulo azimutal tem valor igual a zero para uma superfcie


orientada perfeitamente ao sul, 90 para o leste e - 90 para o oeste, sendo sua variabilidade, de -180 a +180. A altura e o azimute constituem as coordenadas solares planas e permitem de forma simples situar o Sol e descrever seu movimento ao longo do ano, tomando como referncia o ponto de observao da terra.

Figura 2.3. Coordenadas solares planas: altura e azimute.

Quando se fala de captadores (coletores), o azimute tomado como o ngulo formado pela projeo horizontal da linha perpendicular superfcie captadora e pela linha que passa pelo captador e pelo sul geogrfico.

Figura 2.4. Azimute em captadores.


2.1.5. INCLINAO (S) A inclinao o ngulo formado pelo plano da superfcie captadora e pela horizontal do ponto considerado.

Figura 2.5. Inclinao.

2.2. TEMPO SOLAR E NGULO HORRIO Outro efeito a levar em conta a rotao da terra, a qual expressa atravs do ngulo horrio. O ngulo horrio o resultado da diviso do tempo solar verdadeiro (T.S.V.) em horas por 360; desta forma, cada hora equivale a 15. Toma-se por conveno de 0 o meio-dia solar, ngulos das horas da manh positivos e ngulos das horas da tarde negativos. O tempo solar verdadeiro (T.S.V) obtido a partir da seguinte equao:

T.S.V. = Hora oficial local - avano com relao hora solar +/- longitude do lugar +/- Equao do tempo.

A equao do tempo o fator que corrige a hora solar devido s perturbaes da rbita terrestre e da velocidade de giro. Ao orbitar a terra ao redor do sol, sua velocidade muda de acordo com a distncia em relao a este.

Figura 2.6. Grfico da equao do tempo


Quando se aproxima do Sol, move-se mais lentamente e quando se afasta, o faz mais rapidamente. Esta diferena na velocidade da terra a causadora da divergncia entre a hora solar real e a hora solar mdia, j que um relgio normal mede o tempo uniformemente e no leva em conta esta variao na velocidade da terra.

Exemplo 2: Avaliar o tempo solar verdadeiro (T.S.V.) em Barcelona (longitude 2 leste) no dia 15 de agosto de 1985, s 11 horas. Encontrar o ngulo horrio. Soluo: CONCEITO TEMPO Hora official 11h 0 min 0 seg - avano com relao hora solar -2h 0 min 0 seg +/- longitude 2 leste (4 min/grau) -0 h 8 min 0 seg +/- equao do tempo (figura 2.6) -0h 5 min 0 seg T.S.V. 8h 47 min 0 seg

A diferena horria entre o meio-dia e s 8h 47 min de 3h 13 min, portanto, o ngulo horrio ser: w=(3h15/h)+13 min/(60 min/h)15/h=49,25 2.3. GRFICOS SOLARES Os grficos solares permitem representar a posio do Sol no arco celeste em qualquer instante do ano para uma latitude determinada. O arco celeste o hemisfrio visvel do cu em todas as direes acima do horizonte. O quadriculado do grfico solar representa os ngulos verticais e horizontais dos pontos do arco celeste. Tudo acontece como se o observador localizasse a altura e o azimute do Sol sobre um hemisfrio transparente colocado acima de si, e como se depois representasse esta viso acima de um cilindro vertical (ainda que geometricamente isto no seja de todo possvel).

Figura 2.7. Arco celeste e representao da posio do Sol.


Acima do quadriculado grfico podem ser representadas as trajetrias solares para as diferentes pocas do ano, e ao unir estas com as linhas das horas do dia, se obtm o grfico solar completo. As horas dos grficos solares sempre correspondem ao tempo solar verdadeiro (T.S.V.).

Figura 2.8. Grfico solar (a 40 de latitude).

Como a trajetria aparente do Sol muda de acordo com a localizao sobre a terra, se requer um grfico solar diferente segundo a latitude. Uma variante do grfico solar o grfico solar polar, que incorpora como nova varivel a declinao. Este tipo de representao permite mudar de forma imediata de coordenadas de posicionamento solar, por uma parte a altura e o azimute, e por outra, a declinao e o ngulo horrio.

Figura 2.9. Diagrama solar polar.


Por outro lado, devido ao campo magntico do planeta, necessrio corrigir as variaes magnticas da bssola (declinao magntica) para cada lugar, uns poucos graus para o leste e para o oeste para obter o norte geogrfico (diferente do norte magntico). 2.4. CLCULO DO NGULO DE INCIDNCIA DA RADIAO DIRETA E DA

INCLINAO DO CAPTADOR O primeiro parmetro a determinar em um captador (coletor) solar a inclinao requerida para obter a captao de um mximo de radiao solar direta. O ngulo de incidncia () o formado pela radiao direta sobre a superfcie captadora, ou seja, a linha sol-captador e pela perpendicular ao captador.

Figura 2.10. ngulo de incidncia.

Por trigonometria, se obtm que o ngulo de incidncia calculado segundo a seguinte frmula:

cos = sen.sen.cosS - sen.cos.senS.cos + cos.cos.cosS.cos+

cos.sen.senS.cos.cos+cos.senS.sen.sen

Exemplo 3:

Calcular a radiao solar direta e difusa incidente em um captador plano situado em Barcelona, que tem uma orientao Azimute de 10 para o sudeste, uma inclinao de 30 e a radiao recebida de 715 W/m2, no dia 15 de agosto de 1985 s 11 horas. Soluo: A declinao solar () no 15 de agosto de 1985 foi calculada no exemplo de clculo 1 em 13,78.


O ngulo horrio () que corresponde s 11 horas do dia 15 de agosto de 1985, em Barcelona, foi calculado no exemplo de clculo 2 em 49,25. Barcelona est situada a uma latitude () de 41. Assim, os ngulos para o desenvolvimento deste exemplo so: DECLINAO, =13,78 NGULO HORRIO, = 49,25 LATITUDE, =41 INCLINAO, S = 30 AZIMUTE, =10 cos = sen13,78 sen41 cos 30 - sen 13,78 cos 41 sen 30 cos 10 + cos 13,78 cos 41 cos 30 cos 49,25 + cos 13,78 sen 41 sen 30 cos 10cos 49,25+cos 13,78sen 30sen 10 sen 49,25 = 0,77; correspondente a um ngulo = 39. A radiao direta recebida ser de: 715 W/m2 . 0,77 = 547,9 W/m2 A radiao difusa recebida ser de: 715 - 547,9 = 167,1 W/m2 Normalmente, os captadores so instalados fixos e orientados para o sul. Nestes casos, o azimute do captador zero. O ngulo horrio no levado em considerao, j que a superfcie coletora capta todas as horas solares (o valor mdio deste ngulo nulo). Portanto, a frmula do ngulo de incidncia simplificada at a expresso:

S - em que: = ngulo de incidncia. =ngulo de latitude. S=ngulo de inclinao do captador. =ngulo de declinao solar. A mxima radiao para um captador, fixado no ngulo horrio e no azimute, obtida quando o ngulo de incidncia nulo. Neste caso deve-se efetuar a seguinte expresso:

S = - Portanto, haver que ir modificando a inclinao da superfcie captadora, segundo a variao da altura solar ao meio-dia, ao longo do ano. No caso da instalao solar somente ser utilizada alguns meses ao ano, pode-se colher a declinao mdia neste perodo de tempo com o fim de fixar a inclinao.


Figura 2.11. Inclinao ideal dos coletores em funo da poca do ano e da

latitude. 2.5. DISTNCIA MNIMA ENTRE PAINIS E CLCULO DE SOMBRAS A separao mnima entre as linhas de captadores estabelecida de forma que, ao meio-dia solar do dia mais desfavorvel (altura solar mnima "Hmin") do perodo de utilizao, a sombra da aresta superior de uma fila deve ser projetada, como mximo, sobre a aresta superior da fila seguinte. Em equipamentos de utilizao em todo o ano ou no inverno, o dia mais desfavorvel corresponde a 21 de dezembro. Neste dia, a altura solar mnima ao meio-dia solar possui um valor de:

Hmin = (90 - latitude lugar) - 23

Para equipamentos de utilizao no vero, os dias mais desfavorveis podem ser 21 de maro ou de setembro. Nestes dias, a altura solar mnima ao meio-dia solar ser:

Hmin = (90 - latitude lugar)

Pode-se demonstrar que a distncia mnima entre captadores resulta ser:

Distncia mnima = BcosS+B(sinS)/ tg min em que S a inclinao do captador e B seu comprimento.

Exemplo 4: Calcular a distncia mnima entre captadores de dois metros de comprimento, inclinados 40, situados em uma zona de 40 de latitude norte, e de utilizao no inverno.


Soluo: Hmin = 90 - 40 - 23 = 27 Distncia mnima = 2cos 40 + 2sen40/tg 27 = 4,06 m

Normalmente, no dia mais desfavorvel do perodo de utilizao, o equipamento no deve ter mais de 5% da superficie til de captadores coberta por sombras. Um equipamento ser inoperante quando 20% de sua superfcie de captao estiver na sombra. A determinao das sombras projetadas sobre os captadores por parte de obstculos prximos concretizada na prtica observando-se o entorno a partir do ponto mdio da aresta inferior do captador, tomando como referncia a linha norte-sul. Um sistema mais preciso para avaliar as sombras produzidas ao longo do ano por barreiras permanentes consiste na utilizao de diagramas solares. A partir da projeo dos contornos dos obstculos afastados sobre o ponto de localizao das placas, so obtidos pares de ngulos que identificam as posies do Sol (em coordenadas planas), nas quais este comearia a ser visto coberto. Representando estes pontos no diagrama solar, so obtidas algumas regies que representam as pocas do ano em que a zona de estudo receber sombra (figura 2.12).

Figura 2.12. Determinao de sombras.


2.6. A MEDIDA DA RADIAO E DOS PARMETROS CLIMTICOS. QUANTIFICAO, TABELAS E MAPAS DE INSOLAO

Aos parmetros astronmicos definidos, h que acrescentar os fatores climticos locais, com o fim de poder estabelecer o potencial solar de uma zona. Este dado somente pode ser conhecido atravs da experimentao e da medio direta. Basicamente, h dois tipos de instrumentos para medir a radiao solar. Em primeiro lugar, o pirelimetro destinado medio da radiao solar direta. Este aparelho, devido ao movimento da terra com relao ao sol, deve seguir constantemente o astro-rei. destinado geralmente para estudos e investigaes. Por outro lado, o piranmetro ou actinmetro permite medir em um determinado plano a radiao global recebida em um perodo de tempo (hora a hora, dia a dia, etc.).

Foto - Estao de Florianpolis: Rastreador solar com sensor de radiao

difusa (piranmetro) a esquerda e sensor de radiao direta (pirelimetro) ao centro.

Costuma-se conectar estes aparelhos a um registro que nos mostra a distribuio da radiao solar ao longo dos intervalos de tempo desejados, e so conectados a um integrador que nos proporciona a energia total captada.


Figura 2.13. Potencial solar no Brasil.

H outros instrumentos de medio que aconselha-se empregar com o fim de obter a mxima informao meteorolgica da zona onde se quer fazer a instalao solar: termmetros para as temperaturas mximas e mnimas, anemmetro e cata-ventos para a velocidade e direo do vento, respectivamente, e um higrmetro para a umidade relativa. A maneira mais confivel para conhecer a energia que chega a uma instalao solar, e a forma como chega e sua distribuio no tempo, consiste em consultar a radiao dada diretamente pelos piranmetros, a qual elaborada ao longo de um perodo de tempo significativo por organismos competentes em forma de tabelas de insolao. O problema est no fato de haver relativamente poucas estaes meteorolgicas suficientemente equipadas para saber exatamente as condies de radiao de todo um territrio. Da mesma forma, h que ter em conta os microclimas prprios de cada zona, que podem apresentar condies muito diferentes das zonas prximas. Para estes casos, podem ser empregados alguns dos mtodos terico-empricos que foram desenvolvidos, ainda que sejam resultados que devem ser tomados com certas reservas. A seguir explica-se um dos mtodos mais empregados para estimar a radiao total sobre uma superfcie inclinada.


A mdia mensal (Ii) de radiao diria incidente sobre uma superfcie inclinada :

Ii = RIh

em que:

Ih = mdia mensal de radiao diria sobre uma superfcie horizontal

R = relao entre a mdia mensal de radiao diria sobre uma superfcie inclinada com relao a uma horizontal, por cada ms. Este valor pode ser estimado considerando por separado as componentes direta, difusa e refletida da radiao.

Supondo que a componente difusa se distribui uniformemente na atmosfera, se tem que:

2cos1

2cos1 SS

IIR

IIIR

h

db

h

d

em que:

Id = mdia mensal de radiao difusa diria. Rb = relao entre a mdia mensal da radiao direta sobre uma

superfcie inclinada e sobre uma horizontal, respectivamente, para cada ms.

S = inclinao da superfcie com relao horizontal. = refletncia do solo. Entre 0,2 e 0,7 para uma camada de neve.

Na equao, o primeiro termo corresponde componente direta da radiao, o segundo difusa e, o terceiro, refletida pelo solo no lugar do captador.

No costuma-se dispor da mdia mensal de radiao difusa diria Id. No obstante, a frao difusa com relao radiao total Id/Ih uma funo da relao entre a radiao diria real e a diria extraterrestre (Kt)

Id/Ih = 1,39 4,03.Kt + 5,53.Kt2 3,11 Kt3 Para superfcies orientadas a partir do sul, o parmetro Rb possui o valor

sinsin)180

(sincoscos

sin)sin()180

(sincos)cos(

ss

is

is

b

SSR

em que:

s = ngulo horrio do pr do sol em uma superfcie horizontal: s = arc cos(-tgtg)


is = ngulo horrio do pr do sol em uma superfcie inclinada: is =MIN [s, arc cos(-tg(-S).tg)]


3. PROCESSOS TRMICOS DIRETOS

Uma primeira classificao que pode ser feita na hora de estudar o aproveitamento da energia trmica solar, dividir esta em energia solar ativa ou passiva, em funo da presena ou no de elementos mecnicos no processo.

3.1. ENERGIA SOLAR PASSIVA A energia solar passiva uma forma de aproveitamento que capta a energia solar, a armazena e a distribui de forma natural, sem mediao de elementos mecnicos, utilizando igualmente procedimentos de ventilao natural. Estes sistemas buscam algumas condies de conforto atravs da ideal disposio de uma srie de elementos arquitetnicos, aproveitando ao mximo a energia solar recebida e as possibilidades de ventilao natural. Os elementos empregados no se diferem muito dos da arquitetura tradicional, os quais em muitas ocasies constituem um excelente exemplo de arquitetura solar passiva. Seus princpios esto baseados nas caractersticas e disposio dos materiais empregados na construo, formando parte inseparvel da estrutura do edifcio. No obstante, podem ser adaptados a um grande nmero de casas j existentes, ainda que com certas limitaes. Uma das grandes vantagens dos sistemas passivos, frente aos ativos, sua grande durabilidade, j que sua vida anloga de um edifcio. Os elementos bsicos empregados pela arquitetura solar passiva so: Vidros: Captam a energia solar, retendo o calor por efeito estufa. Massas trmicas: Tm como funo o armazenamento de energia, e geralmente so elementos estruturais ou volumes destinados a esta finalidade. Elementos de proteo: Entre eles so citados isolamentos, persianas, etc. Refletores: Produzem aumentos de radiao no inverno e podem atuar como elementos de proteo no vero. A meio caminho entre o aproveitamento passivo e o aproveitamento ativo encontra-se o que se poderia mencionar como sendo o acondicionamento de um local por meio da produo de ar quente ou frio por energia solar. Na figura 3.1 ilustra-se o esquema de funcionamento em um edificio bem orientado. Sua fachada sul pintada com uma pintura o mais absorvente possvel (escura) e recoberta por uma cobertura transparente (vidro) situada a uma distncia entre 10 e 15 cm. Em outras palavras, constri-se um captador plano integrado ao edifcio. Caso sejam feitas aberturas nas partes superior e inferior do mesmo, a radiao solar aquecer o ar que, por termocirculao e sem nenhuma ajuda energtica


de outro tipo (ventilador), ir aquecendo o local (circuito de inverno). Evidentemente, nos perodos nos quais no h radiao solar no se produz calor: por isso, constri-se uma parede grossa de concreto ou muro trombe6 que faz a funo de acumulador devido sua inrcia trmica, com o qual continua-se tendo calor at as primeiras horas da manh (tempo de retardo).

Figura 3.1. Sistema solar de calefao e ventilao por termoconveco.

Durante o vero, abre-se as comportas de entrada do ar norte, que sempre mais frio, e fecha-se a comporta de entrada do ar quente para o interior do edifcio no inverno, abrindo a parte superior do captador, com o qual o ar quente sai por esta abertura, aspirando ar fresco do norte, com o qual se refresca a moradia (circuito de vero). No debate da eficincia energtica, e tentando construir de maneira ambientalmente sadia e sustentvel, vemos claramente a necessidade de isolar sem perder a permeabilidade (caracterstica que a argila nos permite facilmente, procurando no utilizar materiais que formam barreira de vapor), e por sua vez, a necessidade de renovar o ar interior de uma forma constante e contnua. 3.1.1 SISTEMAS DE UTILIZAO Como combinao dos elementos bsicos utilizados pela arquitetura solar passiva, se obtm os diversos sistemas de utilizao, dentre os quais cabe citar: os sistemas de ganho direto, de ganho indireto, misto e, finalmente, os de ganho isolados. 6

O muro trombe consiste em uma parede de uma habitao, constituda por um muro de espessura importante (40 cm), de cor

escura, diante do qual instalada uma vidraa, e que serve para captar a energia solar. Esta transferida para o interior da

edificao por conveco natural, atravs de orifcios previstos nas partes baixa e alta do muro. A parede irradia seu calor

durante a noite para o interior da habitao.


3.1.2. SISTEMAS DE GANHO DIRETO Estes sistemas, convenientemente orientados, permitem que a radiao solar penetre diretamente no espao a aquecer. O sistema consiste em um orifcio com vidro e deve ir acompanhado no interior com materiais capazes de armazenar energia. Estes geralmente so de argamassa (tijolo, concreto...) ou gua e podem estar situados no solo, nas paredes ou no teto

Os sistemas de ganho direto so de grande simplicidade e de baixo custo, mas difceis de controlar em seu funcionamento.

Figura 3.2. Moradias bioclimticas. Janelas de vidros situadas para a

orientao sul.

3.1.3. SISTEMAS DE GANHO INDIRETO So constitudos pelos muros (figura 3.3) e por tetos de armazenamento, em funo da situao da massa trmica. So denominados de fornecimento indireto, pois a radiao incide em primeiro lugar na massa trmica situada entre o sol e o espao habitvel. No caso dos muros de armazenamento ou de inrcia, a radiao penetra atravs de um cristal e seu calor armazenado diretamente em um muro, normalmente pintado de preto ou de cor escura, absorvente de calor. Este calor posteriormente ser irradiado por todo o edifcio durante a noite ou dias nublados, atenuando-se as diferenas de temperatura.


Figura 3.3. Sistema de muro de inrcia.

Uma variante o chamado muro trombe que se caracteriza, porque nas partes superior e baixa do mesmo se situam respiradouros, de tal modo que o ar frio das habitaes, que penetra pelos respiradouros inferiores, vai subindo medida que aquecido pela radiao solar e volta a passar para a habitao pelos respiradouros superiores. Os tetos de armazenamento, em sua verso mais utilizada, consistem em uma instalao de recipientes, ou de um tanque pouco profundo, situados na cobertura do edifcio, em contato com o teto, que deve ser de elevada condutividade trmica (figura 3.4). No inverno, o sistema captador exposto radiao solar durante o dia, e isolado durante a noite. No vero, o funcionamento se inverte: o isolamento cobre o sistema captador durante o dia e retirado durante a noite para permitir o esfriamento da gua.

Figura 3.4. Sistema de teto de armazenamento.


3.1.4. SISTEMAS DE GANHO MISTO Este sistema uma combinao do ganho direto e do indireto e pode ser formado por uma estufa convenientemente envidraada e orientada para o sul, e por uma parede com grande massa trmica entre a estufa e a moradia. Por efeito da radiao, a temperatura interna da estufa aumenta, produzindo transferncia de calor para a habitao contigua (figura 3.5).

Figura 3.5. Sistema de ganho misto.

3.1.5. SISTEMAS DE GANHO ISOLADO Estes sistemas utilizam uma superfcie de absoro, no integrada propriamente na moradia, para captar a radiao e conduzi-la, com conveco natural por ar ou gua, at o interior da moradia. A aplicao mais corrente deste conceito o circuito de circulao natural por termosifo, que consta de um coletor plano e um tanque de armazenamento (figura 3.6).

Figura 3.6. Sistema de ganho isolado.


3.1.6. OUTRAS CONSIDERAES Para todos os sistemas, existe alguns conceitos bsicos de grande importncia, que preciso ter em conta e manejar convenientemente no momento de projetar a casa. O isolamento trmico

O isolamento trmico deve ser suficiente, assim como permitir a permeabilidade da parede para que trabalhe como regulador natural de tudo o que acontece dentro do espao. Da mesma forma, deve ser o menos nocivo possvel para o homem. Muitos dos materiais altamente isolantes utilizados na construo so certamente txicos. A melhor recomendao construir com tecnologias de argila.

H que proteger especialmente as janelas de vidros transparentes,

sobretudo durante as horas noturnas. Assim, muito aconselhvel a utilizao de vidros duplos ou similares, persianas, cortinas, contra-ventos e demais, para as protees em tais horas.

A cobertura o elemento mais exposto aos diversos intercmbios exterior-interior. Efetivamente, a radiao de vero 4,5 vezes maior que a de inverno: por isto, h que ter uma boa proteo trmica na cobertura. Durante o vero funcionam muito bem as coberturas ventiladas, ainda que tambm sejam muito recomendveis as coberturas vegetais.

H que ter um cuidado especial no tratamento de continuidade em todo o conjunto selado, procurando no ter pontos mais fracos que outros. As pontes trmicas muitas vezes so conseqncia direta das solues estruturais e formais escolhidas para a realizao. H que minimiz-las. Os sistemas complexos de proteo trmica no so prprios de nossas ocupaes e nos comportam custos extras.

As protees solares

A primeira medida de proteo deve ser a do controle das superfcies de captao. As janelas e balces so bastante fceis de proteger com os beirados, que no deixaro passar a radiao de vero, j que o Sol est alto, e em contrapartida permitiro a captao no inverno. Isto concretizado com a proteo, principalmente para o sul, de alguns beirados de entre 70 e 80 cm de largura alm da parede

As persianas e os beirados tornam possveis a no produo de superaquecimentos no vero, baseando-se seu funcionamento nas distintas

alturas do sol com respeito ao horizonte.


As protees solares nas aberturas a oeste so muito necessrias. Devem ser do tipo vertical. H muitos sistemas de proteo de exterior para fazer com que no entre sol durante o vero: toldos, persianas e guarda-ventos. Nunca deveremos tentar proteger por dentro, pois seguramente favoreceremos a captao de energia.

Figura 3.7. Protees solares nas janelas de vidros.

As protees mveis so sempre submetidas s sub-rotinas dos usurios, e isto s vezes no de todo adequado. Neste sentido, qualquer proteo fixa trabalha muito melhor.

A vegetao pode desempenhar um papel muito importante no controle ambiental. Efetivamente, a utilizao de rvores de folha caduca e perene pode nos dar as solues para o conforto durante todo o ano: nas fachadas ensolaradas, com as rvores de folha caduca podemos obter sol durante o inverno e proteo no vero. A questo se estabelece em escolher a rvore que necessitamos, dependendo da altura dos edifcios e do entorno. Seu emprego proporciona tambm outras protees climticas, alm do controle da radiao, e pode nos dar um melhor conforto microclimtico que, combinado com a gua, permita obter um certo grau de umidade nos perodos desejados.

O armazenamento trmico A melhor propriedade para favorecer a capacidade de armazenamento trmico e manter um bom equilbrio com o isolante e a resistncia transmisso de calor. Quanto mais massa, maior capacidade de armazenamento trmico. Quando trabalhamos com sistemas que favorecem a captao solar h que aproveitar a energia assim obtida. A forma influi na carga trmica do edifcio. Efetivamente, para a mesma superfcie edificada e volume, a superfcie exposta ser menor na medida em que se aproximem as trs dimenses do prisma ao qual se pode assemelhar a


casa. Logicamente, para menor superfcie exposta existem maiores vantagens do ponto de vista energtico, por diminuir as perdas Refrigerao natural A orientao ideal de um edifcio depende no somente do grau de insolao, mas tambm da direo dos ventos dominantes, j que contribuem para aumentar as perdas de calor no inverno e favorecem a ventilao no vero.

Figura 3.8. Refrigerao natural.

Um critrio simples o de fazer circular o ar das zonas mais sombrias para o interior do espao durante o vero, expulsando-o pelas zonas mais quentes. Iluminao natural Garantir a total iluminao natural dos espaos importante. Este fato pode ser obtido com a morfologia e a tipologia que escolhamos, buscando sempre toda ou quase toda do exterior, e minimizando as zonas escuras. Ainda que existam sistemas para fornecer luz natural a estas, em uma primeira viso, no o mais adequado, j que sempre so caras e difceis de controlar termicamente, mas em muitos lugares podem solucionar nossos problemas. Estas solues so mais prprias de climas radicais, onde j no se deseja captao solar. O controle da luz natural tanto pode ser feito dentro dos espaos quanto no exterior, sempre que se possa garantir o funcionamento energtico. Integrao de sistemas de gua quente solar A instalao solar de gua quente, entendida como um pr-aquecimento um componente a mais do sistema de produo de gua quente (normalmente se trabalha em um circuito fechado com intercambiadores, atuando nos acumuladores).


Pode-se assegurar que fcil e econmico suprir 80% das necessidades energticas. Atualmente, a informtica e a tecnologia nos facilitam os sistemas coletivos, e por sua vez, a manuteno. 3.2. ENERGIA SOLAR ATIVA Os sistemas ativos empregam a energia contida na radiao solar para aquecer um fluido, geralmente gua ou ar. O princpio de funcionamento simples: baseia-se na captao da energia solar atravs de um conjunto de coletores e sua transferncia a um sistema de armazenamento, que abastece o consumo quando necessrio. Em funo da temperatura de fluido que se pretenda conseguir, os sistemas ativos podem ser divididos em baixa, alta e mdia temperatura. Ao longo desta disciplina sero tratados os dois primeiros, sobretudo os de baixa temperatura, pois so os mais estendidos e usados. 3.2.1. ENERGIA SOLAR ATIVA DE BAIXA TEMPERATURA As instalaes de baixa temperatura requerem, portanto, o acoplamento dos trs subsistemas principais: - Subsistema de captao. Sua finalidade a captao da energia solar. - Subsistema de armazenamento. Sua finalidade adaptar no tempo a

disponibilidade da energia e a demanda, acumulando-a quando est disponvel, para poder oferec-la em qualquer momento em que se solicite.

- Subsistema de distribuio ou de consumo. Sua finalidade a de

transferir aos pontos de consumo a gua quente produzida.

O funcionamento dos trs subsistemas condicionado pela meteorologia, fundamentalmente pela radiao solar e pela temperatura, assim como pela demanda. Segundo os circuitos de refrigerao, existem dois tipos de instalaes: de circuito aberto e de circuito fechado. No caso das instalaes em circuito aberto, a gua que circula pelos coletores empregada diretamente para o consumo, enquanto que nas instalaes de circuito fechado, so necessrios dois circuitos portadores de calor: o primrio e o secundrio. O circuito primrio composto pelos coletores solares, onde se produz o aquecimento da gua, e pela bomba de impulso. O calor ganho pela gua atravs dos coletores cedido atravs de um trocador de calor ao circuito secundrio. O depsito de acumulao armazena a gua quente neste circuito secundrio.


Como elemento independente do depsito de acumulao, alm da bomba do circuito secundrio, encontra-se uma fonte energtica auxiliar, que entra em funcionamento quando a temperatura da gua de sada do acumulador inferior aos requerimentos da demanda.

Figura 3.9. Sistema aberto (superior) e fechado (inferior) a baixa temperatura.

3.2.2. ENERGIA SOLAR ATIVA DE ALTA TEMPERATURA Para a produo de energia eltrica em grande escala, se estabelece a possibilidade de centrais solares trmicas de grandes dimenses. Com o fim de obter rendimentos aceitveis, so requeridas temperaturas superiores a 250C, as quais so alcanadas por concentrao da radiao solar. Da mesma forma, para aumentar a densidade de potncia captada, realiza-se um acompanhamento solar de acordo com dois eixos, com o fim de captar a todo instante a mxima quantidade de radiao direta para faz-la incidir por reflexo sobre uma rea muito reduzida. Costuma-se utilizar dois sistemas de concentrao: por uma parte, os sistemas de coletores distribudos, constitudos por espelhos com diferentes geometrias, nos focos dos quais se dispe o receptor solar onde se aquece o fluido do primrio (figura 3.10).


Figura 3.10. Planta de coletores distribudos.

Entre as geometrias empregadas destacam-se a parablica de revoluo, a cilndrica parablica, a cilndrica, a esfrica e a espiral de Arquimedes.

Figura 3.11. Concentrador cilndrico de espelhos fixos e absorvente focal

mvel.


Figura 3.12. Captador solar com espelhos em espiral de Arquimedes.

Por outro lado, as centrais de torre so formadas por um campo de espelhos orientados (heliostatos) que refletem a radiao sobre uma caldeira independente, situada na parte alta de uma torre central. Ambas as tecnologias encontram-se em estgio de pesquisa, havendo-se realizado instalaes de forma pontual e em fase experimental. Atualmente, estas instalaes, que podem chegar at acima dos 2000C, tambm so utilizadas para estudos de materiais submetidos elevadas temperaturas.

Figura 3.13. Central solar de torre. O principal centro europeu de ensaio de aplicaes da energia solar trmica a Plataforma Solar de Almera (P.S.A.). Alm da produo de energia eltrica, so levadas a efeito outras linhas de pesquisa relacionadas com o ensaio de


materiais, a arquitetura bioclimtica e as aplicaes industriais como a secagem e a dessalinizao. 3.3. PROCESSOS DIRETOS DE CONVERSO ELTRICA Os processos diretos de converso eltrica, tambm conhecidos sob o nome de energia solar fotovoltaica, so baseados no efeito fotovoltaico. De forma muito resumida, o efeito fotovoltaico produzido ao incidir a radiao solar sobre um tipo de materiais denominados semicondutores. A energia recebida provoca um movimento catico dos eltrons no interior do material. Caso sejam unidas as duas regies de um semicondutor, para as quais artificialmente se tem dado algumas concentraes diferentes de eltrons (mediante a adio de algumas substncias, denominadas dopadoras, como o fsforo ou o boro), provoca-se um campo eletrosttico constante que reconduzir o movimento de eltrons na direo e no sentido desejado. O material formado pela unio de duas zonas com concentraes diferentes de eltrons denominado de unio PN. Desta forma, quando sobre a clula solar fotovoltaica incide a radiao solar, aparece nesta uma tenso anloga que se produz entre os terminais de uma pilha. Atravs da colocao de contatos metlicos em cada uma das faces pode-se extrair a energia eltrica, que til em diferentes aplicaes. O contato metlico da face sobre a qual incide a radiao solar costuma ter a forma de grade, de maneira que permite a passagem da luz e a extrao da corrente em toda a sua superfcie simultaneamente. A outra face totalmente recoberta de metal.

Figura 3.14. Diagrama de funcionamento de uma clula fotovoltaica.


A grande maioria de clulas solares disponveis no mercado de silcio mono ou policristalino. O primeiro tipo se encontra mais generalizado e embora seu processo de elaborao seja mais complicado, costuma apresentar melhores resultados com referncia sua eficincia.

Figura 3.15. Clulas fotovoltaicas.


4. EQUIPAMENTOS E SISTEMAS 4.1. SUBSISTEMA DE CAPTAO: O COLETOR SOLAR DE PLACA PLANA O coletor solar o elemento encarregado de captar a energia contida na radiao solar e de transferi-la para o fluido a ser aquecido. O tipo de coletor mais utilizado o denominado coletor solar plano, ainda que existam distintos tipos de coletores que, embora se encontrem em fase comercial ou de demonstrao, possuem um menor grau de implantao, como os coletores solares a vcuo e os coletores cilindro - parablicos. Outros elementos de captao, providos de sistemas concentradores, de acompanhamento, etc., so experimentais e destinados aplicaes de mdia e alta temperatura. Os captadores podem ser: - Coletores concentradores: Os raios solares so concentrados de alguma maneira para incidir em uma menor superficie absorvente. Estes so utilizados para a produo de calor a alta temperatura, mais de 150C, normalmente para aplicaes especiais, e no utilizam gua. - Coletores a vcuo: So utilizados em aplicaes em que seja necessrio obter temperaturas de at 150C. A captao realizada no interior de um tubo de vidro no qual se tenha feito o vcuo, e que por sua vez contm uma srie de tubos, condutores do fluido portador de calor, com aletas recobertas de uma superfcie seletiva. Graas cmara na qual se tenha feito o vcuo, evita-se a conveco e as perdas correspondentes, com o que se pode chegar temperatura indicada, suficiente para gerar vapor. - Coletores planos: Transformam a energia incidente diretamente em um absorvente de superfcie plana. So os mais usados em sistemas ativos de baixa temperatura, e utilizam gua ou gua com aditivos na maioria das aplicaes. Com relao aos tipos, so empregados principalmente:

O coletor plano sem cobertura, formado por uma superfcie absorvente exposta diretamente ao Sol e um sistema de condutos de lquido, o qual transporta o calor produzido. Utiliza-se para aquecer temperatura muito baixa , de at 35C, ou para o aquecimento de piscinas, em climas ou estaes no frias.

O coletor plano com caixa e cobertura, baseado

fundamentalmente no efeito estufa, e utilizado para as aplicaes trmicas mais comuns, de at 80C, com gua quente e calefaes em geral. Estes so constitudos basicamente pelos seguintes elementos:

- Absorvedor.


- Cobertura transparente. - Circuito de fluido. - Isolamento trmico. - Caixa envolvente ou carcaa. - Juntas.

Sucessivamente nos referiremos com exclusividade ao coletor de placa plana por ser o sistema mais utilizado na atualidade. A caracterstica especfica dos coletores planos que necessitam de qualquer tipo de concentrao da energia incidente; captam tanto a radiao direta como a difusa e precisam de qualquer forma de acompanhamento da posio do sol, ao longo do dia. Embora existam coletores planos nos quais o fluido para seu aquecimento o ar, os mais utilizados, com grande diferena, so os de gua. A principal distino entre os coletores de lquido e os coletores de ar est no tamanho e na configurao dos condutos de fluido, pois o ar flui geralmente sob o absorvedor plano, extendendo-se por quase toda a superfcie velocidade adequada para que a transferncia de calor seja efetiva. Os elementos bsicos do coletor plano individual so ilustrados na figura 4.1.

Figura 4.1 Seo de um tpico coletor solar plano.

4.1.1. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS 4.1.1.1. ABSORVEDOR Sua misso captar a radiao solar, transform-la em calor e transmitir esta forma de energia a um fluido portador de calor. Costuma-se constru-lo de cobre, ao preto ou inoxidvel, alumnio, etc. Este ltimo, a no ser que se utilize um fluido especial, no aconselhvel, j que aparecem fenmenos muito rpidos de corroso.


Com o fim de conseguir aumentar a capacidade de absoro, o absorvente coberto com pintura preta. A camada de pintura, sem embargo, ser o mais fina possvel, j que em geral as pinturas so materiais isolantes ou mau condutores de calor. A pelcula de recobrimento deve ser fosca, para evitar os fenmenos de reflexo. O tratamento aplicado placa absorvente denominado de "tratamento seletivo". O ndice de efetividade das superfcies seletivas determinado pelo quociente entre a absorbncia e a emitncia dos materiais utilizados para trat-las. Este tratamento realizado com o objetivo de obter uma alta capacidade de absoro e uma baixa emisso, reduzindo desta maneira as perdas trmicas do interior do captador. Os tratamentos superficiais seletivos mais comuns so realizados com substncias como o cromo e o nquel opaco

A superfcie seletiva com melhores resultados foi desenvolvida tendo como

base a disposio de uma camada de nquel no absorvedor e, sobre ela, uma delgada camada de xido de cromo.

Tabela 4.1.Tratamentos seletivos: ndices de Efetividade de alguns tratamentos

Tratamento Absorbncia Emitncia ndice de Efetividade

Opaco de nquel sobre nquel

0,93 0,03 15,5

Ni-Zn-S sobre nquel 0,96 0,07 13,7 Opaco de cromo sobre

nquel 0,92 0,1 9,2

Opaco de ferro sobre ao 0,9 0,1 9 Opaco de zinco 0,9 0,1 9 Opaco de cromo 0,89 0,1 8,9

Opaco de cobre sobre cobre

0,87 0,1 8,7

xido de cobre sobre alumnio

0,93 0,11 8,4

Esmalte Cermico 0,9 0,5 1,8 Pintura acrlica preta 0,95 0,9 1,06 Pintura silicone preta 0,93 0,9 1,03

Pintura inorgnica preta 0,94 0,92 1,02 Com relao ao desenho da superfcie absorvedora, embora tenham existido vrios no passado, existem atualmente apenas dois tipos no mercado, com diferenas na forma e geometria: - De pranchas conformadas e soldadas, que geralmente so de ao e com dimenses de 2 m2.


- Um sistema de aletas e tubos embutidos, soldados ou grampeados, majoritariamente de cobre, com dimenses aproximadas de 1,7 m2.

Figura 4.2. Diferentes configuraes da superfcie absorvente.

4.1.1.2. COBERTURA TRANSPARENTE Trata-se de uma superfcie transparente que se coloca sobre a placa absorvente e que provoca dentro do recinto a manifestao do efeito estufa, ao mesmo tempo em que a protege dos agentes atmosfricos e reduz as perdas. Este elemento, ainda que deixe passar a radiao solar, opaco para as radiaes emitidas pela placa absorvente que se situam dentro da franja dos infravermelhos. Embora tenham sido comercializados coletores com mais de uma cobertura e de materiais plsticos, o mais habitual que seja uma nica superfcie de vidro, pois se torna mais econmico e resistente. A cobertura absorve toda a radiao que provm da placa, aumentando a temperatura e, nestas condies, se comporta para a radiao infravermelha como um "corpo negro". Suas duas faces irradiam com o que o absorvente receber, alm da radiao solar, a metade da emitida pelo vidro (face interior), produzindo assim o efeito estufa. Desta simples forma, consegue-se que a superfcie absorventes do captador alcance temperaturas notavelmente superiores s que seriam obtidas sem o vidro da cobertura (figura 4.3).


Figura 4.3. Funcionamento do captador solar plano.

O espao livre aconselhado entre o absorvedor e a cobertura transparente da

ordem de 25-40 mm.

Os plsticos laminados, embora alguns cumpram uma misso especfica, deterioram-se pela influncia da radiao ultravioleta e por sua pequena espessura; ademais, so frgeis ao do vento, tendo que ser sustitudos periodicamente. A utilizao de duas coberturas melhora o rendimento, porm mais cara e complica a configurao do coletor, aumentando seu peso. Este aumento de rendimento no compensa os inconvenientes assinalados e a soluo normal recorrer a uma cobertura nica. Por ltimo, cabe mencionar que a cobertura deve ser completamente vedada para evitar a penetrao de partculas de poeira ou umidade, pois estas provocam uma deteriorao do coletor, alm de uma diminuio do rendimento do mesmo, por absorver parte da radiao incidente. 4.1.1.3. CIRCUITO DE FLUIDO O circuito de fluido deve estar diretamente em contato com o absorvedor, de forma que a transmisso de calor ao fluido se realize nas melhores condies. Existem diferentes modos de realizar o contato entre o circuito de fluido e o absorvedor para o caso de coletores de gua, dentre os quais podem ser citados:

- Sistema aberto ou por gotejamento. - Sistema sandwich ou radiador. - Sistema de soldagem.


No caso do sistema aberto, a placa que constitui o absorvedor possui forma ondulada, de maneira que a gua circula diretamente pelos canais originados pela ondulao. Desta forma, o fluido penetra no coletor por uma tubulao de alimentao perfurada, fazendo com que a gua goteje at os canais anteriormente citados, que a conduzem at uma tubulao de coleta localizada no lado oposto do coletor. Esta disposio a mais barata das que podem ser implantadas, ainda que apresente srios inconvenientes, tais como as grandes perdas de calor por evaporao da gua que percorre os canais, o papel de filtro radiao solar e o ataque sobre o material da cobertura exercido por tal fluido. No sistema sandwich, a gua a aquecer flui entre duas placas de tal forma que a superior desempenha o papel de absorvedor ao receber diretamente a radiao solar incidente. O sistema de soldagem se caracteriza porque o circuito e o absorvedor esto soldados, adquirindo o circuito a forma de serpentina ou de retcula. No primeiro caso, podem existir problemas pela excessiva resistncia circulao da gua por seu interior, enquanto que no sistema de retcula aparecem, com freqncia, dificuldades originadas pela presena de bolhas de ar no circuito. Em qualquer caso, tanto a soldagem como os materiais que formam o circuito da gua e do absorvedor, devem permitir uma boa condutividade trmica e, em conseqncia, ho de ter um alto coeficiente de condutividade. O tubo de cobre o material mais vantajoso com respeito ao peso, ao menor enrugamento, facilidade de manipulao e resistncia corroso, e por possuir uma alta condutividade trmica, sendo por este motivo empregado nos condutos do circuito de fluido. 4.1.1.4. ISOLAMENTO TERMICO O coletor deve incorporar materiais isolantes tanto no fundo, sob a superfcie absorvente, quanto nas laterais, com o fim de reduzir as perdas de calor do absorvedor para a carcaa

O isolamento situa-se entre a carcaa e o absorvedor, reduzindo as perdas

trmicas por transmisso na parte posterior e lateral do captador.

Costuma-se utilizar espumas rgidas de poliuretano, fibra de vidro, poliestireno expandido, etc. Em qualquer caso, o isolamento dever manter todas as suas propriedades estveis, temperatura de regime do captador. Qualquer que seja o material escolhido, deve ter, alm de uma baixa condutividade trmica, um coeficiente de dilatao compatvel com os dos outros materiais que formam o coletor solar (figura 4.4).


Figura 4.4. Isolamento trmico.

aconselhvel colocar uma lmina refletora na face superior do isolante para evitar seu contato e refletir a radiao infravermelha emitida por este para a placa absorvente. 4.1.1.4. CAIXA ENVOLVENTE OU CARCAA Constitui o suporte para os elementos que formam o captador, ou seja, faz o papel de base oferecendo ao mesmo tempo a rigidez e a resistncia estrutural que assegura sua estabilidade dimensional. Do mesmo modo, deve mostrar-se hermtica e resistente aos efeitos das intempries e da corroso. No h de resistir tenses mecnicas importantes e, em conseqncia, pode ser construda com materiais diversos: ao galvanizado ou inoxidvel, alumnio, plstico, fibra de vidro, etc. Estas ltimas alternativas so seguras e relativamente econmicas, porm deve-se garantir sua resistncia aos efeitos das intempries. 4.1.1.6. JUNTAS Permite a estanquidade do coletor com relao cobertura e carcaa, podendo ser de borracha pr-formada ou silicone. 4.1.2. ESTUDO ENERGTICO DO COLETOR SOLAR DE PLACA PLANA Tal e como mencionado anteriormente, o coletor de placa plana baseado em:

- Uma caixa ou carcaa com uma cobertura transparente, atravs da qual penetra a radiao solar no interior, produzindo o denominado efeito estufa.


- Uma superfcie captadora que transforma a energia recebida em forma de radiao, da maneira mais eficiente possvel, em energia trmica.

- Uma srie de condutos de gua incorporados no absorvente, que

atuam como intercambiadores de calor, do absorvedor ao fluido, alcanando a temperatura suficiente para aquecer o lquido portador de calor e transferindo-lhe a energia para sua posterior utilizao.

Figura 4.5. Distribuio da radiao solar em um captador

Em um captador solar de lquido, a transformao da energia solar em trmica produzida ao incidir os raios solares sobre a superfcie absorvente, produzindo assim um aumento de temperatura no absorvente e, ao mesmo tempo, no lquido portador de calor, o qual dirigido para o acumulador ou para o uso direto. 4.1.2.1. BALANO ENERGTICO O balano energtico de um captador solar plano determinado pela equao de Bliss

Q1 = Q - Q2 - Q3

em que: Q1 = Energia incidente total (direta + difusa + refletida). Q = Energia til. Q2 = Energia perdida por dissipao ao exterior. Q3 = Energia armazenada em forma de calor no captador.


A energia til do captador em um dado momento, em funo da radiao solar e da temperatura ambiente, a diferena entre a energia absorvida e a perdida:

Q = Sc x [RI () - UL.(tm ta)

em que:

Sc = superfcie do captador, m2. RI = radiao incidente total sobre o captador por unidade de

superfcie, W/m2. = transmitncia da superfcie transparente. = absortncia da placa. UL = coeficiente global de perdas, W/m2 C. tm = temperatura mdia da placa absorvente, C. ta = temperatura ambiente, C.

Os ensaios de captadores costumam ser realizados no exterior, em dias claros prximos ao meio-dia solar, ou no interior, por meio de um simulador solar. Em qualquer caso, a componente difusa da radiao solar mnima e a incidncia da radiao prxima da normal. Em conseqncia, o produto dentro dos parnteses () corresponde radiao direta com incidncia normal e escreve-se da forma ()n. 4.1.1.2. CURVA CARACTERSTICA OU RENDIMENTO DE UM COLETOR SOLAR DE PLACA

PLANA (C.P.P.) O comportamento de um coletor de placa plana definido por sua curva caracterstica (figura 4.6).

Figura 4.6. Curva de rendimento de um coletor solar de placa plana.


A curva caracterstica ou de rendimento representa no eixo de ordenadas a eficcia do coletor (definido como a relao entre o calor til fornecido ao aquecimento do fluido que circula por seu interior e a energia recebida pelo coletor)

= F()N FUL. (te - ta)/ RI

em que:

= rendimento prtico do coletor. F,UL = inclinao da reta, W/m2 C (dados fornecidos pelo

fabricante). te = temperatura de entrada para o coletor, C. ta = temperatura ambiente, C. RI = radiao incidente no plano do captador, W/m2.

Nesta reta, o ponto de corte com o eixo de ordenadas corresponde ao mximo rendimento do coletor, e aparece no caso da temperatura de entrada coincidir com a temperatura ambiente. Do contrrio, o ponto de corte com o eixo horizontal corresponde com a diferena entre a temperatura de entrada e a do ambiente, de tal maneira que as perdas de calor so iguais ao suprimento solar, sem produzir-se nenhuma forma de ganho lquido no equilbrio

Um captador ser tanto melhor quanto maior for o valor de sua ordenada na

origem e menor o da inclinao.

medida que a temperatura de entrada cresce, o rendimento diminui, j que emitida maior energia por parte do coletor: por isso, a curva varia sensivelmente de acordo com o tipo de coletor. Os valores mdios representativos podem ser:

- Para um coletor com tratamento no seletivo =0,80 - 0,73 T*. - Para um coletor com tratamento seletivo =0,78 - 0,50 T*.

H uma norma oficial para a homologao de coletores, na qual se avalia a curva caracterstica dos diferentes modelos, existindo algumas exigncias mnimas de rendimento. Esta avaliao realizada sobre equipamentos novos e de forma pontual, sem ser em geral representativa do comportamento do coletor ao longo de sua vida de trabalho, j que sua eficcia pode evoluir de diferente maneira com o passar do tempo. 4.1.2.3. FLUIDO PORTADOR DE CALOR O fluido portador de calor o lquido que se aquece ao absorver a energia recebida pelos captadores. Entre as funes que realiza se destacam:


- O uso direto, consumindo o mesmo lquido (normalmente gua). - A acumulao direta no acumulador solar para seu consumo

posterior. - A transferncia de energia mediante um intercambiador, com o qual

o lquido se esfria e aquece, por sua vez, outro meio (normalmente gua, ar, terra, etc.).

Geralmente, este lquido gua, ou ainda gua misturada com aditivos anticongelantes, segundo a climatologia ou tipo de gua existente no lugar da instalao. Tambm so empregados lquidos orgnicos sintticos ou derivados de petrleo e leos siliconados. Os aditivos so acrescentados para:

- Proteo contra as geadas (anticongelantes). - Proteo dos componentes da instalao (estabilizantes e

inibidores da corroso). Em qualquer caso, conveniente que os fluidos possuam:

- Um calor especfico igual ou maior a 0,7 kcal/kg C. - Um pH compreendido entre 5 e 12. - Um contedo em anticongelante igual ou maior a 20% a menos de -6 C. - Um contedo total em sais solveis menor do que 500 mg/l. - Um controle de qualidade anual. - Se forem utilizados preparados anticongelantes e inibidores comerciais,

se dever especificar sua composio e durao em condies normais.

gua natural Da mesma maneira que o lquido com aditivos anticongelantes destinado aos circuitos fechados de calefao, etc., a gua natural destinada ao uso direto. A gua tem a caracterstica de ser mais lquida que a gua com aditivos, facilitando desta maneira sua circulao ao longo de todo o circuito e reduzindo as perdas de carga. gua com adio de anticongelante Utilizada como fluido portador de calor nos circuitos fechados de calefao, constitui uma das diversas medidas de segurana contra o congelamento do fluido naquelas instalaes situadas em zonas onde a temperatura chega a mnimos prximos de 0C. Devem ser levadas em conta as diferenas das propriedades fsicas entre a gua normal e estes lquidos anticongelantes. A viscosidade pode ser maior, sobretudo a frio, aumentando as perdas de carga no circuito e modificando as condies de funcionamento, principalmente na arrancada.


As caractersticas mais gerais so:

- Toxicidade. Os anticongelantes so em geral txicos, seja por sua prpria composio, seja pela adio de produtos inibidores da corroso, motivo pelo qual necessrio assegurar a impossibilidade de mistura entre estes e a gua de consumo. A maneira mais prtica de consegui-lo fazer com que a presso do circuito primrio seja inferior do secundrio, de maneira que um contato entre ambos os fluidos por ruptura no ponto de intercmbio provoque a passagem da gua para o circuito primrio, mas nunca ao contrrio. Ademais, a vlvula de segurana do circuito primrio dever estar ajustada uma presso inferior da gua de rede, para provocar seu funcionamento no caso da avaria citada.

- Viscosidade. A adio de um anticongelante aumenta notavelmente a viscosidade da gua, sendo preciso ter isto em conta nos clculos de perda de carga das instalaes e na potncia do eletrocirculador, em especial pela arrancada a frio depois da parada da instalao durante a noite.

- Dilatao. O coeficiente de dilatao dos anticongelantes superior ao da gua ordinria, motivo pelo qual dever ser levado em conta ao calcular o vaso de expanso. Como norma de segurana, ser suficiente utilizar um anticongelante em propores de at 30%, e aplicar um coeficiente corretor de 1,1.

- Estabilidade. A maior parte dos anticongelantes se degrada em temperaturas da ordem de 120C, e pode gerar produtos corrosivos para os materiais que constituem o circuito.

- Calor especfico. O calor especfico da mistura de gua com anticongelante inferior ao da gua sozinha, motivo pelo qual dever ser levado em conta no clculo da vazo e, portanto, afetar no dimensionamento da tubulao e do eletrocirculador.

- Temperatura de ebulio. A presena de anticongelante eleva a temperatura de ebulio da gua, mas no demasiado, motivo pelo qual no ser necessrio t-lo em conta, j que se trata de um efeito favorvel.

Fluidos orgnicos Existem dois tipos de fluidos orgnicos: os sintticos e os derivados de petrleo. As precaues assinaladas com respeito gua com anticongelantes devem ser tomadas igualmente em considerao com referncia toxicidade, viscosidade e dilatao deste tipo de fluidos. Ademais, por serem combustveis, apresentam um risco adicional de incndio. Por outro lado, so quimicamente estveis a temperaturas elevadas.


H toda uma gama de produtos que somente se diferenciam entre si pela zona de temperaturas nas quais podem ser utilizados e pela variao de sua viscosidade em tal margem de temperaturas. leos siliconados Geralmente so produtos estveis e de boa qualidade, atxicos e no inflamveis, mas seus atuais preos no permitem sua generalizada utilizao, pelo menos enquanto no se produza uma diminuio de seu custo que os deixe no nvel alcanado pelos fluidos orgnicos. Proteo contra o congelamento e a ebulio A proteo antigelo necessria nas instalaes que sejam realizadas em zonas com risco de geadas. Pode ser realizada de diferentes maneiras:

- Adio de anticongelante no circuito. - Utilizao de lquido especial fornecido pelo fabricante. - Circulao forada em caso de temperaturas mnimas com risco de

geadas. - Aquecimento do circuito temperatura mnima pelo risco de

geadas. - Esvaziamento da instalao durante o inverno.

O isolamento no constitui uma proteo antigelo por si mesmo. O sistema mais seguro e empregado a adio de anticongelante no circuito. O anticongelante pode ser utilizado com uma mistura de propilenglicol com gua e inibidores da corroso. Aconseha-se a utilizao de preparados e concentrados anticongelantes com aditivos inibidores, garantidos pelo fabricante, para diluir com gua ou por aplicao direta. Se no h risco de falta de corrente eltrica, podem ser consideradas as solues de circulao forada a uma temperatura mnima e de aquecimento do circuito; a primeira pode ser suficiente em zonas de pouco risco de geadas ou de temperaturas mnimo altas de 0-5C, e a segunda, complementa a primeira unicamente em circuitos diretos, onde o lquido que circula gua de consumo. No se aplicar o aquecimento com energia eltrica como sistema de proteo antigelo diretamente aplicado no captador ou no acumulador, se este se encontra no exterior. Em todos os casos, o tcnico ou o fabricante dos equipamentos facilitar os seguintes dados com a soluo proposta:


- Sistema apropriado de proteo antigelo. - Caractersticas do anticongelante necessrio. - Porcentagem de composio da mistura com gua. - Sistema de regulao para a circulao forada e para o

aquecimento. Ao mesmo tempo, o anticongelante serve de medida contra a ebulio, pois contribui para elevar a temperatura.

4.2. SUBSISTEMA DE ARMAZENAMENTO. OS ACUMULADORES Tanto a energia que se recebe do Sol quanto a demanda de gua quente, so dependentes do tempo e nem sempre os requerimentos para esta se produziro quando se disponha da suficiente radiao. Portanto, se se quer aproveitar ao mximo as horas de sol, ser necessrio acumular a energia naqueles momentos do dia em que isto seja possvel e utiliz-la quando se produza a demanda. O mais habitual armazenar a energia em forma de calor sensvel7 por meio da gua que ser demandada posteriormente. Tal armazenamento se produzir nos denominados tanques ou depsitos de acumulao.

A todo sistema de armazenamento deve-se exigir: alta capacidade calorfica, volume reduzido, temperatura de utilizao de acordo com a necessidade, rapidez de resposta demanda, baixo custo, segurana e longa durao.

A escolha do material para o tanque depende de vrios fatores: tipo de aplicao, lugar de instalao, custo, vida mdia calculada e facilidade de manuteno. Os tanques de acumulao normalmente so construdos, dado seu custo acessvel, de ao tratado adequadamente, mediante banho galvanizado, pintura epxi, etc., para evitar o fenmeno da corroso. Em todo caso, a temperatura de armazenamento no deve superar 65C. Por outro lado, o ao inoxidvel , sem sombra de dvidas, o melhor material. Seu nico inconveniente o preo. Outros materiais, embora sejam econmicos (alumnio), apresentam graves problemas de corroso, ou ainda so mais caros (fibra de vidro reforada) ou no adequados para trabalhar presso da rede (fibrocimento). Quanto forma, esta geralmente cilndrica por sua facilidade de construo. A dimenso vertical deve ser maior que a horizontal, j que desta maneira se favorece o fenmeno da estratificao. Assim, da parte de cima do tanque (gua quente) se extrai a gua para o consumo, enquanto que o aquecimento

7

Pode-se armazenar energia trmica elevando a temperatura de substncias inertes (gua, pedras, etc.), o que se chama

armazenamento por calor sensvel; ou ainda como calor de fuso de sistemas qumicos; ou em reaes qumicas reversveis,

como a desidratao de alguns hidrxidos.


solar aplicado na parte de baixo, com o que se faz funcionar os coletores mnima temperatura possvel, aumentando seu rendimento. A verticalidade dos tanques de armazenamento possui outras vantagens, como a necessidade de menos espao, aproveitando melhor a altura das habitaes e economizando no suporte ou ancoragem, que geralmente incorporado ao tanque. Geralmente freqente o uso de mais de um acumulador conectado em srie, sobretudo em instalaes grandes, e muito particularmente quando se quer obter nveis de temperatura diferentes.

Figura 4.7. Acumulador em srie.

Um dos problemas mais importantes das instalaes solares a qualidade da gua, que afeta de maneira especial o tanque de acumulao ao se produzir o fenmeno da corroso. Este um problema genrico prprio de todos aqueles equipamentos que trabalham com gua. Em geral, no aconselhvel o emprego de dois metais de diferentes naturezas, j que se favorece a criao de pares galvnicos. aconselhvel, como norma geral, proteger o acumulador por meio de um nodo de sacrifcio. 4.2.1. O ACUMULADOR DE A.Q.S. As caractersticas mnimas que devem ser cumpridas pelos acumuladores para gua quente sanitria so:

- Sua fabricao deve estar de acordo com o "Regulamento de Aparelhos Presso e Instrues Tcnicas Complementares".

- A presso mnima de servio deve ser de 6 kg/cm2.


- Deve ser provido de um dispositivo de proteo contra as sobre presses, com a correspondente vlvula de segurana e reguladora de presso, se for necessria.

H que esclarecer que os acumuladores de uso no sanitrio no esto submetidos a estas caractersticas mnimas. O tcnico projetista da instalao solar ou o fabricante dos equipamentos solares determinaro em cada projeto o volume e as caractersticas da acumulao, indicando como mnimo:

- Volume e sistema de acumulao. - Principais dimenses dos acumuladores. - Situao e dimenses das embocaduras. - Presso mxima de servio e presso de prova. - Materiais construtivos e tratamento interior. - Material e espessura do isolamento. - Contra-senha e data do registro de tipo. - Nmero de fabricao. - Garantia e condies contratuais da mesma.

A dimenso dos tanques de acumulao dever estar em proporo com o consumo, cobrindo a demanda de gua quente de um a dois dias. Em geral, costuma-se dimensionar para nveis de insolao, em funo da superfcie de captao, razo de 60-100 litros por m2 de superfcie til. Recorrer a volumes de armazenamento maiores, em realidade, no prtico, j que diminui a temperatura mdia do tanque, alm de encarecer a instalao. Tabela 4.2. Seleo do depsito acumulador.

Consumo (horas) ------- < 24 >24

APOSTILA E

Apostila Energia Solar Térmica 1 2012

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