Energia Solar Térmica

Energia Solar Térmica de Baixas e Médias Temperaturas

Helena Marques – no 67915Joana Duarte – no 67918

Tecnologias Energéticas Professor: Filipe Mendes

MEFT2012/2013

17 de Abril de 2013

Índice: 1. Energia Solar Térmica1.1. Disponibilidade de Recursos1.2. Energia Solar Térmica em Portugal e na Europa1.3. Vantagens e Desvantagens

2. Tecnologias de Conversão: Colectores Solares Térmicos2.1. Breve Evolução dos Colectores Solares2.2. Processos de Transformação de Calor2.3. Perdas Ópticas2.4. Superfícies Selectivas2.5. Cálculo do Balanço de Calor2.6. Tipos de Colectores2.7. Curva Característica de um Colector Solar. Rendimento.

3. Exemplos de sistemas reais3.1. Colector de Ar para Aquecimento de Espaços3.2. Dessalinização3.3. Lagos Solares

4. Para finalizar...

5. Bibliografia


3Tecnologias Energéticas 2012/2013

1. Energia Solar Térmica

Energia Solar - é a energia eletromagnética proveniente do sol, como resultado das reações nucleares que nele ocorrem. O total dessa energia, num ano, é superior a 10.000 vezes o consumo anual de energia bruta da humanidade.

O aproveitamento da energia solar pode ser passivo ou activo.

Os sistemas solares térmicos exploram a energia solar através do aquecimento de um fluido e, portanto, através da sua transformação em energia térmica.



Segundo a U.S. Energy Information Administration (EIA) a conversão térmica da energia solar divide-se em três intervalos de temperatura:

Conversão a baixa temperatura (T < 100ºC): com aplicações no aquecimento de água para fins domésticos, piscinas, fotocatálise, estufas solares de secagem, lagos e fornos solares, climatização, dessalinização, etc.

Conversão a média temperatura (100ºC < T < 250ºC): dessalinização, fornos solares, climatização/refrigeração, vapor de processo, termoelectricidade solar, etc.

Conversão a alta temperatura (T > 250ºC): termoelectricidade solar, hidrogénio termodissociado, gaseificação, tratamento de resíduos e materiais, etc.

1. Energia Solar Térmica



1.1. Disponibilidade de Recursos

A radiação solar média de Portugal é a mais elevada da União Europeia depois do Chipre.

Número médio anual de horas de sol em Portugal: 2500 h.

A radiação solar chega à supefície da Terra com um fluxo médio de cerca de 1,0 kW/m2.


6

1.2. Energia Solar Térmica em Portugal e na Europa

Tecnologias Energéticas 2012/2013

Portugal mantém-se assim no grupo dos países europeus com menor capacidade bruta instalada anualmente e fica sensivelmente abaixo da média europeia de 51,7 Wth/hab., com 51,4Wth/hab..


7

Depois de um aumento significativo nos anos anteriores, o mercado em Portugal sofreu uma quebra de cerca de 30% para os 89 000 kWth (127 000 m2) maioritariamente devido à crise financeira.


1.2. Energia Solar Térmica em Portugal e na Europa

Em Portugal...


8

1.3. Vantagens e Desvantagens

Vantagens Custo – A utilização deste tipo de sistemas leva a uma poupança a longo prazo

que se vai reflectir na diminuição da conta de electricidade, gás e até de água (em alguns casos, chega a atingir os 80%). Há também incentivos fiscais.Segurança – a utilização deste tipo de sistemas é completamente segura, principalmente porque não existe qualquer emissão de gases explosivos que possa colocar em causa a segurança das pessoas.Ambiente – todos os processos decorrem sem a emissão de gases poluentes para a atmosfera.

Disponibilidade – grande disponibilidade de tecnologias no mercado.

DesvantagensO elevado investimento inicial na instalação solar apresenta-se, por vezes, como o maior entrave ao desenvolvimento desta solução.




2. Tecnologias de conversão:colectores solares O componente principal de qualquer sistema activo de

conversão da energia solar em energia térmica é o colector solar.

A função de um colector solar térmico é absorver a radiação proveniente do sol, convertê-la em calor e transferir esse calor para um fluido primário (normalmente ar, água, anticongelante ou óleo térmico) que circula no colector.

A energia captada é, então, transportada pelo fluido de circulação e pode ser usada directamente (para aquecer água/espaços) ou acumulada num reservatório térmico, onde permanece até ser necessária.



2. Tecnologias de conversão:colectores solares

Os colectores solares usuais exploram entre 200 a 800 kWh/m2 dependendo da tecnologia, região e necessidades.

Estas tecnologias de conversão têm desenvolvimentos distintos em função das gamas de temperatura necessárias.


11

2.2. Processos de transferência de calor

Radiação: baseia-se na emissão de ondas eletromagnéticas emitidas por qualquer corpo a uma temperatura acima de 0K.

Estes conceitos são necessários para perceber a selecção de materiais e a definição dos seus respectivos parâmetros geométricos, de modo a optimizar a eficiência dos colectores.

Condução: baseia-se no transporte de energia térmica entre substâncias em contacto físico directo, devido à diferença de temperatura entre elas.

Convecção: baseia-se na transferência de calor dentro de um fluido através de movimentos do próprio fluido. Ocorre somente em líquidos e gases.



12

2.3. Perdas Ópticas

Absortividade :

Reflectividade :

Transmissividade :

Para as propriedades totais:


Estas perdas estão associadas às propriedades ópticas do vidro e da placa absorsora : transmissividade (τ), reflectividade (ρ) e absortividade (α).

EnergiaIncidente =

EnergiaAbsorvida

EnergiaTransmitida

EnergiaReflectida++


13

2.3.1. Emissividade e selectividade A radiação espectral emitida por uma superfície real não obedece à

distribuição espectral de um corpo negro. A emissividade espectral de uma superfície real é dada por:

Para as características intrínsecas da radiação solar, pela lei de Kirchoff, pode considerar-se que a absortividade e emissividade de um material para determinado comprimento de onda são iguais.

Apesar de serem propriedades equivalentes, para a banda solar, o importante é o valor da absortividade e para a banda de emissão, o da emissividade.

A selectividade de uma tinta, recobrimento ou tratamento químico é dado pela razão:



14

2.3.2. O Produto τcαp

A partir das propriedades estudadas pode-se avaliar a atenuação da radiação solar global (G) incidente na superfície externa da cobertura.

Parte da radiação sofre reflexão (ρcG) e absorção (αcG) na cobertura transparente, sendo que somente a fração transmitida (τcG) atingirá a placa absorsora do colector solar. Desta energia, apenas a fracção (τcαpG) será absorvida pela placa e responsável pelo aumento de sua temperatura.

S corresponde à energia absorvida pela placa por unidade de área (W/m2).



15

Um Corpo negro absorve toda a radiação incidente e, em equilíbrio termodinâmico, ou seja, a temperatura constante, irradia energia na mesma taxa que a absorve, sendo essa uma das propriedades que o tornam uma fonte ideal de radiação térmica.

Para a captação solar interessa-nos um corpo que absorva como um corpo negro e emita pouco, nascendo daqui o conceito de Superfície Selectiva.

Para os colectores solares, queremos que o material escolhido: Absorva radiação perto de Emita radiação perto de

2.3.2. O Produto τcαp



16

2.4. Superfícies Selectivas Como a tinta de um colector

solar é aplicada sobre um substrato de alumínio ou cobre, o valor de τλ = 0.



17

Para a maximização da energia absorvida pela placa, recomenda-se seleccionar: Coberturas de elevada transmissividade; Tintas ou tratamento especial de alta absortividade para a placa

colectora. Exemplo de uma superfície selectiva real de óxido de cromio sobre

níquel.

2.4. Superfícies Selectivas



18

2.5. Cálculo do balanço de calor Para se poder efectuar um estudo simples do comportamento do

colector é necessário supor condições estacionárias, isto é, valores médios constantes para todos os parâmetros que intervêm.

Consideremos um colector imóvel, recebendo a radiação solar uniformemente repartida e de forma constante, pelo qual circula o fluido térmico com um caudal determinado.

O balanço energético de um colector:



19

A temperatura média da placa absorvente tc é difícil de saber, mas pode conhecer-se com suficiente exactidão a temperatura tf do fluido térmico, no instante em que este circula pelo colector.

Uma forma simples de obter esta temperatura é calcular a média entre a temperatura do fluido à entrada te e à saída ts do colector.

Se substituirmos a temperatura da placa absorsora Te, desconhecida a início, pela temperatura do fluido Tf , temos que introduzir um factor corrector F’ - factor de irrigação - , sempre inferior à unidade e que faz diminuir o valor de Q.

A equação anterior transforma-se emconhecida também como equação de Bliss.

2.5. Cálculo do balanço de calor



20

2.1. Breve evolução dos colectores solares



21

2.6. Tipos de Colectores



22

2.6.1. Colector plano Um colector plano é formado pela cobertura, a placa absorsora e uma

caixa isolada para evitar as perdas de calor. Na placa absorvente, solda-se uma serpentina de tubos pelos quais circula o fluido térmico.



23

Coberturas transparentes As qualidades fundamentais que devem ter são:

Ter uma boa transparência (perto de 90%); Provocar o efeito estufa e reduzir as perdas de calor, melhorando o

rendimento do colector; Assegurar a estanquicidade do colector à água e ao ar. As coberturas dos

colectores devem resistir à pressão do vento, ao peso do gelo, da neve e aos choques térmicos.

Os materiais mais utilizados são o vidro e nalguns casos alguns tipos de acrílicos.



24

Placa absorsora A peça fundamental de um colector plano é a placa absorsora. Esta consiste numa chapa metálica com uma absortância elevada e tubos de

transferência de calor ligados ao colector.



25

Caixa do colector A missão da caixa é proteger do vento, da chuva, da poeira e suportar

os diversos elementos do colector. Não é aceitável trocar um colector, ou a caixa, antes do tempo de vida

normal desta, que deve ser pelo menos de 10 anos. A caixa deve servir de estanque às entradas de ar e água e resistente à

corrosão. Deverão selar-se todas as possíveis juntas e dever-se-á colocar um

orifício na parte inferior da caixa para facilitar a evacuação da água de condensação interior.



26

2.6.2. CPC ou colectores concentradores parabólicos A diferença fundamental relativamente a um colector plano convencional

é a geometria da superfície absorsora. Estes colectores combinam as propriedades dos colectores planos com a

capacidade de produzirem temperaturas mais elevadas (>70oC), como os concentradores convencionais do tipo de lentes.



27

A superfície absorsora é constituída por uma grelha de alhetas em forma de acento circunflexo, colocadas por cima de uma superfície reflectora.

O Sol incide na parte superior das alhetas e na superfície parabólica reflectora. Os raios são reflectidos e acabam por incidir na parte inferior das alhetas ou directamente no tubo. As perdas de calor são inferiores e o rendimento é maior.

A zona situada entre a superfície reflectora e a caixa é preenchida com isolamento do tipo antes descrito, para evitar as perdas de calor pela parte inferior.

2.6.2. CPC ou colectores concentradores parabólicos



28

2.6.3. Colectores de tubo de vácuo Os tipos de colectores de vácuo mais usados são os Heat Pipe e o Direct Flow. Os tubos periféricos contêm vácuo no seu interior, o que elimina as perdas

por convecção e condução. Este sistema possui, então, um maior rendimento a altas temperaturas,

devido aos baixos valores dos coeficientes de perda a ele associados.



29

2.7. Curva característica de um colector solar. Rendimento.

Os colectores ensaiam-se geralmente fazendo-os funcionar num banco de provas sob condições estáveis de radiação solar, velocidade do vento, temperatura do fluido à entrada e temperatura ambiente.

Os resultados obtidos nos ensaios apresentam-se como o rendimento do colector, η, definido pela relação entre a energia captada e a recebida:

Substituindo Pu na equação de Bliss:



30

Para um caudal determinado e com e constantes, a equação desta curva característica do colector pode assemelhar-se com bastante exactidão a uma recta.

Assim, é possível ver que o rendimento do colector diminui à medida que a temperatura média do fluido (Tf) sobe.

Quando T* é nulo o rendimento designa-se por rendimento óptico (1). Quando a temperatura de saída for igual à temperatura de entrada, o rendimento é

nulo e o colector atinge a temperatura de estagnação (2)




31

No entanto, a resistência térmica diminui consideravelmente quando Tf aumenta. Assim, o gráfico anterior irá possuir uma ligeira curvatura.

Apresentamos a seguir os coeficientes para os colectores mais habituais do mercado:



32

Como regra geral, deve escolher-se o colector de acordo com a temperatura de utilização pretendida, de forma a que o seu rendimento seja normalmente acima dos 40 %, como se pode ver no quadro seguinte:





3. Exemplos de sistemas reais



O ar quente tem duas utilizações essenciais: aquecimento de espaços e estufas de secagem.

Os colectores a ar são semelhantes aos apresentados anteriormente, sendo o fluido aquecido através do contacto com a superfície absorsora de radiação.

3.1. Colector a ar para aquecimento de espaços

Os colectores a ar são relativamente pouco dispendiosos uma vez que não necessitam de nenhum ‘fluido pesado’, nem de protecção anti-congelamento.




SUN



3.1. Colector a ar para aquecimento de espaços Circuito térmico

equivalente de um aquecedor de ar.

i

V1 V2RE

T1 T2

q

RT



A transferência de calor para o ar é dada por:

Se a componente da irradiância solar incidente perpendicular ao colector numa área é , a eficiência do colector fica:


com e

O calor útil pode ainda ser obtido pela diferença entre o calor absorvido (que, neste caso, é uma fracção da irradiância no colector) e as perdas de energia:



Para suportar uma comunidade no deserto árido é necessário garantir a provisão de água potável. Em muitas regiões desérticas, como por exemplo na Austrália Central, a água do subsolo é salgada.

A maioria das vezes o tratamento da água local torna-se mais barato do que o transporte de água potável de regiões afastadas.

Uma vez que, normalmente, os desertos têm grande insolação, é de particular interesse recorrer à energia solar para purificação da água por destilação.

3.2. Dessalinização



A abordagem mais directa consiste em usar uma destilador solar.




Para calcular a água conseguida numa destilador solar real é necessário ter conhecimento da proporção da energia solar incidente que causa evaporação.




Uma desvantagem deste sistema é que seria necessária uma área substancial de vidro para produzir água potável suficiente até para uma comunidade pequena.


A insolação numa área seca e altamente exposta ao sol é tipicamente 20MJm-2dia-1. O calor latente de evaporação da água é 2.4MJm-2kg-1. Considerando que todo o calor solar é absorvido por evaporação e toda a água evaporada é recolhida, obtém-se, no final

Exemplo: Destilador solar real



Uma abordagem alternativa consistiria numa destilador de efeito múltiplo em que o calor libertado pela condensação da água destilada é usado para evaporar uma segunda massa de água salina, e este o de uma terceira e assim sucessivamente.

Em termos económicos, a viabilidade da dessalinização depende dos preços das fontes alternativas de água potável.

Numa área de grande ou moderada queda de chuva (> 40cm/ano) é significativamente mais barato construir um sistema de armazenamento de água em vez de tecnologias solares.




Em aplicações em que se procura grandes quantidades de calor de baixa temperatura (T < 100oC), os colectores convencionais são normalmente demasiado dispendiosos.

3.3. Lagos Solares

Um Lago Solar é um colector que utiliza água como cobertura.



Estes lagos solares têm inúmeras aplicações que vão desde o aquecimento de edifícios no inverno à indústria.

É igualmente possível produzir electricidade de um lago solar usando uma máquina térmica de baixa temperatura acoplada a um gerador eléctrico.

Um lago solar em Beit Ha’Harava, Israel, produz uma potência de 5MW a um custo que ronda os 0.23€/kWh.

3.3. Lagos Solares



3.3. Lagos Solares



4. Para finalizar...

A energia solar pode contribuir de uma forma muito significativa para reduzir a nossa actual dependência dos combustíveis fósseis e os impactes ambientais a eles associados, no sentido do cumprimento dos compromissos de Quioto.

Contudo, e apesar da abundância deste recurso solar (talvez o melhor da Europa), não temos ainda objectivos de política energética claros nesta matéria e uma abordagem que permita explorá-lo a fundo.

A curto prazo, as principais contribuições potenciais da energia solar na área da térmica são seguramente ao nível do aquecimento de água (sanitária, de processo industrial, etc.) e do aquecimento/arrefecimento ambiente.

Energia Solar Térmica

Documents

Transcript of Energia Solar Térmica