Estudo comparativo de superfícies seletivas para Coletores Solares.pdf

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA E PRODUO PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA E CINCIAS DE MATERIAIS

ESTUDO COMPARATIVO DE SUPERFCIES SELETIVAS PARA COLETORES SOLARES

CARLOS ANTONIO SILVA GOMES

FORTALEZA 2001

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA E PRODUO

PROGRAMA DE MESTRADO EM ENGENHARIA E CINCIAS DE MATERIAIS

Estudo Comparativo de Superfcies Seletivas para Coletores Solares

Carlos Antonio Silva Gomes

Dissertao apresentada ao Departamento de

Engenharia Mecnica e Produo da

Universidade Federal do Cear como parte

dos requisitos para obteno do ttulo de

Mestre em Engenharia e Cincias de

Materiais

Orientador: Prof. Dr. Vicente Walmick Almeida Vieira

Co-Orientadora: Prof a. Dra. Maria Eugnia Vieira da Silva

Fortaleza - 2001

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS............................................................................................................xi

LISTA DE TABELAS...........................................................................................................xii

NOMENCLATURA.............................................................................................................xiii

RESUMO...........................................................................................................................xvi

ABSTRACT......................................................................................................................xviii

1. INDRODUO...............................................................................................................1 2. PROPRIEDADES PTICAS..........................................................................................5

2.1 Absortividade e Emissividade.................................................................................5

2.2 Refletividade...........................................................................................................9

2.3 Relao entre a Refletividade, a Emissividade, e a Absortividade.....................10

2.4 Medies de Absortividade Solar e Emissividade Trmica...................................11

3. SUPERFCIES SELETIVAS.........................................................................................12 3.1 Superfcies Absorvedoras Seletivas Solares.........................................................12

3.1.1 Absorvedores Intrnsecos...............................................................................13

3.1.2 Absorvedor Refletor Acoplados...................................................................14

3.1.2.1 Nquel Preto.....................................................................................14

3.1.2.2 Cromo Preto.....................................................................................15

3.1.2.3 Cobre Preto......................................................................................15

3.1.2.4 Ferro Preto.......................................................................................15

3.1.2.5 xido de Cobalto.............................................................................16 3.1.3 Revestimentos de Converso Qumica.........................................................16

3.1.3.1 Ao Inoxidvel Colorido....................... ...........................................16

3.1.3.2 Revestimento de Zinco Preto..........................................................17

3.1.4 Semicondutores Puros..................................................................................17

3.1.4.1 Silcio e Germnio...........................................................................17

3.1.4.2 Sulfeto de Chumbo..........................................................................18

3.1.5 Combinao Refletor-Semicondutor Pulverizado.........................................18

3.1.6 Multi-Camadas Empilhadas..........................................................................19

3.1.7 Sistemas de Armadilhas pticas...................................................................20 3.1.8 Revestimentos de Materiais Compsitos......................................................22

3.1.9 Efeitos de Tamanho Quntico.......................................................................23

4. MATERIAL E MTODOS ............................................................................................24 4.1 Medies Experimentais.........................................................................................24

4.1.1 Seleo, Preparao e Descrio das Superfcies Seletivas Estudadas......25

Material A (esmalte preto)......................................................................................25 Material B (INTERPANE)........................................................................................25 Material C (black chrome).......................................................................................26 Material D (Solkote).................................................................................................26 Material E (solar lack)..............................................................................................26 Material F (TINOX)..................................................................................................27 4.1.2 Determinao da transmissividade e refletividade de vidros

transparentes.................................................................................................27

4.1.3 Composio Qumica das amostras de Vidro...............................................28

4.1.4 Estrutura Microscpica das Superfcies........................................................29

4.1.5 Sistema de Medio das Temperaturas de Operao..................................29

4.2 Determinaes Numricas.....................................................................................30

5. RESULTADOS............................................................................................................34

5.1 Transmissividade do Vidro.....................................................................................34

5.1.2 Composio das Amostras............................................................................36

5.2 Temperatura nas Placas Absorvedoras................................................................37

5.3 Grficos de EDX e Fotos.......................................................................................41

6. CONCLUSES............................................................................................................48 7. SUGESTES...............................................................................................................49 8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.............................................................................50

APNDICES

APNDICE A [PISTOLA A AR COMPRIMIDO(SPRAY)]..................................................55 APNDICE B [SPUTTERING]...........................................................................................57 APNDICE C [ELETRODEPOSIO]..............................................................................59 APNDICE D [BAND GAP]................................................................................................63 APNDICE E [INSTRUMENTOS]......................................................................................64

Aos meus pais, Antonio e Raimunda, que iniciaram esta minha caminhada, e em especial a minha me que sempre me incentivou na busca do conhecimento e na escolha dos melhores caminhos para o meu progresso.

Minhas homenagens especiais:

- professora Eugnia, pela pacincia, dedicao, interesse, sinceridade e estmulo no decorrer da orientao deste trabalho.

AGRADECIMENTOS

Expresso meu especial agradecimento:

Deus, que sempre me ampara nas horas mais difceis;

FUNCAP, pelo apoio referente a bolsa de estudos;

Ao Laboratrio de Energia Solar, pelos instrumentos de medio utilizados na realizao do trabalho;

Ao Professor Vicente Walmick Almeida Vieira, do departamento de Fsica da UFC, pelo apoio durante o desenvolvimento do trabalho;

Ao Professor Schwarzer, do Solar-Institut Jlich, pelo interesse, dedicao e apoio na realizao desse trabalho;

ao Bonfim, por sua disponibilidade na montagem do prottipo experimental;

aos colegas do Laboratrio de Energia Solar, pela ajuda e estmulo;

aos meus irmos, Marcos e Camila, e minha prima Luciene, pelo companheirismo de sempre;

minha namorada, Carla, que sempre acreditou no meu potencial;

e a todos os demais, que de alguma forma contriburam para a concretizao deste trabalho.

SUMRIO

LISTA DE FIGURAS............................................................................................................xi

LISTA DE TABELAS...........................................................................................................xii

NOMENCLATURA.............................................................................................................xiii

RESUMO...........................................................................................................................xvi

ABSTRACT......................................................................................................................xviii

1. INDRODUO...............................................................................................................1 2. PROPRIEDADES PTICAS..........................................................................................5

2.1 Absortividade e Emissividade.................................................................................5

2.2 Refletividade...........................................................................................................9

2.3 Relao entre a Refletividade, a Emissividade, e a Absortividade.....................10

2.4 Medies de Absortividade Solar e Emissividade Trmica...................................11

3. SUPERFCIES SELETIVAS.........................................................................................12 3.1 Superfcies Absorvedoras Seletivas Solares.........................................................12

3.1.1 Absorvedores Intrnsecos...............................................................................13

3.1.2 Absorvedor Refletor Acoplados...................................................................14

3.1.2.1 Nquel Preto.....................................................................................14

3.1.2.2 Cromo Preto.....................................................................................15

3.1.2.3 Cobre Preto......................................................................................15

3.1.2.4 Ferro Preto.......................................................................................15

3.1.2.5 xido de Cobalto.............................................................................16 3.1.3 Revestimentos de Converso Qumica.........................................................16

3.1.3.1 Ao Inoxidvel Colorido....................... ...........................................16

3.1.3.2 Revestimento de Zinco Preto..........................................................17

3.1.4 Semicondutores Puros..................................................................................17

3.1.4.1 Silcio e Germnio...........................................................................17

3.1.4.2 Sulfeto de Chumbo..........................................................................18

3.1.5 Combinao Refletor-Semicondutor Pulverizado.........................................18

3.1.6 Multi-Camadas Empilhadas..........................................................................19

3.1.7 Sistemas de Armadilhas pticas...................................................................20 3.1.8 Revestimentos de Materiais Compsitos......................................................22

3.1.9 Efeitos de Tamanho Quntico.......................................................................23

4. MATERIAL E MTODOS ............................................................................................24 4.1 Medies Experimentais.........................................................................................24

4.1.1 Seleo, Preparao e Descrio das Superfcies Seletivas Estudadas......25

Material A (esmalte preto)......................................................................................25 Material B (INTERPANE)........................................................................................25 Material C (black chrome).......................................................................................26 Material D (Solkote).................................................................................................26 Material E (solar lack)..............................................................................................26 Material F (TINOX)..................................................................................................27 4.1.2 Determinao da transmissividade e refletividade de vidros

transparentes.................................................................................................27

4.1.3 Composio Qumica das amostras de Vidro...............................................28

4.1.4 Estrutura Microscpica das Superfcies........................................................29

4.1.5 Sistema de Medio das Temperaturas de Operao..................................29

4.2 Determinaes Numricas.....................................................................................30

5. RESULTADOS............................................................................................................34

5.1 Transmissividade do Vidro.....................................................................................34

5.1.2 Composio das Amostras............................................................................36

5.2 Temperatura nas Placas Absorvedoras................................................................37

5.3 Grficos de EDX e Fotos.......................................................................................41

6. CONCLUSES............................................................................................................48 7. SUGESTES...............................................................................................................49 8. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.............................................................................50

APNDICES

APNDICE A [PISTOLA A AR COMPRIMIDO(SPRAY)]..................................................55 APNDICE B [SPUTTERING]...........................................................................................57 APNDICE C [ELETRODEPOSIO]..............................................................................59 APNDICE D [BAND GAP]................................................................................................63 APNDICE E [INSTRUMENTOS]......................................................................................64

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Esquema em perspectiva de um coletor solar com superfcie seletiva............. 2

Figura 1.2. Esquema bsico da radiao solar incidindo sobre uma superfcie seletiva-

coletor................................................................................................................3

Figura 2.1 Representao geomtrica da energia radiante absorvida. (a) absortividade direcional; (b) absortividade hemisfrica............................................................6 Figura 2.2 Representao geomtrica da radiao direcional e hemisferica.emissividade

direcional; (b) emissividade hemisfrica.............................................................8 Figura 2.3. Formas de reflexo de uma superfcie............................................................10

Figura 2.4 Distribuio espectral da radiao solar emitida por um corpo negro

em 100C, 300C e 700C...............................................................................11

Figura 3.1 Mecanismos de absoro de energia fototrmica.............................................13

Figura 3.2 Camadas empilhadas no substrato de ao.......................................................19

Figura 3.3 Refletividade espectral para quatro camadas empilhadas adicionadas

sucessivamente.................................................................................................20

Figura 3.4 Absoro da radiao solar devido sucessivas reflexes em superfcies

corugadas-V.....................................................................................................20

Figura 3.5 Representao esquemtica da floresta de dendritos.....................................21

Figura 4.1 Composio de camadas no processo de fabricao do material F.................27

Figura 4.2 Esquema do sistema de medio da transmissividade de vidros radiao

solar...................................................................................................................28

Figura 4.3 Aparato experimental para determinao da emissividade de superfcies.......30

Figura 5.1 Grfico da Transmissividade versus Espessura do vidro..................................34

Figura 5.2 Composio qumica das amostras de vidro.....................................................36

xii

Figura 5.3 Temperatura das superfcies seletivas da coberta de vidro e da radiao

global ao longo do dia ( 14 de fevereiro de 2001)...........................................38 Figura 5.4 EDX do material A.............................................................................................41

Figura 5.5 Micrografia do material A, com um aumento de 3500X.....................................42

Figura 5.6.EDX do material B.............................................................................................42

Figura 5.7 Micrografia do material B com aumento de 3500X............................................43

Figura 5.8 EDX do material C.............................................................................................43

Figura 5.9. Micrografia do material C com um aumento de 3500X....................................44

Figura 5.10 EDX do material D...........................................................................................44

Figura 5.11 Micrografia do material D com aumento de 3500X.........................................45

Figura 5.12 EDX do material E...........................................................................................45

Figura 5.13 Micrografia do material E com aumento de 3500X.........................................46

Figura 5.14 EDX do material F...........................................................................................46

Figura 5.15 Micrografia do material F com aumento de 3500X.........................................47

xiii

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Valores de emissividades das superfcies seletivas...........................................39

Tabela 2. Valores do coeficiente de perda total e da temperatura de estagnao............40

Tabela 3. Valores de temperatura mdia das placas, coeficiente de perda total e da

temperatura de estagnao................................................................................40

xiv

NOMENCLATURA

A rea, [m2] g Acelerao gravitacional, [9,8 m/s] h Coeficiente de transferncia de calor, [W/m2K] J Radiao espectral, [W/m2] k Condutividade trmica do material, [W/m K] L Distncia entre as placas, [m] n Nmero das chapas de vidro

Nu Nmero de Nusset, [adimencional]

Q& Taxa de transferncia de calor, [W]

R Radiao solar, [W/m2] T Temperatura, [K] UL Coeficiente global de perdas no coletor solar, [W/m2K] q Fluxo de radiao, [W/m2]

gregas:

Absortividade da placa absorvedora, [adimencional]

Refletividade, [adimencional]

Emissividade, [adimencional]

Constante de Stefan-Boltzmann, [W/m2K4]

Transmissividade do vidro

Coeficiente de dilatao volumtrica, [T-1]

xv

ngulo azimutal, [rad]

ngulo polar, [rad]

Diferena

Viscosidade cinemtica

Comprimento de onda

subscritos:

a Absorvida

amb Ambiente

b Isolamento

c Chega

cu Cu

conv Conveco

eff Efetivo

i Incidente

P Placa

r Reflexo

rad Radiao

sol Solar

stag Estagnao

t Topo

V Vidro

ESTUDO COMPARATIVO DE SUPERFCIES SELETIVAS PARA COLETORES SOLARES

Autor: CARLOS ANTONIO SILVA GOMES Orientador: PROF. Dr. VICENTE WALMICK ALMEIDA VIEIRA

Co-Orientador: PROF. Dr. MARIA EUGNIA VIEIRA DA SILVA

RESUMO

Em aplicaes prticas de energia solar ativa e passiva, ou para outros fins construtivos, o revestimento superficial do material que absorve a radiao solar tem um papel importante no que concerne absoro e emisso de radiao solar e trmica, influenciando diretamente na relao custo-benefcio do equipamento. Revestimentos superficiais para as placas absorvedoras de radiao solar, ou superfcies seletivas, alteram as relaes de ganho e perda de energia do equipamento e, por isso, o desempenho dos diferentes revestimentos disponveis, seus tipos e custos, alm de reas potenciais de aplicao devem ser conhecidos. Em geral, coletores de placa plana sem superfcies

seletivas operam em temperaturas inferiores a 100C, sendo utilizados no aquecimento de

gua, em processos de secagem, etc. Existem aplicaes prticas como foges solares, sistemas de refrigerao, dessalinizadores solares onde so necessrias temperaturas muito elevadas que so alcanadas pelo uso de superfcies seletivas. Para alta eficincia, os coletores solares devem possuir um mximo de absorbncia no espectro solar, enquanto mantm um mnimo de emitncia no infravermelho. Este trabalho apresenta um estudo comparativo de superfcies seletivas para coletores solares utilizadas nos maiores centros industrializados que utilizam energias renovveis. So apresentadas medies experimentais da temperatura em seis amostras de placas absorvedoras e da radiao solar global e direta incidente sobre as placas em funo do tempo. As amostras foram testadas nas condies ambientais de Fortaleza e os valores experimentais usados na determinao da emissividades, aps a realizao de um balao de energia em regime permanente nessas

amostras. As temperaturas de estagnao foram calculadas, e usadas na determinao do desempenho desses materiais. So apresentadas anlises microscpicas (microscpico eletrnico de varredura) das diferentes superfcies. Os resultados ou o desempenho das amostras quando expostas radiao solar e que o procedimento desenvolvido para esse trabalho pode ser utilizado na determinao de um valor mdio para a emissividade solar a partir de medies mais simples.

COMPARATIVE STUDY OF SELECTIVE SURFACES FOR SOLAR COLLECTORS

Author: CARLOS ANTONIO SILVA GOMES Advisor: PROF. Dr. MARIA EUGNIA VIEIRA DA SILVA

Co-Advisor: PROF. Dr. VICENTE WALMICK ALMEIDA VIEIRA

ABSTRACT

In practical application of solar energy systems, either active or passive, or for

others constructive uses, the selective coating that absorbs solar radiation has an important hole in the absorption and emission of solar and thermal energy, with a direct influence in the equipment cost-benefit relation. Surface coating for solar radiation absorber plates, or simply selective surfaces, change the equipment energy gain and loss relations; consequently, the performance of the different coatings available, their types and costs, and their potential applications should be known. In general, solar collectors without selective coating operate in temperature under 100oC and are used in hot water systems, in drying processes, etc. There are practical applications such as, solar cookers, refrigeration systems,

and thermal desalination units among others, where high temperatures can only be reached by the use of selective surfaces. To present high efficiency, solar collectors should have maximum absorbance in the solar spectrum while maintaining minimum emittance in the infrared region. This work presents a comparative study of the selective surfaces for solar collectors currently used in the big centers of renewable energy utilization. The work presents experimental the measurements for the absorber plate temperature, and the global and direct solar radiation on the absorber plane as function of time. Samples of the different selective absorber plates were tested in the ambient conditions in Fortaleza. Using the experimental data and steady state energy balance equations for the absorber plates, emissivity values were determined. The sample stagnation temperatures and the collector top heat transfer loss coefficient were also calculated to show the selective coating

performances. The microscope analysis (scanning electron microscope) for the different coatings is also presented. The results clearly show the sample performances when exposed to solar radiation and also that the procedure developed for this study can be used to determine the thermal emissivity average values using simple experimental measurements.

XVIII

COMPARATIVE STUDY OF SELECTIVE SURFACES FOR SOLAR COLLECTORS

Author: CARLOS ANTONIO SILVA GOMES Advisor: PROF. Dr. MARIA EUGNIA VIEIRA DA SILVA

Co-Advisor: PROF. Dr. VICENTE WALMICK ALMEIDA VIEIRA

ABSTRACT

In practical application of solar energy systems, either active or passive, or for

others constructive uses, the selective coating that absorbs solar radiation has an important hole in the absorption and emission of solar and thermal energy, with a direct influence in the equipment cost-benefit relation. Surface coating for solar radiation absorber plates, or simply selective surfaces, change the equipment energy gain and loss relations; consequently, the performance of the different coatings available, their types and costs, and their potential applications should be known. In general, solar collectors without selective coating operate in temperature under 100oC and are used in hot water systems, in drying processes, etc. There are practical applications such as, solar cookers, refrigeration systems,

and thermal desalination units among others, where high temperatures can only be reached by the use of selective surfaces. To present high efficiency, solar collectors should have maximum absorbance in the solar spectrum while maintaining minimum emittance in the infrared region. This work presents a comparative study of the selective surfaces for solar collectors currently used in the big centers of renewable energy utilization. The work presents experimental the measurements for the absorber plate temperature, and the global and direct solar radiation on the absorber plane as function of time. Samples of the different selective absorber plates were tested in the ambient conditions in Fortaleza. Using the experimental data and steady state energy balance equations for the absorber plates, emissivity values were determined. The sample stagnation temperatures and the collector top heat transfer loss coefficient were also calculated to show the selective coating

XIX

performances. The microscope analysis (scanning electron microscope) for the different coatings is also presented. The results clearly show the sample performances when exposed to solar radiation and also that the procedure developed for this study can be used to determine the thermal emissivity average values using simple experimental measurements.

1. INTRODUO

Em aplicaes prticas de energia solar ativa e passiva, ou para outros fins construtivos, o revestimento superficial do material que absorve a radiao solar tem um papel importante no que concerne absoro e emisso de radiao solar e radiao trmica, influenciando diretamente na relao custo-benefcio do equipamento. Superfcies seletivas para as placas absorvedoras da radiao solar alteram as relaes de ganho e perda de energia do equipamento e, por isso, o estudo do desempenho dos diferentes revestimentos disponveis, seus tipos e custos, alm de reas potenciais de aplicao, indispensvel no projeto de coletores solares.

Embora superfcies seletivas sejam utilizadas pelos fabricantes de coletores solares em vrios pases, o mesmo no ocorre no Brasil. Uma empresa fabricante nacional de coletores solares planos (que colabora com o nosso trabalho), tem mostrado interesse na utilizao dessas superfcies, a fim de poder aumentar a eficincia dos seus equipamentos, e possibilitar uma temperatura de operao mais elevada na sada no equipamento, aumentando assim o horizonte de novas aplicaes.

Quando placas absorvedoras de radiao solar so pintadas com tinta preta fosca, de alta absortividade no comprimento de onda da radiao incidente, o objetivo aumentar a coleta de radiao solar incidente. Para as superfcies cinzentas e difusas, a absortividade, a emissividade direcional espectral e a emissividade total hemisfrica possuem os mesmos valores (Lei de Kirchhoff). Assim, as tintas pretas foscas com alta absortividade, apresentam tambm alta emissividade, provocando alta perda por radiao trmica para o ambiente. O propsito da utilizao do revestimento seletivo est em diminuir sensivelmente a emisso de radiao trmica, mas de forma que o ganho lquido de energia seja aumentado. O esquema bsico do sistema em estudo (superfcie seletiva-coletor) mostrado nas Figuras 1.1 e 2.1. A Figura 1.1 apresenta um desenho em perspectiva de um coletor solar. A Figura 2.1 apresenta o esquema do caminho traado pela radiao solar ao incidir numa superfcie seletiva.

INDRODUO _____________________________________________________________________________________

2

Coberta de Vidro

Superfcie Seletiva

Chapa de Cobre

Tubos do Coletor

Figura 1.1. Perspectiva de um coletor solar (SOLCHROME SYSTEMS INDIA LIMITED).

O coletor solar de placa plana um tipo especial de trocador de calor que transforma a radiao solar em energia trmica. O coletor possui cinco componentes bsicos:

1. Uma placa absorvedora composta de uma superfcie de cobre com superfcie seletiva, ou somente pintada de preto que absorve a radiao solar incidente aquecendo-se. Devido a sua elevada temperatura, calor flui por conduo atravs das superfcies do metal at as paredes internas dos tubos dessa placa, onde transfere energia por conveco para o fluido que escoa atravs dos tubos.

2. Uma coberta de vidro que permite a transmisso da radiao solar (de pequeno comprimento de onda) e evita parcialmente a reflexo da radiao trmica proveniente da placa (de maior comprimento de onda), reduzindo as perdas de energia para o ambiente;

3. Isolamento lateral e inferior que reduz as perdas de calor por conduo atravs das paredes que no so expostas radiao solar;

INDRODUO _____________________________________________________________________________________

3

4. Canais de escoamento em cujas paredes o fluido de trabalho aquecido por conveco;

5. Uma estrutura de suporte dos componentes.

A Figura 2 mostra a superfcie de um coletor solar com superfcie seletiva. No processo de captao de energia, o sistema superfcie seletiva-coletor absorve a radiao solar de curto comprimento de onda, emitindo radiao trmica de maior comprimento de onda.

Figura 1.2. Esquema da radiao solar na superfcie seletiva-coletor (AGNIHOTRI, O.P. & GUPTA, B. K., 1981).

Em geral, coletores de placa plana sem superfcies seletivas operam em temperaturas menores que 100C, sendo utilizados nos processos de aquecimento de gua, de secagem, etc. Existem aplicaes prticas como foges solares, sistemas de refrigerao, dessalinizadores solares, onde temperaturas elevadas so desejadas, tornando essencial o uso de superfcies seletivas.

A seletividade ptica de uma superfcie absorvedora varia em funo do comprimento de onda, , da radiao incidente. A superfcie seletiva deve apresentar alta absortividade na regio do visvel (0,2m

INDRODUO _____________________________________________________________________________________

4

trmico de placas absorvedoras nas condies ambientais de Fortaleza auxiliar na deciso de quais materiais e para qual aplicao eles podero ser usados.

A realizao deste trabalho, envolveu as seguintes etapas: 1. Estudo experimental do desempenho das superfcies seletivas quando

expostas radiao solar ambiental; 2. Determinao da transmissividade e da refletividade de vidros

nacionais; 3. Anlise experimental microscpica da superfcie seletiva das placas; 4. Estudo numrico da determinao da emissividade das placas; 5. Clculo das temperaturas de estagnao de coletores para as diversas

superfcies seletivas;

2. PROPRIEDADES PTICAS

Neste captulo esto apresentadas as definies das propriedades pticas das superfcies seletivas.

As propriedades pticas so utilizadas na caracterizao das superfcies seletivas e na determinao da eficincia trmica dos coletores solares. Essas propriedades so a absortividade, a emissividade e a refletividade das superfcies, que podem ser opacas, especulares e difusas. A absortividade solar e a emissividade da radiao so as propriedades bsicas para a caracterizao de coberturas seletivas.

2.1 Absortividade e Emissividade

A absortividade, , de uma superfcie a frao da radiao incidente que absorvida pela superfcie. Se a superfcie for opaca, a soma da absortividade e da refletividade igual unidade. A refletividade e a absortividade so funes do comprimento de onda da radiao e do ngulo de incidncia. A absortividade direcional monocromtica definida como a frao da radiao incidente de comprimento de onda e na direo ( , ), onde o ngulo polar e o ngulo azimutal do feixe com o plano da superfcie, como mostra a Figura 2.1. A energia radiante que alcana o elemento de rea dA na direo ( , ) est mostrada na Figura 2.1 e a expresso para a absortividade espectral dada por,

( ) ( )( )

=

,J,J

,

i,

a, (2.1)

onde os subscritos a e i referem-se radiao absorvida e incidente. ( ) ,J i, representa a irradiao espectral.

( ) ( )( )

=

,J,J

,

i,

a,

PROPRIEDADES PTICAS _____________________________________________________________________________________

6

Figura 2.1 Representao geomtrica da energia radiante absorvida. (a) absortividade direcional; (b) absortividade hemisfrica (AGNIHOTRI, O. P. & GUPTA, B. K.).

A absortividade direcional definida como a frao de toda a radiao absorvida pela superfcie de direes ( ) , e definida pela expresso,

( ) ( ) ( )( )

=0 i,

0 i,

d,J

d,J ,, (2.2)

A absortividade hemisfrica monocromtica obtida pela integrao da expresso (2.2) em todo o hemisfrio. Essa expresso escrita como,

( ) ( )( )

pi

pi

pipi

=

2

02

0 i,

2

02

0 i,,

ddsencos,,J

ddsencos,,J,, (2.3)


7

A absortividade total hemisfrica pode ser obtida pela integrao da expresso (2.3) sobre todos os comprimentos de onda.

( )( )

=

0

0

dJ

dJ (2.4)

Se a superfcie no for plana, ela ter uma absortividade solar efetiva dada pela razo entre a potncia solar absorvida e a potncia solar incidente no plano da superfcie.

A emissividade de uma superfcie est relacionada como a capacidade dessa superfcie de emitir radiao trmica. A emissividade a medida da energia que uma superfcie emite em comparao com a que um corpo negro emitiria na mesma temperatura. A emisso trmica depende de fatores como a temperatura do corpo, o comprimento de onda e o ngulo sob o qual a energia emitida. A representao geomtrica da emissividade direcional e hemisfrica mostrada na Figura 2.2. A emissividade espectral a razo entre a emisso espectral (ou emisso monocromtica em um dado comprimento de onda) de uma superfcie e a de um corpo negro na mesma temperatura, sendo expressa por,

=

,bJJ

(2.5)

onde ,bJ a radiao espectral do corpo negro.

A emissividade direcional espectral de uma superfcie definida como a razo entre a radiao monocromtica emitida por uma superfcie em uma direo particular e a radiao monocromtica emitida por um corpo negro na mesma temperatura e pode ser expressa por:

( ) ( )( )

=

,J,J

,

,b (2.6)

A emissividade total ( ) ,t definida como a razo entre a emisso de radiao de uma superfcie e a de um corpo negro na mesma temperatura incluindo todos os comprimentos de onda de zero a infinito:


8

( ) ( )

=

0 ,b

0 ,bt

d J

d J ,, (2.7)

A emissividade hemisfrica ,h refere-se a emisso em todas as direes

possveis, 2pi estereoradianos, dada por:

( )

pi

pi

pipi

=

2

02

0 ,b

2

02

0 ,b,h

d dsencos J

d dsencos J , (2.8)

A emissividade hemisfrica total encontrada pela integrao da Eq. (2.8) em todas as direes:

( )

pi

pi

pipi

=

0

2

02

0 ,b

0

2

02

0 ,bh

d dsencos J

d dsencos J , (2.9)

Figura 2.2 Representao geomtrica da radiao direcional e hemisfrica. (a) emissividade direcional; (b) emissividade hemisferica (AGNIHOTRI, O. P. & GUPTA, B.K.)


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2.2 Refletividade

A determinao da refletividade de uma superfcie mais complexa do que a da emissividade e a da absortividade. A superfcie pode ser atingida por radiao com diferentes intensidades espectrais para os vrios ngulos de incidncia. Algumas vezes, a refletividade espectral dada por apenas um ngulo de incidncia pode ser suficiente, mas muitas vezes a refletividade espectral espacial da radiao requerida. Quando a radiao incidente se distribui por um pequeno ngulo slido, duas distribuies limitantes da radiao refletida existem: a especular e a difusa. A Figura 2.3 mostra diferentes formas de reflexo de uma superfcie. No caso da reflexo especular, o ngulo de incidncia igual ao ngulo polar refletido e o ngulo azimutal difere de 180o. No caso da refletividade difusa, a reflexo ocorre igualmente em todas as direes. A razo entre radiao refletida na direo ( )rr , e a radiao incidente na direo ( )ii, , no comprimento de onda , denominada de refletividade espectral bidirecional e pode ser definida como,

( ) ( )( )iirri,iirrr,

iirr,,,J,,,J

,,,

=

(2.10)

A refletividade espectral bidirecional pode ser integrada sobre todos comprimentos de onda, obtendo-se assim a refletividade total. A refletividade espectral bidirecional pode ser somada sobre todo ngulo slido refletido, sobre todo o ngulo slido incidente, e sobre os ngulos slidos, incidente e refletido, para dar vrias combinaes de refletividade direcional e hemisfrica. Siegel e Howell (1972) apresentam uma anlise compreensiva do problema (Figura 2.3).

Figura 2.3. Formas de reflexo de uma superfcie (AGNIHOTRI, O. P. & GUPTA, B. K.)


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A refletividade espectral hemisfrica, ( ) , definida como a frao da radiao espectral refletida pela superfcie, ou seja,

( ) ( )( )

JJ ref,

(2.11)

que equivalente a

( ) ( ) ( )( )

pi

pi

pipi

=

2

02

0 i,

2

02

0 i,,

d d sen cos,,J

d d sen cos,,J,, (2.12)

A refletividade total hemisfrica, , determinada por,

( ) ( )( )

=

0

0

d J

d J (2.13)

2.3 Relao entre a Refletividade, a Emissividade e a Absortividade

Consideremos a troca de energia radiante entre um pequeno corpo opaco e sua vizinhana, sob condio de equilbrio trmico (ou quase no equilbrio) temperatura T (K). Realizando-se um balano de energia, obtm-se a absortividade espectral deve ser igual emissividade espectral.

( ) ( ) ( )== ,1,, (2.14)

Pela integrao em todos os comprimentos de onda, encontra-se a relao:

== 1 (2.15)

A emissividade espectral e a absortividade espectral podem ser calculadas do valor da refletividade espectral hemisfrica.


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2.4 Medies de Absortividade Solar e Emissividade Trmica

Vrias tcnicas so usadas em energia solar e na indstria aeroespacial para medir a absortividade solar e a emissividade trmica de superfcies seletivas. As medidas so usadas para implementar as equaes de balano de energia, determinar os valores das temperaturas das superfcies absorvedoras. A absortividade solar e emissividade trmica de superfcies podem ser medidas diretamente ou indiretamente. A Figura 2.4 mostra a distribuio espectral da radiao solar e a distribuio espectral do corpo negro em diferentes temperaturas [ ]m .mW 2 em funo do comprimento de onda [ ]m . Aproximadamente 97% do fluxo solar est contido na regio espectral de 0,3m a 3,0m, o que corresponde distribuio de radiao de um corpo negro na temperatura de 300K no intervalo de 4m a 60m. a distribuio de radiao de um corpo negro contm quantidades significantes de fluxo de radiao na regio de comprimentos de onda alm de 20m. Para uma perfeita medida de emissividade, e refletividade medidas acima de 60m so necessrias.

Figura 2.4. Distribuio espectral da radiao solar direta (AMO) e inclinada (AM2), e a radiao emitida por um corpo negro em 100C, 300C e 700C (Agnihotri & Gupta, 1981).

3. SUPERFCIES SELETIVAS

A rea de estudos em superfcies seletivas para aplicaes em coletores solares extremamente vasta. Muitos trabalhos tm sido realizados por diferentes pesquisadores, particularmente nos pases mais desenvolvidos. Este captulo no tem por finalidade descrever todos os materiais e processos existentes, visto que para isso seria necessria a elaborao de um ou mais livros. Contudo, esta reviso apresenta um resumo das superfcies seletivas mais utilizadas e os resultados alcanados.

A exigncia principal de um excelente revestimento para absoro solar a seletividade espectral. Uma superfcie cujas propriedades pticas de absortividade, refletividade e emissividade variam nas regies da radiao solar e da radiao infravermelha trmica chamada de superfcie seletiva espectral.

Para aplicaes em energia solar, uma superfcie seletiva espectral deve ter alta absortividade radiao solar na regio visvel de alta intensidade e na regio espectral do infravermelho prximo (at 3,0m) e deve ter baixa emissividade para a radiao trmica infravermelha (> 3,0m). Uma superfcie seletiva ideal deve ter uma transio abrupta entre as regies de alta e baixa refletividade, em torno de 2 m, que aproximadamente o limite superior do espectro solar. Alm da seletividade espectral, uma superfcie seletiva prtica deve ser estvel na temperatura de operao, possuir vida longa e custo de fabricao baixo.

3.1 Superfcies Absorvedoras Seletivas Solares

As superfcies seletivas pretas so geralmente aplicadas sob uma base metlica, que proporciona uma baixa emissividade radiao trmica e que apresenta boas caractersticas de transferncia de calor para aplicaes trmicas solares. A radiao solar pode ser captada como mostra a Figura 3.1(a) onde a maior parte da energia absorvida e uma pequena parte refletida e emitida pela superfcie. Se a superfcie particular no tiver boa seletividade, um ou mais filtros podem ser adicionados. Isso permite que a radiao solar incidente atinja a superfcie absorvedora, mas evita que a energia radiada pela superfcie escape. De maneira similar, um refletor pode ser adicionado superfcie para refletir a energia na direo da superfcie absorvedora, evitando que escape.

SUPERFCIES SELETIVAS _____________________________________________________________________________________

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Figura 3.1 Mecanismos de absoro de energia fototrmica (AGNIHOTRI & GUPTA.)

Os tipos de superfcies absorvedoras podem ser classificados como:

1. Absorvedor Intrnseco; 2. Absorvedor-Refletor Acoplado; 3. Multicamadas Empilhadas; 4. Combinao Refletor Semicondutor Pulverizado; 5. Sistemas de Armadilhas pticas; 6. Filmes de Materiais Compsitos; 7. Efeitos de Tamanho Quntico;

3.1.1 Absorvedores Intrnsecos

Nenhum material conhecido da natureza apresenta propriedades seletivas solares ideais. Existem, contudo, materiais que apresentam propriedades seletivas aproximadas s ideais. As propriedades seletivas solares intrnsecas podem ser encontradas em dois tipos de materiais:

1. Metais de transio, 2. Semicondutores.

Para que cada um desses materiais possa servir como um absorvedor intrnseco, grandes modificaes seriam necessrias. Em geral, os metais exibem reflexo de plasma em torno de 0,3 m, que pode ser afastada na direo da radiao infravermelha pela criao de centros de espalhamento internos. O Tungstnio um dos metais que possui maior seletividade ao comprimento de onda. Por outro lado, fazendo que um semicondutor seja altamente degenerado, possvel diminuir sua freqncia de plasma na regio de radiao infravermelha.

Trs xidos metlicos de transio (trixido de dieurpio, cristal simples de trixido de rnio e pentaxido de divandio) apresentam propriedades seletivas em funo do comprimento de onda. Esses xidos exibem transies pticas de baixa refletividade para alta refletividade muito cedo no espectro solar. Ions metlicos com


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camada d incompleta constituem uma caracterstica comum a todos esses xidos. Quando um desses ons combinado com o oxignio, os eltrons da camada d se tornam localizados, resultando numa transio da refletividade.

O lantnio hexaboro (LaB6) um outro material que apresenta alta refletividade na regio infravermelha do espectro trmico e, simultaneamente, alta transmitncia no espectro solar. Esse material se comporta como uma janela seletiva ou espelho de calor transparente devido a sua alta transmissividade (0,85) no espectro solar.

3.1.2 Absorvedor Refletor Acoplados

Nos absorvedores-refletores acoplados, um revestimento com alta absortividade radiao solar depositado em um substrato metlico de alta refletividade na regio infravermelha (por exemplo, cobre, alumnio, etc.). Dessa forma, o sistema possui alta absortividade devido deposio exterior preta e apresenta baixa emissividade devido ao substrato refletor metlico. A alta absortividade do revestimento exterior pode ser ou de natureza intrnseca ou por melhorias na geometria, ou pode ser uma combinao desses dois mecanismos. Geralmente esses revestimentos pretos so semicondutores por natureza e sua absortividade o resultado da interao dos ftons que possuem energias maiores do que a da band gap (Apndice D). Por isso, o revestimento absorve os ftons como resultado da elevao dos eltrons de valncia do material para a banda de conduo e os ftons de menor energia do que a do band gap so transmitidos atravs do material sem sofrer qualquer alterao.

3.1.2.1 Nquel Preto

O revestimento de nquel preto (ligas de Ni-Zn-S) em superfcies metlicas de alta refletividade como superfcies seletivas solares foi descrito por Tabor (1967). As superfcies pretas, que so produzidas por eletrodeposio, tm sido utilizadas em coletores solares. O revestimento de nquel preto obtido pela imerso do substrato como um ctodo em um banho eletroltico aquoso.


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3.1.2.2 Cromo Preto

Os revestimentos de cromo preto (Cr-Cr2O3) foram intensamente investigados por McDonalds e colaboradores (1977) e empresas particulares. Estudou-se o tempo de revestimento necessrio que produz a seletividade solar tima para o cromo preto galvanizado sobre o nquel sem brilho e para o ao galvanizado com estanho. O revestimento de cromo preto est disponvel no mercado como um produto de propriedade industrial dessas empresas.

3.1.2.3 Cobre Preto

O revestimento seletivo mais utilizado em coletores solares o de xido de cobre preto. Muitos autores investigaram as propriedades seletivas do revestimento de CuO preparado por vrios processos: Spraying, converso qumica, polimento qumico, lixvia custica, etc. Hottel e Unger (1959) produziram camadas de xido de cobre pelo spraying (Apndice A) de uma soluo diluda de nitrato de cobre em chapa aquecida de alumnio. Nessas circunstncias, uma camada verde clara se formava no substrato de alumnio que, aps aquecida at uma temperatura superior a 170C, se transformava em uma camada de xido de cobre preto. A absortividade solar desses revestimentos era dependente da quantidade de massa por unidade de rea do filme. A emissividade trmica diminua com a diminuio da concentrao da soluo e com o tamanho da gota de spray. O valores timos para a absortividade solar e emissividade trmica foram de 0,93 e 0,11, respectivamente.

3.1.2.4 Ferro Preto

Diversas pesquisas tm apresentado uma variedade de processos trmicos e qumicos para a produo do revestimento de xido de ferro. Esses processos so fceis e baratos, mas com resultados inferiores para a absortividade solar e emissividade trmica, quando comparados s outras superfcies seletivas como o cobre preto. Empresas comerciais tm desenvolvido seus processos como propriedades industriais. Alguns resultados esto parcialmente disponveis, como o trabalho de Chirstie (1970) que produziu esses revestimentos a partir de um banho comercial chamado de Coberta Preta MR, que contm uma forte soluo alcalina. Aps a imerso do substrato de ao no banho, por alguns segundos na temperatura de ebulio de 140C, um revestimento liso, uniforme e preto alcanado. Os valores


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timos para a absortividade solar e emissividade trmica so de 0,85 e 0,10, respectivamente.

3.1.2.5 xido de Cobalto

Tcnicas de eletrogalvanizao so utilizadas para preparar superfcies seletivas de xido de cobalto em placas de ao revestidas de nquel. O banho eletroltico foi investigado por Srivastava e Kumar (1973). Esses pesquisadores tambm realizaram extensos estudos na porosidade, microestrutura e adeso dos depsitos de cobalto sob diferentes condies de eletrodeposio (Apndice C). Foram sugeridas vrias concentraes para banhos. Considerando seus resultados, Vander Liej (1978) sugeriu que a dopagem de Fe3+ em CoO reduzia consideravelmente o pico da refletividade para 1,2 m na curva de refletividade espectral. Foi adicionada uma pequena quantidade de Fe2(SO4)3 ao banho de sulfato de cobalto. Valores para a absortividade solar de 0,87 a 0,92 e de 0,07 e 0,08 para a emissividade trmica foram observados em revestimentos seletivos de CoO e de CoO dopados com Fe, respectivamente, depositados em substrato de ao com nquel.

3.1.3 Revestimentos de Converso Qumica

Revestimentos de converso qumica so de fcil fabricao, de baixo custo e possuem vrias aplicaes. Entre os materiais mais encontrados, podem ser citados: ao inoxidvel colorido, zinco preto, etc. As converses qumicas so geralmente feitas a partir de solues disponveis no mercado.

3.1.3.1 Ao Inoxidvel Colorido

Inicialmente, a cor nos aos era usada somente com propsitos decorativos. Apareceram os pesquisadores Karlsson e Ribbing (1978) e Smith, (1977), que estudaram as propriedades seletivas das superfcies dos aos inoxidveis coloridos. O processo de colorizao realizado por imerso em uma soluo quente, que contm concentraes apropriadas de cromo e de cido sulfrico, formando assim um filme. Contudo, esse filme suave e possui limitadas aplicaes devido a sua suavidade. Para se remover essa desvantagem, um processo de endurecimento realizado por tratamento catdico. A superfcie colorida apresenta boa resistncia corroso e ao desgaste. O ao azul apresenta a melhor seletividade.


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3.1.3.2 Revestimento de Zinco Preto

O Lewis Research Center - NASA (1975), investigou as propriedades seletivas solares do revestimento de zinco preto eletrogalvanizado e revestido quimicamente. O zinco eletrorevestido pode ser produzido por converso de cromato e de cloreto a partir de soluo comercial de cromato preto. As propriedades seletivas solares foram estudadas em funo do tempo de tratamento. Com o aumento do tempo, a aparncia das amostras variou de vermelha passando por violeta at preta. Os valores timos da absortividade solar e da emissividade trmica para o zinco convertido por cromato e por cloreto foram 0,79 e 0,07; e 0,93 e 0,08, respectivamente. A converso de cromato produz revestimentos aderentes duros enquanto que a converso por cloreto produz revestimentos suaves.

3.1.4 Semicondutores Puros

A seletividade espectral pode ser alcanada a partir de um absorvedor-refletor tandem pelo revestimento de um metal opaco que possua alta reflectividade infravermelha trmica com um filme espesso de semicondutor, que possua um band gap (Apndice D) de energia de 0,5 eV (2,5 m) at 1,26 eV (1,0 m) que absorve a radiao solar, mas transparente radiao infravermelha. Entre esses materiais, pode-se incluir o Si (1,1 eV), o Ge (0,7 eV) e o PbS (0,4 eV). Os materiais semicondutores possuem altos ndices de refletividade na interface ar-semicondutor. O coeficiente de reflexo pode ser reduzido por controle de espessura apropriado para se obter interferncia destrutiva no pico da radiao solar. O coeficiente de reflexo pode tambm ser reduzido fazendo-se um filme fino de alta porosidade ou pela aplicao de um revestimento de anti-reflexo.

3.1.4.1 Silcio e Germnio

Para o silcio e o germnio, os filmes podem ser preparados por evaporao a vcuo ou por tcnicas de evaporao de gs. Os filmes apresentam uma mudana na fronteira da absortividade para os comprimentos de onda mais curtos quando comparados aos de filme mais espessos. A absortividade solar aumenta de 0,56 para 0,61 em filmes de germnio de evaporao a vcuo e de 0,91 para 0,98 em evaporao de gs, tendo espessuras de 0,5 e 1,0 m, respectivamente. Comportamento similar observado para os filmes de silcio.


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3.1.4.2 Sulfeto de Chumbo

O sulfeto de chumbo um outro semicondutor que possui uma band gap de 0,4 eV (2,5m), o que o faz um absorvedor-refletor tandem de alta seletividade. Alta absortividade na regio solar pode ser alcanada com um filme de sulfeto de chumbo, fino quando comparado aos filmes de silcio e germnio. A reduo da espessura do filme devida ao alto coeficiente de absortividade pois se trata de um semicondutor direto de band gap enquanto que o silcio e o germnio so semicondutores indiretos. Williams et al. (1972) mostraram, teoricamente, que uma alta absoro na regio solar e baixa emissividade trmica podem ser alcanadas em revestimentos no homogneos de PbS que possuam uma alta frao de espaos vazios no semicondutor, isto , baixo ndice de reflexo.

3.1.5 Combinao de Refletor-Semicondutor Pulverizado

Esse revestimento um exemplo de absorvedor-refletor acoplado. Nesse caso, o revestimento de semicondutor em partculas disperso ou depositado em um substrato de alta refletividade. As vantagens desse revestimento so: a facilidade de aplicao e de fabricao, baixo custo e durabilidade. Empresas privadas tm investigado vrias tintas seletivas solares, como tintas pigmentadas de semicondutores, de xidos metlicos inorgnicos, de materiais pretos orgnicos e de poeiras metlicas. As propriedades espectrais desse revestimento dependem das propriedades pticas dos pigmentos, do tamanho das partculas, e dos efeitos do espalhamento mltiplo entre o pigmento e o solvente. Alguns resultados foram obtidos recentemente por Orel (2000) utilizando pigmentos de FeMnCuOX em solues de resina de silicone com alguns aditivos, e os valores de emissividade encontrados esto na faixa de 0,2-0,36 e de absortividade entre 0,8-0,93.

3.1.6 Multi-Camadas Empilhadas

No absorvedor-refletor acoplado, o efeito seletivo causado por um nico passo atravs do meio ptico ativo, ou um passo de retorno aps a reflexo em uma superfcie especular na camada inferior. No caso de pilhas de interfaces de multicamadas, o efeito seletivo o resultado de uma multiplicidade de passes da radiao atravs de uma camada dieltrica da pilha entre a superfcie semitransparente e a superfcie totalmente refletora, como mostrado por Seraphin


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(1976), Figuras 3.2 e 3.3. A Figura 3.2 mostra um empilhamento de interfaces de quatro camadas, composto de camadas de material dieltrico, separadas por um filme semitransparente fino. Nesse caso, no necessrio que a camada dieltrica tenha absoro intrnseca para que o empilhamento seja um absorvedor efetivo.

Figura 3.2 Camadas empilhadas no substrato de Ao (Seraphin, 1976)

As caractersticas gerais do empilhamento de interface de quatro camadas podem ser vistas com a ajuda da Figura 3.3. A primeira curva corresponde refletividade da camada de metal que tem alta refletividade na regio infravermelha e uma menor refletividade na regio visvel. Pela adio de uma segunda camada de material dieltrico, a refletividade na regio visvel diminuda, e a forma e posio da curva dependem da espessura do material dieltrico. A adio de uma terceira camada de metal semitransparente reduz a refletividade na regio visvel, como mostra a curva 3. A quarta camada de dieltrico aumenta a absoro na regio visvel e aumenta a regio de alta absortividade.


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Figura 3.3 Refletividade espectral para quatro camadas empilhadas adicionadas sucessivamente (Seraphin, 1976).

3.1.7 Sistemas de Armadilhas pticas

O tratamento na textura da superfcie uma tcnica comumente usada na obteno de armadilhas pticas capazes de estabelecer discriminao entre comprimentos de ondas diferentes. Superfcies, adequadamente trabalhadas, parecem rugosas e absorvedoras radiao solar (menores valores de ) enquanto parecem espelhadas e refletoras radiao trmica (maiores valores de ). Tabor (1967) props um mtodo de melhoria da absortividade para valores prximos da unidade corrugando-se a superfcie em uma srie de V. Empresas particulares tambm adotaram esse mtodo e produziram superfcies seletivas solares. As tcnicas mais utilizadas para melhorar a absortividade solar atravs da textura das superfcies so:

1. Ranhuras; 2. Revestimento por deposio eltrica (eletrodepositado) em superfcies

rugosas por processos mecnicos; 3. Semicondutores evaporados em vcuo parcial; 4. Rugosidade produzida por Sputtering (Apndice B); 5. CVD (deposio qumica de vapor);


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Cuomo et al. (1975) sugeriram uma superfcie formada por uma densa floresta de agulhas alinhadas com dimetros da mesma ordem de grandeza do comprimento de onda da luz visvel e com espaamento da ordem de vrios comprimentos de onda. A superfcie absorveria com alta eficincia devido s mltiplas reflexes medida que os ftons penetram o labirinto de agulhas.

A Figura 3.4 mostra uma superfcie corrugada em forma de V. A radiao que incide normal s superfcies dobradas sofre vrias inter-reflexes. Mas, medida que o ngulo de incidncia aumenta, a radiao incidente sofre menos reflexes. A radiao cujo ngulo de incidncia de 90o no ocorre reflexo.

Figura 3.4 Absoro da Radiao Solar devido sucessivas reflexes em superfcies corrugadas -V (Cuomo, 1975).

As Florestas de dendritos, Figura 3.5, absorvem radiao solar fazendo uso da geometria de mltiplas absores e reflexes. Na regio trmica, os comprimentos de onda da radiao so maiores do que os espaos entre os dendritos; a superfcie parece polida e age como uma superfcie de alta refletividade e pobre emissividade.


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Figura 3.5 Representao Esquemtica da floresta de dendritos (Cuomo, 1975).

3.1.8 Revestimentos de Materiais Compsitos

Filmes de compsitos de pequenas partculas metlicas mergulhadas em dieltricos, tambm conhecidos como filmes granulares e de cimentos, possuem propriedades pticas apropriadas para bons absorvedores solares. Esses filmes absorvem fortemente na regio solar (0,2 m at 3,0m) devido s transies internas entre bandas nos metais e a pequena ressonncia de partculas, enquanto so transparentes na regio do infravermelho. Quando esses filmes de cimento so depositados em espelhos metlicos de alta refletividade, o acoplamento (tandem) forma uma superfcie de alta seletividade radiao solar e baixa emissividade. O espalhamento de ressonncia depende tanto das propriedades pticas e dos tamanhos das partculas, quanto do meio.

Vrios autores tm apresentado extensas investigaes sobre o estudo de compsitos de metal-isolante e de semicondutor-isolante produzidos por sputtering (Apndice B), eletrodeposio (Apndice C) e vrias formas de deposio de vapor. Nos filmes compsitos de metal-isolante, a disperso das partculas metlicas em uma matriz dieltrica ou condutiva fornece a seletividade espectral atravs do fenmeno do espalhamento de ressonncia.

O cromo preto eletrodepositado consiste de um compsito dosado de xido de cromo, e uma das superfcies seletivas mais utilizadas. Os revestimentos


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de cromo preto produzidos por processos de eletrodeposio (galvanizao) possuem a vantagem do baixo custo, mas no so muito estveis em altas temperaturas (> 300oC).

3.1.9 Efeitos de Tamanho Quntico

Os efeitos de tamanho quntico (QSE) ocorrem em filmes ultrafinos de semicondutores degenerativos e resultam em alta absortividade radiao solar e simultaneamente alta refletividade trmica. A combinao de um material de QSE com um substrato de alta refletividade pode fazer um bom absorvedor solar para converso foto-trmica.

Esses efeitos podem ser observados na deposio a vcuo do antimnio ndio (InSb) sobre o substrato na prata ou alumnio.

O QSE importante em absorvedores seletivos de multicamadas. Freqentemente, finas camadas metlicas so usadas entre camadas dieltricas. Essas camadas so responsveis pela alta absoro de energia solar.

A maior desvantagem no uso de superfcies seletivas base de QSE sua instabilidade frente s variaes de temperaturas e exposio atmosfricas.

4. MATERIAL E MTODOS

A primeira etapa dos trabalhos experimentais foi referente a construo do arranjo com base mvel para colocao das amostras de superfcies seletivas, imitando um coletor solar, e a realizao de medies experimentais (temperatura e radiao solar). Em uma segunda etapa, essas medies experimentais utilizados em modelos tericos para determinar: a emissividade das superfcies seletivas, o coeficiente de perda de calor e a temperatura das placas absorvedoras, quando operando em regime permanente.

A primeira etapa de medies experimentais inclui:

Seleo e preparao das superfcies a serem estudadas; Determinao da transmissividade e refletividade de vidros

transparentes encontrado no mercado nacional; Realizao de medies de temperatura dessas superfcies, quando

expostas radiao solar, e da temperatura da coberta de vidro; Visualizao das superfcies atravs de fotos utilizando-se um

microscpio eletrnico de varredura (MEV); Estudo da composio qumica das coberturas seletivas.

Na segunda etapa do trabalho, foram usados os resultados das medies experimentais nas equaes de balano de energia nas superfcies, a fim de que fossem determinadas as seguintes propriedades:

Transmissividade e refletividade de vidros transparentes; Emissividade das superfcies seletivas; Coeficiente global de perdas de calor da placa absorvedora para o

meio ambiente; Temperatura de estagnao (maior temperatura alcanada pelo

coletor) das superfcies seletivas.

4.1 Medies Experimentais

Os trabalhos experimentais foram iniciados com a seleo dos materiais a serem usados. Essa seleo representa as superfcies seletivas mais utilizadas.

MATERIAL E MTODOS _____________________________________________________________________________________

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Foram tambm testadas superfcies (tintas) semi-seletivas e no seletivas, sendo essa ltima disponvel no mercado nacional.

4.1.1 Seleo, Preparao e Descrio das Superfcies Seletivas Estudadas

Cada material selecionado foi identificado por uma letra, evitando-se assim o uso do nome comercial. A relao abaixo identifica e descreve as amostras:

Material A tinta preta, no seletiva. Material B superfcie seletiva, (sputtering) Material C superfcie seletiva, (black chrome). Material D tinta seletiva. Material E tinta semi-seletiva. Material F superfcie seletiva, (sputtering).

Material A

O material A um esmalte preto no seletivo que pode ser adquirido em casas de tintas no mercado nacional. a tinta usada em coletores para operao em baixa temperatura para o aquecimento de gua. O fabricante no informa os valores de absortividade nem da emissividade. Esses valores foram determinados neste trabalho e esto apresentados no Captulo 5.

O esmalte foi aplicado chapa de cobre de 2mm de espessura seguindo os seguintes procedimentos:

a) Abraso da superfcie da folha de cobre com uma lixa 400X e uma posterior de 600X;

b) Remoo de gorduras da superfcie com cido ntrico de baixa concentrao (1Molar);

c) Aplicao da tinta com o uso de Spray (Apndice A) a uma presso de 30psi;

d) Secagem e cura da tinta, temperatura ambiente, durante uma hora.

Material B

A superfcie seletiva (Material B) possui absortividade de 0,95 e emissividade de 0,05, conforme dados apresentado pelo fabricante. O processo de


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fabricao do Material B o sputtering (Apndice B) no qual o xido de cromo depositado no substrato de cobre com uma posterior cobertura de xido de antimnio.

Material C (Black Chrome)

A superfcie seletiva (Material C) possui uma absortividade de 0,96 + 0,02 e emissividade de 0,12 + 0,02, como apresentado pelo fabricante. O processo de fabricao do Material C foi iniciado com uma limpeza qumica da chapa de cobre, posterior eletrodeposio de nquel (Apndice C) e, aps essa etapa, o xido de Cromo foi depositado por meio eletroqumico.

Esse material est disponvel no mercado internacional em rolos, podendo ser adquirido por kg.

Material D (Tinta Seletiva)

A tinta seletiva (Material D) proveniente do mercado norte-americano. Foi aplicada na realizao deste trabalho, seguindo os seguintes procedimentos, indicados pelo fabricante:

a) abraso da superfcie da folha de cobre com uma lixa 400X e uma posterior de 600X;

b) desengorduramento da superfcie com cido ntrico de baixa concentrao (1 Molar);

c) aplicao da tinta com o uso de Spray a uma presso de 30p.s.i; d) secagem e cura da tinta temperatura ambiente em intervalo de 1hora.

O fabricante estima uma emissividade para a tinta de 0,28-0,49, e a absortividade de 0,88 a 0,94, dependendo da espessura do filme aplicado.

Material E (semi-seletiva)

A tinta semi-seletiva, material E, apresenta absortividade de 0,95 e emissividade de 0,86, em temperatura de uso entre -60C e 250C, segundo dados apresentados pelo fabricante.


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A tinta semi-seletiva foi aplicada seguindo os seguintes procedimentos, indicados pelo fabricante:

a) abraso da superfcie da folha de cobre com uma lixa 400X e uma posterior de 600X;

b) desengorduramento da superfcie com cido ntrico de baixa concentrao (1Molar);

c) aplicao da tinta com o uso de Spray a uma presso de 30p.s.i ; d) secagem e cura da tinta, temperatura ambiente, durante uma hora.

Material F (superfcie seletiva)

A superfcie seletiva, material F, aplicada por sputtering (Apndice B), e possui absortividade acima de 0,92 e emissividade inferior a 0,06 (das coberturas seletivas estudadas) conforme dados do fabricante. A superfcie seletiva fabricada por sputtering resistente condensao do vapor, alta corrosividade do bixido de enxofre e alta temperatura de operao. A resistncia efetiva medida em teste realizado pelo fabricante equivalente a um tempo de vida de 30 anos.

O sputtering um processo fsico que envolve a cobertura de um metal (substrato) com partculas de um outro metal. O processo de produo do material F realizado levando-se a placa ao alto vcuo e realizando a cobertura em trs estgios: O primeiro a aplicao de uma camada estabilizadora, o segundo uma camada com um semicondutor (camada absorvedora de radiao) e por ltimo uma camada anti-reflexo, como mostrado na Figura 4.1.

Figura 4.1 Composio de camadas no processo de fabricao do material F. (Thermomax Technologies )


28

4.1.2 Determinao da Transmissividade e Refletividade de Vidros Transparentes

Na avaliao das superfcies seletivas foi necessria a determinao experimental da transmissividade do vidro utilizado no sistema de captao de energia solar. Esses valores foram usados para se estimar as perdas de energia trmica para o meio ambiente.

Na determinao da transmissividade do vidro, cada amostra foi exposta radiao solar global. Dois sensores de radiao foram utilizados para medir a radiao incidente. Nas medies, o arranjo foi inclinado na direo do ngulo zenital, possibilitando a incidncia da radiao direta (normal superfcie). Foi desenvolvido um aparato experimental composto de:

Dois piranmetros; Um coletor de dados (data logger); Um suporte para a amostra de vidro; Amostras de dimenses de 15cm x 10cm; Espessuras variveis de 2mm, 4mm, 5mm, 6mm, 8mm, 10milmetros.

O aparato era exposto diretamente radiao ambiental. Medies da radiao solar global incidente foram realizadas sobre e sob a amostra de vidro, como mostrado na Figura 4.2.

Figura 4.2. Esquema do sistema de medio da transmissividade de vidros radiao solar em vidros.


29

As medies foram realizadas em intervalos de tempo de dois segundos durante duas horas. Os sensores de radiao registravam os valores a cada dois segundos e as mdias eram armazenadas a cada minuto.

4.1.3 Composio Qumica das Amostras de Vidro

Na determinao da composio qumica das amostras utilizou-se a sonda de EDX (Energy Dispersive X-ray) que faz parte do microscpio eletrnico de varredura (MEV) onde uma amostra representativa de vidro foi utilizada para determinar o percentual de ferro (mais ferro, menor transmissividade) existente no vidro.

4.1.4 Estrutura microscpica das Superfcies

Foram realizadas verificaes e caracterizao da superfcie seletiva de natureza microscpica, utilizando-se o microscpio eletrnico de varredura (Modelo XL-30 PHILIPS) do Curso de Mestrado em Engenharia e Cincias dos Materiais da UFC. Esses resultados esto apresentados no Captulo 5.

As verificaes e caracterizaes foram feitas para determinar a forma superficial, a orientao e a composio de cada superfcie, como tambm a existncia de algum fator relevante capaz de contribuir para o aumento da seletividade do material.

4.1.5 Sistema de Medio das Temperaturas de Operao

Para a determinao da emissividade trmica da placa absorvedora (superfcie seletiva), torna-se necessria a realizao de balanos de energia onde a energia trmica acumulada no sistema igual a taxa lquida de energia que flui somada a transformao de outras formas de energia trmica. Foram realizadas medies de temperatura do ambiente, das placas e da coberta de vidro, e medies de radiao solar global (entrada de energia). A equao do balano de energia permitiu a determinao da emissividade usando-se as medies experimentais.

Um aparato experimental desenvolvido est apresentado na Figura 4.3. O arranjo experimental composto de:


30

Cavidades nas quais as superfcies seletivas de 12cmx12cm foram colocadas;

Cobertura de vidro; Isolamento trmico de l de vidro; Sistema construdo de madeira; Termopares tipo K (dois em cada placa); Piranmetro de radiao global; Sistema de inclinao para acompanhamento da direo da radiao

solar; Coletor de dados.

Figura 4.3. Aparato experimental para determinao da emissividade de superfcies seletivas.

4.2 Modelos Numricos

Essa etapa do trabalho apresenta um modelo analtico baseado nas equaes de conservao de energia. Os ganho de energia pela radiao solar incidente e as perdas de energia so por conveco, reflexo, e conduo, para o isolamento e o ambiente.

A energia que chega placa por radiao solar expressa por,


31

Psoloptc.

AR Q = (4.1)

onde, opt , solR e PA so respectivamente a eficincia ptica, a intensidade de

radiao solar em [W/m2 ] e a rea da placa. O produto da absortividade da placa pela transmissividade do vidro a

eficincia ptica do coletor solar, opt .

pVopt = (4.2)

Para se calcular a energia que sai da placa, necessrio o conhecimento dos modos de transferncia de calor para o ambiente atravs da face superior (vidro) e das faces laterais e inferior (isoladas termicamente).

A placa troca calor com o vidro por conveco e radiao. A taxa de perda de energia por conveco expressa por,

( )VPPconvconv. TTAh Q = (4.3)

onde convh , PT e VT , so respectivamente o coeficiente de transferncia de calor por

conveco em [ ]KmW 2 e as temperaturas da placa e do vidro. Para se calcular o coeficiente de conveco foi utilizado o nmero de Nusset, onde L o comprimento caracterstico do problema (distncia entre a placa e o vidro), k a condutividade trmica do ar e Nu o nmero de Nusselt,

LkNuh = (4.4)

Na conveco natural, o nmero de Nusselt calculado em funo do nmero de Rayleigh, Ra. De acordo com Hollands et al. (1976):

( )+

+

+

+= 15830cosRa

cosRa1708.8,1sen1

cosRa1708144,11Nu

31

6,1

(4.5)


32

=

3TLgRa (4.6)

onde g a acelerao gravitacional, o coeficiente de dilatao volumtrica que tem dimenso de 1/T, T a diferena de temperatura entre as placas, a viscosidade cinemtica do ar e a difusividade trmica do ar.

A energia perdida por reflexo o resultado da reflexo da radiao solar na superfcie da placa, e expressa por:

( ) PsolPR. AR 1 Q = (4.7)

A perda de energia pelas faces lateral e inferior da placa absorvedora ocorre atravs do isolamento trmico por conduo. Essa perda de energia proporcional rea da placa, condutividade trmica e ao inverso da espessura do isolamento, podendo ser expressa por:

( )bpp. TTALk

Q = (4.8)

A energia perdida por radiao trmica da placa para o meio ambiente, que inclui a emissividade de cada superfcie seletiva, expressa por:

( )4V4PPPrad TTA Q =& (4.9)

onde P , , e VT , so, respectivamente, a emissividade da placa, a constante de

Stefan-Boltzmann, e a temperatura do vidro. O vidro perde ento calor por conveco a radiao para o ambiente. No clculo da energia perdida por radiao, usa-se o valor da temperatura do cu no lugar da temperatura ambiente. O cu pode ser considerado como um corpo negro, e a expresso para o clculo de sua temperatura foi apresentada por Swinbank (1963), como:

5,1ambcu T0552,0T = (4.10)


33

A equao utilizada na realizao do balano de energia da placa, pode ser escrita da seguinte maneira,

datransformasaientraacumulada QQQQ &&&& += (4.11)

onde acumuladaQ& representa a taxa de energia acumulada (sensvel ou latente) na placa,

entraQ& a taxa da radiao solar incidente, saiQ& a soma da taxa de energia perdida

por conveco, reflexo, isolamento e para o ambiente, e datransformaQ& nula pois no ocorre gerao de energia.

Em regime permanente, quando a temperatura da placa no est variando com o tempo, o balano de energia pode ser expresso por:

PsolPV AR = ( )4V4PPP TTA + ( )VPPconv TTAh + ( ) PsolP AR1 (4.12)

Utilizando-se essa expresso e as medies experimentais (temperaturas e radiao solar), a emissividade trmica das amostras pode ser determinada.

Com os valores determinados para a emissividade Eq.(4.12) e os dados construtivos de um coletor solar, a temperatura pode ser calculada. Por exemplo: utilizou-se um coletor de 4m2 de um sistema fogo solar, a fim de calcular a temperatura de estagnao, ou seja, temperatura alcanada quando a vazo de fludo no coletor praticamente zero, sendo est temperatura a mxima atingida no coletor. A temperatura de estagnao foi calculada por:

( ) ( ) ( ) ( )effL

sceffambstag AU

tqAtTtT += (4.13)

onde Tamb, , , qs, UL, Ac e Aeff, so respectivamente a temperatura ambiente, a transmissividade do vidro, a absortividade da placa, a radiao solar mdia, o coeficiente de perda total no coletor, e as reas do coletor e efetiva.

Para calcular o coeficiente de perda total no coletor, necessrio calcular o coeficiente de perda de topo, Ut, e o coeficiente de perda para o isolamento de fundo, Ub, e o coeficiente de perda para o isolamento lateral, Ue. A equao para o clculo das perdas de topo foi desenvolvida por Klein [13], para a placa do coletor operando entre 40


34

( ) ( ) ( )[ ] +

+

+=

1

w31,0

ambeet h

1fnTTT344

nU

( )( )( )[ ] ( )[ ] n1fn21n0425,0

TTTT

v1

pp

2amb

2eambe

+++

++

(4.14)

onde n, Te, e hw, so, respectivamente, o nmero de chapas de vidros, a temperatura mdia da placa e o coeficiente de transferncia convectiva de calor devido ao vento.

5. RESULTADOS E DISCUSSES

Neste captulo so apresentados e discutidos os resultados do trabalho. Inicialmente, os valores de transmissividade de vidro transparente comum e os grficos resultantes das medies experimentais ao longo do dia para os valores das temperaturas das placas absorvedoras e do vidro so apresentados. As tabelas com os valores das emissividades e das temperaturas de estagnao de coletores simulados a partir dos valores de emissividade encontrados so tambm mostradas. Na seo seguinte esto os grficos de EDX (Energy Dispersive X-Ray) e as micrografias (fotos) obtidas no microscpio eletrnico de varredura com um aumento de 3500X para cada amostra, demonstrando sua composio e seu formato superficial.

5.1 Transmissividade do Vidro

Com os valores medidos da radiao solar global, a transmissividade do vidro foi determinada para diferentes amostras de vidro transparente com espessuras de: 2mm, 4mm, 5mm, 8mm, 10 mm. Os valores esto apresentados na Figura 5.1.

Figura 5.1. Grfico da Transmissividade versus Espessura do Vidro.

Os valores medidos foram usados na aproximao linear da curva (com R2 = 0,943). A Equao (5.1) foi escrita como,

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

76

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

Tran

smiss

ivida

de%

espessura(mm)

RESULTADOS 36 _____________________________________________________________________________________

x*5,191V = (5.1)

onde V a transmissividade percentual e x a espessura em milmetros.

O valor da refletividade do vidro pode ser obtido utilizando a Equao (5.1). Quando a absortividade do vidro, V , for zero. Isto ocorre para x = 0, a

transmissividade de = 91%, usando a relao entre a refletividade, transmissividade e absortividade (Captulo 2), a refletividade do vidro pode ser estimada por:

1VVV =++ (5.2)

onde V a refletividade do vidro. Neste caso, o valor encontrado da refletividade do

vidro foi de 9%. Esses resultados so utilizados na determinao da eficincia ptica de

um sistema coletor solar (placa absorvedora-vidro).

5.1.2 Composio das Amostras

O percentual de ferro (Fe2O3) no vidro influencia suas propriedades pticas. Quanto maior o percentual de ferro, menor ser a transmissividade. Desta forma, o teor de ferro aumenta a absoro de radiao pelo vidro, Dietz (1963). O teor de ferro do vidro foi determinado por EDX (energy dispersive x-ray) que forneceu o valor de 0,49% em massa.

Os resultados esto apresentados na Figura 5.2.

Figura 5.2. Composio qumica das amostras de vidro.

RESULTADOS 37 _____________________________________________________________________________________

5.2 Temperatura nas Placas Absorvedoras

A Figura 5.3 apresenta as medies de temperatura, no conjunto placa seletiva com cobertura de vidro, realizados no dia 14 de fevereiro de 2001, em Fortaleza. Entre 10:17h e 18:00h, os valores apresentados so os das temperaturas nas placas, na coberta de vidro e da temperatura ambiente. Paralelamente, foram medidos valores das radiaes incidente e global. No incio das medidas, at 10:51, observamos um comportamento transiente em todas as placas. No intervalo de tempo que vai de 10:51h at 15:57h o comportamento foi de regime permanente, que pode ser observado no grfico, tendo sido os valores utilizados nas determinaes numricas.

Os valores de temperatura e radiao foram coletados a cada dois segundos e armazenados a cada minuto no coletor de dados, e posteriormente transferidos para o computador para serem filtrados e analisados.

Todos os resultados encontrados foram valores mdios para o intervalo de armazenamento no qual as placas foram consideradas em estado estacionrio, quando havia pouca variao na sua temperatura. A coleta de dados foi realizada durante muitos dias e os valores da Figura 5.3 foram medidos em um bom dia de radiao solar.

Figura 5.3. Temperatura das superfcies seletivas, da coberta de vidro e da radiao global ao longo do dia (14 de Fevereiro de 2001).

0

20

40

60

80

100

120

1401

0

:

0

0

1

0

:

1

8

1

0

:

3

6

1

0

:

5

4

1

1

:

1

2

1

1

:

3

0

1

1

:

4

8

1

2

:

0

6

1

2

:

2

4

1

2

:

4

2

1

3

:

0

0

1

3

:

1

8

1

3

:

3

6

1

3

:

5

4

1

4

:

1

2

1

4

:

3

0

1

4

:

4

8

1

5

:

0

6

1

5

:

2

4

1

5

:

4

2

1

6

:

0

0

1

6

:

1

8

1

6

:

3

6

1

6

:

5

4

1

7

:

1

2

1

7

:

3

0

1

7

:

4

8

1

8

:

0

6

Tempo [h]

T

e

m

p

e

r

a

t

u

r

a

[

C

]

0

200

400

600

800

1000

1200

R

a

d

i

a

c

a

o

S

o

l

a

r

G

l

o

b

a

l

[

W

/

m

2

]

vidroesmaltei nterpaneblack chromesolkotesolar lacktinoxambienteradiao global

RESULTADOS 39 _____________________________________________________________________________________

Conforme a Figura 5.3, o material F apresentou a maior temperatura ao longo do dia, 130C, enquanto o material A apresentou o menor valor, 97C.

Esses dados medidos foram usados na Equao (4.12) (equao do balano de energia) para a determinao da emissividade de cada material. Na primeira iterao do processo, o valor mdio da absortividade das placas de 0,90 foi utilizado. A emissividade das placas foi calculada usando-se esse valor mdio da absortividade e os valores das temperaturas, radiao solar e velocidade do vento medidos experimentalmente. Novos valores da absortividade foram calculados usando os valores da emissividade e usados na comparao com os valores iniciais. O processo iterativo convergiu em poucas iteraes. Para auxiliar os clculos foi desenvolvido um programa em linguagem Fortran.

A Tabela 1 apresenta os valores de emissividade encontrados e os valores fornecidos por fabricantes. Os resultados representam a mdia das medies no perodo de regime permanente, isto , de 10:51h at 15:57h.

Tabela 1. Valores da emissividade das superfcies seletivas.

Material A B C D E F

Emissividade determinada 0,3 0,12 0,11 0,14 0,22 0,05

Emissividade fornecida pelo fabricante

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