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<p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>1</p><p>Alex Vazzoler</p><p>2</p><p>Fundamentos de sistemas solares</p><p>térmicos</p><p>Um guia introdutório</p><p>Alex Vazzoler</p><p>Rio de Janeiro</p><p>Edição do autor</p><p>2021</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>3</p><p>Vazzoler, Alex</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos: Um guia</p><p>introdutório / Alex Vazzoler. – Rio de Janeiro, RJ., 2020.</p><p>ISBN 978-65-00-15995-0</p><p>1. Energia elétrica-produção. 2. Energia solar. 3. Energia –</p><p>Fontes alternativas. I. Vazzoler, Alex. II. Título.</p><p>CDD-621.3121</p><p>CDU–621.311</p><p>Sob proteção de direitos autorais e com exemplar enviado a Biblioteca Nacional</p><p>A reprodução é permitida desde que cumprido o direito autoral</p><p>Alex Vazzoler</p><p>4</p><p>Prefácio</p><p>Este livro foi pensado como um manual introdutório à literatura apresentada ao longo</p><p>de seus capítulos. Não obstante, é recomendado aos leitores que debrucem-se sobre as</p><p>obras citadas ao longo de seus capítulos caso queiram elaborar trabalhos mais avançados</p><p>na parte de dimensionamento ou modelagem de coletores [1] , concentradores [2,3] ou</p><p>reservatórios de calor [4,5]. Sendo recomendados os seguintes livros texto [6–9].</p><p>O primeiro ponto é uma forte recomendação, ao iniciar-se os estudos em engenharia</p><p>solar: “Não deixe intimidar-se pela parte introdutória que envolve astrofísica e radiação”.</p><p>Em certos livros de engenharia solar, os primeiros três capítulos são os mais</p><p>extenuantes, e não é algo incomum, alunos desistirem de fazer projetos finais de cursos</p><p>ou outros trabalhos por causa desse choque inicial. Neste livro, abordei o tema de forma</p><p>bastante sucinta e amistosa para que não haja esse estranhamento. E após ler o que for</p><p>necessário aos seus objetivos neste livro, você pode migrar para livros ou manuais de</p><p>engenharia solar mais sofisticados.</p><p>Tenha em mente, que para um projeto de um concentrador solar é necessário apenas</p><p>ter uma boa estimativa da quantidade de irradiação solar sobre o seu captador solar. E</p><p>com a ajuda de softwares (ou bases de dados) adequadas, é bastante prático obter estes</p><p>valores. Já as demais etapas, envolvem elementos construtivos e de engenharia térmica.</p><p>Outro ponto crucial a ser evidenciado: Este livro não aborda sistemas fotovoltaicos,</p><p>apenas sistemas térmicos. Minha formação não envolve esta área, e não obstante, há</p><p>uma literatura abundante em língua inglesa e alguns livros sobre o assunto em língua</p><p>portuguesa [10–12]. Este manual aborda apenas alguns sistemas térmicos solares e não</p><p>se aprofunda em tal tema. Por exemplo, não há dimensionamento de reservatórios de</p><p>sais fundidos ou de torres concentradoras. Este tipo de sistema necessita do auxílio de</p><p>softwares especializados (ao menos, não conheço um software gratuito no assunto) e</p><p>deve ser feito com muita cautela, principalmente por causa de acidentes com radiação.</p><p>Dentre os sistemas térmicos solares há três termos que geram alguns equívocos de</p><p>interpretação (inclusive pela questão linguística do português de Portugal): captadores,</p><p>coletores e concentradores. Na minha redação, em particular, captador é o termo geral</p><p>e se refere à qualquer equipamento que faça aproveitamento de energia solar.</p><p>Coletores são sistemas mais simples que fazem captação direta da energia solar (fator</p><p>de concentração unitário), e o tipo mais comum é o coletor plano (ou de caixa), são mais</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>5</p><p>simples e geram baixas temperaturas (até 70 oC em sua maioria). São utilizados na área</p><p>doméstica para aquecimento de banhos e piscinas e na área industrial em aplicações</p><p>laterais ou limitadas.</p><p>Concentradores, são sistemas que fazem a concentração da energia solar para aumento</p><p>do aproveitamento térmico. Consequentemente, atingem temperaturas mais altas e</p><p>envolvem maior sofisticação e custo. Os concentradores parabólicoa podem ser utilizados</p><p>para aquecimento e auxiliar na geração de potência em plantas de pequeno porte. Para</p><p>geração de vapor e potência em maior escala, devem ser utilizadas torres</p><p>concentradoras.</p><p>Apesar de serem fontes renováveis, sistemas solares são relativamente pouco utilizadas</p><p>por quatro razões principais. A primeira e principal complicação é a questão da</p><p>sazonalidade climática e a natureza estocástica da irradiação solar. Isto é, o fluxo de</p><p>irradiação varia ao longo dos dias e das estações.</p><p>O segundo ponto é que os coletores funcionam como termossifões (convecção natural)</p><p>gerando baixos coeficientes de transmissão de calor e ineficiências no aproveitamento</p><p>do calor. Por outro lado, os concentradores que utilizam convecção forçada têm alto</p><p>custo.</p><p>O terceiro ponto é a questão do armazenamento de calor (reservatório de calor). Em</p><p>aplicações a baixa temperatura nas quais tanques de água com isolamento térmico são</p><p>reservatórios satisfatórios, o custo de armazenamento é relativamente baixo. Por outro</p><p>lado, em sistemas à altas temperaturas, os custos e as complicações na utilização de</p><p>fluidos térmicos especiais (como sais fundidos) afugentam diversos especialistas.</p><p>Por último, o custo por kWh de energia gerada por sistemas solares quando comparado</p><p>com outros sistemas, tende a ser desvantajoso. Por exemplo, é mais barato e confiável</p><p>utilizar uma caldeira de biomassa (aquatubular) do que uma torre concentradora.</p><p>Portanto, o leitor deve ter ciência de que ao implementar um sistema solar, um estudo</p><p>técnico e econômico prévio comparativo é crucial.</p><p>Feitas as considerações anteriores, será apresentada então a estrutura deste livro.</p><p>Nos dois primeiros capítulos, é abordado de forma breve alguns conceitos de astronomia,</p><p>topografia e coordenadas solares necessários ao entendimento dos cálculos de</p><p>estimativa irradiação solar.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>6</p><p>O capítulo 3 é descritivo e apresenta alguns sistemas e suas respectivas aplicações.</p><p>A partir do capítulo 4 são apresentados balanços de energia e cálculos preliminares</p><p>(dimensionamento) para coletores solares.</p><p>Nos capítulos 5, 6, 7 e 8 são apresentados de forma descritiva o funcionamento da</p><p>seguinte série de sistemas:</p><p>- Reservatórios de calor;</p><p>- Sistemas de água quente sanitária;</p><p>- Sistemas com coletores solares;</p><p>- Concentradores solares (primeira parte).</p><p>No capítulo 9 (segunda parte), de forma análoga ao capítulo 4, são apresentadas as</p><p>equações de dimensionamento dos concentradores do tipo parabólico. Já no capítulo 10,</p><p>são apresentados estudos de caso tendo-se como referência o capítulo 9.</p><p>No capítulo 11, são apresentados modelos termofluidodinâmicos tanto para coletores</p><p>(que funcionam com termossifão) quanto para concentradores (que funcionam com</p><p>convecção forçada). Dentre todos os capítulos apresentados, este é o de maior</p><p>complexidade, e alguns modelos não possuem uma implementação trivial.</p><p>Os Apêndices apresentam uma série de dados e fontes de informação e são apresentadas</p><p>algumas metodologias e normas complementares ao restante do livro.</p><p>Esta obra não visa nenhum tipo de lucro ou associação com editoras, o objetivo é a pura</p><p>e simples difusão de informação e pode ser utilizada sem problemas por quaisquer</p><p>pessoas desde que sejam respeitados os direitos autorais.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>7</p><p>Dedicatória</p><p>Dedico este livro aos meus pais Hermes e Elizabete, aos meus irmãos, aos meus queridos</p><p>amigos, colegas de trabalho, companheiros de estudos e orientadores. Meus mais</p><p>sinceros agradecimentos, tenham certeza de que em cada parte deste livro há uma</p><p>fração de nossa vivência e amizade.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>8</p><p>– És Tu, és Tu? – E, como não recebe resposta, acrescenta rapidamente: – Não digas</p><p>nada, cala-Te. De resto, que poderias</p><p>diretamente pelos piranômetros, a qual é elaborada ao longo de um período de tempo</p><p>significativo por organismos competentes em forma de tabelas de insolação (ver Figura</p><p>2.14), informados como por exemplo no Atlas solarimétrico [32].</p><p>O problema está no fato de haver relativamente poucas estações meteorológicas</p><p>suficientemente equipadas para saber exatamente as condições de radiação de todo um</p><p>território. Da mesma forma, há que ter em conta os microclimas próprios de cada zona,</p><p>que podem apresentar condições muito diferentes das zonas próximas.</p><p>(a) (b)</p><p>(c)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>43</p><p>Figura 2.14. Produção anual de energia térmica por área de coletor solar instalado utilizando</p><p>um sistema de referência (reservatório = consumo diário = 300 litros; relação reservatório /</p><p>área de placa = 75 litros / m2; temperatura de consumo = 40 ° C) [32].</p><p>Para estes casos, podem ser empregados alguns dos métodos teóricos e empíricos que</p><p>foram desenvolvidos, ainda que sejam resultados que devam ser utilizados com certas</p><p>reservas.</p><p>A seguir explica-se um dos métodos mais empregados para estimar a radiação total</p><p>sobre uma superfície inclinada.</p><p>A média mensal (Ii) de radiação diária incidente sobre uma superfície inclinada é [10]:</p><p>Alex Vazzoler</p><p>44</p><p>𝐼𝑖 = 𝑅𝐼ℎ (2.5.4)</p><p>em que Ih é a média mensal de radiação diária sobre uma superfície horizontal; R é a</p><p>relação entre a média mensal de radiação diária sobre uma superfície inclinada com</p><p>relação a uma horizontal, por mês. Este valor pode ser estimado considerando-se por</p><p>separado as componentes direta, difusa e refletida da radiação.</p><p>Supondo-se que a componente difusa se distribui uniformemente na atmosfera, tem-se</p><p>que [17]:</p><p>𝑅 = (𝐼 −</p><p>𝐼𝑑</p><p>𝐼ℎ</p><p>) 𝑅𝑏 +</p><p>𝐼𝑑</p><p>𝐼ℎ</p><p>[</p><p>1 + 𝑐𝑜𝑠(𝑆)</p><p>2</p><p>] + ℵ [</p><p>1 − 𝑐𝑜𝑠(𝑆)</p><p>2</p><p>] (2.5.5)</p><p>em que Id é a média mensal de radiação difusa diária, Rb é a relação entre a média</p><p>mensal da radiação direta sobre uma superfície inclinada e sobre uma horizontal,</p><p>respectivamente, para cada mês, S é a inclinação da superfície com relação à horizontal</p><p>e ℵ é a reflectância do solo, variante entre 0,2 e 0,7, cujo valor máximo representa uma</p><p>camada de neve sobre o solo [15].</p><p>Na equação, o primeiro termo corresponde à componente direta da radiação, o segundo</p><p>à difusa e, o terceiro, à refletida pelo solo no lugar do captador. Não é habitual dispor-</p><p>se da média mensal de radiação difusa diária, Id. Não obstante, a fração difusa com</p><p>relação à radiação total Id/Ih é uma função da relação entre a radiação diária real e a</p><p>diária extraterrestre (Kt), expressa por correlações empíricas, como a equação 2.5.6</p><p>[15]:</p><p>𝐼𝑑</p><p>𝐼ℎ</p><p>= 1,39 − 4,03𝐾𝑡 + 5,53𝐾𝑡</p><p>2 − 3,11𝐾𝑡</p><p>3 (2.5.6)</p><p>Para superfícies orientadas a partir do sul, o parâmetro Rb possui o valor, estimado pelas</p><p>equações 2.5.7a a 2.5.7c [15]:</p><p>𝑅𝑏 =</p><p>𝑐𝑜𝑠(𝛷 − 𝑆)𝑐𝑜𝑠(𝛿)𝑠𝑒𝑛(𝑠)′ +</p><p>𝜋</p><p>180° 𝜔𝑠</p><p>′𝑠𝑒𝑛(𝛷 − 𝑆)𝑠𝑒𝑛𝛿</p><p>𝑐𝑜𝑠(𝛷)𝑐𝑜𝑠(𝛿)𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑠) +</p><p>𝜋</p><p>180° 𝜔𝑠𝑠𝑒𝑛(𝛷)𝑠𝑒𝑛𝛿</p><p>(2. .5.7𝑎)</p><p>𝜔𝑠 = 𝑎𝑟𝑐𝑐𝑜𝑠[−𝑡𝑔(𝛷)𝑡𝑔(𝛿)] (2.5.7𝑏)</p><p>𝜔𝑠′ = 𝑀𝑖𝑛 {𝜔𝑠, 𝑎𝑟𝑐 𝑐𝑜𝑠[−𝑡𝑔(𝛷 − 𝑆)𝑡𝑔(𝛿)]} (2.5.7𝑐)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>45</p><p>em que 𝜔𝑠 é o ângulo horário do pôr do sol em uma superfície horizontal e 𝜔𝑠′ é o ângulo</p><p>horário do pôr do sol em uma superfície inclinada. Esta última variável é o valor mínimo</p><p>entre 𝜔𝑠 e a função descrita pela equação 2.5.7c.</p><p>2.6. Modelos utilizados</p><p>O modelo simples usado para a estimativa da radiação solar global diária média mensal</p><p>na superfície horizontal é a forma modificada da equação do tipo Angstrom. A equação</p><p>de regressão original do tipo Angstrom baseada na fração média das possíveis horas de</p><p>sol [1]. Page [2] e outros modificaram o método para basear-se radiação extraterrestre</p><p>na superfície horizontal em vez de radiação em dias claros [3]:</p><p>𝐻</p><p>𝐻0</p><p>= 𝑎 + 𝑏</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>+ 𝑐 (</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>)</p><p>2</p><p>+ 𝑑 (</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>)</p><p>3</p><p>+. . . . (2.6.1)</p><p>em que H é a radiação global diária obtida em uma média mensal, Ho é a média</p><p>extraterrestre diária média mensal radiação, S é a média diária de horas diárias de sol</p><p>forte (em horas), assim como So é o comprimento do dia médio mensal (em horas) e a,</p><p>b, c e d são coeficientes empíricos.</p><p>A radiação extraterrestre diária média mensal em uma superfície horizontal (Ho) pode</p><p>ser calculada a partir de a equação 2.6.2 [3]:</p><p>𝐻0 =</p><p>24</p><p>𝜋</p><p>𝐼𝑠𝑐 [1 + 0,033𝑐𝑜𝑠 (</p><p>360𝐷</p><p>365</p><p>)] (𝑐𝑜𝑠𝜙𝑐𝑜𝑠𝛿𝑠𝑒𝑛𝜔𝑠 +</p><p>𝜋</p><p>180</p><p>𝜔𝑠𝑠𝑒𝑛𝜙𝑠𝑒𝑛𝛿) (2.6.2)</p><p>em que</p><p>𝛿 = 23,45 𝑠𝑒𝑛 (360</p><p>284 + 𝐷</p><p>365</p><p>) (2.1.2.1)</p><p>𝜔𝑠 = 𝑐𝑜𝑠−1(−𝑡𝑔𝜙𝑡𝑔𝛿) (2.6.3)</p><p>Durante um determinado mês, a duração máxima possível da luz do sol (duração média</p><p>mensal do dia, So) pode ser calculado usando a seguinte equação [3]:</p><p>𝑆0 =</p><p>2</p><p>15</p><p>𝜔𝑠 (2.6.4)</p><p>Alguns modelos empíricos da literatura para a estimativa da razão H/H0 são apresentados</p><p>na Tabela 2.3, com as respectivas condições de aplicação.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>46</p><p>Tabela 2.3. Estimativa das taxas de radiação global (H) [16].</p><p>Autor Modelo Validade</p><p>Glover e McCulloch</p><p>[33]</p><p>𝐻</p><p>𝐻0</p><p>= 0,29𝑐𝑜𝑠𝜙 + 0,52</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>𝜙</p><p>buscam algumas condições de conforto através da disposição ideal de</p><p>uma série de elementos arquitetônicos, aproveitando ao máximo a energia solar recebida</p><p>e as possibilidades de ventilação natural. Os elementos empregados não diferem-se</p><p>muito dos da arquitetura tradicional, os quais em muitas ocasiões constituem um</p><p>excelente exemplo de arquitetura solar passiva.</p><p>Seus princípios estão baseados nas características e disposição dos materiais</p><p>empregados na construção, formando parte inseparável da estrutura do edifício. Não</p><p>obstante, podem ser adaptados a um grande número de casas já existentes, ainda que</p><p>com certas limitações. Uma das grandes vantagens dos sistemas passivos, frente aos</p><p>ativos, é sua grande durabilidade, já que seu tempo de vida é maior (durabilidade</p><p>extensa).</p><p>Os elementos básicos empregados pela arquitetura solar passiva são [37]:</p><p>Vidros: Captam a energia solar, retendo o calor por efeito estufa.</p><p>Massas térmicas: Têm como função o armazenamento de energia, e geralmente são</p><p>elementos estruturais ou volumes destinados a esta finalidade.</p><p>Elementos de proteção: Entre eles são citados isolamentos, persianas, etc.</p><p>Refletores: Produzem aumentos de radiação no inverno e podem atuar como</p><p>elementos de proteção no verão.</p><p>A meio caminho entre o aproveitamento passivo e o aproveitamento ativo encontra-se</p><p>o que poderia ser mencionado como o acondicionamento de um local por meio da</p><p>produção de ar quente, ou frio, por energia solar.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>49</p><p>Na Figura 3.1 ilustra-se o esquema de funcionamento em um edifício bem orientado.</p><p>Sua fachada sul é recoberta com a pintura mais absorvente possível (escura) e recoberta</p><p>por uma cobertura transparente (vidro) situada a uma distância entre 10 e 15 cm [40].</p><p>Figura 3.1. Sistema solar de calefação e ventilação por termoconvecção [38].</p><p>Em outras palavras, constrói-se um captador plano integrado ao edifício. Caso sejam</p><p>feitas aberturas nas partes superior e inferior do mesmo, a radiação solar aquecerá o ar</p><p>que, por termocirculação e sem nenhuma ajuda energética de outro tipo (ventilador),</p><p>irá aquecer gradualmente o local (circuito de inverno).</p><p>Evidentemente, nos períodos nos quais não há radiação solar, não se produz calor: em</p><p>decorrência de tal fato, é construída uma parede grossa de concreto ou muro trombe</p><p>com a função de acumulador, devido à sua inércia térmica, com o qual continua-se tendo</p><p>calor até as primeiras horas da manhã (tempo de retardo).</p><p>O muro trombe consiste em uma parede de uma habitação, constituída por um muro de</p><p>espessura importante (40 cm), de cor escura, diante do qual é instalada uma vidraça, e</p><p>que serve para captar a energia solar. Esta é transferida para o interior da edificação por</p><p>convecção natural, através de orifícios previstos nas partes baixa e alta do muro. A</p><p>parede irradia seu calor durante a noite para o interior da habitação [38].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>50</p><p>Durante o verão, abre-se as comportas de entrada do ar norte, que sempre é mais frio,</p><p>e fecha-se a comporta de entrada do ar quente para o interior do edifício no inverno,</p><p>abrindo a parte superior do captador, com o qual o ar quente sai por esta abertura,</p><p>aspirando ar fresco do norte, com o qual se refresca a moradia (circuito de verão).</p><p>No debate da eficiência energética, é nítida a necessidade de isolamento sem perda da</p><p>permeabilidade (característica que a argila nos permite facilmente, procurando não</p><p>utilizar materiais que formem barreiras de vapor), e por sua vez, a necessidade de</p><p>renovar o ar interior de uma forma constante e contínua [40].</p><p>3.1.1. Sistemas passivos de aquecimento</p><p>Como combinação dos elementos básicos utilizados pela arquitetura solar passiva, há</p><p>uma série de sistemas, dentre os quais cabe citar: os sistemas de ganho direto, de ganho</p><p>indireto, misto e, finalmente, os de ganho com isolamento.</p><p>3.1.2. Sistemas de ganho direto</p><p>Estes sistemas, convenientemente orientados, permitem que a radiação solar penetre</p><p>diretamente no espaço a aquecer. O sistema consiste em uma concavidade, encapsulado</p><p>com vidro, revestido em seu interior por materiais capazes de armazenar energia. Estes</p><p>geralmente são de argamassa (tijolo, concreto...) ou água e podem estar situados no</p><p>solo, nas paredes ou no teto. Os sistemas de ganho direto são de grande simplicidade e</p><p>de baixo custo, mas de contralibilidade difícil [33].</p><p>Figura 3.2. Moradias bioclimáticas: Janelas de vidros situadas para a orientação sul.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>51</p><p>3.1.3. Sistemas de ganho indireto</p><p>São constituídos por muros (Figura 3.3) e tetos de armazenamento, em função da</p><p>situação da massa térmica. São denominados de fornecimento indireto, pois a radiação</p><p>incide em primeiro lugar na massa térmica situada entre o sol e o espaço habitável [36].</p><p>Figura 3.3. Sistema de muro de inércia [36].</p><p>No caso dos muros de armazenamento ou de inércia, a radiação penetra através de um</p><p>vitral e seu calor é armazenado diretamente em um muro, normalmente pintado de preto</p><p>ou de uma cor escura, absorvente de calor. Este calor posteriormente será irradiado por</p><p>todo o edifício, durante a noite ou dias nublados, atenuando-se as diferenças de</p><p>temperatura.</p><p>Uma variante é o chamado muro trombe caracterizado, por possuir em suas partes</p><p>superior e inferior respiradouros, de tal modo que o ar frio das habitações, penetrará</p><p>pelos respiradouros inferiores, subindo à medida que é aquecido pela radiação solar, e</p><p>volta a circular dentro da habitação pelos respiradouros superiores, como uma corrente</p><p>de convecção natural [32].</p><p>Os tetos de armazenamento, em sua versão mais utilizada, consistem em uma instalação</p><p>de recipientes, ou de um tanque pouco profundo, situados na cobertura do edifício, em</p><p>Alex Vazzoler</p><p>52</p><p>contato com o teto, que deve ser de elevada condutividade térmica, conforme a Figura</p><p>3.4 [34].</p><p>Figura 3.4. Sistema de teto de armazenamento [28].</p><p>No inverno, o sistema captador é exposto à radiação solar durante o dia, e isolado</p><p>durante a noite. No verão, o funcionamento se inverte: o isolamento cobre o sistema</p><p>captador durante o dia e é retirado durante a noite para permitir o esfriamento da água.</p><p>3.1.4. Sistemas de ganho misto</p><p>Este sistema é uma combinação dos ganhos direto e indireto e pode ser formado por</p><p>uma estufa convenientemente envidraçada e orientada para o sul, e por uma parede</p><p>com grande massa térmica entre a estufa e a moradia. Por efeito da radiação, a</p><p>temperatura interna da estufa aumenta, produzindo transferência de calor para a</p><p>habitação contigua (Figura 3.5) [34].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>53</p><p>Figura 3.5. Sistema de ganho misto [34].</p><p>Estes sistemas utilizam uma superfície de absorção, não integrada propriamente na</p><p>moradia, para captar a radiação e conduzi-la, com convecção natural por ar ou água, até</p><p>o interior da moradia. A aplicação mais recorrente deste conceito é o circuito de</p><p>circulação natural por termossifão, que consta de um coletor plano e um tanque de</p><p>armazenamento (Figura 3.6) [34].</p><p>Figura 3.6. Sistema isolado de ganho [34].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>54</p><p>3.1.5. Outras considerações</p><p>Alguns conceitos básicos devem ser incorporados no dimensionamento de todos os</p><p>componentes das instalações térmicas solares [40].</p><p>a) O isolamento térmico</p><p>- O isolamento térmico deve ser suficiente, assim como permitir a permeabilidade</p><p>térmica para a regulação natural do calor dentro do espaço (evitar o efeito estufa). Da</p><p>mesma forma, deve ser o menos nocivo possível para o homem. Muitos dos materiais</p><p>altamente isolantes utilizados na construção são certamente tóxicos [41].</p><p>- A melhor recomendação é a utilização de argila. As janelas de vidros transparentes</p><p>devem ser protegidas, sobretudo durante as horas diurnas de alta intensidade solar</p><p>(entre 10 e 15 horas, conforme o período do</p><p>ano). Assim, é muito aconselhável a</p><p>utilização de vidros duplex expelhados ou similares, persianas, cortinas, contraventos e</p><p>demais, como proteções neste horário.</p><p>- A cobertura é o elemento mais exposto às diversas trocas de calor entre exterior e</p><p>interior. Efetivamente, a radiação de verão é 4,5 vezes maior que a de inverno: em</p><p>função de tal fato, é necessária uma boa proteção térmica na cobertura. Durante o verão</p><p>funcionam muito bem as coberturas ventiladas, ainda que sejam muito recomendáveis</p><p>as coberturas vegetais, em função da evapotranspiração [37].</p><p>- O sistema de selagem térmica deve ser contínuo e uniforme, eliminando-se possíveis</p><p>mais pontos mais fracos do que outros. As pontes térmicas muitas vezes são</p><p>consequência direta das soluções estruturais e formais escolhidas para a realização. Há</p><p>que minimizá-las. Os sistemas complexos de proteção térmica não são próprios de</p><p>nossas ocupações e nos comportam custos extras.</p><p>b) As proteções solares</p><p>A primeira medida de proteção deve ser a de controle das superfícies de captação. As</p><p>janelas e balcões são facilmente protegidos pelos beirados, que não deixarão passar a</p><p>radiação de verão, já que o Sol está alto, e em contrapartida permitirão a captação no</p><p>inverno [41].</p><p>Algo concretizado com a proteção, principalmente se apontado para o sul, de alguns</p><p>beirados de entre 70 e 80 cm de largura além da parede.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>55</p><p>As persianas e os beirados tornam possíveis a não produção de superaquecimentos no</p><p>verão, baseando-se seu funcionamento nas distintas alturas do sol com respeito ao</p><p>horizonte.</p><p>As proteções solares nas aberturas a oeste são de suma importância e devem ser do tipo</p><p>vertical. Há muitos sistemas de proteção exteriores para proteção contra o sol durante</p><p>o verão: toldos, persianas e guarda-ventos. A proteção não deve ser interna, por</p><p>favorecer a captação de irradiação solar [38].</p><p>Figura 3.7. Proteções solares nas janelas de vidros.</p><p>As proteções móveis são sempre submetidas às sub-rotinas dos usuários, e às vezes não</p><p>são adequadas. Neste sentido, qualquer proteção fixa trabalha muito melhor.</p><p>A vegetação pode desempenhar um papel muito importante no controle ambiental.</p><p>Efetivamente, a utilização de árvores de folhas perenes poder melhorar o conforto</p><p>térmico durante todo o ano: Em regiões temperadas a tropicais, com as árvores de folhas</p><p>caducas é obtida irradiação solar durante o inverno e proteção no verão.</p><p>A questão se estabelece em escolher a árvore que necessitamos, dependendo da altura</p><p>dos edifícios e do seu entorno. Seu emprego também proporciona outras proteções</p><p>climáticas, além do controle da radiação, e pode fornecer um melhor conforto</p><p>microclimático, que ao ser combinado com a água, permite a obtenção de um certo grau</p><p>de umidade nos períodos desejados [34].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>56</p><p>c) O armazenamento térmico</p><p>A melhor propriedade para favorecer a capacidade de armazenamento térmico e manter</p><p>um bom equilíbrio com o isolante e a resistência à transmissão de calor. Quanto mais</p><p>massa, maior capacidade de armazenamento térmico [5].</p><p>Ao lidar-se com sistemas que favoreçam a captação solar, é necessário avaliar como</p><p>esta carga térmica será utilizada de forma vantajosa no edifício. Efetivamente, para a</p><p>mesma superfície e volume de edifício, a superfície exposta será menor na medida em</p><p>as dimensões da instalação aumentam. Por exemplo, um quarto cujas as dimensões são</p><p>o dobro de outro, terá um volume cerca de oito vezes maior, sendo sujeito a menores</p><p>variações de temperatura.</p><p>d) Refrigeração natural</p><p>A orientação ideal de um edifício depende não somente do grau de insolação, mas</p><p>também da direção dos ventos dominantes, já que contribuem para o aumento das</p><p>perdas de calor no inverno e favorecem a ventilação no verão [9].</p><p>Figura 3.8. Refrigeração natural.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>57</p><p>Um critério simples é o de fazer circular, durante os dias mais quentes, o ar das zonas</p><p>mais sombrias para o interior dos ambientes, gerando circulação de ar por convecção</p><p>natural.</p><p>e) Iluminação natural</p><p>Garantir a total iluminação natural dos espaços é importante. Este objetivo pode ser</p><p>atingido conforme a morfologia e a tipologia adotadas. Buscando-se a eliminação ou</p><p>redução de zonas escuras. Ainda que existam sistemas para fornecer luz natural a estas,</p><p>em uma primeira visão, não é o mais adequado. Comumente são caras e difíceis de</p><p>controlar termicamente, mas em muitos lugares podem solucionar nossos problemas.</p><p>Estas soluções são de maior necessidade em climas tropicais, em que não se deseja</p><p>captação solar [12]. Exemplos típicos seriam o Norte, Centro-Oeste e o Nordeste do</p><p>Brasil.</p><p>O controle da luz natural tanto pode ser feito dentro dos espaços quanto no exterior,</p><p>sempre com as devidas considerações quanto a condição climática e ventos.</p><p>f) Integração de sistemas de água quente solar</p><p>A instalação solar de água quente, entendida como um pré-aquecimento é um</p><p>componente a mais do sistema de produção de água quente (normalmente se trabalha</p><p>em um circuito fechado com trocadores, atuando nos acumuladores).</p><p>Pode-se assegurar que é fácil e econômico suprir 80% das necessidades energéticas.</p><p>Atualmente, a informática e a tecnologia viabilizam os sistemas coletivos, por reduzir</p><p>custos com projeto e manutenção [42].</p><p>3.2. Energia solar ativa</p><p>Os sistemas ativos empregam a energia contida na radiação solar para aquecer um</p><p>fluido, geralmente água ou ar. O princípio de funcionamento é simples: baseia-se na</p><p>captação da energia solar através de um conjunto de coletores e sua transferência a um</p><p>sistema de armazenamento (reservatório), que abastece o consumo de energia térmica</p><p>quando necessário [28].</p><p>Em função da temperatura de fluido ncessária, os sistemas ativos podem ser</p><p>classificados em baixa, alta ou média temperatura. Ao longo deste livro serão tratados</p><p>Alex Vazzoler</p><p>58</p><p>mais extensivamente os dois primeiros, sobretudo os de baixa temperatura, pois são os</p><p>mais estendidos e usados. Mais ao final do livro, no que tangir a concentradores e torres</p><p>concentradoras, serão sistemas de alta pressão.</p><p>3.2.1. Energia solar ativa de baixa temperatura</p><p>As instalações de baixa temperatura requerem, portanto, o acoplamento dos três</p><p>subsistemas principais [8]:</p><p>Subsistema de captação ou coleta: Sua finalidade é a captação da energia solar.</p><p>Subsistema de armazenamento (ou reservatório): Sua finalidade é adaptar no</p><p>tempo a disponibilidade de energia e sua demanda, acumulando-a quando disponível,</p><p>para poder oferta-la em um momento solicitado.</p><p>Subsistema de distribuição ou de consumo: Sua finalidade é a de transferir aos</p><p>pontos de consumo a água quente produzida, ou outro fluido térmico.</p><p>O funcionamento dos três subsistemas é condicionado pela meteorologia,</p><p>fundamentalmente pela radiação solar e pela temperatura, assim como pela demanda.</p><p>Os circuitos solares térmicos possuem dois tipos de instalações, circuitos aberto e</p><p>fechado (Figura 3.9) [8].</p><p>No caso das instalações em circuito aberto, a água que circula pelos coletores é</p><p>empregada diretamente para o consumo, enquanto que nas instalações de circuito</p><p>fechado, são necessários dois circuitos transportadores de calor: o primário e o</p><p>secundário.</p><p>O circuito primário é composto pelos coletores solares, ponto de coleta da irradiação e</p><p>aquecimento da água, e pela bomba de circulação. O calor ganho pela água através dos</p><p>coletores é cedido através de um trocador de calor ao circuito secundário. O reservatório</p><p>armazena a água quente neste circuito [5].</p><p>Como elemento independente do reservatório (depósito ou acumulador), além da bomba</p><p>do circuito secundário, encontra-se uma fonte energética auxiliar, que entra em</p><p>funcionamento quando a temperatura da água de saída do acumulador é inferior á</p><p>demanda de energia.</p><p>Fundamentos de sistemas solares</p><p>térmicos</p><p>59</p><p>Figura 3.9. Sistema aberto (superior) e fechado (inferior) a baixa temperatura.</p><p>3.2.2. Energia solar ativa de alta temperatura</p><p>Para a produção de energia elétrica em grande escala, é proposta a utilização de centrais</p><p>solares térmicas (torres com sais fundidos) de grandes dimensões. Para a obtenção de</p><p>rendimentos aceitáveis, são requeridas temperaturas superiores a 250 ºC, as quais são</p><p>alcançadas por concentração da radiação solar [23].</p><p>Da mesma forma, para aumentar a densidade de potência captada, realiza-se um</p><p>acompanhamento solar de acordo com dois eixos, com o fim de captar a todo instante a</p><p>máxima quantidade de radiação direta para fazê-la incidir por reflexão sobre uma área</p><p>muito reduzida.</p><p>Na literatura [6,7,43] podem ser encontrados diversos tipos de concentradores solares</p><p>para sistemas térmicos. Neste livro serão abordados dois em particular, concentradores</p><p>parabólicos (ou concentrador cilíndrico de espelhos fixos e foco absorvente móvel) e</p><p>torres concentradoras, o sistema de concentradores é representado pela Figura 3.10.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>60</p><p>Figura 3.10. Planta de coletores distribuídos.</p><p>A Figura 3.11 representa uma unidade de concentrador solar do tipo parabólico. Estes</p><p>sistemas são utilizados em série [1]. Na Figura 3.12, é apresentado um sistema com</p><p>espelho em espiral (ou espiral de Arquimedes).</p><p>Figura 3.11. Concentrador parabólico ou cilíndrico de foco móvel.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>61</p><p>Figura 3.12. Captador solar com espelhos em espiral (de Arquimedes).</p><p>Por outro lado, as centrais com torre são formadas por um campo de espelhos orientados</p><p>(heliostatos) que direcionam a radiação a um ponto focal situado no topo da torre. Ambas</p><p>as tecnologias estão em pleno desenvolvimento acadêmico, e empresarial, tendo sido</p><p>implementadas instalações de forma pontual ou em fase experimental. Atualmente,</p><p>estas instalações ainda não são comparativamente rentáveis, e são necessários mais</p><p>estudos sobre a tecnologia de concentração e materiais submetidos [44].</p><p>Figura 3.13. Central solar de torre.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>62</p><p>O principal centro europeu de ensaio de aplicações da energia solar térmica é a</p><p>Plataforma Solar de Almería (P.S.A.) pertencente ao grupo de Centro de pesquisas</p><p>energéticas, socioambientais e tecnológicas (Centro de Investigaciones Energéticas,</p><p>Medioambientales y Tecnológicas, CIEMAT [45]). Além da produção de energia elétrica,</p><p>são desenvolvidas outras linhas de pesquisa relacionadas a ensaios com materiais,</p><p>arquitetura bioclimática e aplicações industriais com secagem e dessalinização.</p><p>3.3. Processos diretos de conversão elétrica</p><p>Os processos diretos de conversão elétrica, também conhecidos como energia solar</p><p>fotovoltaica, são baseados no efeito fotovoltaico. De forma muito resumida, o efeito</p><p>fotovoltaico é produzido ao incidir-se a radiação solar sobre um tipo de material</p><p>denominado semicondutor [10].</p><p>A energia recebida provoca um movimento caótico dos elétrons no interior do material.</p><p>Caso sejam unidas as duas regiões de um semicondutor, para as quais artificialmente</p><p>são criadas concentrações diferentes de elétrons (mediante a adição de algumas</p><p>substâncias, denominadas promotores, como o fósforo ou o boro), será gerado um</p><p>campo eletrostático constante que reconduzirá o movimento de elétrons na direção e no</p><p>sentido desejado. O material formado pela união de duas zonas com concentrações</p><p>diferentes de elétrons é denominado de união PN [10].</p><p>Desta forma, quando sobre a célula solar fotovoltaica (Figura 3.14) incide a radiação</p><p>solar, aparece nesta uma tensão análoga à que se produz entre os terminais de uma</p><p>pilha. Através da colocação de contatos metálicos em cada uma das faces pode-se extrair</p><p>a energia elétrica, útil em diferentes aplicações.</p><p>O contato metálico da face sobre a qual incide a radiação solar costuma ter a forma de</p><p>grade, de maneira que permite a passagem da luz e a extração da corrente em toda a</p><p>sua superfície simultaneamente. A outra face é totalmente recoberta de metal.</p><p>A grande maioria das células solares disponíveis no mercado são de silício mono ou</p><p>policristalino. O primeiro tipo é mais comum, embora seu processo de fabricação seja</p><p>mais complexo, apresenta melhores resultados em termos de sua eficiência (ver Figura</p><p>3.15) [46].</p><p>https://www.ciemat.es/</p><p>https://www.ciemat.es/</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>63</p><p>Figura 3.14. Diagrama de funcionamento de uma célula fotovoltaica.</p><p>Figura 3.15. Células fotovoltaicas.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>64</p><p>Equipamentos e</p><p>acessórios</p><p>4</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>65</p><p>4. Equipamentos e acessórios</p><p>4.1. Subsistema de captação: o coletor solar de placa plana</p><p>O coletor solar é o elemento encarregado de captar a energia contida na radiação solar</p><p>e de transferi-la para o fluido a ser aquecido. O tipo de coletor mais utilizado é o</p><p>denominado coletor solar plano, ainda que existam diferentes tipos de coletores que,</p><p>embora se encontrem em fase comercial ou de demonstração, possuem um menor grau</p><p>de implantação, como os coletores solares a vácuo e os coletores cilindro -</p><p>parabólicos. Outros elementos de captação, providos de sistemas concentradores, de</p><p>acompanhamento, etc., são experimentais e destinados à aplicações de média e alta</p><p>temperatura [6].</p><p>Os captadores podem ser classificados em [6]:</p><p>Concentradores: Os raios solares são concentrados de alguma maneira para incidir em</p><p>uma menor superficie absorvente (ponto focal). Estes são utilizados para a produção de</p><p>calor a alta temperatura, mais de 150ºC, normalmente para aplicações especiais, podem</p><p>ser utilizados para aquecimento direto (geração de vapor) ou com fluidos térmicos</p><p>especiais para aquecimento indireto.</p><p>Coletores a vácuo: São utilizados em aplicações em que seja necessário obter</p><p>temperaturas de até 150ºC. A captação é realizada no interior de um tubo de vidro no</p><p>qual se tenha feito vácuo, e que por sua vez contenha uma série de tubos, condutores</p><p>do fluido portador de calor, com aletas recobertas de uma superfície seletiva. Graças à</p><p>câmara na qual é feito o vácuo, evita-se a convecção e as perdas correspondentes,</p><p>atingindo-se a temperatura indicada, suficiente para gerar vapor de baixa pressão</p><p>(Figura 4.1b).</p><p>Coletores planos: Transformam a energia incidente diretamente em calor por meio de</p><p>uma superfície plana absorvente. São os mais usados em sistemas ativos de baixa</p><p>temperatura, e utilizam água ou água com aditivos na maioria das aplicações. Com</p><p>relação aos tipos, são empregados principalmente:</p><p>Coletor plano sem cobertura, formado por uma superfície absorvente exposta</p><p>diretamente ao Sol e por tubulações metálicas, contendo água em seu interior que</p><p>conduzirão o calor produzido. Utiliza-se para aquecer a temperaturas muito baixas,</p><p>Alex Vazzoler</p><p>66</p><p>de até 35ºC, ou para o aquecimento de piscinas, em climas ou estações não frias</p><p>(Figura 4.1a).</p><p>Coletor plano com caixa e cobertura, baseado fundamentalmente no efeito estufa,</p><p>e utilizado para as aplicações térmicas mais comuns, de até 80ºC, com água quente</p><p>e calefações em geral. Estes são constituídos basicamente pelos seguintes</p><p>elementos: Absorvedor, cobertura transparente, circuito de fluido, isolamento</p><p>térmico e caixa envolvente (ou carcaça) e juntas (Figura 4.1c).</p><p>Figura 4.1. Diferentes tipos de coletores planos (a) coletores com tubos de plástico, (b)</p><p>coletores com vácuo e (c) coletores planos com caixas.</p><p>(a) (b)</p><p>(c)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>67</p><p>A seguir será abordado, em particular, o coletor de placa plana por ser o sistema mais</p><p>utilizado. A característica específica dos coletores planos é que necessitam de qualquer</p><p>tipo de concentração da energia incidente; captam tanto a radiação direta como a difusa</p><p>e precisam de qualquer forma de acompanhamento da posição do sol, ao longo do dia.</p><p>Embora existam coletores planos nos quais o fluido para seu aquecimento é o ar, os mais</p><p>utilizados, com grande diferença, são os de água. A principal distinção entre os coletores</p><p>de líquido e os coletores de ar está no tamanho da instalação, o calor específico e o</p><p>coeficiente de transferência de calor do ar são muito baixos comparados ao da água.</p><p>Outro ponto é a diferença de densidade, entre o ar e a água evidentemente.</p><p>Reservatórios de calor que utilizam ar, necessitam de grandes volumes e os trocadores</p><p>de calor são aletados e sistemas compactos [47,48].</p><p>Para a água, os coletores planos de caixa são usuais e seus elementos básicos são</p><p>ilustrados pela figura 4.1 [1].</p><p>Figura 4.1. Seção transversal de um típico coletor solar plano com caixa.</p><p>4.2. Elementos constitutivos</p><p>4.2.1. Absorvedor</p><p>Sua missão é captar a radiação solar, transformá-la em calor e transmitir esta forma de</p><p>energia a um fluido portador de calor. Costuma-se construí-lo de cobre, aço preto ou</p><p>Alex Vazzoler</p><p>68</p><p>inoxidável, alumínio, etc. Este último, a não ser que se utilize um fluido especial, não é</p><p>aconselhável, devido a corrosão [49].</p><p>Com o fim de conseguir aumentar a capacidade de absorção, o absorvente é coberto</p><p>com pintura preta. A camada de pintura, sem embargo, será o mais fina possível, já que</p><p>em geral as pinturas são materiais isolantes ou mau condutores de calor. A película de</p><p>recobrimento deve ser fosca, para evitar os fenômenos de reflexão. O tratamento</p><p>aplicado à placa absorvente é denominado de "tratamento seletivo".</p><p>A Tabela 4.1 apresenta as propriedades para uma série de materiais [1].</p><p>Tabela 4.1. Tratamentos seletivos: Índices de Efetividade de alguns tratamentos.</p><p>Tratamento Absorbância Emitância Índice de efetividade</p><p>Opaco de níquel sobre níquel 0,93 0,03 15,5</p><p>Ni-Zn-S sobre níquel 0,96 0,07 13,7</p><p>Opaco de cromo sobre níquel 0,92 0,1 9,2</p><p>Opaco de ferro sobre aço 0,9 0,1 9</p><p>Opaco de zinco 0,9 0,1 9</p><p>Opaco de cromo 0,89 0,1 8,9</p><p>Opaco de cobre sobre cobre 0,87 0,1 8,7</p><p>Óxido de cobre sobre alumínio 0,93 0,11 8,4</p><p>Esmalte Cerâmico 0,9 0,5 1,8</p><p>Pintura acrílica preta 0,95 0,9 1,06</p><p>Pintura silicone preta 0,93 0,9 1,03</p><p>Pintura inorgânica preta 0,94 0,92 1,02</p><p>O índice de efetividade das superfícies seletivas é determinado pelo quociente entre a</p><p>absorbância e a emitância dos materiais utilizados para tratá-las. Este tratamento é</p><p>realizado com o objetivo de obter uma alta capacidade de absorção e uma baixa emissão,</p><p>reduzindo desta maneira as perdas térmicas no interior do captador.</p><p>Os tratamentos superficiais seletivos mais comuns são realizados com substâncias como</p><p>o cromo e o níquel opaco. A superfície seletiva com melhores resultados foi desenvolvida</p><p>tendo como base a disposição de uma camada de níquel no absorvedor e, sobre ela, uma</p><p>delgada camada de óxido de cromo [4].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>69</p><p>Com relação ao desenho da superfície absorvedora, embora tenham existido vários no</p><p>passado, existem atualmente apenas dois tipos no mercado, com diferenças na forma e</p><p>geometria [50]:</p><p>- Pranchas conformadas e soldadas, geralmente de aço e com dimensões de 2 m2;</p><p>- Sistema de aletas e tubos embutidos, soldados ou grampeados, majoritariamente de</p><p>cobre, com dimensões aproximadas de 1,7 m2 [51].</p><p>Figura 4.2. Diferentes configurações da superfície absorvente.</p><p>4.2.2. Cobertura transparente</p><p>Trata-se de uma superfície transparente que se coloca sobre a placa absorvente e que</p><p>provoca dentro do recinto a manifestação do efeito estufa, ao mesmo tempo em que a</p><p>protege dos agentes atmosféricos e reduz as perdas.</p><p>Este elemento, ainda que deixe passar a radiação solar, é opaco para as radiações</p><p>emitidas pela placa absorvente que se situam dentro da franja dos infravermelhos.</p><p>Embora tenham sido comercializados coletores com mais de uma cobertura e de</p><p>Alex Vazzoler</p><p>70</p><p>materiais plásticos, o mais habitual é que seja uma única superfície de vidro, pois se</p><p>torna mais econômico e resistente [38].</p><p>A cobertura absorve toda a radiação que provém da placa, aumentando a temperatura</p><p>e, nestas condições, se comporta para a radiação infravermelha como um "corpo negro".</p><p>Suas duas faces irradiam com o que o absorvente receberá, além da radiação solar, a</p><p>metade da emitida pelo vidro (face interior), produzindo assim o efeito estufa.</p><p>Desta forma, a superfície absorvente do captador alcança temperaturas notavelmente</p><p>superiores às que seriam obtidas sem o vidro da cobertura (Figura 4.3) [42].</p><p>Figura 4.3. Funcionamento do captador solar plano.</p><p>O espaço livre aconselhado entre o absorvedor e a cobertura transparente é da ordem</p><p>de 0,25-40 mm [52].</p><p>Os plásticos laminados, embora cumpram uma missão específica, deterioram-se pela</p><p>influência da radiação ultravioleta e por sua pequena espessura. Não obstante, são</p><p>frágeis à ação do vento, com substituições periódicas. A utilização de duas coberturas</p><p>melhora o rendimento, porém é mais cara e complica a configuração do coletor,</p><p>aumentando seu peso. Este aumento de rendimento não compensa os inconvenientes</p><p>assinalados e a solução normal é recorrer a uma cobertura única.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>71</p><p>Por último, cabe mencionar que a cobertura deve ser completamente vedada para evitar</p><p>a penetração de partículas de poeira ou umidade, pois estas provocam uma deterioração</p><p>do coletor, além de uma diminuição do rendimento do mesmo, por absorver parte da</p><p>radiação incidente.</p><p>4.2.3. Circuito de fluido</p><p>O circuito de fluido deve estar diretamente em contato com o absorvedor, de forma que</p><p>a transmissão de calor ao fluido se realize nas melhores condições.</p><p>Existem diferentes modos de realizar o contato entre o circuito de fluido e o absorvedor</p><p>para o caso de coletores de água, dentre os quais podem ser citados [4]:</p><p>Sistema aberto, a placa que constitui o absorvedor possui forma ondulada, de</p><p>maneira que a água circula diretamente pelos canais originados pela ondulação. Desta</p><p>forma, o fluido penetra no coletor por uma tubulação de alimentação perfurada, fazendo</p><p>com que a água goteje até os canais anteriormente citados, que a conduzem até uma</p><p>tubulação de coleta localizada no lado oposto do coletor.</p><p>Esta disposição é a mais barata a ser implantada, ainda que apresente sérios</p><p>inconvenientes, tais como as grandes perdas de calor por evaporação da água que</p><p>percorre os canais, o papel de filtro à radiação solar e o ataque sobre o material da</p><p>cobertura exercido por tal fluido.</p><p>Sistema sandwich, a água a aquecer flui entre duas placas de tal forma que a superior</p><p>desempenha o papel de absorvedor ao receber diretamente a radiação solar incidente.</p><p>Sistema soldados ou brazados se caracteriza pela soldagem entre o circuito e o</p><p>absorvedor, de forma que podem ser utilizadas configurações de serpentina ou de</p><p>retícula. No primeiro caso, podem existir problemas pela excessiva resistência à</p><p>circulação da água por seu interior, enquanto que no sistema de retícula aparecem, com</p><p>frequência, dificuldades originadas pela presença de bolhas de ar no circuito. Em</p><p>qualquer caso, tanto a soldagem como os materiais que formam o circuito da água e do</p><p>absorvedor, devem permitir uma boa condutividade térmica e, em consequência, hão de</p><p>ter um alto coeficiente de condutividade.</p><p>O tubo de cobre é o material mais vantajoso com respeito ao peso, ao menor</p><p>enrugamento, à facilidade de manipulação e resistência à corrosão, e por possuir uma</p><p>Alex Vazzoler</p><p>72</p><p>alta condutividade térmica, sendo por este motivo empregado nas tubulações do circuito</p><p>de fluido [6].</p><p>4.2.4. Isolamento térmico</p><p>O coletor deve incorporar materiais isolantes tanto no fundo, sob a superfície absorvente,</p><p>quanto nas laterais, com o fim de reduzir as perdas de calor do absorvedor no</p><p>revestimento (casco)</p><p>do coletor. O isolamento situa-se entre o revestimanto e a</p><p>superfície absorvedora, reduzindo-se as perdas térmicas por transmissão na parte</p><p>posterior e lateral do coletor [4].</p><p>Podem ser utilizadas espumas rígidas de poliuretano, fibra de vidro, poliestireno</p><p>expandido, etc. Em qualquer caso, o isolamento deverá manter todas as suas</p><p>propriedades estáveis na temperatura de funcionamento do coletor. Qualquer que seja</p><p>o material escolhido, deve-se ter, além de uma baixa condutividade térmica, um</p><p>coeficiente de dilatação compatível com os dos outros materiais que formam o coletor</p><p>solar (figura 4.4) [8].</p><p>Figura 4.4. Isolamento térmico.</p><p>É aconselhável colocar uma lâmina refletora na face superior do isolante para evitar seu</p><p>contato e refletir a radiação infravermelha emitida por este para a placa absorvente.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>73</p><p>4.2.5. Caixa de revestimento ou carcaça</p><p>Constitui o suporte para os elementos que formam o coletor, ou seja, exerce a função</p><p>de base estrutural, oferecendo ao mesmo tempo a rigidez e a resistência estrutural para</p><p>assegurar sua estabilidade dimensional.</p><p>O revestimento deve ser hermético e resistente aos efeitos das intempéries e da</p><p>corrosão. Não está sujeito a tensões mecânicas significativas e, em consequência, pode</p><p>ser construído com diversos materiais: aço galvanizado ou inoxidável, alumínio, plástico,</p><p>fibra de vidro, etc [19]. Estas últimas alternativas são seguras e relativamente</p><p>econômicas, porém deve-se garantir sua resistência aos efeitos das intempéries.</p><p>4.2.6. Juntas</p><p>Garantem a estanqueidade (impedir vazamentos) do coletor com relação à cobertura e</p><p>ao revestimento (caixa ou carcaça), podem ser de borracha pré-formada ou silicone.</p><p>4.3. Estudo energético do coletor de placa plana</p><p>Como mencionado anterioremente, um coletor solar deve dispor dos seguintes</p><p>elementos:</p><p>- Uma caixa ou carcaça com uma cobertura transparente, através da qual penetra a</p><p>radiação solar no interior, produzindo o denominado efeito estufa.</p><p>- Uma superfície captadora que transforma a energia recebida em forma de radiação, da</p><p>maneira mais eficiente possível, em energia térmica [24].</p><p>- Uma série de tubulações de água incorporadas ao absorvente, que atuam como</p><p>trocadores de calor, do absorvedor ao fluido, alcançando a temperatura suficiente para</p><p>aquecer o líquido portador de calor e transferindo-lhe a energia para sua posterior</p><p>utilização [53].</p><p>Em um coletor solar com líquido, a transformação da energia solar em térmica é</p><p>produzida ao incidir os raios solares sobre a superfície absorvente, produzindo assim um</p><p>aumento de temperatura no absorvente e, ao mesmo tempo, do líquido transportador</p><p>de calor (fluido térmico), o qual é dirigido para reservatórios ou para uso direto.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>74</p><p>A Figura 4.5 ilustra um diagrama de balanço energético em um coletor solar com</p><p>eficiência de 60%. Estimada pela relação entre o calor recuperado pelo coletor e a</p><p>irradiação incidente [6].</p><p>Figura 4.5. Distribuição da radiação solar em um captador [47].</p><p>4.3.1. Balanço energético</p><p>O balanço energético de um captador solar plano é determinado pela equação de Bliss</p><p>[54]:</p><p>𝑞1 = 𝑞 − 𝑞2 − 𝑞3 (4.3.1.1)</p><p>em que q1 é a Energia incidente total (direta, difusa e refletida), q é a Energia útil, q2 é</p><p>a Energia perdida por dissipação ao exterior e q3 é a Energia armazenada em forma de</p><p>calor no captador.</p><p>A energia útil do captador em um dado momento, em função da radiação solar e da</p><p>temperatura ambiente, é a diferença entre a energia absorvida e a perdida [48]:</p><p>𝑞 = 𝑆𝑐[𝑅𝐼(𝜏𝛼) − 𝑈𝐿(𝑇𝑚 − 𝑇𝑎)] (4.3.1.2)</p><p>em que Sc é a área de superfície do captador (m2), RI é a radiação incidente total sobre</p><p>o captador por unidade de superfície (W/m2), 𝜏 é a transmitância da superfície</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>75</p><p>transparente, 𝛼 é a absorbância da placa, UL é o coeficiente global de perdas (W/m2 ºC),</p><p>Tm é a temperatura média da placa absorvente e Ta a ambiente, ambas em ºC.</p><p>Os ensaios de captadores costumam ser realizados no exterior, em dias claros próximos</p><p>ao meio-dia solar, ou no interior, por meio de um simulador solar. Em qualquer caso, a</p><p>componente difusa da radiação solar é mínima e a incidência da radiação é próxima da</p><p>normal. Por consequência, o produto dentro dos parênteses (𝜏𝛼) corresponde à radiação</p><p>direta com incidência normal é escrita na forma (𝜏𝛼)n.</p><p>4.3.2. Curva característica ou rendimento de um coletor solar de placa plana</p><p>(CSPP)</p><p>O comportamento de um coletor de placa plana é definido por sua curva característica</p><p>como a apresentada pela Figura 4.6 [55].</p><p>Figura 4.6. Curva de rendimento de um coletor solar de placa plana [56].</p><p>A curva característica ou de rendimento representa no eixo de ordenadas a eficácia do</p><p>coletor (definido como a relação entre o calor útil fornecido ao aquecimento do fluido</p><p>que circula por seu interior e a energia recebida pelo coletor) [6]:</p><p>𝜂 =</p><p>𝑞</p><p>𝑞1</p><p>= 𝐹 [(𝜏𝛼)𝑛 − 𝑈𝐿</p><p>𝑇𝑒 − 𝑇𝑎</p><p>𝑅𝐼</p><p>] (4.3.2.1)</p><p>(Te - Ta)/RI</p><p>Alex Vazzoler</p><p>76</p><p>𝑜𝑢 𝜂 = 𝑎0 + 𝑎1</p><p>𝑇𝑒 − 𝑇𝑎</p><p>𝑅𝐼</p><p>𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑎0 = 𝐹(𝜏𝛼)𝑛 𝑒 𝑎1 = 𝐹𝑈𝐿 (4.3.2.2)</p><p>em que 𝜂 é o rendimento prático do coletor, F.UL é a inclinação da reta, W/m2 ºC (dados</p><p>fornecidos pelo fabricante), Te é a temperatura de entrada para o coletor (ºC), Ta é a</p><p>temperatura ambiente (ºC) e RI é a radiação incidente no plano do captador (W/m2).</p><p>Nesta reta, o ponto de corte com o eixo de ordenadas corresponde ao máximo</p><p>rendimento do coletor, e aparece no caso da temperatura de entrada coincidir com a</p><p>temperatura ambiente. Do contrário, o ponto de corte com o eixo horizontal corresponde</p><p>a diferença entre a temperatura de entrada e a do ambiente, de tal maneira que as</p><p>perdas de calor são iguais ao suprimento solar, sem produzir-se nenhuma forma de</p><p>ganho líquido no equilíbrio.</p><p>Um coletor será tanto melhor quanto maior for o valor de sua ordenada na origem e</p><p>menor o da inclinação.</p><p>À medida que a temperatura de entrada cresce, o rendimento diminui, já que é emitida</p><p>uma maior quantidade de energia por parte do coletor. Logo, a curva variará</p><p>sensivelmente de acordo com o tipo de coletor.</p><p>Os valores médios representativos podem ser:</p><p>- Para um coletor com tratamento não seletivo = 0,80 - 0,73 T*.</p><p>- Para um coletor com tratamento seletivo = 0,78 - 0,50 T*.</p><p>Há uma norma oficial para a homologação de coletores, na qual se avalia a curva</p><p>característica dos diferentes modelos, existindo algumas exigências mínimas de</p><p>rendimento. Esta avaliação é realizada sobre equipamentos novos e de forma pontual,</p><p>sem ser em geral representativa do comportamento do coletor ao longo de sua vida útil,</p><p>já que sua eficácia decairá ao longo do tempo.</p><p>O desempenho de um coletor é medido de acordo com o teste norma BS EN 12975 [57]</p><p>por meio de um gráfico de eficiência versus temperatura e do respectivo ajuste</p><p>estatístico (regressão) da curva. A eficiência é dada pela equação 4.3.2.3 [58]:</p><p>𝜂 = 𝜂0 − 𝑎1</p><p>𝑇𝑚 − 𝑇𝑎</p><p>𝐺</p><p>− 𝑎2 (</p><p>𝑇𝑚 − 𝑇𝑎</p><p>𝐺</p><p>)</p><p>2</p><p>(4.3.2.3)</p><p>em que η é a eficiência do coletor, η0 é o fator de conversão (ou seja, eficiência quando</p><p>o coletor está na temperatura ambiente), a1 é o coeficiente de perda de calor (W m–2</p><p>K</p><p>–</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>77</p><p>1), a2 é a dependência da temperatura do coeficiente de perda de calor (W m–2</p><p>K</p><p>–2), Tm</p><p>é a temperatura média do coletor (°C), Ta é a temperatura ambiente (°C) e G é a</p><p>irradiância solar (W m–2). Valores dos coeficientes de teste η0, a1 e a2 são fornecidos pelo</p><p>fabricantes de coletores.</p><p>4.3.3. Fluido térmico para armazenamento de calor</p><p>O fluido térmico é o líquido aquecido ao absorver a energia recebida pelos coletores.</p><p>Entre as funções realizadas se destacam-se [59]:</p><p>- O uso direto, consumindo o mesmo líquido (normalmente água);</p><p>- A acumulação direta no acumulador solar para seu consumo posterior;</p><p>- A transferência de energia mediante um trocador de calorr, pelo qual o líquido será</p><p>resfriado e aquecido, por sua vez, outro meio (normalmente água, ar, terra, etc.).</p><p>Geralmente, este líquido é água, ou ainda água misturada com aditivos anticongelantes,</p><p>conforme o clima. Podem ser empregados líquidos orgânicos sintéticos, ou derivados de</p><p>petróleo e óleos siliconados, em circuitos indiretos de aquecimento.</p><p>Os aditivos são acrescentados para [59]:</p><p>- Proteção contra geadas (anticongelantes);</p><p>- Proteção dos componentes da instalação (estabilizantes e inibidores da corrosão).</p><p>Em qualquer caso, é conveniente que os fluidos possuam [60]:</p><p>- Um calor específico igual ou maior a 0,7 kcal/kg ºC;</p><p>- Um pH compreendido entre 5 e 12;</p><p>- Um conteúdo em anticongelante igual ou maior a 20% a menos de -6 ºC;</p><p>- Um conteúdo total em sais solúveis menor do que 500 mg/l;</p><p>- Um controle de qualidade anual;</p><p>- Se forem utilizados preparados anticongelantes e inibidores comerciais.</p><p>Para as condições normais de operação, deverá ser especificado a composição do fluido</p><p>térmico e o seu tempo de vida útil. O sistema sofrerá descarga periódica, com a</p><p>respectiva reposição de fluido térmico.</p><p>Água</p><p>Da mesma maneira que o líquido com aditivos anticongelantes é destinado aos circuitos</p><p>fechados de calefação, etc., a água natural é destinada ao uso direto [54].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>78</p><p>A água natural tem a característica de ter menor viscosidade do que a água com aditivos,</p><p>facilitando desta maneira sua circulação ao longo de todo o circuito e reduzindo as perdas</p><p>de carga.</p><p>Água com adição de anticongelante</p><p>Utilizada como fluido portador de calor nos circuitos fechados de calefação, constitui uma</p><p>das diversas medidas de segurança contra o congelamento do fluido naquelas instalações</p><p>situadas em zonas onde a temperatura chega a mínimos próximos de 0ºC [54].</p><p>Devem ser levadas em conta as diferenças das propriedades físicas entre a água normal</p><p>e estes líquidos anticongelantes. A viscosidade pode ser maior, sobretudo a frio,</p><p>aumentando as perdas de carga no circuito e modificando as condições de</p><p>funcionamento, principalmente nas partidas (ou acionamentos) do circuito solar.</p><p>As características gerais são [61]:</p><p>Toxicidade: Os anticongelantes são em geral tóxicos, seja por sua própria</p><p>composição, seja pela adição de produtos inibidores de corrosão, motivo pelo qual é</p><p>necessário assegurar a impossibilidade de mistura entre estes e a água de consumo. A</p><p>maneira mais prática de consegui-lo é fazer com que a pressão do circuito primário</p><p>(fluido térmico com anticongelante) seja inferior à do secundário (água quente a ser</p><p>usada), de maneira que um contato entre ambos os fluidos por ruptura no ponto de troca</p><p>de calor provoque a passagem da água para o circuito primário, mas nunca ao contrário.</p><p>De forma complementar, a válvula de segurança do circuito primário deverá estar</p><p>ajustada à uma pressão inferior à da água de rede, para o seu acionamento no caso da</p><p>avaria citada acima.</p><p>Viscosidade: A adição de um anticongelante aumenta notavelmente a viscosidade da</p><p>água, algo a ser considerado nos cálculos de perda de carga das instalações e na potência</p><p>da bomba, em especial pela arrancada a frio depois da parada da instalação durante a</p><p>noite.</p><p>Dilatação: O coeficiente de dilatação dos anticongelantes é superior ao da água</p><p>ordinária, motivo pelo qual deverá ser levado em conta ao calcular-se a expansão do</p><p>líquido no tanque. Como norma de segurança, será suficiente utilizar um anticongelante</p><p>em proporções de até 30%, e aplicar um coeficiente corretor de 1,1.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>79</p><p>Estabilidade: A maior parte dos anticongelantes se degrada em temperaturas da</p><p>ordem de 120ºC, e pode gerar produtos corrosivos para os materiais que constituem o</p><p>circuito.</p><p>Calor específico: O calor específico da mistura de água com anticongelante é inferior</p><p>ao da água pura, motivo pelo qual deverá ser levado em conta no balanço de energia e</p><p>no cálculo da vazão. Portanto, afetará o dimensionamento da tubulação e da bomba.</p><p>Temperatura de ebulição: A presença de anticongelante poderá elevar a temperatura</p><p>de ebulição da água. Mas em geral, não afeta de forma significativa o projeto.</p><p>Fluidos orgânicos</p><p>Existem dois tipos de fluidos orgânicos: os sintéticos e os derivados de petróleo. As</p><p>precauções assinaladas com respeito à água com anticongelantes devem ser igualmente</p><p>tomadas em consideração com referência à toxicidade, à viscosidade e à dilatação desta</p><p>categoria de fluidos. De forma adicional, por serem combustíveis, apresentam um risco</p><p>adicional de incêndio. Por outro lado, são quimicamente estáveis a temperaturas</p><p>elevadas [53].</p><p>Há toda uma gama de produtos que somente se diferenciam entre si pela zona de</p><p>temperaturas nas quais podem ser utilizados e pela variação de sua viscosidade em tal</p><p>margem de temperaturas.</p><p>Óleos siliconados</p><p>Geralmente são produtos estáveis e de boa qualidade, atóxicos e não inflamáveis, mas</p><p>não possuem preços competitivos, pelo menos enquanto não se produza uma diminuição</p><p>de seu custo que os deixe no nível alcançado pelos fluidos orgânicos.</p><p>Proteção contra o congelamento e a ebulição</p><p>A proteção antigelo é necessária nas instalações com risco de geadas [62].</p><p>Pode ser realizada de diferentes maneiras:</p><p>- Adição de anticongelante no circuito;</p><p>- Utilização de líquido especial fornecido pelo fabricante;</p><p>- Circulação forçada em caso de temperaturas mínimas com risco de geadas;</p><p>Alex Vazzoler</p><p>80</p><p>- Aquecimento do circuito à temperatura mínima pelo risco de geadas;</p><p>- Esvaziamento da instalação durante o inverno.</p><p>O isolamento não constitui uma proteção antigelo por si mesmo. O sistema mais seguro</p><p>empregado é a adição de anticongelante no circuito. O anticongelante pode ser utilizado</p><p>com uma mistura de propilenoglicol com água e inibidores da corrosão.</p><p>Aconselha-se a utilização de preparados e concentrados anticongelantes com aditivos</p><p>inibidores, garantidos pelo fabricante, para diluir com água ou por aplicação direta.</p><p>Se não há risco de falta de corrente elétrica (aquecimento ôhmico), podem ser</p><p>consideradas as soluções de circulação forçada a uma temperatura mínima de</p><p>aquecimento do circuito; a primeira pode ser suficiente em zonas de pouco risco de</p><p>geadas ou de temperaturas na faixa de 0 a 5 ºC, e a segunda, complementa a primeira</p><p>unicamente em circuitos diretos, em que o líquido em circulação é a própria água de</p><p>consumo.</p><p>Não se aplicará o aquecimento com energia elétrica como sistema de proteção antigelo</p><p>diretamente aplicado no captador ou no acumulador, se este se encontra no exterior.</p><p>Em todos os casos, o técnico ou o fabricante dos equipamentos facilitará os seguintes</p><p>dados com a solução proposta [56]:</p><p>- Sistema apropriado de proteção antigelo;</p><p>- Características do anticongelante necessário;</p><p>- Porcentagem de composição da mistura com água;</p><p>- Sistema de regulação para a circulação forçada e para o aquecimento.</p><p>Ao mesmo tempo, o anticongelante serve de medida contra a ebulição, pois contribui</p><p>para a elevação de temperatura.</p><p>4.4. Subsistema de armazenamento de calor: acumuladores ou reservatórios</p><p>Tanto a energia recebida do Sol quanto a demanda de água quente, são dependentes do</p><p>tempo e nem sempre os requerimentos para esta se produzirão quando se disponha de</p><p>suficiente radiação. Portanto,</p><p>para o aproveitamento máximo das horas de sol, será</p><p>necessário armazenar (ou acumular) a energia durante os momentos do dia de alta</p><p>irradiação, para que seja possível utilizá-la em outro momento oportuno de demanda.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>81</p><p>Pode-se armazenar energia térmica elevando a temperatura de substâncias inertes</p><p>(água, pedras, etc.), o que se chama armazenamento por calor sensível; ou ainda como</p><p>calor de fusão de sistemas químicos; ou em reações químicas reversíveis, como a</p><p>desidratação de alguns hidróxidos [23].</p><p>Habitualmente a energia é armazenada na forma de calor sensível por meio de água que</p><p>será consumida posteriormente. Tal armazenamento é feito nos denominados tanques</p><p>(depósitos) de acumulação ou reservatórios.</p><p>A todo sistema de armazenamento deve-se exigir: alta capacidade calorífica, volume</p><p>reduzido, temperatura de utilização de acordo com a necessidade, rapidez de resposta à</p><p>demanda, baixo custo, segurança e longa duração.</p><p>A escolha do material para o tanque depende de vários fatores: tipo de aplicação, lugar</p><p>de instalação, custo, vida média calculada e facilidade de manutenção.</p><p>Os reservatórios normalmente são construídos, dado seu custo acessível, com aço</p><p>carbono, mediante banho galvanizado, pintura epóxi, dentre outros revestimentos. Com</p><p>o objetivo de reduzir-se o fenômeno da corrosão. Em todo caso, a temperatura de</p><p>armazenamento não deve superar os 65 ºC. Por outro lado, o aço inoxidável é, sem</p><p>sombra de dúvidas, o melhor material. Seu único inconveniente é o preço. Outros</p><p>materiais, embora mais econômicos (alumínio), apresentam graves problemas de</p><p>corrosão, ou ainda são mais caros (plástico reforçado com fibra de vidro) ou não</p><p>adequados para trabalhar à pressão da rede (cimento) [23].</p><p>Quanto à forma, esta geralmente é cilíndrica por sua facilidade de construção. A</p><p>dimensão vertical deve ser maior que a horizontal, já que desta maneira se favorece o</p><p>fenômeno da estratificação. Assim, da parte de cima do tanque (água quente) se extrai</p><p>a água para o consumo, enquanto que o aquecimento solar é aplicado na parte de baixo,</p><p>com o que se faz funcionar os coletores à mínima temperatura possível, aumentando</p><p>seu rendimento.</p><p>A verticalidade dos tanques de armazenamento possui outras vantagens, como a</p><p>necessidade de menos espaço, aproveitando melhor da altura das instalações e</p><p>economizando no suporte ou ancoragem, que geralmente é incorporado ao tanque.</p><p>Geralmente é frequente o uso de mais de um acumulador conectado em série, sobretudo</p><p>em instalações grandes, e muito particularmente quando se quer obter níveis de</p><p>temperatura diferentes [59].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>82</p><p>Figura 4.7. Acumulador em série [53].</p><p>Um dos problemas mais importantes das instalações solares é a qualidade da água, que</p><p>afeta de maneira especial o tanque de acumulação ao se produzir o fenômeno da</p><p>corrosão. Este é um problema genérico próprio de todos aqueles equipamentos que</p><p>trabalham com água. Em geral, não é aconselhável o emprego de dois metais de</p><p>diferentes naturezas, já que se favorece a criação de pares galvânicos [48].</p><p>É aconselhável, como norma geral, proteger o acumulador por meio de um ânodo de</p><p>sacrifício.</p><p>4.4.1. Acumulador de água quente sanitária (AQS)</p><p>Os critérios mínimos a serem cumpridas pelos reservatórios de água quente sanitária</p><p>(AQS) são [1]:</p><p>- Sua fabricação deve estar de acordo com padrões nacionais e internacionais.</p><p>Primeiramente, a NR-13 deve ser seguida por ser uma lei do Ministério do trabalho.</p><p>Outra norma extramente utilizada é a ASME seção VIII.1, já que os reservatórios e</p><p>trocadores de calor são considerados vasos de pressão.</p><p>- A pressão mínima de serviço deve ser de 6 bar;</p><p>- Deve ser provido de um dispositivo de proteção contra as sobre pressões, com a</p><p>correspondente válvula de segurança e reguladora de pressão, se for necessária;</p><p>https://sit.trabalho.gov.br/portal/index.php/ctpp-nrs/nr-13?view=default</p><p>https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/bpvc-viii-1-bpvc-section-viii-rules-construction-pressure-vessels-division-1</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>83</p><p>Há que esclarecer que os acumuladores de uso não sanitário não estão submetidos a</p><p>estas características mínimas.</p><p>O técnico projetista da instalação solar ou o fabricante dos equipamentos solares</p><p>determinarão em cada projeto o volume do reservatório e as características do sistema</p><p>térmico, indicando como mínimo [3]:</p><p>- Volume do reservatório e forma de acúmulo de calor;</p><p>- Principais dimensões dos reservatórios;</p><p>- Situação e dimensões dos bocais, tubulações e demais acessórios;</p><p>- Pressão máxima de serviço e pressões dos testes hidrostático e de estanqueidade;</p><p>- Materiais de construção, revestimentos e tratamentos;</p><p>- Material e espessura do isolamento;</p><p>- Folha de especificação de dados e registros, conforme especificado pela NR 13;</p><p>- Garantia e condições contratuais dos equipamentos.</p><p>A dimensão dos tanques de acumulação deverá estar em proporção com o consumo,</p><p>cobrindo a demanda de água quente de um a dois dias (Tabela 4.2). Em geral, costuma-</p><p>se dimensionar para níveis de insolação, em função da superfície de captação, à razão</p><p>de 60-100 litros por m2 de superfície útil. Recorrer a volumes de armazenamento</p><p>maiores, em realidade, não é prático, já que diminui a temperatura média do tanque,</p><p>além de encarecer a instalação [4].</p><p>Tabela 4.2. Seleção do depósito acumulador [4].</p><p>Consumo, C (horas) - C</p><p>de 10 ºC para a máxima potência de</p><p>captação;</p><p>- Pressão de trabalho mínima das válvulas de segurança;</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>85</p><p>- Temperatura máxima de trabalho de 100 ºC (pressurizado a 6 bar);</p><p>- Materiais compatíveis com os fluidos de trabalho no primário e secundário.</p><p>Do mesmo modo, na instalação deversão ser considerados na elaboração do layout a</p><p>questão operacional, de limpeza e de manutenção. Por exemplo, o reservatório sempre</p><p>deve estar acima do coletor para ser induzido o termossifão. E o acesso dos operadores</p><p>a estes equipamentos deve ser facilitado. Já que coletores solares, por uma questão de</p><p>melhor aproveitamento de espaço, são posicionados em telhados e áreas altas</p><p>normalmente inclinadas. Logo são necessárias escadas e todo o aparato que garanta</p><p>facilidade de acesso e segurança conforme a Norma Regulamentadora NR-35.</p><p>O trocador incorporado no reservatório (vaso encamisado) pode não permitir sua limpeza</p><p>e manutenção. Justifica-se sua aplicação pela simplicidade de sua instalação, sendo o</p><p>sistema mais usado por sistemas de termossifão ou de convecção forçada até 500 ou</p><p>1000 litros.</p><p>Por outro lado, sua utilização apresenta importantes inconvenientes [12]:</p><p>- Representa uma perda de rendimento do sistema. Efetivamente, há uma diferença de</p><p>temperatura entre os líquidos primário e secundário que oscila entre os 5ºC e os 10ºC</p><p>e, por conseguinte, os coletores devem funcionar a uma temperatura superior à do fluido</p><p>secundário.</p><p>- Eleva o custo da instalação, não somente por si próprio, mas também por uma série</p><p>de elementos que a acompanham obrigatoriamente.</p><p>- As instalações de água quente sanitária (A.Q.S), devem estar sujeitas as respectivas</p><p>regulamentações quando o líquido do ciurcuito primário não for água potável.</p><p>- Não é recomendada sua implantação em instalações que necessitem de uma área de</p><p>superfície de coleta maior do que de 12 m2 para o coletor solar.</p><p>Um trocador demasiadamente grande ou pequeno é uma fonte de perdas. Posto que, ao</p><p>operar-se em condições muito variáveis, é difícil de estabelecer-se uma sintonia fina dos</p><p>instrumentos de controle (dificuldades de controlabilidade).</p><p>Se o trocador estiver imergido no reservatório, ou o envolvendo como uma camisa, o</p><p>líquido do circuito secundário estará em circulação natural. Nestas condições, e com um</p><p>depósito bem dimensionado, poderá ser utilizado um efeito de estratificação do líquido</p><p>do secundário, que estará mais quente na parte superior do depósito. Pelo contrário, o</p><p>https://sit.trabalho.gov.br/portal/index.php/ctpp-nrs/nr-35?view=default</p><p>Alex Vazzoler</p><p>86</p><p>secundário estará em circulação forçada quando o trocador se localizar no exterior do</p><p>depósito, produzindo-se o movimento do líquido no depósito de forma contínua, sem</p><p>haver lugar para a estratificação. As características mínimas a serem indicadas pelo</p><p>projetista ou pelo fabricante do equipamento serão [63]:</p><p>- Pressão máxima absoluta dos circuitos primário e secundário;</p><p>- Pressão máxima de trabalho do primário e do acumulador;</p><p>- Superfície e material de troca;</p><p>- Vazão nominal e perda de carga (somente para circulação forçada);</p><p>- Tipo e materiais de construção da carcaça, das conexões e de troca.</p><p>Algumas especificações de trocadores de calor são listadas na Tabela 4.3 e uma</p><p>representação é apresentado na Figura 4.8.</p><p>Tabela 4.3. Seleção do trocador de calor [57].</p><p>Área de coleta Quantidade Tipo Capacidade</p><p>(m3)</p><p>Características</p><p>geométricas</p><p>A ≤ 25 m2 1 Reservatório/acumulador 1,5 a 1,7 Figura 4.8 (a)</p><p>25 m2 50 m2 Máximo de 80 Série de placas Função de N* Figura 4.8 (b)</p><p>*N é o número de placas.</p><p>Di</p><p>h</p><p>Figura 4.8. (a) Representação de um reservatório de calor de diâmetro interno (Di) e altura h</p><p>(Não são considerados os tampos); (b) exemplo de trocador de calor do tipo placas com</p><p>gaxetas (escala industrial).</p><p>(a)</p><p>(b)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>87</p><p>O trocador, independentemente, de atender a potência necessária deverá atender às</p><p>seguintes exigências [63]:</p><p>- Será desmontável e permitirá a limpeza de forma rápida dos circuitos primário e</p><p>secundário;</p><p>- Admitirá a pressões de trabalho independentes para cada circuito;</p><p>- Aplicado à água sanitária e às piscinas, será preferencialmente de aço carbono</p><p>revestido ou inox com resistência a corrosão por pites [64].</p><p>O parâmetro que melhor caracteriza um trocador é a sua efetividade (Є), definida como</p><p>a razão entre a taxa de transferência de calor efetiva (q) e o valor teórico máximo</p><p>possível (qmax).</p><p>Є =</p><p>𝑞</p><p>𝑞𝑚𝑎𝑥</p><p>(4.4.2.1)</p><p>cujos valores usuais flutuam entre 60% e 80% (0,6 ≤ Є ≤ 0,8).</p><p>Os melhores materiais por ordem de qualidade são o aço inoxidável, o cobre e o aço</p><p>galvanizado, com a precaução para este último que a temperatura de trabalho não</p><p>supere os 65ºC.</p><p>4.5. Subsistema de distribuição e consumo</p><p>Na hora de selecionar os materiais que serão utilizados na instalação, como as</p><p>tubulações, os isolamentos, as juntas, etc., deve-se considerar que devem admitir</p><p>dilatações e temperaturas com variações rápidas e durante muitos ciclos diários</p><p>estacionários.</p><p>4.5.1. Tubulações</p><p>Exemplos claros do anteriormente exposto são as tubulações, as quais constituem um</p><p>elemento básico comum a todas as instalações. Estas tubulações interconectam os</p><p>grupos de coletores, formando o circuito primário, pelo qual circula o líquido térmico,</p><p>devendo estar garantida sua estanqueidade hidráulica [65].</p><p>Por este circuito circula o fluido portador de calor, que transfere o calor captado pela</p><p>placa absorvente. Geralmente, trata-se de água com uma mistura de anticongelante</p><p>(com uma dosagem controlada e adequada), naqueles lugares em que a temperatura</p><p>Alex Vazzoler</p><p>88</p><p>chega a ser próxima de 0ºC, para evitar o congelamento do líquido no circuito primário.</p><p>Este sistema é completamente separado circuito hidráulico secundário constituído pelos</p><p>subsistemas de produção de água quente e seus pontos de consumo [39].</p><p>Figura 4.9. Tubulações e acessórios de polipropileno.</p><p>Entre outros, as tubulações devem reunir uma série de requisitos indispensáveis como:</p><p>- Permitir as dilatações, por causa dos importantes saltos térmicos [65];</p><p>- Colocar purgadores sempre que necessário, para evitar o acúmulo de bolhas de ar;</p><p>- Devem ser constituídas por um material resistente, ou protegidas da corrosão, tanto</p><p>internamente (revestimento interno) quanto externamente (externo), evitando os</p><p>efeitos nocivos dos agentes ambientais atmosféricos. Outro problema é a Corrosão Sob</p><p>o Isolamento externo (CUI, Corrosion Under insulation);</p><p>- Terão uma duração mínima de 20 anos em condições adequadas de trabalho;</p><p>- Estarão isoladas termicamente em todos os casos e dimensionadas em função das</p><p>vazões de projeto;</p><p>- As juntas de dilatação serão instaladas nos lugares em que as variações de temperatura</p><p>sejam mais significativas (por exemplo, na saída das placas solares);</p><p>- Serão levadas em consideração a incompatibilidade entre os materiais que intervenham</p><p>no primário (pares galvânicos) e serão tomadas as medidas corretivas oportunas;</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>89</p><p>- Instalação dos suportes, que deverão cumprir as normas internas especificadas para o</p><p>layout. Deverão ser considerados fatores como evitar-se acúmulo de ar, golpes de aríete</p><p>e a dilatação dos tubos;</p><p>- Não serão construídos traçados (trechos) retos muito longos, exceto se forem</p><p>instaladas mangas ou juntas de dilatação.</p><p>a) Perda de carga e cálculos envolvendo tubulações</p><p>Quando um líquido circula pelo interior de um tubo reto, sua pressão diminui linearmente</p><p>ao longo do mesmo, inclusive quando se encontra em posição horizontal.</p><p>Esta queda de</p><p>pressão, denominada perda de carga, depende do comprimento L do tubo considerado</p><p>(distância entre os dois pontos em que se mede a pressão), e também de outras</p><p>variáveis, como o diâmetro D do tubo, a velocidade, o peso específico do fluido e de um</p><p>coeficiente de atrito, que depende ao mesmo tempo da rugosidade da superfície interior</p><p>do tubo e das características da corrente fluida.</p><p>Em toda tubulação reta ou com curvas suaves, se a corrente é lenta, seu regime é</p><p>ordenado, pelo que respeita às partículas do fluido, que são sempre paralelas ao eixo da</p><p>tubulação. Em contrapartida, se a velocidade da corrente aumenta suficientemente, as</p><p>trajetórias mudam continuamente. O regime de circulação ordenado é denominado</p><p>laminar, e o desordenado, turbulento.</p><p>A transição de um para outro regime ocorre de uma maneira mais ou menos brusca, e</p><p>o instante em que se produz é denominado de estado crítico, sendo função da velocidade,</p><p>do diâmetro e da viscosidade do fluido circulante.</p><p>O regime de escoamento e, pode ser descrito por uma magnitude adimensional</p><p>denominada Número de Reynolds, Re,</p><p>𝑅𝑒 =</p><p>𝑣𝐷𝜌</p><p>𝜇</p><p>=</p><p>𝑣𝐷</p><p>𝜐</p><p>(4.5.1.1)</p><p>em que v é a velocidade de escoamento do fluido (m/s), D é o diâmetro interno da</p><p>tubulação, (m); 𝜌 é a densidade do fluido, kg/m3, 𝜇 é a viscosidade do fluido (Pa·s) e 𝜐</p><p>é a viscosidade cinemática do fluido (m2/s).</p><p>A transição de regime de corrente laminar para turbulento, ou estado crítico, é alcançada</p><p>a 2400. Em tubos de seção circular e retos, o regime é sempre laminar abaixo deste</p><p>valor, ainda que tenham sido obtidos em ensaios regimes laminares com valores</p><p>Alex Vazzoler</p><p>90</p><p>superiores sempre que sejam evitadas as perturbações. De todas as formas, quando for</p><p>maior que 3000, a corrente é sempre turbulenta.</p><p>A perda de carga (hf) é expressa em metros equivalentes de coluna do fluido (m.c.f),</p><p>muitas vezes água (m.c.a) pode ser estimada através da equação de Darcy:</p><p>ℎ𝑓 = 𝑓 (</p><p>∑ 𝐿𝑒𝑞𝑖</p><p>𝐷</p><p>+ ∑ 𝐾</p><p>𝑖</p><p>)</p><p>𝑣2</p><p>2𝑔</p><p>(4.5.1.2)</p><p>já a queda de pressão (∆P) expressa em N/m2,</p><p>∆𝑃 = 𝛿𝑔ℎ𝑓 (4.5.1.3)</p><p>em que f é o fator de atrito de Darcy, L é o comprimento equivalente total da tubulação</p><p>e g é a aceleração da gravidade (9,81 m/s2).</p><p>O fator de Darcy pode ser estimado utilizando diversas correlações empíricas da</p><p>literatura, em um artigo recente Bellos et al. (2018) propôs uma correlação geral válida</p><p>para qualquer regime de escoamento em tubulações, descrita pela Equação 4.4 [66]:</p><p>𝑓 = (</p><p>64</p><p>𝑅𝑒</p><p>)</p><p>𝑎</p><p>[0,75𝑙𝑛 (</p><p>𝑅𝑒</p><p>5,37</p><p>)]</p><p>2(𝑎−1)𝑏</p><p>[0,88𝑙𝑛 (6,82</p><p>𝐷</p><p>𝜀</p><p>)]</p><p>2(𝑎−1)(1−𝑏)</p><p>(4.5.1.4𝑎)</p><p>𝑎 =</p><p>1</p><p>1 + (</p><p>𝑅𝑒</p><p>2712)</p><p>8,4 𝑏 =</p><p>1</p><p>1 + (</p><p>𝑅𝑒</p><p>150</p><p>𝐷</p><p>𝜀</p><p>)</p><p>1,8 (4.5.1.4𝑏, 𝑐)</p><p>Admitido-se conhecida a vazão, deve-se determinar a área de seção t0ransversal mínima</p><p>das tubulações para que a perda de carga não exceda um limite razoável, pois de outra</p><p>maneira obrigaria a utilizar um circulador com potência muito grande, com o</p><p>consequente desperdício de energia [63].</p><p>Da mesma forma, se aceita que a velocidade máxima recomendada, com a qual os</p><p>líquidos devem circular, seja de cerca de 1,3 m/s, se o fazem de maneira contínua, e de</p><p>cerca de 2,5 m/s a intervalos, o que impõe também um limite mínimo aos diâmetros dos</p><p>tubos. A perda de carga, de maneira geral, não deve superar os 40 mm c.a. por metro</p><p>linear de tubo. Adota-se usualmente na indústria o diâmetro de ¾” para tubulações com</p><p>água. Salvo exceções como sucção de bombas, em que é usado valores de 1” ou maiores.</p><p>Finalmente, no caso do líquido portador de calor não ser água, mas uma solução de</p><p>etilenoglicol ou propilenoglicol, dever-se-á aplicar outro fator corretor (fc) para calcular</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>91</p><p>as perdas de carga que, em uma primeira aproximação, suporemos igual à raiz quarta</p><p>do quociente entre a viscosidade da solução (𝜇𝑠𝑜𝑙) e a da água (𝜇𝑎𝑔) à temperatura</p><p>considerada, conforme a equação 4.5.5.</p><p>𝑓𝑐 = √</p><p>𝜇𝑠𝑜𝑙</p><p>𝜇𝑎𝑔</p><p>4</p><p>(4.5.1.5)</p><p>b) Bombas de circulação</p><p>As bombas de circulação são aplicadas nos tipos dos sistemas forçados como meio para</p><p>provocar a circulação do líquido do sistema solar.</p><p>Sua localização será, sempre que possível, nas partes frias dos circuitos, para evitar</p><p>deteriorações excessivas. Por exemplo, no circuito primário deve ser posicionada após o</p><p>trocador e antes do coletor.</p><p>Haverá que diferenciar-se as bombas para aplicações em aquecimento (calefação)</p><p>daquelas utilizadas para produção de água quente sanitária (A.Q.S). Em circuitos</p><p>fechados podem ser instalados de calefação, sendo obrigatório utilizar as de água quente</p><p>sanitária quando se trabalhe em circuitos abertos para prevenir a formação de</p><p>incrustações calcárias.</p><p>Apesar desta diferenciação, sempre deverão cumprir uma série de requisitos, tais como:</p><p>- Terão de oferecer uma resistência à corrosão e à sujeira em circulação;</p><p>- Deverão ser projetadas para a pressão máxima do circuito;</p><p>- O rendimento energético será definido pelo sistema de energia solar;</p><p>- Terão de incorporar um sistema de autopurga ou de purga manual do ar;</p><p>- Sistema de descarga (blowndown) para impurezas na água.</p><p>As características das bombas serão definidas no projeto da instalação ou, em todo caso,</p><p>pelo fabricante do equipamento, e no mínimo deverão indicar [65]:</p><p>- Tipo de fluidos a circular;</p><p>- Pressão máxima do circuito;</p><p>- Temperatura máxima de trabalho;</p><p>- Vazão e pressão de impulsão previstas (pressão de surge);</p><p>- Potência de absorção solar (útil).</p><p>Alex Vazzoler</p><p>92</p><p>- Tipo e medida do acoplamento hidráulico da instalação: em linha, rotor, rosca ou</p><p>flanges, etc.</p><p>c) Depósitos de expansão</p><p>As instalações de energia solar térmica devem incluir uma série de elementos</p><p>indispensáveis para o correto funcionamento e controle da instalação. Alguns deles são</p><p>obrigatórios, já que se trata de elementos de segurança, e outros são colocados para</p><p>obter um melhor rendimento e a manutenção da instalação.</p><p>Para permitir a dilatação da água no circuito primário (Figura 4.10), deve-se colocar um</p><p>vaso de expansão com capacidade suficiente.</p><p>Figura 4.10. Gráfico da dilatação da água [54].</p><p>O vaso de expansão pode ser um depósito aberto colocado à máxima altura do circuito,</p><p>ainda que se utilize mais frequentemente um depósito fechado formado por duas partes</p><p>separadas por uma membrana elástica (Figura 4.11). Em uma das referidas partes se</p><p>confina um gás sob pressão, e na outra, fica um espaço livre que a água ocupará uma</p><p>vez colocada no circuito. Quando a água aumentar de volume, a membrana cederá,</p><p>comprimindo o gás. A volume necessário do vaso de expansão depende da vazão total</p><p>do circuito, da temperatura da água, e da pressão com a qual se trabalha [59].</p><p>As instalações em circuito aberto são equipadas com depósitos de expansão abertos.</p><p>Estes vasos consistem em um depósito aberto, isto é, comunicado com a pressão</p><p>atmosférica (respiradouros).</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>93</p><p>Figura 4.11. Depósito de expansão fechado.</p><p>No caso do reservatório não ser fechado, este poderá exercer a função do vaso de</p><p>expansão aberto. As instalações de energia térmica solar tendem a ser efetuadas em um</p><p>circuito fechado, utilizando, portanto, vasos de expansão fechados, que apresentam</p><p>vantagens em relação</p><p>Tu dizer? Já o sei de mais. Não tens o direito de</p><p>juntar uma palavra ao que disseste outrora. Porque vieste incomodar-nos? Bem sabes</p><p>que nos incomodas. Mas, sabes o que acontecerá amanhã? Ignoro quem és e nem quero</p><p>sabê-lo: és Tu ou somente a Sua aparência? Mas amanhã hei-de condenar-Te e serás</p><p>queimado como o pior dos heréticos e o mesmo povo que hoje Te beijava os pés se</p><p>precipitará amanhã, a um sinal meu, para deitar lenha na fogueira. Sabes tudo isso?</p><p>Talvez – diz ainda o velho, pensativo, com os olhos sempre fixos no Preso.</p><p>.......</p><p>......</p><p>......</p><p>Esqueceste que o homem prefere a paz, e até a morte, à liberdade de discernir o Bem e</p><p>o Mal? Nada há de mais sedutor para o homem do que o livre arbítrio, mas nada há</p><p>também de mais doloroso. E, em vez de princípios sólidos que tivessem tranquilizado</p><p>para sempre a consciência humana, escolheste noções vagas, estranhas, enigmáticas,</p><p>tudo o que ultrapassa a força dos homens; agiste, portanto, como se os não amasses,</p><p>Tu, que tinhas vindo para dar a vida por eles! Aumentaste a liberdade humana em lugar</p><p>de a confiscares e impuseste assim, para sempre, ao ser moral as agonias dessa</p><p>liberdade. Querias ser livremente amado, voluntariamente seguido pelos homens que</p><p>tivesses encantado. Em vez da dura lei antiga, o homem devia, daí por diante, discernir,</p><p>de coração livre, o Bem e o Mal, não tendo para o guiar senão a Tua imagem; mas não</p><p>previas que por fim repeliria e contestaria mesmo a Tua imagem e a Tua verdade, porque</p><p>estava esmagado pelo fardo terrível da liberdade de escolher? Hão-de gritar que a</p><p>verdade não estava em Ti; de outro modo, não os terias deixado em tão angustiosa</p><p>incerteza, com tantos cuidados e tantos problemas insolúveis. Preparaste assim a ruína</p><p>do Teu reino; não deves, portanto, acusar ninguém dessa ruína.</p><p>(Fragmentos retirados do conto do Grande Inquisidor)</p><p>(Os Irmãos Karamázov – Dostoievski, Fiodor)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>9</p><p>Índice</p><p>1. Introdução ............................................................................................... 16</p><p>1.1. A energia solar ......................................................................................... 16</p><p>1.2. Radiação e constante solar ........................................................................ 17</p><p>1.3. Energia radiante, fótons e corpos negros ..................................................... 18</p><p>1.4. Espectro solar de emissão ......................................................................... 23</p><p>1.5. Efeitos da atmosfera sobre a irradiação solar ............................................... 26</p><p>1.6. Irradiação sobre uma superfície: absorção, reflexão e transmissão ................. 28</p><p>2. Noções de astronomia e posição solar .......................................................... 30</p><p>2.1. Principais parâmetros na posição relativa entre o sol e a terra ................... 30</p><p>2.1.1. Latitude ............................................................................................. 30</p><p>2.1.2. Declinação solar ................................................................................. 31</p><p>2.1.3. Azimute e altura ................................................................................. 32</p><p>2.1.4. Inclinação .......................................................................................... 33</p><p>2.2. Tempo solar e ângulo horário .................................................................... 33</p><p>2.3. Gráficos Solares ....................................................................................... 35</p><p>2.5. Distância mínima entre painéis e cálculo de sombras .................................... 39</p><p>2.6. Modelos utilizados .................................................................................... 45</p><p>3. Sistemas térmicos e fotovoltaicos .................................................................... 48</p><p>3.1. Energia solar passiva (arquitetura) ............................................................. 48</p><p>3.1.1. Sistemas passivos de aquecimento ....................................................... 50</p><p>3.1.2. Sistemas de ganho direto .................................................................... 50</p><p>3.1.3. Sistemas de ganho indireto .................................................................. 51</p><p>3.1.4. Sistemas de ganho misto ..................................................................... 52</p><p>3.1.5. Outras considerações .......................................................................... 54</p><p>3.2. Energia solar ativa.................................................................................... 57</p><p>3.2.1. Energia solar ativa de baixa temperatura ............................................... 58</p><p>3.2.2. Energia solar ativa de alta temperatura ................................................. 59</p><p>3.3. Processos diretos de conversão elétrica ....................................................... 62</p><p>4. Equipamentos e acessórios ............................................................................. 65</p><p>4.1. Subsistema de captação: o coletor solar de placa plana ................................ 65</p><p>4.2. Elementos constitutivos ............................................................................ 67</p><p>4.2.1. Absorvedor ........................................................................................ 67</p><p>4.2.3. Circuito de fluido ................................................................................ 71</p><p>4.2.4. Isolamento térmico ............................................................................. 72</p><p>Alex Vazzoler</p><p>10</p><p>4.2.5. Caixa de revestimento ou carcaça ......................................................... 73</p><p>4.2.6. Juntas ............................................................................................... 73</p><p>4.3. Estudo energético do coletor de placa plana ................................................ 73</p><p>4.3.1. Balanço energético.............................................................................. 74</p><p>4.3.2. Curva característica ou rendimento de um coletor solar de placa plana (CSPP)</p><p>................................................................................................................. 75</p><p>4.3.3. Fluido térmico para armazenamento de calor ......................................... 77</p><p>4.4. Subsistema de armazenamento de calor: acumuladores ou reservatórios ........ 80</p><p>4.4.1. Acumulador de água quente sanitária (AQS) .......................................... 82</p><p>4.4.2. Trocadores de calor............................................................................. 83</p><p>4.5. Subsistema de distribuição e consumo ........................................................ 87</p><p>4.5.1. Tubulações ........................................................................................ 87</p><p>4.5.2. Válvulas ............................................................................................ 93</p><p>4.5.3. Isolamento ...................................................................................... 101</p><p>4.5.4. Controle .......................................................................................... 102</p><p>4.5.5. Apoio energético ............................................................................... 103</p><p>4.6. Outros elementos ................................................................................... 103</p><p>4.6.1. Termômetros e termostatos ............................................................... 103</p><p>4.6.2. Sensores de temperatura (termostatos) diferenciais.............................. 104</p><p>4.6.3. Manômetros ..................................................................................... 105</p><p>5. Reservatórios de calor .................................................................................. 108</p><p>5.1. Primeiro princípio: Maximizar a captação da energia solar ........................... 108</p><p>5.2.</p><p>aos abertos: podem ser situados em qualquer lugar da instalação,</p><p>não absorvem oxigênio do ar e, portanto, não aumentam a oxidação, e eliminam as</p><p>perdas de líquido portador de calor por evaporação [63].</p><p>4.5.2. Válvulas</p><p>Dentre os diferentes tipos de elementos que atuam em um circuito, pode-se destacar as</p><p>válvulas, como elementos estruturais. Toda as válvulas serão específicas para</p><p>instalações de água quente ou de calefação, e terá as características próprias</p><p>determinadas pelo projetista ou pelo responsável técnico na planta, recomendando pelas</p><p>normas técnicas listadas no Anexo 2 [65]:</p><p>- Temperaturas de trabalho superiores a 110 ºC;</p><p>- Pressão em circuito direto de 10 bar e de 4 bar em circuitos fechados;</p><p>- Válvulas de esfera por corte, esvaziamento, enchimento, purga, isolamento, dentre</p><p>outras;</p><p>- Válvulas de assento para regulação e segurança;</p><p>- Válvulas de retenção.</p><p>A missão destas válvulas pode ser definida em:</p><p>Alex Vazzoler</p><p>94</p><p>- Isolar uma parte do circuito (coletor, trocador, reservatório, bomba, etc.) por avaria</p><p>ou substituição;</p><p>- Regular a vazão de cada coletor ou do sistema, etc;</p><p>- Regular a pressão no momento de encher o circuito (válvulas de enchimento</p><p>automático);</p><p>- Evitar a circulação em um sentido não apropriado (válvulas de retenção).</p><p>Juntamente com as válvulas, outros componentes atuaram sobre o sistema de controle</p><p>dos circuitos primário e secundário (caso os sistemas estejam em separado). Para o</p><p>aquecimento direto, serão os mesmos das instalações de aquecimento de água [65]:</p><p>- Válvulas de segurança de 6 bar em todo produtor de água quente, cada captador,</p><p>grupo ou campo de captadores, acumulador, etc;</p><p>- Válvulas de corte de pressão nominal superior a 6 bar na conexão convencional ao</p><p>circuito de água fria e quente;</p><p>- Válvulas redutoras de pressão para adequar a pressão do fornecimento de água para</p><p>a pressão admissível nos captadores e acumuladores do sistema de energia solar;</p><p>- Filtros para evitar a sujeira nos captadores e trocadores.</p><p>Para o aquecimento indireto, serão comuns nos circuitos primários das instalações de</p><p>calefação, os seguintes pontos:</p><p>- A capacidade do vaso de expansão será a apropriada para um salto térmico mínimo</p><p>(variação de temperatura em relação a temperatura média) de 100 ºC, e suportará a</p><p>pressão da válvula de alívio (a pressão de 6 bar);</p><p>- Membranas e materiais serão empregados para uma temperatura máxima de 100 ºC;</p><p>- Purgadores automáticos serão instalados, no mínimo, em cada coletor, e admitirão</p><p>uma temperatura de 100 ºC e a pressão da válvula de alívio.</p><p>a) Válvulas de alívio</p><p>Estes tipos de válvulas limitam a pressão do circuito no qual serão instaladas. São</p><p>reguladas para uma determinada pressão, e se o circuito a ultrapassa, se abrem para</p><p>deixar escapar parte do líquido e assim manter a pressão preestabelecida. Esta pressão</p><p>de referência deverá ser menor do que a máxima suportada pelo elemento mais frágil</p><p>da instalação, normalmente não superior a 4 atmosferas no primário nem a 8 no</p><p>secundário [63].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>95</p><p>Estas válvulas são de obrigatória aplicação em todas as instalações submetidas à pressão</p><p>e variações de temperatura, segundo a Norma Regulamentadora NR13.</p><p>Na saída destas válvulas de alívio, adiciona-se comumente um funil de desague (dreno)</p><p>que nos permite observar o momento no qual a válvula de alívio fará a descarga do</p><p>líquido.</p><p>b) Válvulas de bloqueio (anti-retorno)</p><p>Este tipo de válvula é colocado no circuito primário para impedir que a água circule em</p><p>sentido contrário ao indicado, ou seja, que entre pela parte inferior dos coletores e saia</p><p>pela parte superior. Este fato poderia provocar perdas térmicas e mal funcionamento de</p><p>alguns dos elementos que compõem a instalação [63].</p><p>Figura 4.12. Válvula anti-retorno de “Chocalho”.</p><p>O tipo de válvula anti-retorno utilizada em energia solar é a denominada de “Chocalho”,</p><p>já que produzem pouca perda de carga. Ao circular-se, o fluido empurra uma comporta,</p><p>que por sua posição, fecha-se imediatamente ao interromper a circulação. A válvula anti-</p><p>retorno é geralmente colocada antes da entrada para o coletor.</p><p>c) Válvulas de purga</p><p>Os purgadores têm como finalidade eliminar o ar existente dentro do circuito, tanto nas</p><p>tubulações como nos coletores, etc., localizando-se nos pontos altos.</p><p>https://sit.trabalho.gov.br/portal/index.php/ctpp-nrs/nr-13?view=default</p><p>Alex Vazzoler</p><p>96</p><p>Este ar tem como consequência a queda do rendimento podendo, inclusive, chegar a</p><p>deixar a instalação inoperante. No traçado das tubulações deverão ser evitados pontos</p><p>altos nos quais possa acumular-se bolhas de ar. Quando isto for inevitável, será</p><p>recomendável colocar um purgador [59].</p><p>Os purgadores poderão ser automáticos ou manuais. No primeiro caso, serão utilizados</p><p>os de tipo flutuador, com corpo e tampa integralmente metálicos. Os manuais, além de</p><p>um recipiente para a acumulação de ar, deverão ser providos de um purgador, análogo</p><p>ao das instalações de radiadores, na parte superior.</p><p>d) Desaerador</p><p>Para assegurar que os gases dissolvidos no líquido sejam evacuados para o exterior pelo</p><p>purgador, é conveniente colocar um elemento denominado desaerador. Coloca-se no</p><p>ponto mais alto da instalação, à saída dos coletores [63].</p><p>Figura 4.13. Desaireador por absorção</p><p>e) Válvulas reguladoras de vazão</p><p>Estas válvulas são colocadas à entrada dos coletores para variar a vazão que passa,</p><p>distribuindo a que provém da tubulação geral de água fria.</p><p>f) Válvulas Termostáticas</p><p>Estas válvulas, não são mais que válvulas misturadoras. São compostas por uma espécie</p><p>de êmbolo, manejável por sua parte superior, que permite regular a temperatura da</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>97</p><p>água que entrará na rede de água quente da casa. Este pequeno elemento permite</p><p>regulações da água entre 45 e 70ºC. Algumas destas válvulas vêm graduadas em</p><p>temperaturas e outras possuem uma escala de níveis com números de 1 a 10. As válvulas</p><p>termostáticas previnem consumos desnecessários de água enquanto se regula a</p><p>temperatura para cada utilização [54].</p><p>g) Válvula de passagem (ou controle)</p><p>São os elementos encarregados de interromper total ou parcialmente a passagem do</p><p>fluido pelas tubulações [42].</p><p>As válvulas de fechamento total são utilizadas para separar uma parte da instalação ou</p><p>isolá-la do serviço, enquanto que as de fechamento parcial servem para produzir uma</p><p>perda de carga adicional no circuito, com a intenção de regular a vazão ou equilibrar a</p><p>instalação.</p><p>A entrada e saída da válvula se denominam via, e o elemento que se interpõe na</p><p>passagem do fluido, obturador. De acordo com a figura 4.14, as válvulas contêm os</p><p>seguintes elementos:</p><p>Figura 4.14. Válvula de passagem.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>98</p><p>- Roda: É a parte da válvula que move o eixo para que se abra ou feche. Usualmente</p><p>são de roda, alavanca, roquete, etc;</p><p>- Eixo: Formado por um espargo que faz descer ou subir o obturador mediante um</p><p>mecanismo de parafuso ou rosca;</p><p>- Corpo da válvula: Constitui a parte exterior da válvula, e serve como elemento de</p><p>conexão com a tubulação. As conexões podem ser rosqueadas, flangeadas ou soldadas.</p><p>Para diâmetros não superiores a 21/ 2", costumam ser rosqueadas e, para superiores,</p><p>flangeadas;</p><p>- Tampa: Parte da válvula que fecha o corpo com o exterior, deixando passar o espargo;</p><p>- Reboque: Espaço que aloja a embalagem. Sua missão é fazer um estancamento</p><p>perfeito ao redor do reboque e do eixo, para evitar fugas de líquido.</p><p>Cada função específica dentro da instalação exige um determinado tipo de válvula,</p><p>dentre as quais destacam-se:</p><p>- Válvulas de assento: Neste tipo de válvulas, o elemento obturador é um disco que pode</p><p>adotar diferentes formas, fechando-se sobre um assento;</p><p>Nestes dispositivos, o fluido muda de direção, vendo-se obrigado a passar entre o</p><p>assento e o obturador, o que provoca importantes perdas de carga. São utilizados na</p><p>regulação da vazão;</p><p>- Válvulas de comporta: Este tipo de válvula é utilizado como um órgão de fechamento</p><p>e nunca como um elemento de regulação do fluido portador de calor, já que poderia</p><p>produzir vibrações na cunha (a seção da válvula é mostrada na Figura 4.15).</p><p>O elemento obturador pode ser uma cunha com forma maciça, vazia, flexível ou dupla.</p><p>- Válvulas borboleta: Neste tipo de válvula, o disco ou borboleta que faz às vezes de</p><p>obturador gira com o eixo. Provocam pouca perda de carga;</p><p>- Válvulas esfera: Constam do mesmo mecanismo de fechamento que as válvulas de</p><p>esvaziamento, com a diferença de que o assento do corpo é uma junta de plástico,</p><p>geralmente de teflon. Seu elemento obturador é uma bola de aço inoxidável. O orifício</p><p>da bola tem o mesmo diâmetro que a tubulação na qual é colocada, com o que sua perda</p><p>de carga é mínima quando estão abertas.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>99</p><p>Figura 4.15. Seção da válvula de comporta.</p><p>Os materiais utilizados nas válvulas são de ferro fundido, aço, bronze e latão. Um fator</p><p>importante a ter em conta na escolha de qualquer tipo de válvula é a pressão nominal</p><p>ou pressão máxima à qual pode trabalhar de maneira contínua sem sofrer nenhum tipo</p><p>de deterioração.</p><p>Figura 4.16. Válvula esfera.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>100</p><p>h) Válvula de descarga (esvaziamento ou blowdown)</p><p>Em algumas ocasiões, para operações de manutenção ou reposição de algum elemento</p><p>estragado da instalação, é necessário esvaziar o circuito, seja o primário ou o secundário.</p><p>Para consegui-lo com rapidez e comodidade, é preciso colocar na parte inferior dos</p><p>circuitos uma chave de passagem conhecida com o nome de válvula de esvaziamento.</p><p>Este tipo de válvulas apresenta uma grande estanqueidade ao fluxo. Seu elemento</p><p>obturador é um cilindro ou cone maciço provido de uma perfuração através da qual passa</p><p>o fluido. Com um giro de 90º se produz o fechamento total da válvula.</p><p>Para evitar sua abertura acidental, habitualmente se troca o volante por um parafuso</p><p>quadrado, de maneira que seja necessário utilizar uma chave adequada, inglesa ou</p><p>alicates, para abri-la ou fechá-la.</p><p>Figura 4.17. Seção de uma válvula de esvaziamento.</p><p>i) Válvulas de 3 e 4 vias</p><p>O desenho de uma instalação pode tornar necessária a circulação de fluidos por vias</p><p>alternativas. Para consegui-lo de maneira automática, são utilizadas as denominadas</p><p>válvulas de 3 e 4 vias.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>101</p><p>Nas instalações que nos ocupam, este tipo de válvulas é colocado quase sempre</p><p>automatizada, de maneira que um sinal elétrico, geralmente procedente de um</p><p>termostato, ativa o servomotor, abrindo e fechando as vias correspondentes. É</p><p>praticamente obrigatório o uso de uma válvula de três vias para conseguir um ótimo</p><p>funcionamento nas instalações de A.Q.S. com interacumulador (reservatório).</p><p>4.5.3. Isolamento</p><p>Com o objetivo de eliminar as perdas de energia no sistema de captação solar,há que</p><p>colocar isolamentos adequados em todos os componentes do sistema [63].</p><p>Como instalação de características especiais, os materiais terão:</p><p>- Um coeficiente de condutividade térmica máximo de 0,040 kcal/m·h ºC;</p><p>- Uma resistência à temperatura compreendida entre -35 e 130 ºC;</p><p>- A capacidade de permitir a dilatação das tubulações;</p><p>- A característica de evitar as pontes térmicas com as fixações.</p><p>Para os isolamentos no exterior:</p><p>- Celas fechadas, pouca absorção de água e resistência à umidade;</p><p>- Inalterabilidade aos agentes atmosféricos e ausência de formação de fungos;</p><p>- Resistência à radiação solar, do mesmo material isolante ou com um recobrimento</p><p>adequado;</p><p>- Uma perfeita vedação das passagens para o exterior.</p><p>O isolamento de todo o circuito primário não deve permitir perdas superiores a 5% da</p><p>energia captada. Da mesma forma, serão convenientemente isolados todos os elementos</p><p>do circuito. As características mínimas que devem ser especificadas são:</p><p>- Coeficiente de condutividade térmica;</p><p>- Margem de temperaturas admissíveis;</p><p>- Coeficiente de absorção de água;</p><p>- Espessura da parede do vaso e de isolamento;</p><p>- Características e sistema de cobertura para proteção no exterior.</p><p>Os principais isolamentos para tubulações de água quente a baixa temperatura são: A</p><p>espuma elastomérica e a fibra de vidro. Com respeito ao dimensionamento da espessura</p><p>necessária de isolante, o problema volta a ser econômico: maiores espessuras implicam</p><p>em maiores custos com isolamento, menores espessuras implicam em perdas de calor</p><p>Alex Vazzoler</p><p>102</p><p>ao ambiente. A Tabela 4.3 indica algumas especificações apontadas pela norma ASME B</p><p>31.1 (Power piping). Para materiais com um coeficiente de condutividade de 0,040</p><p>W/mºC, a Tabela 4.3 lista os valores de espessura para as tubulações, aos quais deve-</p><p>se adicionar 10 mm em caso de intempéries (locais expostos ao ambiente externo).</p><p>Tabela 4.3. Espessuras de isolante em locais interiores para um coeficiente de condutividade</p><p>de 0,040 W/m ºC [58].</p><p>Diâmetro da tubulação (mm) Espessura de isolamento (mm)</p><p>Aço mominal Exterior de cobre 𝝀 = 0,04 W/m2 oC</p><p>D ≤ 32 D ≤ 36 20 500𝝀</p><p>32 ≤ D ≤ 50 36 ≤ D ≤ 50 20 500𝝀</p><p>50 ≤ D ≤ 80 50 ≤ D ≤ 80 30 750𝝀</p><p>80 ≤ D ≤ 125 80 ≤ D ≤ 125 30 750𝝀</p><p>D > 125 D > 125 40 1000𝝀</p><p>4.5.4. Controle</p><p>A sofisticação dos distintos sistemas de controle e gestão das instalações solares</p><p>térmicas varia significativamente. Os mais simples são providos unicamente de um</p><p>sensor de temperatura no reservatório, que ativa ou desativa o fornecimento energético</p><p>de apoio, em função da temperatura.</p><p>Os equipamentos mais complexos contam com sensores de temperatura em vários</p><p>pontos do circuito, com controles automatizados e informação do estado geral das</p><p>instalações, para fazer funcionar as distintas bombas e válvulas existentes, tendo, além</p><p>disso, a possibilidade de gerenciar a instalação a distância ou de fornecer informação</p><p>sobre a situação dos distintos elementos em estações afastadas [67].</p><p>A princípio, é recomendável que os equipamentos de controle sejam os mais simples</p><p>possíveis, sempre contando com um grau de automatização suficiente para evitar a</p><p>supervisão constante por parte da operação. A presença de um ou mais sensores de</p><p>temperatura no reservatório permite conhecer a temperatura e a quantidade de água</p><p>existente (ao medir-se o nível, ou a vazão). Outro controle importante é um sensor de</p><p>temperatura na saída dos coletores, que associado ao sensor da temperatura no</p><p>acumulador (reservatório), pode pôr em funcionamento ou não as bombas.</p><p>Existem também sistemas de controle capazes de analisar diferentes situações relativas</p><p>à instalação, tais como sensores de pressão, sistemas de prevenção de</p><p>superaquecimento, alarmes por mal funcionamento, etc.</p><p>https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31-1-power-piping</p><p>https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31-1-power-piping</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>103</p><p>4.5.5. Apoio energético</p><p>Para prevenir as possíveis faltas derivadas da ausência de incidência solar, quase a</p><p>totalidade dos sistemas de energia solar térmica contam com um apoio baseado em</p><p>energias convencionais. A forma deste apoio é muito variável, ainda que em geral seja</p><p>recomendável que se encontre vinculado por meio de um sistema de controle à</p><p>instalação solar [68].</p><p>Alguns sistemas de apoio são:</p><p>- Elétricos: Sobretudo para equipamentos pequenos, nos quais a energia é fornecida</p><p>dentro do acumulador por meio de uma resistência.</p><p>- Caldeiras a gás ou gasóleo: Este tipo de apoio, segundo o projeto da instalação, pode</p><p>provir das instalações preexistentes ou também ser realizado de modo simultâneo à</p><p>instalação solar. Em todo caso, e dependendo das demandas a satisfazer, é possível</p><p>empregar sistemas de aquecimento instantâneo providos</p><p>de acumulador independente</p><p>ou com outros intermediários.</p><p>4.6. Outros elementos</p><p>4.6.1. Termômetros e termostatos</p><p>Tanto para conhecer o funcionamento real de nossa instalação, isto é, se cumpre ou não</p><p>com aquilo especificado, quanto para facilitar sua regulação, é necessário conhecer a</p><p>temperatura da água em circulação. Para esta função, conta-se com a ajuda dos</p><p>termômetros. Os tipos mais utilizados que podem ser encontrados no mercado sãos os</p><p>de contato e os de imersão; os primeiros são muito mais simples de colocar, no entanto,</p><p>os últimos, são mais precisos.</p><p>O termômetro de contato é montado sobre uma braçadeira fixada na tubulação por onde</p><p>circula a água quente. Este arranjo faz com que a união térmica não seja muito boa e</p><p>que inclusive seja afetado por fluxos de ar, motivo pelo qual se recomenda localizá-los</p><p>em interiores ou zonas protegidas [68].</p><p>Por outro lado, os termômetros de imersão são introduzidos no fluido através de uma</p><p>bainha. Ao aumentar-se o contato, também é melhorada a medição. É ideal para</p><p>depósitos, mas por outro lado, requerem um mínimo de espaço devido ao comprimento</p><p>Alex Vazzoler</p><p>104</p><p>da bainha, de 5 ou 10 cm. Além disso, significa um aumento das perdas de carga, já que</p><p>é interposto na passagem do fluido [60].</p><p>A correta regulação da temperatura dos fluidos, a partir das medições dos termômetros</p><p>e demais sensores de temperatura da instalação, é um fator estrutural na segurança do</p><p>sistema de aquecimento solar. Os sensores de temperatura podem ser de contato ou de</p><p>imersão; estes aparelhos transformam a medida da temperatura em um sinal elétrico,</p><p>conforme o tipo: Termômetro, termopar, RTDs, bimetálicos, dentre outros [67].</p><p>Uma sofisticação a mais é a que nos leva aos termostatos diferenciais, que basicamente</p><p>funcionam medindo temperaturas em dois pontos diferentes da instalação (saída de</p><p>coletores e acumuladores, por exemplo), comparando-as continuamente e enviando um</p><p>sinal, ou outro, em função da sua diferença.</p><p>Através destes termostatos podemos controlar a bomba do circuito primário para que</p><p>apenas atue quando realmente o Sol forneça energia suficiente aos coletores, evitando</p><p>assim, as perdas de calor quando a bomba funcionar sem fornecimento solar.</p><p>Os termostatos para uso solar costumam visualizar as diferentes temperaturas de forma</p><p>digital e permitem regular a margem de funcionamento para adeque-o às condições de</p><p>cada instalação.</p><p>4.6.2. Sensores de temperatura (termostatos) diferenciais</p><p>O circuito de bombeamento deve apenas atuar quando os coletores puderem fornecer</p><p>ao acumulador um ganho útil, e deter-se quando não houver captação, ou seja, tão fraca</p><p>que não produza ganhos líquidos, ou inclusive quando venha a se produzir uma perda.</p><p>Isto é obtido com o denominado termostato diferencial (T.D.) e com as sensores de</p><p>temperatura das quais é composto [60].</p><p>O mecanismo de controle é o seguinte: Um dos sensores, que não é mais que um</p><p>termoresistor, isto é, um mecanismo que envia um sinal elétrico que varia com a</p><p>temperatura, é colocado na saída do coletor de placa plana, na parte alta, e conectada</p><p>ao medidor de diferença de temperatura (T.D.) (Figura 4.18). O outro sensor ou</p><p>termistor, que também é conectada ao T.D., é colocada na parte inferior do acumulador.</p><p>Uma última conexão é estabelecida entre o T.D. e a bomba de circulação.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>105</p><p>Um detalhe importante é que a fiação que une os diferentes elementos não tenha</p><p>emendas, ou seja, que as conexões sejam feitas com solda de estanho para que o</p><p>contato elétrico seja perfeito [60].</p><p>Os sensores podem ser de imersão ou de contato. As primeiras são introduzidas no</p><p>coletor ou no acumulador com a ajuda de uma bainha, e as outras são sujeitas a um</p><p>estreito contato com a parte exterior de ambos os elementos. As de imersão são</p><p>preferíveis, já que são mais precisas e seguras.</p><p>A missão do T.D. é comparar a temperatura de saída do coletor e do acumulador, de</p><p>maneira que quando há uma diferença entre estas, favorável aos coletores, a bomba é</p><p>ligada, iniciando-se o processo de acumulação de energia. Os T.D. de qualidade que</p><p>atualmente são encontrados no mercado permitem selecionar a diferença de</p><p>temperatura entre reservatório e placa desejada, que oscila geralmente dos 3 ºC aos 20</p><p>ºC.</p><p>Figura 4.18. O termostato diferencial.</p><p>4.6.3. Manômetros</p><p>São aparelhos que servem para a medição do valor da pressão no interior de uma</p><p>tubulação ou reservatório. O manômetro mede a pressão geralmente em kgf/cm2.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>106</p><p>Figura 4.19. Manômetro.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>107</p><p>Reservatórios de</p><p>calor</p><p>5</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Alex Vazzoler</p><p>108</p><p>5. Reservatórios de calor</p><p>5.1. Primeiro princípio: Maximizar a captação da energia solar</p><p>Alguns projetistas pensam erroneamente assumem que se a superfície coletora estiver</p><p>bem dimensionada e a inclinação for adequada, será obtida automaticamente a máxima</p><p>captação de energia solar.</p><p>Evidentemente, será necessário dispor do número suficiente de coletores para poder</p><p>captar a energia necessária e, ao mesmo tempo, deve ser escolhida a inclinação ideal</p><p>para aproveitar a máxima quantidade de energia solar disponível em cada mês; no</p><p>entanto, é necessário regular a captação desta energia para que realmente seja</p><p>convertida em energia útil [1].</p><p>Portanto, é necessário medir e comparar permanentemente os níveis de temperatura</p><p>nos coletores e no acumulador, dispondo dos mecanismos automáticos necessários para</p><p>que no circuito primário se estabeleça, ou não, a circulação do fluido, em função da</p><p>possibilidade de conseguir um incremento líquido de energia útil acumulada.</p><p>O conceito de regulação diferencial é absolutamente indispensável, sendo excluídos</p><p>sistemas que somente disponham de um simples termostato que prefixa uma</p><p>determinada temperatura no coletor ou no armazenamento, utilizando-a como um único</p><p>parâmetro para determinar ou não o funcionamento da bomba de circulação.</p><p>5.2. Segundo princípio: priorizar o consumo de energia solar</p><p>Dado que a captação de energia solar é gratuita e a convencional (suporte) não, seria</p><p>ideal que o consumo basea-se exclusivamente na primeira, e unicamente nos casos em</p><p>que esta estivesse completamente esgotada, recorreria-se à energia de suporte.</p><p>Evidentemente, esta ideal situação não pode ser obtida na prática, pelo fato de que os</p><p>períodos de consumo dificilmente coincidirão com os de captação.</p><p>Em todo caso, o projeto do sistema de armazenamento deve ser tal que favoreça o uso</p><p>prioritário da energia solar frente à auxiliar, e nunca ao contrário. Este objetivo é mais</p><p>difícil de alcançar no caso de um único acumulador.</p><p>Quando exista, como é frequente, uma resistência elétrica controlada por um termostato</p><p>que faça sua função quando a temperatura da água acumulada seja inferior a certo valor,</p><p>este aquecimento deverá ser graduado para a temperatura mais baixa possível</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>109</p><p>compatível com o consumo. Com a intenção de assegurar-se que a energia de suporte</p><p>somente entrará em ação, apenas quando faltar energia solar acumulada.</p><p>5.3. Terceiro princípio: garantir a complementaridade entre a energia solar e as</p><p>fontes convencionais</p><p>Esta terceira regra é consequência direta da segunda e, em menor grau, também da</p><p>primeira. No caso particular da produção de água quente sanitária (A.Q.S.), o primeiro</p><p>e o segundo princípio conduzem ao preaquecimento de toda a água que será</p><p>posteriormente consumida. O nível de temperatura alcançado é com frequência inferior</p><p>ao desejado. A complementaridade ideal consistiria em alcançar tal nível, para</p><p>posteriormente acrescentar a quantidade de energia auxiliar estritamente necessária,</p><p>para conseguir a temperatura</p><p>ideal aceitável pelo uso.</p><p>Na realização prática do exposto anteriormente podem ser apresentados dois casos:</p><p>produção instantânea da energia de suporte e produção de energia de suporte em um</p><p>acumulador independente.</p><p>5.3.1. Produção instantânea de energia de suporte</p><p>Por definição, neste sistema de produção, o gerador de energia de suporte deve fornecer</p><p>a potência necessária, variável em função da temperatura obtida no preaquecimento</p><p>solar. Neste caso, deve-se situar o gerador instantâneo de energia de suporte à saída do</p><p>acumulador solar, tal e como mostrado na figura 5.1 [59].</p><p>Este sistema é muito prático e recomendável para moradias no caso de serem utilizados</p><p>aquecedores instantâneos de gás de tipo doméstico, mas sob uma condição - e isto é</p><p>muito importante - que a chama de gás (e, portanto sua potência) seja regulada</p><p>automaticamente em função da temperatura, pois se for utilizada em caldeiras de gás</p><p>corrente, de chama constante, e se ocorrer a situação da temperatura de entrada da</p><p>água aquecida pelo equipamento solar for já bastante alta, pode originar uma</p><p>temperatura de saída excessiva, com perigo inclusive de ebulição. Atualmente, existe no</p><p>mercado caldeiras instantâneas que regulam de maneira automática a potência fornecida</p><p>em função da temperatura da água, proporcionando a esta uma temperatura final</p><p>constante predeterminada. São mais caras que as correntes, mas sua utilização em</p><p>sistemas de energia solar é muito vantajosa [67].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>110</p><p>Figura 5.1. Esquema de um sistema com energia de suporte.</p><p>5.3.2. Produção de energia de suporte em um acumulador independente</p><p>Este acumulador, geralmente bem menor que o principal, estará situado entre este e os</p><p>pontos de consumo, com a temperatura de armazenamento da água superior à própria</p><p>temperatura de uso, para poder misturá-la com a procedente diretamente do grupo solar</p><p>(em geral, mais fria), obtendo a desejada temperatura final de uso (ver Figura 5.2).</p><p>Figura 5.2. Esquema com energia de suporte I.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>111</p><p>Utiliza-se uma válvula termostática, que se encarrega automaticamente de misturar a</p><p>água solar pré-aquecida com a do acumulador auxiliar [69]. Na Figura 5.3 é apresentado</p><p>um circuito com energia de suporte.</p><p>Figura 5.3. Esquema com energia de suporte II.</p><p>5.4. Quarto princípio: não misturar a energia de procedência solar com a</p><p>convencional</p><p>Se os três princípios são totalmente respeitados, então é quase sempre possível cumprir</p><p>também o quarto. Por não misturar ambas as energias, entende-se evitar juntar (Figura</p><p>5.4a), ou fazê-lo o mínimo possível, a água pré-aquecida pelos coletores com aquela</p><p>aquecida através da energia auxiliar [70].</p><p>Evidentemente, um acumulador único que armazene a energia solar e a de suporte em</p><p>um mesmo volume tem um alto risco de mistura. É conveniente, ao menos, ter presentes</p><p>as precauções representadas na Figura 5.4b, como o uso de chicanas, apesar da solução</p><p>não proporcionar resultados perfeitos.</p><p>Além da coexistência funcional entre os armazenamentos solar e convencionais, existem</p><p>outros fatores capazes de destruir a separação térmica em um sistema, como:</p><p>Alex Vazzoler</p><p>112</p><p>Figura 5.4. Separação entre acumuladores.</p><p>- Efeitos parasitas por termosifão: estes podem provocar a comunicação entre os</p><p>acumuladores (reservatórios) solar e de suporte, levando a água mais quente deste</p><p>último para o primeiro. Este defeito é difícil de detectar. Para evitá-lo, deve-se dispor de</p><p>válvulas anti-retorno, ou colocar o acumulador de suporte a um nível superior ao solar</p><p>[69].</p><p>- Circuitos de recirculação: A recirculação consiste, como já afirmado, em fazer circular</p><p>constantemente por uma tubulação (denominada de retorno) a A.Q.S. do ponto de</p><p>serviço mais afastado até o tanque de armazenamento e vice-versa. Com o objetivo de</p><p>manter sempre quente a água da tubulação de distribuição, de maneira que ao abrir-se</p><p>uma torneira se possa ser obtida instantaneamente a água à temperatura adequada,</p><p>sem ter que esperar para que esta chegue do acumulador, deslocando-se a água contida</p><p>na tubulação até a torneira.</p><p>Esta disposição é quase obrigatória nas grandes instalações, por estas terem grandes</p><p>trechos de tubulação a serem percorridos entre reservatório e ponto de consumo de</p><p>A.Q.S. Caso seja mal projetado, pode haver uma quebra do equilíbrio térmico e</p><p>consequentemente mal aproveitamento energético (trajetória 1 da figura 5.5).</p><p>Chicanas</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>113</p><p>Figura 5.5. Disposição com circuito de retorno.</p><p>Alguns erros no projeto de terrmorregulação podem ser observados na figura 5.6.</p><p>Figura 5.6. Projeto errôneo da regulação.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>114</p><p>Na Figura 5.6 pode-se observar um projeto completamente errôneo, que conduz a um</p><p>mal comportamento da termorregulação, com aumento da temperatura de todo o</p><p>sistema, incluindo-se os coletores durante a noite.</p><p>5.5. Conclusões</p><p>Ao respeitar-se aos quatro princípios anteriores, poderá ser obtido um alto rendimento.</p><p>Apesar de que às vezes, seja recomendável ignorar algum destes princípios para</p><p>baratear custos. Por exemplo, no caso de instalações pequenas como moradias</p><p>unifamiliares.</p><p>O sistema de distribuição da água quente sanitária condicionará o resultado final de</p><p>economia e conforto. Independentemente de cumprir a regulamentação vigente,</p><p>recomenda-se [71]:</p><p>- Evitar as recirculações;</p><p>- Aproximar ao máximo o reservatório dos locais de consumo;</p><p>- Diminuir-se a vazão das tubulações de distribuição ao mínimo necessário;</p><p>- Regular ao mínimo a temperatura de distribuição desde o início;</p><p>- Com recirculação, assegurar o isolamento térmico das tubulações.</p><p>Em conjuntos residenciais (moradias coletivas), é preferível não centralizar os sistemas</p><p>de acumulação e de suporte, com o fim de melhorar o rendimento energético e as</p><p>condições de conforto do sistema de água quente.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>115</p><p>Água quente</p><p>sanitária (A.Q.S)</p><p>6</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Alex Vazzoler</p><p>116</p><p>6. Água quente sanitária</p><p>É fundamental, antes de proceder ao início de um projeto, conhecer as necessidades</p><p>energéticas do mesmo, em função dos consumos previstos.</p><p>Deve-se ter como objetivo, a maior uniformidade possível das temperaturas de</p><p>distribuição de água quente sanitária (A.Q.S.). As distâncias entre os coletores,</p><p>reservatórios (acumuladores) e pontos de consumo.</p><p>6.1. Estudo das necessidades a cobrir: Folha de carga</p><p>Neste sentido, na hora de definir as necessidades de consumo de A.Q.S., há que fazer</p><p>um prévio balanço energético, definindo-se as aplicações, os níveis de temperatura a</p><p>alcançar, e a quantidade e fonte de energia previsíveis.</p><p>Para calcular-se o nível de cobertura solar, será necessário definir os dados</p><p>climatológicos e de radiação solar de partida, normalmente os locais ou do lugar mais</p><p>próximo ou equivalentes. Há que descrever e justificar o sistema de cálculo utilizado,</p><p>por consolidar a viabilidade técnica e segurança ao cliente/usuário.</p><p>O nível de cobertura solar mais alto geralmente não é o mais conveniente sequer o mais</p><p>rentável. O nível de cobertura ideal dependerá das aplicações, do tipo de energia a ser</p><p>substituída, da regularidade do consumo, etc.</p><p>O cliente/usuário há de ter a informação clara do que representa o nível de cobertura,</p><p>já que não se trata de alcançar algumas temperaturas ou uma autonomia completa sem</p><p>outras formas de energia, mas uma quantidade de energia expressa em porcentagem</p><p>das necessidades a cobrir. Antes de tomar uma decisão, há que ter em conta o âmbito</p><p>de aplicação da energia solar de baixa temperatura, que basicamente é classificada em</p><p>[63]:</p><p>i. Produção de água quente de uso sanitário em:</p><p>- Setor residencial, moradias individuais e coletividades;</p><p>- Setor sanitário, hospitais e residências, etc;</p><p>- Setor turístico, restaurantes, hotéis, campings, etc;</p><p>- Instalações esportivas, poliesportivas, piscinas, campos de esporte, ginásios, etc.</p><p>ii. Produção de água quente de uso sanitário em geral.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>117</p><p>Há, ainda, outra possível aplicação, mas, até agora, ao efetuar uma instalação solar para</p><p>este uso, pode-se considerá-la como um caso excepcional.</p><p>iii. Calefação a baixa temperatura com líquido térmico em:</p><p>- Sistemas de solo radiante;</p><p>- Sistemas de aquecimento a ar;</p><p>- Sistemas de radiadores;</p><p>- Sistemas com intercâmbio líquido-líquido (piscinas, etc.).</p><p>Em consonância com a classificação anterior, deverá ser feita a distinção entre demanda</p><p>de água quente sanitária (A.Q.S.) ou de calefação.</p><p>6.1.1. Demanda de água quente</p><p>As necessidades de água quente serão determinadas tendo em conta os seguintes</p><p>critérios por ordem de importância [65]:</p><p>- Temperatura média mensal da água fria;</p><p>- Temperatura de uso;</p><p>- Consumo médio diário a esta temperatura;</p><p>- Variações mensais de consumo;</p><p>- Outras variações de consumo, variações horárias, semanais ou de temporada.</p><p>O cálculo de necessidades será realizado no mínimo por períodos mensais e anuais. Desta</p><p>maneira, os resultados serão apresentados em forma de tabela de consumos de A.Q.S.</p><p>para os respectivos períodos.</p><p>Contudo, em casos excepcionais, os consumos típicos de A.Q.S. se adaptam a algumas</p><p>medidas mais ou menos aceitas na prática diária. No consumo doméstico costuma-se</p><p>considerar um nível que oscila entre os 35 e 60 litros de água quente a 40ºC por pessoa</p><p>e por dia, dependendo dos hábitos.</p><p>A temperatura de consumo costuma ser de 40ºC, ainda que no acumulador, a água</p><p>possa estar acima deste valor, chegando inclusive aos 60-65ºC em dias de forte</p><p>insolação, o que obriga a sua mistura com água fria.</p><p>Sempre deve-se considerar as maiores perdas térmicas ao operar-se com uma maior</p><p>temperatura de aquecimento.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>118</p><p>Uma das causas do pouco aproveitamento de água quente é o tempo que o usuário leva</p><p>para conseguir a temperatura desejada, misturando água fria e quente,</p><p>aproximadamente 2 e 7 litros. Com o objetivo de minimizar esta quantidade de água</p><p>quente, desperdiçada inutilmente, é aconselhável utilizar misturadores termostáticos. A</p><p>tabela 6.1 proporciona os consumos típicos de cada utilização [63].</p><p>Tabela 6.1. Consumos aproximados de A.Q.S. para diferentes utilizações cotidianas [58].</p><p>Aparatos Consumo (litros/unidade.dia)</p><p>Usuário 50</p><p>Máquina de lavar (lavadora) 20 a 40</p><p>Lava-louças 20 a 40</p><p>Lavar mãos 2 a 4</p><p>Chuveiro (ducha) 30 a 40</p><p>Bidê 5 a 7 litros/descarga</p><p>Banheira 80 a 120 litros</p><p>Para os cálculos a seguir, sempre aproximados, será utilizada uma regra de cálculo</p><p>baseada nos hábitos do cidadão médio de nossa sociedade: a de definir-se um consumo</p><p>aproximado de 50 litros por pessoa por dia. A quantidade de energia média mensal que</p><p>necessitaremos captar para produzir a água quente que temos previsto consumir, a</p><p>calcularemos aplicando a seguinte fórmula [59]:</p><p>𝑞𝑎 = �̇�𝑐𝑝(𝑇𝑐 − 𝑇𝑟) ≈ 4,187𝐶𝑛(𝑇𝑐 − 𝑇𝑟) (6.1.1.1)</p><p>em que qa é a energia calorífica média mensal (KJ/mês), �̇� é a vazão mássica (kg/mês),</p><p>𝑐𝑝 é o calor específico da água (kJ/kg oC), C é o consumo de A.Q.S. para o dia médio do</p><p>mês em consideração (kg/dia), n é o nº de dias do mês em consideração; Tc é a</p><p>temperatura escolhida para a A.Q.S. de consumo e Tr é a temperatura da água fria para</p><p>o dia médio de cada mês.</p><p>Para conhecer a temperatura da água da rede de distribuição pode-se optar por medi-la</p><p>diretamente, ou ainda por buscar o valor correspondente à respectiva localidade em</p><p>tabelas; não obstante, este valor varia muito em função da altitude do lugar e da</p><p>estrutura municipal da rede. Um valor típico é 3 graus de celsius abaixo da temperatura</p><p>média do dia referido [25].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>119</p><p>6.1.2. Necessidades de calefação</p><p>Serão detalhados os tipos de calefação a serem alimentados com energia solar, tendo</p><p>especial cuidado em determinar as temperaturas de trabalho nominais. Para o cálculo</p><p>das necessidades, deverão ser considerados os seguintes dados [47]:</p><p>- Sistema de calefação e temperaturas nominais de trabalho;</p><p>- Graus dia de calefação (caso se trate de calefação de locais);</p><p>- Demanda térmica necessária.</p><p>As necessidades de calefação deverão ser apresentadas em forma de tabela mensal e</p><p>anual, com o fim de estabelecer, juntamente com a demanda de A.Q.S., as necessidades</p><p>totais para os respectivos períodos de tempo.</p><p>6.2. Escolha do sistema</p><p>A partir da definição das aplicações, quantificado-se as necessidades a cobrir, e a fonte</p><p>de energia de suporte convencional ou não, deve-se escolher o tipo e selecionar o</p><p>sistema da instalação. Neste sentido, influem variáveis tanto de ordem técnica como</p><p>econômica</p><p>As limitações econômicas são as mais influentes na hora de elaborar uma instalação, já</p><p>que estas são projetadas para obter uma dada rentabilidade. O sistema é o conjunto de</p><p>equipamentos e instalações que determinarão a maneira de captar, transportar e</p><p>armazenar a energia solar para sua utilização. É condicionado principalmente pelos</p><p>seguintes fatores [47]:</p><p>- Características próprias do lugar;</p><p>- A aplicação para a qual é destinada;</p><p>- Dimensão da instalação;</p><p>- O lugar de colocação do campo e dos elementos da instalação;</p><p>- A possibilidade de geadas.</p><p>6.3. Sistemas de produção de água quente sanitária (A.Q.S.)</p><p>As instalações para a produção de água quente sanitária, em geral, podem ser</p><p>classificadas em:</p><p>- Circuito aberto ou direto;</p><p>Alex Vazzoler</p><p>120</p><p>- Circuito fechado ou indireto.</p><p>No caso da circulação aberta, a água que circula pelos coletores é utilizada diretamente</p><p>para o consumo. Não dispõe de trocador e seu uso é condicionado fundamentalmente</p><p>pela qualidade da água e pelo tipo de coletor. Em qualquer caso, é conveniente que se</p><p>incorpore um equipamento de tratamento da água [59].</p><p>Exceto por alguns fabricantes, coletores solares com circuitos primários e secundário</p><p>com água, não são utilizados em zonas climáticas com geadas, e quando estas se</p><p>produzem, o problema é resolvido esvaziando-se a instalação [9].</p><p>Para estes sistemas é muito importante que a distância entre a produção e o ponto de</p><p>consumo seja mínima, para evitar perdas de calor ao ambiente no trajeto. O diâmetro</p><p>das tubulações determinará o tempo de transporte da A.Q.S. até a sua chegada ao ponto</p><p>de consumo. Com a vazão volumétrica constante, o diâmetro definirá a velocidade e</p><p>consequentemente o tempo de transpórte. Todavia, o valor mais comum de diâmetro é</p><p>de ¾”.</p><p>Outra classificação das instalações de água quente sanitária se baseia na distinção do</p><p>circuito ser um termossifão ou ter circulação forçada.</p><p>6.3.1. Circuito por termossifão</p><p>Fundamenta-se no aproveitamento das correntes de convecção. Efetivamente, a água,</p><p>ao aquecer-se, possui uma densidade menor, motivo pelo qual é produzida uma</p><p>estratificação de acordo com os níveis de temperatura. Portanto, nestes casos, o depósito</p><p>de acumulação (reservatório) deve estar situado a uma cota (altura) mais alta que os</p><p>coletores.</p><p>Este circuito possui a grande vantagem de sua simplicidade, por não necessitar de bomba</p><p>de circulação ou de malhas de controle de temperatura (termosensores). É</p><p>comercializado em equipamentos compactos, incluindo o sistema coletor, reservatório,</p><p>de segurança, de expansão, etc., em um só módulo. Assim, sua instalação é muito mais</p><p>simples e econômica do que uma instalação forçada, tornando-se muito confiável em</p><p>seu funcionamento [59]. A figura 6.1 ilustra alguns coletores com sistemas do tipo</p><p>termossifão.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>121</p><p>Figura 6.1.</p><p>Aquecedores de água (coletores) por termossifão.</p><p>Coletores com termossifão são utilizados fundamentalmente para cobrir pequenas</p><p>demandas de usuários domésticos individuais (residências), já que para estes casos</p><p>torna-se mais econômico. Podem trabalhar tanto em circuito fechado quanto em circuito</p><p>aberto.</p><p>O principal empecilho para este tipo de instalação é a sua implementação em residências</p><p>já construídas, já que é necessário instalar tubulações de água quente sanitárias em</p><p>alguns cômodos. Para residências recentes (2015 em diante), já é possível observar que</p><p>residências utilizam estes tipos de coletores devido a sua alta economia, em especial,</p><p>em chuveiros e torneiras. Em conjuntos residências, pode ser utilizado de forma</p><p>complementar aos sistemas a gás de aquecimento.</p><p>6.3.2. Circulação forçada</p><p>Para instalações de maior capacidade, é necessário recorrer a uma solução de circulação</p><p>forçada e de circuito fechado. O seu princípio básico de funcionamento consiste na</p><p>Alex Vazzoler</p><p>122</p><p>circulação do líquido térmico pelo coletor solar transportado por uma bomba circuladora</p><p>com a correspondente regulação. O controle de temperatura deste sistema será baseado</p><p>na aplicação de termostatos diferenciais ou medição de temperatura em pontos distintos</p><p>(basea-se na diferença de temperatura, ∆T). Uma representação de um circuito deste</p><p>tipo é ilustrado pela Figura 6.2.</p><p>Figura 6.2. Esquema de instalação com circulação forçada.</p><p>A regulação deste sistema se baseará sempre na aplicação do termostato diferencial, ou</p><p>no diferencial de temperaturas. A Figura 6.3 ilustra um exemplo desta configuração,</p><p>juntamente com os elementos necessários listado na Tabela 6.1.</p><p>Figura 6.3. Elementos necessários de uma instalação de A.Q.S. por circulação forçada.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>123</p><p>Tabela 6.1. Elementos e notação da Figura 6.3.</p><p>𝑵−</p><p>𝟎 Componentes 𝑵−</p><p>𝟎 Componentes</p><p>1 Coletores 9 Válvula anti-retorno (bloqueio)</p><p>2 Suportes 10 Manômetro</p><p>3 Acumulador/reservatório 11 Termômetro</p><p>4 Vaso de expansão 12 Válvula de segurança</p><p>5 Bomba 13 Resistência elétrica</p><p>6 Válvula de regulação 14 Controle diferencial</p><p>7 Purgador 15 Válvula de esvaziamento (blowndown)</p><p>8 Válvula de corte</p><p>6.3.3. Circulação do fluido do portador de calor primário por bombeamento</p><p>A bomba (ou eletrocirculador) normalmente vem limitado ao circuito primário, sem se</p><p>apresentar nenhum tipo de problema em geral, sobretudo em instalações pequenas.</p><p>Não se deve superdimensionar a potência elétrica do mesmo, com o fim de não produzir</p><p>um consumo desnecessário. A vazão estará normalmente compreendida entre 50 e 75</p><p>litros/hora por cada m2 de superfície coletora [63].</p><p>Em geral, o uso de uma bomba no circuito primário é imprescindível quando o trocador,</p><p>interior ou exterior ao acumulador, se encontre a uma altura inferior ao dos coletores.</p><p>Há a necessidade de instalação de uma válvula anti-retorno (bloqueio) para evitar-se o</p><p>efeito termosifônico noturno. Por este efeito, a temperatura externa (parte exterior da</p><p>instalação) será menor do que a interna gerando uma circulação contrária a pensada no</p><p>projeto, podendo gerar transbordamentos, vazamentos, dentre outros problemas. Esta</p><p>válvula deverá ser considerada nos acidentes hidráulicos, ao selecionar-se a bomba de</p><p>circulação.</p><p>6.4. Transmissão de calor por meio de um trocador de calor externo</p><p>Neste caso, a instalação possui dois circuitos totalmente independentes (primário e</p><p>secundário) termicamente interligados pelo trocador, cuja configuração pode ser do tipo</p><p>placas ou tubular.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>124</p><p>Teoricamente é possível que, mesmo que se utilize um trocador externo, a circulação no</p><p>circuito primário possa ser termosifônica. Por outro lado, o habitual é a utilização de uma</p><p>bomba de circulação para estabelecer-se uma condição de convecção forçada. Pelo fato</p><p>de o trocador de calor necessitar de uma vazão de mínima de escoamento para atingir</p><p>uma eficiência adequada, o que dificilmente será alcançado apenas com um termosifão</p><p>[68].</p><p>O conjunto hidráulico do circuito primário (circuito do coletor solar) deve ser capaz de</p><p>resistir à pressão máxima do circuito secundário (água de aquecimento). No caso de</p><p>uma avaria trocador de calor, por exemplo um casco e tubos, será estabelecida uma</p><p>conexão direta (por meio do vazamento) entre o circuito secundário e o primário.</p><p>Evidentemente, o trocador de calor por norma de projeto (ASME seção VIII.1) deve</p><p>dispor de uma válvula de alívio, e a partir do momento em que a água que circula pelos</p><p>tubos (circuito primário) vazar para o casco (circuito secundário), será acionado um</p><p>sensor de pressão ativando uma válvula de bloqueio a montante do trocador. Conforme</p><p>a norma supracitada, a pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) do casco é cerca</p><p>de 30% a dos tubos.</p><p>6.5. Energia de apoio de A.Q.S</p><p>Entende-se por energia de suporte, a fonte energética que complementa a energia solar</p><p>para cobrir o consumo de energia térmica. Nos sistemas de aquecimento pode-se aplicar</p><p>como critérios gerais [65]:</p><p>- Utilizar aquecedores diferentes para as energias solar e de suporte;</p><p>- O aquecedor solar deve estar a jusante do aquecedor de apoio, para que este possa</p><p>completar a demanda de energia necessária.</p><p>Em todos os casos, o controle de temperatura será muito importante para obter-se o</p><p>máximo rendimento da instalação. A escolha do sistema de suporte é condicionada pelos</p><p>seguintes critérios [54]:</p><p>- Facilidade de acesso à fonte energética;</p><p>- Custos da instalação;</p><p>- Confiabilidade no fornecimento de combustível;</p><p>- Custo da energia;</p><p>- Impactos sobre o meio ambiente;</p><p>https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/bpvc-viii-1-bpvc-section-viii-rules-construction-pressure-vessels-division-1</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>125</p><p>- Segurança operacional;</p><p>- A facilidade de acoplamento ao sistema de energia solar.</p><p>A integração da energia de suporte ao mesmo reservatório (como critério geral) não é</p><p>recomendável, já que pode ocasionar problemas com controle de temperatura. Quando</p><p>a instalação solar é simples, como podem ser os sistemas de coletores por termosifão,</p><p>a aplicação da energia elétrica diretamente ao reservatório (por meio de uma resistência,</p><p>por exemplo) se justifica pela facilidade construtiva e por seu baixo custo. Porém deve-</p><p>se controlar seu acionamento com sensores de temperatura e um sistema do tipo</p><p>retroalimentação (feedback).</p><p>A utilização de energia elétrica como sistema de apoio ao solar para produção de A.Q.S.,</p><p>somente poderá ser aplicado para pequenas instalações domésticas, cujos reservatórios</p><p>não superem os 1000 litros. A aplicação de outras fontes de energia ao reservatório solar</p><p>pode tornar-se complexa e deve ficar a critério do especialista, ou do técnico</p><p>competente, ou ser efetuada com equipamentos devidamente comprovados e garantidos</p><p>pelo próprio fabricante.</p><p>Quando o sistema de suporte é separado do reservatório solar, sua conexão será feita</p><p>de acordo com o tipo de energia e com as características da demanda.</p><p>Para a produção de A.Q.S., o fornecimento de energia de suporte será feito sempre em</p><p>série e posteriormente ao sistema de energia solar, com os mesmos critérios de</p><p>engenharia utilizados para as energias convencionais (NR 13, Asme Seção VIII.1, Asme</p><p>B31.1 e B31.3, etc..). a presença de sensores de temperatura e o respectivo controle,</p><p>após os aquecedores [55].</p><p>6.6. Execução e manutenção de uma instalação de A.Q.S</p><p>6.6.1. Processo prévio ao início da instalação</p><p>Toda instalação de energia solar parte de um desenho que deve ser realizado por um</p><p>profissional tecnicamente qualificado. A partir dos 250 m2 de superfície de coleta, o</p><p>projeto deverá estar devidamente legalizado, ou incluído no projeto de instalações</p><p>térmicas do edifício. Conforme especificações do CREA e da norma ABNT NBR</p><p>5626:2020</p><p>Versão Corrigida Sistemas prediais de água fria e água quente: Projeto, execução,</p><p>operação e manutenção. Não obstante deve obedecer a norma regulamendora NR 13.</p><p>https://sit.trabalho.gov.br/portal/images/SST/SST_normas_regulamentadoras/NR-13.pdf</p><p>https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/bpvc-viii-1-bpvc-section-viii-rules-construction-pressure-vessels-division-1</p><p>https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31-1-power-piping</p><p>https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31-3-process-piping</p><p>https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=454684</p><p>https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=454684</p><p>Alex Vazzoler</p><p>126</p><p>Estes critérios serão de aplicação a todos os projetos com o fim de garantir um nível de</p><p>qualidade mínimo consensual. Para todo projeto de uma instalação, há uma série de</p><p>passos prévios a seguir [67]:</p><p>i) Levantamento de dados da instalação: Deve-se estabelecer um levantamento de</p><p>custos e o respectivo orçamento preliminar deve ser fornecido ao cliente;</p><p>ii) Cálculo das demandas térmicas: Será realizado a partir dos dados obtidos, e de sua</p><p>comparação com os extraídos de experiências anteriores (quotação);</p><p>iii) Dimensionamento dos elementos principais: coletores e reservatório são projetados</p><p>com um orçamento mais detalhado com precisão de cerca de 80 a 90%;</p><p>iv) Projeto do sistema e instalação: Após a instalação é gerado ao cliente o orçamento</p><p>final.</p><p>Para os cálculos supracitados devem ser adotados os seguintes critérios:</p><p>- Seleção de sistema energético de suporte: conforme utilização e demanda, e</p><p>localização das instalações. De acordo com os próprios critérios do usuário e das normas;</p><p>- Acesso a planta baixa e layout da instalação: permitirão a previsão de localização dos</p><p>coletores; do dimensionamento do reservatório e do trocador de calor; da seleção da</p><p>bomba; da montagem do layout e do isométrico das tubulações; e posicionamento de</p><p>instrumentos de controle;</p><p>A partir da documentação de projeto são condicionados os arranjos, os reservatórios e</p><p>aplicadas as soluções técnicas mais apropriadas.</p><p>- Quotação: após ser montado o projeto, contatam-se os fabricantes e revendedores</p><p>para compra dos componentes da instalação.</p><p>- Montagem, comissionamento e condicionamento: Profissionais qualificados farão a</p><p>montagem da instalação, e os respectivos testes hidrostático e de estanqueidade.</p><p>Seguidos de sintonia da malha de controle (quando houver) e demais ajustes finos.</p><p>Entre as fases de quotação e construção da planta é necessário tratar de todos os</p><p>documentos referentes à manutenção, garantias, acompanhamento, etc., com o fim de</p><p>oferecer as máximas opções de segurança e de garantias ao cliente.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>127</p><p>Uma vez resolvidos todos os pontos anteriores, será consolidado o contrato. Desta</p><p>maneira, com a aprovação de todos os pontos anterioes, serão estabelecidas as</p><p>seguintes condições [67]:</p><p>- Forma de pagamento;</p><p>- Garantias (ou seguros) dos equipamentos e da instalação;</p><p>- Calendário de entregas, de obras, da instalação e da partida da instalação;</p><p>- Plano de manutenção obrigatório e incluído nas garantias;</p><p>- Proposta de plano de manutenção geral das instalações;</p><p>- Contratos de manutenção acordados;</p><p>- Responsabilidade técnica (no caso da NR 13 por exemplo, o Profissional Habilitado);</p><p>- Legislações utilizadas;</p><p>- Sistemas de controle, acompanhamento, garantias de resultados, etc.</p><p>Tanto o projetista quanto o vendedor têm o dever de informar ao cliente/usuário das</p><p>possíveis ajudas e subsídios às quais pode ter acesso, a sua forma de obtenção, assim</p><p>como facilitar a tramitação.</p><p>Previamente ao cálculo da instalação, realiza-se uma análise econômica com os</p><p>seguintes pontos [60]:</p><p>- Descrição dos custos de instalação, ajudas, estudos financeiros, etc;</p><p>- Subsídios e ajudas financeiras;</p><p>- Economia prevista;</p><p>- Custo previsível da manutenção;</p><p>- Custo previsível da energia obtida;</p><p>- Tempo de retorno do capital (payback);</p><p>- Tempo de vida útil da instalação;</p><p>- Rentabilidade do investimento (Taxa interna de retorno, TIR);</p><p>- Vantagens e benefícios sócio-ambientais.</p><p>6.6.2. Provisão de material</p><p>Na seleção dos equipamentos, serão tomados os seguintes critérios básicos [42]:</p><p>- Os equipamentos devem estar preparados e/ou protegidos exteriormente para o seu</p><p>respectivo uso;</p><p>Alex Vazzoler</p><p>128</p><p>- Deve-se admitir temperaturas de trabalho mais altas que as habituais em sistemas</p><p>convencionais de caquecimento e de produção de A.Q.S;</p><p>- Os elementos de segurança devem comportar os piores cenários possíveis de operação</p><p>do sistema;</p><p>- Os materiais construtivos, tubulações, reservatórios, conexões, isolamentos, juntas,</p><p>etc., devem admitir dilatações e temperaturas com muitos ciclos e variações rápidas.</p><p>Todas as informações dos equipamentos utilizados devem estar prontamente</p><p>disponíveis, com o fim de facilitar a sua manutenção, a localização de pontos de</p><p>funcionamento deficiente visando a sua possível substituição durante a vida útil da</p><p>instalação. Neste sentido, avarias e deficiências de qualquer equipamento,</p><p>aparentemente normais em sistemas totalmente convencionais, são consideradas mais</p><p>preocupantes em sistemas solares devido às particularidades do seu funcionamento</p><p>(sazonalidades da energia solar, mesmo com reservatório em uso).</p><p>Os coletores devem ser homologados, bem como os acumuladores (reservatórios), para</p><p>cumprir a regulamentação de aparelhos à pressão com seu correspondente registro de</p><p>fabricação, conforme requerido pela NR 13.</p><p>6.6.3. Fases do processo de montagem</p><p>Uma vez aceita a obra, deverão ser confirmadas sobre as especificações do projeto; toda</p><p>modificação deverá ser justificada e feita sob consenso para evitar precipitações [6].</p><p>a) Localização na obra</p><p>Os equipamentos devem ser posicionado; de tal forma que:</p><p>- Esteja o mais próximo possível do restante dos componentes aos quais deverá estar</p><p>conectado.</p><p>- A utilização do espaço de forma a não obstruir, ou dificultar, a circulação do operador;</p><p>- O condicionamento do local e a idoneidade da instalação: piso e suportes adequados,</p><p>cobertura, sistemas de proteção contra intempéries, etc.</p><p>b) Campo de coletores</p><p>Ao estabelecer-se o posicionamento do(s) coletor(es), deve-se considerar:</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>129</p><p>- A facilidade de acesso para as operações de manutenção;</p><p>- A resistência mecânica dos suportes, caixas dos coletores solares, tubulações e demais</p><p>componentes mecânicos;</p><p>- A orientação no sentido sul e/ou deve ser feita a não ter sombras. Em caso de ser</p><p>inevitável a projeção de sombras, ao meio-dia solar não superará 15% da superfície de</p><p>captação no pior dos casos;</p><p>- Estará protegido de possíveis vandalismos, queda de objetos, e outros tipos de quedas.</p><p>Deverão ser constituídos por coletores com não mais de 12 m2, ou em todo caso, da</p><p>medida indicada pelo fabricante ou técnico projetista da instalação para cada unidade.</p><p>Os coletores solares da instalação deverão ser do mesmo modelo e fabricante</p><p>(replicantes). Se isto não for possível, haverá que compensar totalmente as diferenças.</p><p>Além disso, deverão cumprir também o seguinte requisito [53]:</p><p>- Estar homologados, tendo vigentes o correspondente certificado e o número de</p><p>homologação (prescindível em pequenas instalações de equipamentos e kits de</p><p>montagem domésticos, devidamente garantidos pelo fabricante).</p><p>De forma adicional, deve-se dispor, no mínimo, das seguintes informações [63]:</p><p>- Curvas de rendimento instantâneo realizadas por um laboratório credenciado;</p><p>- Área útil da superfície útil de captação;</p><p>- Peso do coletor vazio;</p><p>- Capacidade (volume) de líquido no reservatório e no coletor;</p><p>- Tipos de líquidos, vazões recomendadas e perdas de carga;</p><p>- Pressão máxima de serviço e pressão de teste (PMTA);</p><p>- Constituição do absorvente e de circuito de líquido;</p><p>- Constituição</p><p>da cobertura, da caixa e de vedação do coletor;</p><p>- Tipos e espessuras do isolante;</p><p>- Sistema de fixação;</p><p>- Sistemas de conexões específico.</p><p>As conexões deverão reunir as seguintes características mínimas [58]:</p><p>- Assegurar a estanqueidade hidráulica dos coletores, do reservatório, das tubulações e</p><p>demais componentes;</p><p>- O efeito da dilatação do fluido, em especial no reservatório;</p><p>- Permitir a instalação de válvulas de bloqueio e controle pe captador nos coletores;</p><p>Alex Vazzoler</p><p>130</p><p>- Não são recomendáveis os sistemas de mangas e braçadeiras.</p><p>c) Tubulações</p><p>As tubulações circularão por zonas protegidas de golpes e atritos, levando-se em</p><p>consideração os seguintes pontos [59]:</p><p>- A disposição de esteiras e demais suportes para as tubulações;</p><p>- A aplicação de isolamentos apropriados;</p><p>- As dilatações por mudanças de temperatura;</p><p>- A proteção contra a corrosão de seus componentes;</p><p>- A proteção contra as intempéries de todos os materiais que intervenham na sua</p><p>instalação, incluídos os isolantes;</p><p>- A durabilidade mínima de 50 anos em condições de trabalho normais.</p><p>Evidentemente, os pontos supracitados deversão estar em consonância com as normas</p><p>de engenharia.</p><p>d) Sala de máquinas</p><p>Tanto a sala de máquinas quanto a localização dos reservatórios solares estarão situados</p><p>o mais próximo possível dos pontos de consumo.</p><p>Será suficientemente espaçosa para o acesso a cada componente, para comprovar seu</p><p>funcionamento e facilitar as operações de manutenção, e disporá dos sistemas de</p><p>descarga periódica e em situações de emergência.</p><p>Toda a instalação será feita seguindo os critérios marcados pela ABNT NBR 15569:2020</p><p>“Sistema de aquecimento solar de água em circuito direto — Requisitos de projeto e</p><p>instalação”. Disporá de sua própria caixa elétrica de controle e regulação, alimentada se</p><p>possível por uma linha direta exclusiva, desde a caixa de distribuição principal, com as</p><p>correspondentes proteções contra sobrecargas, curto-circuitos e derivações para terra.</p><p>Todos os componentes e instalações elétricas cumprirão o estabelecido na vigente "ABNT</p><p>NBR 5410:2004 - Instalações Elétricas de Baixa Tensão".</p><p>6.6.4. Partida da instalação</p><p>Para o início de funcionamento da instalação, deverá ser seguida uma série de passos e</p><p>procedimentos operacionais [54].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>131</p><p>a) Limpeza e carregamento (enchimento) da instalação</p><p>É conveniente realizar um primeiro enchimento (carregamento hidráulico) e drenagem</p><p>da instalação com dois objetivos:</p><p>- Realizar uma limpeza de possíveis depósitos de sujeira, de limalhas, etc., introduzidas</p><p>no circuito durante a montagem;</p><p>- Detectar e corrigir vazamentos (teste de estanqueidade).</p><p>O enchimento do circuito será realizado da parte mais baixa para a mais alta, para evitar</p><p>bolsas de ar que, de outra forma, poderiam ficar dentro do circuito. Uma vez terminada</p><p>a operação de enchimento, será dada partida no sistema, deixando o fluido recircular</p><p>durante um certo período de tempo, para que sejam arrastadas possíveis impurezas nas</p><p>tubulações. Depois da circulação inicial de água, o sistema será esvaziado, serão</p><p>concertados possíveis vazamentos detectados (estanqueidade) e, em seguida, se</p><p>procederá ao enchimento definitivo da mistura de água e de anticongelante, se este</p><p>último for necessário.</p><p>Os processos de enchimento são descritos com detalhes para o enchimento e purga do</p><p>circuito primário em uma instalação conectada à rede com vaso de expansão</p><p>(reservatório) fechado [54]:</p><p>i) Em instalações pressurizadas pela rede de fornecimento (sistema de</p><p>abastecimento de água), o circuito primário ou de coletores estará protegido por</p><p>uma válvula redutora de pressão, que controlará possíveis variações de pressão.</p><p>Desta forma, deverá estar previsto um purgador automático de ar colocado no</p><p>ponto mais alto, o qual se manterá aberto até a eliminação total do ar;</p><p>ii) A válvula de segurança é regulada à pressão máxima de trabalho dos coletores;</p><p>iii) A bomba de circulação será escovada (afogamento) e o ar expulso por uma</p><p>válvula de purga antes da partida;</p><p>iv) O vaso de expansão terá uma pressão a frio e quando vazio, ou seja, sem pressão</p><p>no trecho que une este com a condução principal, que normalmente será igual</p><p>ou superior a 1,5 kgf/cm;</p><p>v) Se comprovará que todas as chaves de passagem se encontram em sua correta</p><p>posição de aberto ou fechado;</p><p>vi) Uma vez realizadas as operações anteriores, se procederá para encher e</p><p>pressurizar o circuito, fazendo-o a frio;</p><p>Alex Vazzoler</p><p>132</p><p>vii) Uma vez cheio e pressurizado, devem ser fechadas as purgas de ar e seguir a</p><p>linha, comprovando-se que não há vazamentos em nenhum ponto.</p><p>b) Sistemas de vaso de expansão aberto</p><p>Neste caso, o enchimento se realizará diretamente pelo vaso de expansão (reservatório),</p><p>por meio do enchimento automático, como controle de nível com um sistema de boia</p><p>por exemplo.</p><p>c) Enchimento com anticongelante</p><p>Quando o sistema utiliza um vaso de expansão aberto, é preferível realizar a mistura</p><p>fora do sistema e introduzi-la no circuito, introduzindo-a lentamente no vaso de</p><p>expansão.</p><p>Em sistemas fechados pode-se prever um pequeno dreno de água na parte inferior do</p><p>circuito para a introdução da mistura anticongelante (que será fechado, após o início da</p><p>alimentação do anticongelante, evidentemente). Sendo mantida, durante toda a</p><p>operação de enchimento, aberta a válvula de purga de ar situada na parte alta do</p><p>circuito. Para acelerar o processo em instalações grandes, pode ser equipada uma</p><p>pequena bomba portátil para acelerar o enchimento do sistema com o anticongelante.</p><p>d) Enchimento e purga do circuito secundário</p><p>O circuito secundário fica pressurizado pela rede de água da concessionária, e somente</p><p>nos casos em que sejam previstos cenários de sobrepressão, será utilizada uma válvula</p><p>redutora. Esta será regulada de forma análoga ao descrito no circuito primário.</p><p>i) Deverá estar previsto um purgador automático de ar colocado no ponto mais alto</p><p>do circuito, o qual deverá estar aberto até a evacuação total do ar (pode ser</p><p>utilizada uma válvula de bloqueio do tipo airlock);</p><p>ii) Da mesma forma, também será prevista uma válvula de alívio, assegurando sua</p><p>descarga livremente. Esta se encontrará sob a pressão máxima de trabalho</p><p>(PMTA) do reservatório, por ser o elemento menos resistente do circuito</p><p>secundário;</p><p>iii) Deverá ser verificado se todas as vávulas de passagem se encontram na posição</p><p>correta de aberto ou fechado;</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>133</p><p>iv) Uma vez realizadas as operações anteriores, se procederá para encher e</p><p>pressurizar o circuito;</p><p>v) Por último, serão fechadas as purgas de ar (sem necessário) e se observará a</p><p>linha, verificando se há algum vazamento.</p><p>Além disso, para assegurar uma partida segura e funcional, deve-se seguir as seguintes</p><p>recomendações:</p><p>- Testes elétricos e condicionamento da instalação;</p><p>- Ajuste da vazão dos circuitos;</p><p>- Verificar se os circuitos estão operacionais e sem possíveis causas de curto.</p><p>Quanto aos testes dos equipamentos, podem ser destacadas cinco principais, definidos</p><p>pela norma ASME seção VIII.1:</p><p>- Teste de estanqueidade: será realizado em conjunto com as tubulações e sob uma</p><p>pressão hidrostática não inferior a 1,5 vezes à pressão nominal do circuito;</p><p>- Teste hidrostático: Será realizado com todos os vazos de pressão do sistema (de forma</p><p>isolada) e com uma pressão de 1,3 vezes a Pressão Máxima de Trabalho Admissível</p><p>(PMTA);</p><p>- Teste de funcionamento ou de aquecimento;</p><p>- Teste de circulação de fluido;</p><p>- Testes dos acessórios. Serão realizadas durante a prova de pressão do circuito,</p><p>aumentando a pressão de ajuste frente à válvula de segurança, até chegar a um valor</p><p>de 1,1 vezes à pressão de ajuste, verificando-se assim a atuação da válvula.</p><p>6.6.5. Isolamento da instalação</p><p>Quando se fala de isolar uma instalação,</p><p>nos referimos ao isolamento daqueles</p><p>componentes que desprendem calor, os quais são basicamente o reservatório, o trocador</p><p>de calor e todo o sistema de tubulações do líquido transportador de calor [68].</p><p>As tubulações de água quente, como todo corpo que está a maior temperatura que o</p><p>entorno, são suscetíveis a produzir grandes perdas caloríficas: para evitar este efeito</p><p>negativo em na instalação, deve-se isolá-las.</p><p>A escolha de um isolamento é determinada por diversos fatores, destacando-se [61]:</p><p>- O coeficiente de condutividade térmica do isolante;</p><p>- O custo (incluindo sua montagem);</p><p>https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/bpvc-viii-1-bpvc-section-viii-rules-construction-pressure-vessels-division-1</p><p>Alex Vazzoler</p><p>134</p><p>- A faixa de temperaturas de trabalho;</p><p>- O comportamento frente aos materiais que isola: em especial, corrosão sob isolamento</p><p>(CUI, corrosion under insulation);</p><p>- A estabilidade e resistência aos elementos externos e desgaste térmico.</p><p>O isolamento das canalizações para água quente, a temperaturas relativamente baixas,</p><p>costuma ser dos seguintes materiais [38]:</p><p>Espuma elastomérica. Permite alcançar temperaturas de até 100ºC e não gera</p><p>problemas de corrosão. Possui uma boa resistência mecânica, não se degrada com</p><p>a umidade, é rápido e fácil de montar, e possui um coeficiente de condutividade a</p><p>20 ºC de 0,035 W/m K; do contrário, em utilizações para as intempéries, deve ser</p><p>protegida da ação da radiação solar;</p><p>Fibra de vidro: Suporta temperaturas elevadas, possui uma baixa resistência mecânica,</p><p>e é muito fraca sua resistência na água, motivo pelo qual geralmente são montadas</p><p>recobertas por um tubo de aço galvanizado como proteção, tendo um coeficiente</p><p>de condutividade de 0,046 W/m K a 50 ºC.</p><p>6.7. Manutenção preventiva</p><p>Os equipamentos e as instalações de energia solar possuem desempenhos variáveis em</p><p>função do grau de incidência de irradiação solar (insolação), das condições climáticas,</p><p>da aplciação, da variação da demanda, etc. A determinação no projeto ou estudo de</p><p>viabilidade dos desempenhos, da produção energética, da porcentagem de cobertura,</p><p>etc., terá impactos expressivos no resultado final.</p><p>A existência de uma energia de suporte que garanta o serviço sem o fornecimento solar</p><p>torna difícil determinar o nível de cobertura e o fornecimento energético solares.</p><p>A influência das condições climatológicas, tanto nos coletores solares quanto nas</p><p>instalações exteriores, torna imprescindível a vigilância e a manutenção preventivas.</p><p>Submeter as instalações a manutenções programadas, permite determinar e controlar</p><p>os desempenhos da instalação de energia solar, a evolução da demanda no tempo, e</p><p>monitorar os principais parâmetros que determinaram o dimensionamento e o desenho</p><p>da instalação.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>135</p><p>Um sistema de monitoramento proposto conjuntamente pelo fabricante, pelo projetista,</p><p>pelo instalador e pelo usuário, pode ser realizado de diversas maneiras e dependerá da</p><p>complexidade e das dimensões da instalação. Este deve ser acompanhado de um</p><p>programa pelo qual procure-se um programa inicial de manutenção contínua da</p><p>instalação por um período mínimo de três anos.</p><p>Na hora de realizar os trabalhos de manutenção, os principais elementos de controle</p><p>serão [61]:</p><p>- Controles de funcionamento;</p><p>- Termostato (sensor de temperatura) diferencial de aproveitamento solar;</p><p>- Indicador e/ou regulador da pressão no circuito primário;</p><p>- Termostato de regulação da energia auxiliar;</p><p>- Purgadores automáticos de ar;</p><p>- Bombas de circulação;</p><p>- Elementos de segurança;</p><p>- Válvulas de alívio nos circuitos primário e secundário;</p><p>- Vasos de expansão (reservatório).</p><p>Outros elementos a serem vistoriados durante a manutenção:</p><p>- Isolamentos externos e sistemas de proteção contra radiação U.V;</p><p>- Filtros;</p><p>- Trocadores de calor;</p><p>- Bombas de circulação;</p><p>- Controle de qualidade da água (ou outros líquidos) no circuito primário.</p><p>6.8. Localização e conserto de avarias</p><p>Para o estudo do tema, será estabelecida uma separação entre avarias do sistema e</p><p>deterioração da instalação.</p><p>a) Avarias mais frequentes nos sistemas solares de baixa temperatura</p><p>A presença de avarias é detectada através dos seguintes sintomas:</p><p>Alex Vazzoler</p><p>136</p><p>- O rendimento da instalação baixa consideravelmente ou desaparece, isto é, em dias</p><p>ensolarados a temperatura do depósito solar sobe pouco ou sequer sobe, e o sistema de</p><p>energia auxiliar funciona durante um intervalo de tempo acima do esperado;</p><p>- São detectados vazamentos de fluidos nos circuitos;</p><p>- O sistema de energia auxiliar não arranca (partida), e em dias sem sol a instalação não</p><p>aquece a água;</p><p>- Os custos com energia auxiliar são excessivos;</p><p>- A instalação gera ruídos anormais, seja porque alguma das bombas se tornaram</p><p>demasiadamente ruidosas ou pela ebulição de água nos coletores;</p><p>Os problemas descritos acima são consequência de alguma das seguintes avarias:</p><p>- O não funcionamento das bombas será notado quando em um dia ensolarado a</p><p>temperatura do reservatório não aumentar;</p><p>- A baixa pressão no circuito, por estar frio e parado. Esta pressão deve ser medida à</p><p>primeira hora da manhã, com a água fria e as bombas paradas. Os manômetros devem</p><p>indicar pressões superiores às definidas no projeto da instalação;</p><p>- As bombas funcionam, mas a vazão e a pressão são insuficientes;</p><p>- As bombas funcionam com pressões altas e vazões baixas;</p><p>- Vazamento de líquido no circuito;</p><p>- Aberturas excessivas das válvulas de alívio;</p><p>- O queimador auxiliar de gás ou combustível não foi ligado;</p><p>- O aquecimento auxiliar entrou em funcionamento de forma inadequada;</p><p>- Ruptura do vidro do coletor;</p><p>- Ruptura da junta da cobertura do coletor ou das juntas de saída dos tubos do coletor;</p><p>- Ruptura do material isolante, permitindo acesso para tubulações ou componentes;</p><p>- Ruídos anormais na bomba;</p><p>- Ruído de ebulição no coletor.</p><p>b) Deterioração e degradação com reparação imediata necessária</p><p>Este tipo de avaria deve ser reparado o mais rápido possível, já que podem comportar</p><p>consequências graves a curto prazo [54].</p><p>- Entrada de água no coletor, entre o absorvedor e o vidro, como consequência de uma</p><p>perda da estanqueidade na união cobertura-carcaça ou das juntas de saída das</p><p>tubulações. Este é possivelmente o mais grave dos problemas;</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>137</p><p>- Descolagem, ruptura ou deterioração do isolante ou de sua proteção na parte exterior</p><p>do circuito hidráulico;</p><p>- Deformação da caixa do coletor por esforços térmicos;</p><p>- Operações de revisão de componentes do circuito;</p><p>- Desbloqueio de bombas;</p><p>- Purgação da bomba;</p><p>- Determinação da vazão proporcionada pela bomba;</p><p>- Calibração do controle;</p><p>- Limpeza do circuito.</p><p>6.9. Estruturas de suporte e ancoragem</p><p>Esta estrutura serve de fixação para o coletor no ponto de captação. O fabricante dos</p><p>coletores deve fornecer, ou no mínimo informar, as soluções para a fixação dos coletores,</p><p>tendo em conta o lugar, inclinação, peso, conexões, etc. Em geral, o sistema de fixação</p><p>terá as seguintes características [54]:</p><p>- Os materiais serão os apropriados para resistir às intempéries;</p><p>- Todo o sistema de fixação, de estrutura e de encravamentos, não deve transmitir</p><p>nenhum tipo de esforço ao coletor, às suas conexões e ao circuito hidráulico ao qual está</p><p>conectado. Tendo-se em conta as cargas de peso e as dilatações produzidas pelo</p><p>aquecimento;</p><p>- Terminada a instalação, deverá resistir às sobrecargas por vento, segundo a norma</p><p>NBR 6123: Forças devidas ao vento em edificações.</p><p>- Em geral, a estrutura, os encravamentos e todo o campo de captação, estarão</p><p>submetidos à legislação local, às Normas Básicas e às práticas usuais na construção que</p><p>lhe sejam de aplicação;</p><p>- É responsabilidade do instalador verificar se o lugar onde será colocado o campo de</p><p>captadores cumpre as condições de resistência e de segurança necessárias.</p><p>6.10. Orientação e inclinação dos coletores</p><p>Na instalação de coletores planos existem dois fatores de grande importância para</p><p>otimizar seu funcionamento: a orientação e a inclinação [67]. Estas duas variáveis</p><p>dependem das horas do dia, dos meses do ano e do ângulo formado pela radiação</p><p>incidente. Deseja-se uma inclinação vertical (perpendicular) em relação ao sol obtida ao</p><p>https://www.abntcatalogo.com.br/norma.aspx?ID=254413</p><p>Alex Vazzoler</p><p>138</p><p>meio dia. E uma média mensal maior é obtida, em geral, ao orientar-se os coletores para</p><p>o sul e com um ângulo de inclinação igual à latitude da zona.</p><p>Este ângulo de inclinação dependerá da modalidade de aplicação da instalação, e poderá</p><p>variar ao longo do ano caso sejam previstas variações de demanda de uns meses para</p><p>outros, considerando-se os períodos de maior demanda energética. Para mais detalhes</p><p>com relação ao ângulo de inclinação, além dos procedimentos analíticos, existem tabelas</p><p>com valores de radiação incidente sobre as superfícies inclinadas para os diferentes</p><p>meses do ano e latitudes geográficas. Por regra geral, as inclinações são apresentadas</p><p>na Tabela 6.2 [17]:</p><p>Tabela 6.2. Ângulo de inclinação dos coletores (hemisfério norte).</p><p>A situação pode ser tão favorável em coberturas de edifícios como nos espaços de terreno</p><p>disponíveis. Se é sobre uma cobertura, deverá-se ter cuidado com a sobrecarga que as</p><p>instalações, suportes e coletores podem representar, e o fato de serem necessários uma</p><p>série de suportes extras.</p><p>Com respeito à orientação, deve-se considerar o hemisfério. No hemisfério norte</p><p>(superior), o sol situa-se para o sul. Evidentemente, no hemisfério sul será o oposto.</p><p>Portanto, para obter-se um máximo rendimento no hemisfério norte, as placas estarão</p><p>orientadas para o sul. Não obstante, não é necessário preocupar-se excessivamente com</p><p>a precisão, já que, inclusive com uma variação de até 25º, será obtido mais de 90% da</p><p>radiação total incidente.</p><p>6.11. Determinação de sombras</p><p>Normalmente, no dia mais favorável do período de utilização, o equipamento não deve</p><p>ter mais de 5% da sua superfície útil de coleta coberta por sombras. Um equipamento</p><p>se tornará inoperante quando 20% de sua superfície de captação estiver coberta por</p><p>sombras [1].</p><p>Utilização pessoal Inclinação (o) Desvio</p><p>Estival 35 ± 10%</p><p>Invernal 50</p><p>Anual 45</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>139</p><p>A determinação de sombras projetadas sobre coletores por parte de obstáculos próximos</p><p>é realizada na prática, observando-se o entorno a partir do ponto médio da aresta inferior</p><p>do coletor, tomando-se como referência a linha norte-sul. Fazendo-se uma "varredura"</p><p>angular para ambos os lados da linha N-S, não deve haver nenhuma forma de obstáculo</p><p>em frente ao coletor com uma altura superior que possa projetar uma sombra de 15º.</p><p>Quando a projeção de sombra provém de obstáculos afastados, pode-se utilizar os</p><p>diagramas solares polares. Nestes diagramas estão representados os ângulos de</p><p>orientação, altura solar, horário (T.S.V.) e a declinação do sol para diferentes períodos</p><p>do ano e latitudes. Os ângulos horários são representados por linhas para traçados</p><p>perpendiculares às declinações. Sua intersecção com o círculo de máximo diâmetro (E-</p><p>O) indica as horas (T.S.V.) do nascer e do pôr do sol no período anual que se considere.</p><p>6.12. Distância mínima entre os coletores</p><p>A separação entre linhas de coletores é estabelecida de tal maneira que, ao meio-dia</p><p>solar do dia mais desfavorável (altura solar mínima) do período de utilização. A sombra</p><p>da aresta superior de uma fileira (arranjo em série ou paralelo) deverá-se projetar, no</p><p>máximo, sobre a aresta inferior da fila seguinte [3].</p><p>Em equipamentos que sejam utilizados durante todo o ano ou no inverno, o dia mais</p><p>desfavorável corresponderá a 21 de dezembro (solstício). Neste dia, a altura solar</p><p>mínima ao meio-dia tem o valor (vide item 2.5) [3]:</p><p>𝜑𝑚𝑖𝑛 = (90° − 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒) − 23° (𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑛𝑜) (2.6)</p><p>Para equipamentos de utilização no verão, os dias mais desfavoráveis podem ser 20 de</p><p>março ou de setembro (equinócio). Nestes dias, a altura solar mínima ao meio dia solar</p><p>será:</p><p>𝜑𝑚𝑖𝑛 = (90° − 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒) (𝑉𝑒𝑟ã𝑜) (2.7)</p><p>A distância mínima (DM) entre linhas de coletores para que a fila anterior não projete</p><p>sombras sobre a posterior, é determinada através da fórmula:</p><p>𝐷𝑀 = 𝐿 [𝑐𝑜𝑠(𝑆) +</p><p>𝑠𝑒𝑛(𝑆)</p><p>𝑡𝑔(𝜑𝑚𝑖𝑛)</p><p>] (2.8)</p><p>Alex Vazzoler</p><p>140</p><p>em que S é a inclinação do captador, L é o comprimento do captador, 𝜑𝑚𝑖𝑛 é o ângulo</p><p>mínimo de incidência (seu valor aproximado pode ser deduzido do correspondente</p><p>diagrama solar polar).</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>141</p><p>Dimensionamento e</p><p>termorregulação de</p><p>sistemas solares</p><p>7</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Alex Vazzoler</p><p>142</p><p>7. Dimensionamento e termorregulação de sistemas solares</p><p>7.1. Dimensionamento da superfície coletora</p><p>7.1.1. Critérios de partida</p><p>A superfície coletora deverá ter tal área que o fornecimento solar total no período</p><p>considerado seja igual ao consumo requerido para um valor médio mensal de incidência.</p><p>O período de referência é denominado mês médio (30 dias de duração) [72].</p><p>Na hora de determinar-se seu dimensionamento, serão considerados os seguintes</p><p>aspectos: Produção de água quente: vazão (litros/dia), temperatura de consumo e da</p><p>água fria, consumo conforme horário e consumo médio mensal.</p><p>Nos dados meteorológicos, para os cálculos energéticos são necessárias as condições</p><p>ambientais da zona:</p><p>- Temperatura ambiente em hora solar;</p><p>- Temperatura da água fria;</p><p>- Latitude;</p><p>- Duração do período de insolação e noturno [72].</p><p>7.1.2. Intensidade útil e rendimento do coletor</p><p>a) Cálculo da intensidade útil (I)</p><p>A intensidade incidente sobre a superfície dos coletores variará ao longo de todo o dia.</p><p>Para efeitos práticos de cálculo, pode-se trabalhar com uma intensidade média, que será</p><p>o quociente entre a energia útil (e incidente) ao longo do dia dividida pelo tempo útil do</p><p>dia, ou seja, o tempo que o sol estará sobre o horizonte. Descontando-se, naturalmente,</p><p>os dois intervalos de tempo referentes ao princípio e ao final do dia nos quais a altura</p><p>solar é tão baixa, que a intensidade se situará abaixo da sombra [40]. A tabela 7.1</p><p>resume o número de horas úteis de sol em um dia médio por mês.</p><p>Tabela 7.1. Número de horas de sol úteis (intensidade acima da sombra) [38].</p><p>JAN FEV MAR ABR MAIO JUN JUL AGO SET OUT NOV DEZ</p><p>Hemisfério Norte</p><p>8 9 9 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9 9 8 7,5</p><p>Hemisfério sul</p><p>9,5 9,5 9,5 9 9 8 7,5 8 9 9 9,5 9,5</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>143</p><p>Com o objetivo de introduzi-la na equação do rendimento do coletor, a intensidade deve</p><p>ser calculada em unidades do SI (W/m2) e, em consequência, tanto a energia como o</p><p>tempo devem ser expressos pelo sistema interacional, ou seja, energia em Joules e o</p><p>tempo em segundos [32]. Portanto, o número de horas deverá ser multiplicado por 3600.</p><p>b) Cálculo do rendimento do coletor</p><p>De forma similar ao restante das variáveis, deve-se realizar o cálculo do rendimento</p><p>prático do coletor mês a mês, da seguinte maneira [73]:</p><p>1) A partir da curva de rendimento teórico do coletor fornecida pelo fabricante (Figura</p><p>4.6), serão efetuadas as seguintes correções:</p><p>- O rendimento teórico máximo é estimado na condição suposição dos raios solares</p><p>Segundo princípio: priorizar o consumo de energia solar ............................. 108</p><p>5.3. Terceiro princípio: garantir a complementaridade entre a energia solar e as fontes</p><p>convencionais ............................................................................................... 109</p><p>5.3.1. Produção instantânea de energia de suporte ........................................ 109</p><p>5.3.2. Produção de energia de suporte em um acumulador independente.......... 110</p><p>5.4. Quarto princípio: não misturar a energia de procedência solar com a convencional</p><p>.................................................................................................................. 111</p><p>5.5. Conclusões ............................................................................................ 114</p><p>6. Água quente sanitária .................................................................................. 116</p><p>6.1. Estudo das necessidades a cobrir: Folha de carga ....................................... 116</p><p>6.1.1. Demanda de água quente .................................................................. 117</p><p>6.1.2. Necessidades de calefação ................................................................. 119</p><p>6.2. Escolha do sistema ................................................................................. 119</p><p>6.3. Sistemas de produção de água quente sanitária (A.Q.S.) ............................ 119</p><p>6.3.1. Circuito por termossifão ..................................................................... 120</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>11</p><p>6.3.2. Circulação forçada ............................................................................ 121</p><p>6.3.3. Circulação do fluido do portador de calor primário por bombeamento ...... 123</p><p>6.4. Transmissão de calor por meio de um trocador de calor externo .................. 123</p><p>6.5. Energia de apoio de A.Q.S ....................................................................... 124</p><p>6.6. Execução e manutenção de uma instalação de A.Q.S .................................. 125</p><p>6.6.1. Processo prévio ao início da instalação ................................................ 125</p><p>6.6.2. Provisão de material ......................................................................... 127</p><p>6.6.3. Fases do processo de montagem ........................................................ 128</p><p>6.6.4. Partida da instalação ......................................................................... 130</p><p>6.7. Manutenção preventiva ........................................................................... 134</p><p>6.8. Localização e conserto de avarias ............................................................. 135</p><p>6.9. Estruturas de suporte e ancoragem .......................................................... 137</p><p>6.10. Orientação e inclinação dos coletores ...................................................... 137</p><p>6.11. Determinação de sombras ..................................................................... 138</p><p>6.12. Distância mínima entre os coletores ........................................................ 139</p><p>7. Dimensionamento e termorregulação de sistemas solares ................................. 142</p><p>7.1. Dimensionamento da superfície coletora ................................................... 142</p><p>7.1.1. Critérios de partida ........................................................................... 142</p><p>7.1.2. Intensidade útil e rendimento do coletor .............................................. 142</p><p>7.1.3. Cálculo da energia útil ....................................................................... 144</p><p>7.1.4. Energia útil e determinação da superfície necessária ............................. 145</p><p>7.2. Cálculos envolvendo elementos da instalação ............................................ 146</p><p>7.2.1. Subconjunto do coletor ...................................................................... 146</p><p>7.2.2. Sistema de aquecimento .................................................................... 147</p><p>7.2.3. Subconjunto de armazenamento ........................................................ 150</p><p>7.3. Regulação e controle das instalações solares ............................................. 150</p><p>7.3.1. Circuito de coletores com regulação por termostato .............................. 151</p><p>7.3.2. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura sobre a bomba</p><p>............................................................................................................... 152</p><p>7.3.3. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula de</p><p>comutação ................................................................................................ 157</p><p>7.3.4. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula</p><p>misturadora progressiva ............................................................................. 158</p><p>7.3.5. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula de</p><p>by-pass progressiva ................................................................................... 159</p><p>7.3.6. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula de</p><p>by-pass e misturadora progressiva ............................................................... 160</p><p>Alex Vazzoler</p><p>12</p><p>7.4. Montagem em série e paralelo de coletores ............................................... 161</p><p>8. Concentradores solares – parte 1 - apresentação ............................................. 164</p><p>8.1 Sistemas de Coleta Solar .......................................................................... 164</p><p>8.2. Principais Tipos de Coletores .................................................................... 168</p><p>8.2.1. Coletores Planos ou "de Pratos" ......................................................... 168</p><p>8.2.2. Coletores Parabólicos Compostos ........................................................ 169</p><p>8.3. Principais Tipos de Concentradores ........................................................... 171</p><p>8.3.1. Concentrador Solar Cilíndrico Parabólico .............................................. 171</p><p>8.3.2. Torre Central .................................................................................... 174</p><p>8.3.3. Refletor Linear de Fresnel .................................................................. 176</p><p>8.3.4. Concentrador de disco parabólico........................................................ 178</p><p>9. Concentradores solares – parte 2 - dimensionamento ....................................... 181</p><p>9.1. Dimensionamento do Tubo absorvedor ..................................................... 181</p><p>9.2. Dimensionamento do Concentrador solar .................................................. 182</p><p>9.2.1. Análise energética de concentradores (primeira lei) .............................. 182</p><p>9.2.2. Análise exergética de concentradores (segunda lei) .............................. 188</p><p>9.2.3. Análises econômica e ambiental ......................................................... 192</p><p>9.3. Modelo hidráulico – queda de pressão ....................................................... 194</p><p>9.4. Otimização de concentradores parabólicos ................................................. 194</p><p>9.4.1. Modelo econômico ............................................................................ 194</p><p>9.4.2. Otimização – Método termohidráulico .................................................. 195</p><p>9.4.3. Otimização – Método térmico-exergético ............................................. 196</p><p>9.5. Noções sobre o dimensionamento de torres concentradoras e sua combinação com</p><p>ciclos termodinâmicos ................................................................................... 197</p><p>9.5.1. Circuito da torre concentradora .......................................................... 197</p><p>9.5.2. Melhoria da integração do ciclo CRO através da utilização de bombas de calor</p><p>...............................................................................................................</p><p>que</p><p>incidem perpendicularmente à superfície do coletor. Em decorrência da incidência oblíqua</p><p>dos raios sobre a superfície ao longo do dia, este diminuirá em um fator de 0,9 a 0,97</p><p>(medidas experimentais).</p><p>- O efeito da sujeira e envelhecimento da cobertura transparente, no caso de existir, faz</p><p>com que a transmitância também diminua pelo termo médio em um fator igual a 0,85 a</p><p>0,97.</p><p>2) Como na equação do rendimento, engloba-se o produto em um só valor numérico,</p><p>será obtidos para o melhor cenário o produto 0,97.0,97 = 0,94. Evidentemente, se estes</p><p>valores não estuverem disponíveis é usual assumir uma eficiência de 90%, ou seja, um</p><p>fator de 0,9.</p><p>3) F e UL são dados fornecidos pelo fabricante de forma independente ou o valor de seu</p><p>produto (FUL) usados no cálculo do rendimento. Os valores faltantes serão I (intensidade</p><p>útil) anteriormente calculado e o valor de Ta (temperatura ambiental diurna), a ser</p><p>consultado em sites de dados metereológicos.</p><p>4) Com respeito ao valor de Tm (temperatura média da placa absorvente) cujo valor</p><p>preciso somente será obtido por medição.Todavia, para práticos efeitos de cálculo, é</p><p>suficiente adotar o valor médio entre as temperaturas de entrada e saída do coletor</p><p>(𝑇𝑒 + 𝑇𝑠) 2⁄ . De forma análoga é calculado o valor médio de temperatura para o</p><p>acumulador (reservatório). Por outro lado, é lógico que ao alcançar um regime estável</p><p>de trabalho, a água chegará ao acumulador à mesma temperatura do fluido portador de</p><p>calor, o qual está em contato direto com a placa absorvente.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>144</p><p>5) Caso seja de um sistema de A.Q.S., a temperatura no ponto de consumo é fixada em</p><p>40ºC, e a temperatura média no acumulador será, portanto, de 45ºC.</p><p>7.1.3. Cálculo da energia útil</p><p>Para estimar-se a energia aproveitável que incide em um dia médio de cada mês sobre</p><p>os coletores, deve-se partir das tabelas de radiação em função da área geográfica (cidade</p><p>ou estado) e da inclinação proporcionada às placas. Aos valores ali indicados, se lhes</p><p>aplicarão os seguintes fatores de correção [74]:</p><p>- Caso se trate de uma instalação de montanha ou com atmosfera muito limpa, se</p><p>multiplicará o valor da tabela pelo fator 1,05.</p><p>- Caso se trate de uma instalação em uma zona fortemente poluída, se multiplicará por</p><p>0,95.</p><p>Empiricamente, se tem comprovado também que, tanto à primeira quanto à última hora</p><p>do dia, a energia recebida pelo coletor não é aproveitável, por ser inferior a 200 W/m2.</p><p>Este dado reduz novamente o total de radiação utilizável durante o dia, multiplicando-a</p><p>pelo fator 0,94. Em seguida, se terá em conta a variação da radiação captada, que supõe</p><p>o desvio com respeito ao sul da orientação de nossa instalação, multiplicando-a pelo</p><p>fator correspondente, segundo a Tabela 7.2 [67].</p><p>Tabela 7.2. Fator de correção a aplicar em função do ângulo de orientação das placas [67].</p><p>Ângulo de desvio (o) Fator de correção</p><p>5 0,99</p><p>10 0,98</p><p>15 0,96</p><p>20 0,94</p><p>25 0,90</p><p>Do mesmo modo, deve-se indicar o método de cálculo empregado, pelo qual se utilizará</p><p>a demanda já calculada e os dados ambientais, climatológicos e de insolação locais,</p><p>indicando as fontes, ou em todo caso, os valores considerados e sua justificativa.</p><p>O cálculo energético relacionará as dimensões solares do campo de captadores (em m2)</p><p>com a cobertura alcançável (em porcentagem) das necessidades totais, detalhado por</p><p>meses e anualmente, e apresentado em forma de tabela.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>145</p><p>7.1.4. Energia útil e determinação da superfície necessária</p><p>Depois de calcular a irradiação que chega às superfícies coletoras, deve-se considerar</p><p>que apenas uma parcela desta energia será aproveitada, já que as placas possuem um</p><p>rendimento limitado [56].</p><p>Para o cálculo do rendimento teórico é necessário resolver um problema de cálculo</p><p>numérico não-linear complexo com a intervenção de múltiplas variáveis. Novamente será</p><p>utilizada uma norma de cálculo aproximada definida a partir da experiência prática. É</p><p>observado que o valor de rendimento do coletor situa-se entre 50 a 60%, conforme a</p><p>qualidade dos materiais empregados em sua construção.</p><p>Uma vez realizados os cálculos, estima-se o fornecimento energético dos coletores, que</p><p>será introduzido no acumulador (reservatório). Ao dividir-se este valor pelo total de</p><p>irradiação solar das tabelas, será obtido o rendimento global da instalação.</p><p>A energia que diariamente é fornecida pela instalação não coincide com a disponível para</p><p>o consumo, devido às perdas térmicas produzidas em todos seus os elementos,</p><p>principalmente tubulações e acumulador (reservatório). Estas perdas dependem</p><p>principalmente da distância entre as placas dos coletores e o acumulador, e do material</p><p>isolante empregado. Apesar das possíveis múltiplas combinações, cestas perdas serão</p><p>fixadas em 15% aproximadamente da energia captada, ou seja, a energia disponível é</p><p>a energia útil coletada pelo sistema multiplicada por um fator de 0,85. Ao considerar-se</p><p>uma eficiência de 55% de coleta, será obtida 0,55.0,85 = 0,4765. Portanto, será obtida</p><p>uma eficiência global de cerca de 47%.</p><p>O nível de cobertura é a base para dimensionar todo o sistema, tendo em conta as</p><p>possibilidades de ampliação, adaptação para futuras aplicações ou fontes de energia, e</p><p>parâmetros técnicos e de rendimento que sejam adequados a cada aparelho ou</p><p>componente da instalação [56].</p><p>O dimensionamento do campo de captação (coleta) será condicionado pelos resultados</p><p>do cálculo, da superfície de captação, da inclinação, do agrupamento e do tipo de</p><p>captador e, finalmente, das conexões hidráulicas dos captadores (coletores) e dos grupos</p><p>(arranjo com vários coletores).</p><p>O campo de captação deve ser adaptado às características do lugar, segundo os critérios</p><p>de integração e do projeto.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>146</p><p>Para o dimensionamento do sistema, pode-se partir dos seguintes valores típicos [63]:</p><p>- Consumo de A.Q.S. por pessoa: de 35 a 105 litros/dia;</p><p>- Consumo de A.Q.S. por ducha desportiva: de 15 a 35 litros/dia;</p><p>- Superfície de coleta: Para produção de A.Q.S. (m2/pessoa): de 50 a 100 litros/m2 dia;</p><p>- Nível de cobertura: Para produção de A.Q.S: de 35 a 65% da demanda total;</p><p>- Para aplicações de calefação (aquecimento): de 25 a 50% da demanda total;</p><p>- Produção solar alcançável: de 650 a 1200 kWh/m2 de captação ao ano.</p><p>O cálculo da área de superfície coletora não somente dependerá das necessidades</p><p>energéticas e da energia líquida disponível por cada m2 de coletor, mas também do custo</p><p>total da instalação. Pretender ser auto-suficiente no inverno significaria provavelmente</p><p>dobrar a quantidade de superfície coletora, e caso seja pressuposto, por exemplo, ser</p><p>autossuficiente no verão equivaleria a cobrir 50% das necessidades no inverno. Uma</p><p>maneira possível de encontrar um equilíbrio entre inversão e resultados é calcular a</p><p>instalação para 100% para o verão, 100% para o inverno e fazer uma média [59].</p><p>Uma vez escolhida a solução particular de cada caso, calcularemos o fornecimento total</p><p>a partir da superfície utilizada.</p><p>7.2. Cálculos envolvendo elementos da instalação</p><p>7.2.1. Subconjunto do coletor</p><p>O procedimento de cálculo a ser seguido será [59]:</p><p>i) Calcular o consumo energético de acordo com os dados de consumo e de temperatura</p><p>da água da rede. Este cálculo pode ser feito mês a mês ou escolhendo-se um mês de</p><p>cada estação, conforme a precisão desejada;</p><p>ii) Buscar nas tabelas o valor de radiação segundo a localização e a inclinação</p><p>selecionadas, correspondente aos meses calculados escolhidos no tópico anterior;</p><p>iii) Aplicar-se no valor encontrado no ponto (ii), os coeficientes de acordo com a situação</p><p>da instalação, se está situada em zona de montanha ou em uma zona poluída, e o fator</p><p>de desvio da orientação;</p><p>iv) Multiplicar-se o valor encontrado no ponto (iii) por 0,94 (pode variar entre 0,9 a</p><p>0,97);</p><p>Fundamentos de sistemas</p><p>solares térmicos</p><p>147</p><p>v) Calcular-se a energia aproveitável, multiplicando o valor obtido no ponto (iv) pelo</p><p>rendimento do coletor, em geral geral, 0,60;</p><p>vi) Calcular-se a energia útil, multiplicando o valor do ponto (v) pelo fator de perdas</p><p>0,85;</p><p>vii) Encontrar-se a área a superfície de coletores, dividindo as necessidades encontradas</p><p>no ponto (i) pela energia útil do ponto (vi);</p><p>viii) Calcular-se o número de coletores a serem utilizados, dividindo-se a superfície do</p><p>ponto (vii) pela área de cada coletor (ainda que dependa do tipo de coletor utilizado, são</p><p>aconselhadas superfícies de 1,5 a 2 m2);</p><p>ix) Calcular-se a área de superfície real a instalar, multiplicando-se o número de</p><p>coletores do ponto (viii) pela superfície de cada coletor;</p><p>x) Calcular-se a energia útil real obtida, multiplicando-se a área de superfície real do</p><p>ponto (ix) pela energia útil do ponto (vi);</p><p>xi) Calcular-se o fornecimento da instalação, dividindo-se a energia útil real do ponto</p><p>(x) entre o consumo energético do ponto (i), e multiplicando-se o resultado por 100 para</p><p>expressá-lo em termos de percentual;</p><p>xii) Avaliar-se economicamente cada opção dentre as calculadas no ponto (viii) e</p><p>escolher-se a mais rentável.</p><p>7.2.2. Sistema de aquecimento</p><p>Os elementos do sistema de aquecimento são listados abaixo [75]:</p><p>a) Fluido transportador de calor (fluido térmico)</p><p>A concentração do fluido anticongelante deverá ser capaz de suportar sem congelar uma</p><p>temperatura de -5 ºC abaixo da mínima histórica que tenha sido registrada no local.</p><p>b) Tubulações</p><p>O diâmetro das tubulações deve ser o adequado tendo-se em conta o comprimento do</p><p>circuito e as perdas de carga, as quais devem ser razoáveis. No caso de que sejam</p><p>excessivas, deve-se escolher um diâmetro imediatamente superior.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>148</p><p>c) Bombas de circulação</p><p>Para a escolha da bomba de circulação, deverão ser previamente calculadas as perdas</p><p>de carga nos trechos retos e nos acidentes, conforme os métodos convencionais.</p><p>Somente a experiência de instalações parecidas servirá como indicativo mais preciso do</p><p>valor total que a perda de carga possa alcançar e, em qualquer caso, nunca se estará de</p><p>todo seguro sem que se proceda para medi-la na prática, uma vez realizada a instalação,</p><p>servindo-se de um manômetro e procedendo-se como indicado nos pontos anteriores.</p><p>Não obstante, deverão ser somadas as perdas de carga produzidas pelos próprios</p><p>coletores e pelo trocador, geralmente não disponibilizadas pelos fabricantes.</p><p>Ainda que seja conhecida a perda de carga de um só coletor para uma determinada</p><p>vazão, não é simples calcular a perda de carga de cada fila ou combinação de filas de</p><p>coletores, pela sua dependência com o tipo de conexão e das características do fluido.</p><p>Se o fabricante não fornece as tabelas de perdae de carga das combinações mais</p><p>frequentes, não se estará seguro sobre este valor até a medição em campo.</p><p>Em qualquer caso, a perda de carga (ou queda de pressão em unidades de pressão)</p><p>atribuída aos próprios coletores é sempre muito inferior à dos seus acessórios e</p><p>conexões. Uma vez calculada a perda de carga total do circuito, se esta for maior do que</p><p>7 m de coluna de água (m.c.a) recomenda-se redesenhar a linha com o objetivo de</p><p>reduzi-la, utilizando uma tubulação de maior diâmetro, modificando seu traçado, etc.</p><p>Utilizando-se tubulações de ¾” e de 1” nas linhas de sucção das bombas, não é comum</p><p>atingir-se o</p><p>Quando for estimado o valor definitivo da perda total de carga que a bomba sobrepujará,</p><p>esta será selecionada a partir das curvas características dos diferentes modelos, e tendo-</p><p>se em conta a vazão necessária. Para estes cálculos são recomendadas as seguintes</p><p>referências: Rotava [76] e manual da Crane Co [77].</p><p>A partir de instalações de certa magnitude (50 m2 de superfície coletora), recomenda-se</p><p>montar-se duas bombas idênticas em paralelo, tanto no circuito primário como no</p><p>secundário, uma delas atuando de reserva (stand by) e prevendo-se seu eventual</p><p>acionamento, de maneira manual ou automática.</p><p>A vazão recomendada (para o caso do fluido portador de calor com anticongelante) que</p><p>a bomba deve proporcionar é de cerca de 75 litros/hora por m2 de superfície coletora.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>149</p><p>d) Dilação de líquidos nos vasos</p><p>A dilatação dos líquidos nos vasos, em especial no reservatório, pode ser calculada de</p><p>diferentes maneiras, considerando-se serem vasos abertos (com respiradouros) ou</p><p>fechados [6].</p><p>No caso de que serem abertos, o volume será dado pela Equação 7.2.2.1:</p><p>𝑉 = 1,25𝑉𝑟 + 0,05𝑉𝑐 (7.2.2.1)</p><p>em que Vc é a capacidade total dos próprios coletores e Vr é o volume do restante do</p><p>circuito primário.</p><p>E para sistemas fechados:</p><p>𝑉 = 𝑉𝑡(0,2 + 0,01ℎ) (7.2.2.2)</p><p>Cujas variáveis são, Vt que representa a capacidade total do circuito primário e h, a</p><p>diferença de altura em metros, entreo campo de coletores e do depósito de expansão.</p><p>e) Trocadores de calor</p><p>O trocador interior do acumulador (reservatório), em um sistema de troca indireta entre</p><p>os circuitos primário e secundário, será dimensionado tendo-se em conta que sua</p><p>superfície deverá estar compreendida entre 1/4 e 1/3 da superfície total coletora. Para</p><p>o trocador exterior será válida a regra de que sua potência seja, no mínimo, de 0,5 kW</p><p>por cada m2 de superfície coletora. Procurando-se obter vazões nos circuitos primário e</p><p>secundário aproximadamente iguais.</p><p>Para efeitos de cálculo deverá ser suposto, por exemplo, que a temperatura de entrada</p><p>da corrente do cicuito primário será de 50 ºC e a de entrada do secundário de 40 ºC,</p><p>não sendo admitidas eficiências inferiores a 0,4. Em outros termos, deve ser utilizada</p><p>uma diferença mínima de temperatura entre as correntes de cerca de 10 ºC, tanto na</p><p>entrada quanto na saída do trocador, em arranjos contracorrente.</p><p>f) Purgadores e desaeradores</p><p>Será disposto um sistema de purga para cada bateria de coletores, calculando-se o</p><p>volume útil "de capacidade ou volume de blowndown" e do desaereador.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>150</p><p>7.2.3. Subconjunto de armazenamento</p><p>É nítidaa percepção de que a necessidade de energia, em boa parte do tempo, não</p><p>coincidirá com o tempo com a captação que obtemos do Sol, fator pelo qual torna-se</p><p>absolutamente imprescindível dispor de um sistema de armazenamento que faça frente</p><p>à demanda em momentos de pouca ou nula insolação [71].</p><p>Armazenar energia através de água quente tem indubitáveis vantagens. É um líquido</p><p>barato, fácil de utilizar, tem alta capacidade calorífica e é ao mesmo tempo é o elemento</p><p>de consumo no uso de coletores solares. A escolha para o tanque depende de diversos</p><p>fatores, tais como o tipo de aplicação, lugar de instalação, custo, tempo de vida útil</p><p>estimado, etc., sendo os materiais mais utilizados o aço, aço inoxidável, alumínio e fibra</p><p>de vidro reforçada.</p><p>Aproveitando-se o fenômeno da estratificação, a água diminui sua densidade com o</p><p>aumento de temperatura. Quanto maior for a altura, maior será a diferença de</p><p>temperatura entre a parte superior e inferior do depósito, isto é, maior será o gradiente</p><p>térmico (e consequentemente, a diferença de densidade).</p><p>O dimensionamento do acumulador depende em grande medida da utilização da</p><p>instalação. Nosso objetivo é fazer com que a água tenha energia calorífica suficiente para</p><p>satisfazer as necessidades do usuário durante breves períodos de ausência ou falta de</p><p>radiação solar, quase nunca superiores a um dia. Passado este período, deve-se fazer</p><p>uso de outra energia de suporte ou substitutiva da energia solar, caso queira-se</p><p>continuar desfrutando de água quente.</p><p>Os estudos teóricos e</p><p>experimentais que têm sido efetuados, corroborados amplamente</p><p>pela experiência, mostram que o volume ideal de acumulação é de cerca de 70 litros por</p><p>cada m2 de coletor.</p><p>Se a acumulação é menor, são obtidas temperaturas mais elevadas, com queda do</p><p>rendimento do sistema. Caso seja maior, embora melhore o rendimento, existe o perigo</p><p>de não ser atingida a temperatura de utilização.</p><p>7.3. Regulação e controle das instalações solares</p><p>Para o bom funcionamento do sistema de energia solar, é fundamental a regulação tanto</p><p>da vazão que circula pelos coletores quanto das temperaturas de funcionamento. A</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>151</p><p>finalidade da regulação é assegurar a correta transferência de calor do coletor para o</p><p>reservatório e a posterior utilização da energia térmica.</p><p>7.3.1. Circuito de coletores com regulação por termostato</p><p>Um termostato de contato ou de imersão verificará se a temperatura do coletor</p><p>ultrapassa o valor de ordem previamente fixado (set point ou ponto de ajuste). Seu</p><p>funcionamento é ilustrado pela Figura 7.1 [56].</p><p>Figura 7.1. Regulação de coletores por termostato: 1 Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba de</p><p>circulação. 4 Termostato.</p><p>Este sistema de termorregulação, ou malha de controle de temperatura, é utilizado quase</p><p>exclusivamente no aquecimento da água de piscinas. Não sendo recomendável para</p><p>outras aplicações, dado que a perda energética é praticamente inevitável. Por exemplo,</p><p>se a temperatura no acumulador supera o valor de ordem previamente ajustado no</p><p>termostato, a bomba de circulação continuará ligada, inclusive em ausência de radiação,</p><p>e a energia do acumulador se dissipará no coletor (reversão do termossifão).</p><p>O ponto de ajuste (set point) do termostato deve corresponder a temperatura desejada</p><p>para a água da piscina. É importante que o termostato meça a temperatura do coletor,</p><p>inclusive quando a bomba estiver parada. Deve-se inserir o termostato tão próximo</p><p>quanto seja possível da conexão superior do coletor ou dentro do mesmo.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>152</p><p>7.3.2. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura sobre a</p><p>bomba</p><p>É o sistema mais utilizado. Nesta configuração, o regulador diferencial compara a</p><p>temperatura do coletor com a existente na parte inferior do acumulador (reservatório).</p><p>Quando a primeira for maior que a última em um valor superior ao ajustado no regulador,</p><p>este ordenará a partida da bomba, conforme a Figura 7.2 [56].</p><p>Figura 7.2. Regulação por termostato diferencial atuando sobre a bomba: 1 Coletor. 2</p><p>Interacumulador. 3 Bomba de circulação. 4 Regulador diferencial "tudo ou nada". 5 Sonda do</p><p>coletor. 6 Sonda do acumulador. 7 Válvula de estrangulamento.</p><p>É preciso ajustar a diferença de temperatura para que em nenhum caso o calor do</p><p>acumulador possa dissipar-se através do coletor (termosifão reverso), exigindo-se que</p><p>a temperatura no coletor seja alguns graus maior que no acumulador para que então a</p><p>bomba seja ligada. Este fato se justifica pelos seguintes fatos [68]:</p><p>i) A perda de temperatura na tubulação do coletor para o acumulador, pode ser, segundo</p><p>seu comprimento, de cerca de 1ºC;</p><p>ii) A tolerância do sensor e do próprio regulador é de 1 a 2 ºC;</p><p>iii) O diferencial de temperatura no trocador de calor deve ser no mínimo de uns 4 ºC;</p><p>iv) A instalação somente deve funcionar quando possa gerar mais energia útil que a</p><p>consumida pela bomba, o que exige um diferencial mínimo de 3 ºC.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>153</p><p>As considerações anteriores fazem com que seja aconselhável utilizar um diferencial</p><p>mínimo de 6 ºC entre as temperaturas do coletor e do fundo do reservatório.</p><p>A bomba de circulação deve admitir sem problemas um regime intermitente. Uma boa</p><p>relação entre partida e parada é crucial para evitar-se que seja conectada somente por</p><p>curtos períodos, e que a água quente seja resfriada nas tubulações.</p><p>O conteúdo em fluido dos coletores deve ser superior ao das tubulações em união com</p><p>o acumulador, motivo pelo qual estas devem ser o mais curtas e de menor diâmetro</p><p>possíveis (menor área de contato com o ar).</p><p>Na Figura 7.3 representa-se um esquema típico no qual se mostra uma instalação</p><p>completa de A.Q.S., incluídos os circuitos secundários e de distribuição, que também</p><p>possuem sua própria regulação [53].</p><p>Figura 7.3. Regulação diferencial em uma instalação de A.Q.S. com quatro controles</p><p>independentes.</p><p>Conforme a Figura 7.3, o primeiro controle é realizado pelo termostato diferencial TD1</p><p>que, partindo da informação proporcionada pelo sensor S1 de temperatura na saída do</p><p>coletor, e da informação de S2 da temperatura no acumulador AC1, aciona ou para as</p><p>bombas B1 e B2. Normalmente, o termostato aciona a B1 e B2 quando a temperatura</p><p>de S1 é maior do que a de S2 em um valor prefixado. Desta maneira, o sistema funciona</p><p>sempre cedendo energia ao acumulador, e não roubando energia deste.</p><p>Em determinados sistemas de grandes dimensões pode-se utilizar um segundo</p><p>termostato diferencial melhorar (aumentar da precisão) o controle da instalação. Esta</p><p>Alex Vazzoler</p><p>154</p><p>melhoria consiste em transvasar água do acumulador AC1 para o acumulador AC2,</p><p>sempre que a temperatura de AC1 supere à de AC2 em um determinado valor.</p><p>Basicamente, o termostato TD2 não se diferencia do TD1; os dois são termostatos</p><p>diferenciais. O TD2 detecta a diferença de temperatura entre o sensor S3 e o sensor S4,</p><p>e quando sua diferença chega ao valor prefixado, aciona a bomba B3, induzindo desta</p><p>maneira o transporte de água de AC1 para AC2. O terceiro controle de temperatura</p><p>localiza-se no acumulador auxiliar AC2. Trata-se de um termostato clássico que, partindo</p><p>do sensor S5, ativa ou desativa o elemento de aquecimento R1 sempre que a</p><p>temperatura deste acumulador desça abaixo do ponto fixado.</p><p>Um último controle é encarregado de manter a temperatura da água de serviço</p><p>constante. Trata-se de um controle proporcional integral (PI) que utiliza um sistema do</p><p>tipo feedback (realimentação) através da combinação de sensores de temperatura que</p><p>atuarão sobre uma válvula com a função de regular a mistura de água quente procedente</p><p>de AC2, e de água fria vinda diretamente da rede. Na Figura 7.4 representa-se uma</p><p>instalação com um controlador lógico programável (CLP).</p><p>Figura 7.4. Controle de temperatura utilizando controlador lógico programável (CLP).</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>155</p><p>Ao comparar-se as Figuras 7.3 e 7.4 pode ser observado que o conceito de "controle</p><p>repartido" da instalação é substituído pelo de "controle centralizado". Todos os sensores</p><p>estão agora conectados a um controlador central que normalmente é um multiplexor.</p><p>Esta unidade, rastreia todos os sensores, e coordena as diferentes ações de controle.</p><p>A unidade RAM de memória auxiliar é utilizada pelo microprocessador para a realização</p><p>de cálculos e registro temporal de dados [59].</p><p>A posição dos sensores influi de maneira decisiva sobre o correto funcionamento do</p><p>sistema de controle, já que sua posição define terminantemente a temperatura que</p><p>realmente é controlada. São dois os principais aspectos a serem considerados:</p><p>1. A situação geral do sensor com relação à instalação;</p><p>2. A forma de fixação do sensor em sua posição.</p><p>Nos próximos subitens serão discutidas as diferentes formas de controle em sistemas</p><p>térmicos solares de baixa temperatura (coletores).</p><p>a) Controle diferencial das instalações solares de aquecimento de água</p><p>Logicamente, convém ligar as bombas e transferir calor do circuito primário ao</p><p>secundário quando existe uma zona de água quente no primário que possa transferir</p><p>calor a uma zona fria do secundário. A parte mais quente do circuito primário é a parte</p><p>superior dos coletores, e a mais fria do circuito secundário, a zona inferior do depósito.</p><p>Os sensores de temperatura devem se situar nestes pontos, já que a diferença</p><p>de</p><p>temperaturas entre estes deve ser suficientemente alta para a partida da bomba ser</p><p>iniciada.</p><p>Os melhores sensores são os de imersão com bainha e cabeça rosqueada, por manterem-</p><p>se fixos no interior da instalação. Às vezes, coloca-se uma bainha rosqueada na</p><p>tubulação durante a montagem e depois se introduz a cabeça do sensor. Esta é uma</p><p>solução perigosa, já que o sensor tende a se afrouxar e sair da bainha.</p><p>Os sensores de braçadeira, apesar de serem piores que os de imersão, podem ser</p><p>admissíveis se presos à tubulação, e imediatamente após à saída do coletor (veja a</p><p>Figura 7.5). Há o risco de afrouxarem-se ou caírem das braçadeiras, perdendo o contato</p><p>e fornecendo medidas errôneas [37].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>156</p><p>Figura 7.5. Localização do sensor de temperatura.</p><p>O maior inconveniente é que, por ser fixado normalmente na fábrica, qualquer problema</p><p>ou avaria, especialmente a ruptura do filamento do sensor, é de difícil solução. Outro</p><p>ponto, é ter-se em conta que a temperatura da placa absorvedora é sempre superior à</p><p>do líquido, motivo pelo qual este tipo de sonda apenas deve ser utilizada para ligar a</p><p>bomba, mas não para a regulação de temperatura.</p><p>Para facilitar o contato térmico entre a cabeça do sensor e a bainha, uma solução seria</p><p>encher esta com pasta térmica de silicone, que transmite o calor da bainha ao sensor.</p><p>Quando a instalação possuir mais de um coletor, o sensor deve situar-se na parte alta</p><p>do coletor mais próximo à saída da tubulação para o acumulador (reservatório) [45].</p><p>O sensor do acumulador apresenta poucos problemas, podendo consistir em uma bainha</p><p>de imersão fixada em uma boca prevista ao construir o depósito, ou num sensor de</p><p>superfície enganchado à parede exterior, por baixo do isolamento. A sonda fica situada</p><p>na parte baixa do acumulador, mas a uma certa distância da boca de entrada da água</p><p>fria e da serpentina para que não seja influenciada por nenhum deles.</p><p>Nos casos nos quais sua localização não seja antecipadamente determinada pelo</p><p>fabricante do acumulador, recomenda-se que seja montado a uma distância do próprio</p><p>fundo equivalente a um quarto de sua altura.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>157</p><p>b) Controle do sistema de aquecimento do depósito auxiliar</p><p>A posição do sensor do termostato do sistema de aquecimento auxiliar do tanque</p><p>secundário tem uma considerável importância. A cabeça do sensor deve estar situada</p><p>no ponto médio do volume a aquecer, regulando o termostato a um valor que tenha em</p><p>conta que a temperatura será mais alta na parte superior. Para água quente sanitária,</p><p>esta temperatura pode ser de 45 ºC [1].</p><p>c) Controle do circuito de retorno</p><p>O sensor de controle do circuito de retorno seria situado antes da primeira ramificação</p><p>ou saída de água. Não obstante, como esta tubulação deve estar perfeitamente isolada,</p><p>por razões de simplicidade ou para que o circuito elétrico seja mais curto, o sensor pode</p><p>ficar situado na saída da tubulação de água quente do depósito secundário, se existir,</p><p>ou do tanque principal quando é único. O sensor pode ser de imersão ou de contato,</p><p>devendo neste último caso estar perfeitamente preso à tubulação e coberto pelo</p><p>isolamento para que suas medidas sejam precisas.</p><p>d) Controle da válvula de três vias de regulação do T de saída</p><p>O sensor de imersão ou de superfície deve detectar a temperatura de saída da água</p><p>quente para consumo.</p><p>e) Controle do sistema anti-gelo</p><p>O sensor deve situar-se na parte inferior da bateria de coletores, da maneira indicada</p><p>na Figura 7.5, ou pelo sensor de saída do coletor. O sensor será sempre de imersão</p><p>nestes casos.</p><p>7.3.3. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula</p><p>de comutação</p><p>Na Figura 7.6 se observa que o termostato (7), montado sobre o coletor, liga a bomba</p><p>de circulação (3) e o sistema de controle (4), ao alcançar a temperatura mínima utilizável</p><p>do coletor [56].</p><p>A válvula de comutação (8) encontra-se no momento com o circuito by-pass aberto e</p><p>com o circuito de trocador-acumulador fechado (2). Tão logo a temperatura média dada</p><p>pela sonda de saída (5) supere a temperatura regulada pelo acumulador, a válvula</p><p>motorizada abre a passagem direta para transmitir o calor ao acumulador.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>158</p><p>Figura 7.6. Regulação de coletores por regulador de temperatura diferencial e válvula de</p><p>comutação. 1 Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba. 4 Regulador diferencial. 5 Sonda de saída.</p><p>6 Sonda de acumulação. 7 Termostato de conexão. 8 Válvula de comutação.</p><p>Este sistema é adequado para instalações com grandes distâncias entre coletores e</p><p>acumulador (o conteúdo de fluido nos coletores é menor que o das tubulações). A</p><p>montagem do termostato de conexão (7) não é crítica. Em contrapartida, deve ser</p><p>montado de tal maneira que detecte a temperatura do coletor, ainda que a instalação</p><p>esteja parada.</p><p>A válvula de regulação e a sonda de saída devem ser montadas o mais próximo possível</p><p>do trocador, o que permite reduzir as perdas de calor nas tubulações que saem do</p><p>acumulador. A bomba deve ser selecionada de acordo com o tipo de fluido que circule</p><p>pelo circuito.</p><p>7.3.4. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula</p><p>misturadora progressiva</p><p>Tendo-se como referência a Figura 5.7, o termostato (7) situado na saída do conector</p><p>ativa a bomba de circulação e o equipamento de regulação (4) quando há suficiente</p><p>radiação solar. O fluido térmico é recirculado através do by-pass da válvula. Quando a</p><p>temperatura de saída em (5) é maior que a do acumulador em (6), a válvula será aberta</p><p>gradualmente. Uma parte do fluido térmico circula através do trocador, cedendo sua</p><p>energia ao acumulador (reservatório). Este sistema de regulação é apropriado para</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>159</p><p>instalações de média e grande potência (superfície coletora entre 50 a 300 m2), com</p><p>grandes comprimentos no primário, ou quando as condições hidráulicas deste sejam</p><p>críticas [56].</p><p>Figura 7.7. Circuito de coletores com regulador de temperatura diferencial e válvula</p><p>misturadora progressiva. 1 Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba. 4 Regulador diferencial. 5</p><p>Sonda de saída. 6 Sonda de acumulação. 7 Termostato de conexão. 8 Válvula misturadora.</p><p>7.3.5. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula</p><p>de by-pass progressiva</p><p>Com referência a Figura 7.8, o regulador diferencial compara a temperatura do coletor</p><p>(ou circuito de coletores) com a do acumulador. Se a primeira é superior à última com</p><p>respeito à quantidade prefixada em (4), abre-se a válvula de by-pass (7). Então, a</p><p>bomba de circulação é ligada através de um contato auxiliar no servomotor e uma vazão</p><p>mínima circula através do circuito de coletores.</p><p>Se a temperatura destes continua subindo, a válvula de by-pass (7) vai se abrindo</p><p>progressivamente, aumentando a vazão através dos coletores para manter constante a</p><p>diferença de temperaturas ao valor regulado [54].</p><p>Quando a temperatura de coletores diminui, a válvula se fecha. O sistema funciona para</p><p>vazão variável em coletores até um mínimo ajustável. Abaixo deste valor, a bomba liga,</p><p>ou para, em regime de "tudo ou nada". A aplicação deste tipo de regulação é centrada</p><p>principalmente nas instalações de média e grande potência, assim como naquelas que</p><p>possuem acumuladores múltiplos sem regulação. Também é indicado em instalações</p><p>Alex Vazzoler</p><p>160</p><p>com baixa temperatura de retorno ou coletora, por bomba de calor ou trocadores de</p><p>água sanitária, ou naquelas com curtos percursos entre coletores e acumulador.</p><p>Figura 7.8. Circuito de coletores com regulador diferencial e válvula de by-pass progressiva. 1</p><p>Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba. 4 Regulador. 5 Sonda de saída. 6 Sonda de acumulação.</p><p>7 Válvula de by-pass. 8 Válvula manual.</p><p>O contato auxiliar da válvula (7) será regulado de tal maneira</p><p>que a bomba não seja</p><p>ligada até que pela válvula circule a vazão mínima necessária através dos coletores (uns</p><p>20 litros por metro quadrado e por hora). A bomba se ligará quando a válvula (7) estiver</p><p>aberta aproximadamente 15% e parará quando se feche.</p><p>Em lugar da válvula (7) pode-se montar uma válvula que não se feche de todo (ajuste</p><p>do final de carreira). O ideal seria uma bomba de vazão variável até uma vazão mínima,</p><p>porém esta solução é cara.</p><p>7.3.6. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula</p><p>de by-pass e misturadora progressiva</p><p>O regulador de temperatura diferencial (10) compara a temperatura de coletores com a</p><p>mais baixa do acumulador, e quando a primeira for maior no valor ajustado, pôe-se em</p><p>funcionamento a bomba de circulação e o regulador progressivo.</p><p>Ao aumentar-se a temperatura de saída medida por (5), em uma primeira manobra da</p><p>válvula misturadora (8), esta será aberta progressivamente, e a vazão circulante no</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>161</p><p>trocador de calor aumentará proporcionalmente, aumentando-se assim a energia</p><p>acumulada.</p><p>Se a temperatura de saída continuar subindo, a válvula de by-pass (7) toma a posição</p><p>de passagem direta e a vazão continua aumentando. Este sistema pode ser utilizado em</p><p>todas as instalações de grande potência. Do ponto de vista hidráulico, no lugar da válvula</p><p>de três vias (7) pode ser montada em série outra válvula do tipo borboleta, com a bomba</p><p>de circulação. A vazão mínima será regulada com um by-pass sobre a válvula de</p><p>regulação, ou fazendo-se com que a válvula não feche totalmente (contato final de</p><p>carreira ajustado a 30% aproximadamente). A válvula misturadora (8) e a sonda (5)</p><p>devem ser montadas o mais próximo possível do acumulador [56].</p><p>Figura 7.9. Circuito de coletores com válvula de mariposa e misturadora progressiva.</p><p>1 Coletor. 2 Interacumulador. 3 Bomba. 4 Regulador diferencial com</p><p>três níveis (progressivo). 5 Sonda de saída. 6 Sonda de acumulação. 7 Válvula de by-pass. 8</p><p>Válvula misturadora. 9 Válvula manual. 10 Regulador de temperatura diferencial "tudo ou</p><p>nada". 11 Sonda de acumulação. 12 Sonda de coletores.</p><p>7.4. Montagem em série e paralelo de coletores</p><p>Em instalações de produção de água quente que necessitem de mais de um coletor,</p><p>estes deverão estar conectados entre si, de diferentes formas, de acordo com a</p><p>temperatura desejada para a água. Os coletores podem estar conectados em arranjos</p><p>em série, em paralelo ou em série/paralelo. O último uma combinação de ambos os</p><p>sistemas anteriores.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>162</p><p>Para conectar-se os coletores em série, estes serão colocados em sequência, unindo-se</p><p>as saídas de um às entradas dos outros. Desta maneira, a temperatura de trabalho de</p><p>cada um deles vai aumentando progressivamente, diminuindo ao mesmo tempo o seu</p><p>rendimento. Consequentemente, não devem ser conectados mais de seis coletores em</p><p>série.</p><p>Para dispor os coletores em paralelo, unem-se as entradas de água fria de todos eles a</p><p>uma tubulação central de água fria (manifold), e as saídas de água quente de todos os</p><p>coletores uma tubulação central de água quente, a ser introduzida no acumulador</p><p>(reservatório). Em uma instalação em paralelo, praticamente todos os coletores</p><p>trabalham à mesma temperatura e, portanto, com o mesmo rendimento.</p><p>Em instalações que necessitam de um grande número de coletores, estes são dispostos</p><p>em um número suficiente de séries conectadas em paralelo. Para regular a vazão de</p><p>maneira que todos os coletores trabalhem à mesma temperatura dispondo-se de</p><p>válvulas reguladoras às entradas destes.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>163</p><p>CONCENTRADORES</p><p>SOLARES – PARTE 1 -</p><p>APRESENTAÇÃO</p><p>8</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Alex Vazzoler</p><p>164</p><p>8. Concentradores solares – parte 1 - apresentação</p><p>8.1 Sistemas de Coleta Solar</p><p>As tecnologias solares convencionais para conversão de energia solar em outras</p><p>modalidades de energia são os sistemas fotovoltaicos e térmicos. O primeiro gera</p><p>diferença de potencial elétrico a partir da irradiação solar (comprimento do</p><p>infravermelho) por meios de células fotossensíveis. Já o segundo, utiliza diretamente a</p><p>irradiação solar para aquecimento de um fluido pelas diferentes modalidades de</p><p>transmissão de calor: radiação, condução e convecção [20].</p><p>Os equipamentos são classificados em duas categorias, estacionários e não</p><p>estacionários. Os equipamentos não estacionários visam maximizar a captação de</p><p>irradiação solar incidente utilizando um campo heliostático. Este é composto por</p><p>inúmeros espelhos que acompanham o movimento do sol (solar trackers),</p><p>redirecionando a irradiação refletida a um ponto focal. Tais equipamentos possuem alta</p><p>eficiência, entretanto devido a seu alto custo somente são utilizados para sistemas com</p><p>temperaturas mais altas [1]. A Tabela 8.1 apresenta os tipos de coletores existentes no</p><p>mercado, a estrutura característica do receptor ou absorvedor, a faixa de temperatura</p><p>de aquecimento do fluido de trabalho e o tipo de movimentação da armação.</p><p>Tabela 8.1. Classificação dos coletores solares por graus de rastreamento [1].</p><p>Movimento Tipo de coletor</p><p>Tipo de</p><p>absorção</p><p>Razão de</p><p>concentração</p><p>Intervalo de</p><p>temperatura de</p><p>aplicação (ºC)</p><p>Estacionário</p><p>Coletor de prato chato Prato 1</p><p>30-80</p><p>Coletor de tubo em vácuo Prato 1 50-200</p><p>Coletor parabólico composto Tubulação 1-5 60-240</p><p>Rastreamento</p><p>em 1 eixo</p><p>Coletor simples Tubulação 5-15 60-300</p><p>Concentrador refletor linear de</p><p>Fresnel</p><p>Tubulação 10-40 60-250</p><p>Concentrador parabólico de</p><p>calha</p><p>Tubulação 15-45 60-300</p><p>Concentrador parabólico</p><p>cilíndrico</p><p>Tubulação 10-50 60-300</p><p>Rastreamento</p><p>em 2 eixos</p><p>Concentrador parabólico de</p><p>prato</p><p>Ponto</p><p>focal</p><p>100-1000 100-500</p><p>Concentrador de campo</p><p>heliostático</p><p>Ponto</p><p>focal</p><p>100-1500 150-2000</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>165</p><p>A energia térmica gerada por estes tipos de sistema pode ser convertida em potência</p><p>mecânica ou elétrica de acordo com as necessidades do projetista [78].</p><p>Os coletores solares, principalmente do tipo plano, envolvem aplicações em</p><p>temperaturas relativamente baixas como por exemplo: aquecimento de água residencial,</p><p>hotelaria, hospitais e pequenas indústrias entre outros, que atingem temperaturas</p><p>inferiores a 80 ºC. Segundo Garcia et al. (2019) para suprir a necessidade de água</p><p>aquecida em uma residência com até quatro moradores deve-se utilizar um coletor com</p><p>cerca de 4m2 [79].</p><p>Em uma máquina térmica, a eficiência de conversão de potência é limitada, e</p><p>teoricamente estimada pela Lei de Carnot. Em um sistema de geração de eletricidade</p><p>baseado em energia solar, a qualidade da energia é definida pelas células fotovoltaicas,</p><p>primordialmente, e fios e demais acessórios.</p><p>O desempenho dos coletores solares é afetado por perdas energéticas: reflexão da</p><p>irradiação, absorção pelo vidro (espelho), perdas convectivas e por radiação para o</p><p>ambiente. Não obstante, a incidência solar depende das condições ambientais. A</p><p>eficiência termodinâmica teórica pu Carnot (𝜂𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡) do sistema aumenta com o aumento</p><p>da temperatura absoluta da fonte quente (Th)</p><p>𝜂𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 =</p><p>𝑞ℎ − 𝑞𝑐</p><p>𝑞ℎ</p><p>= 1 −</p><p>𝑞𝑐</p><p>𝑞ℎ</p><p>= 1 −</p><p>𝑇𝑐</p><p>𝑇ℎ</p><p>(8.1.1)</p><p>em que TC é a temperatura da fonte fria, 𝑞ℎ é o calor cedido pela fonte quente e 𝑞𝑐 é o</p><p>calor cedido pela fonte fria. Por outro lado, as perdas de calor para o ambiente se</p><p>intensificam-se diminuindo a eficiência dos coletores. Consequentemente, uma análise</p><p>de custos e benefícios (trade-off) deve ser estabelecida para determinar o ponto ótimo</p><p>de operação para a geração de potência.</p><p>A Fig. 8.1 apresenta a eficiência combinada do sistema térmico e do concentrador para</p><p>diferentes tecnologias. É observada uma relação de contraponto entre o fator de</p><p>concentração e temperatura, e deve-se escolher a temperatura de melhor desempenho</p><p>nos pontos próximos ao ponto de máximo das curvas.</p><p>Embora existam várias opções técnicas disponíveis em concentradores solares, algumas</p><p>delas não atingiram o nível de maturidade industrial, ou seja, estão em desenvolvimento</p><p>em laboratórios (Pesquisa e desenvolvimento, P&D).</p><p>Alex Vazzoler</p><p>166</p><p>Figure 8.1. Eficiência térmica teórica para diferentes tipos de captadores solares [80].</p><p>Recomenda-se a utilização do sistema de backup (hibridização) quando a intensidade da</p><p>radiação solar é baixa e quando é necessária uma resposta rápida. Fontes como</p><p>combustíveis fósseis ou renováveis são comumente utilizadas, mas a energia solar</p><p>fotovoltaica pode ser utilizada, apesar de não ser tão confiável para tal finalidade.</p><p>Para a produção de eletricidade, a eficiência máxima pode ser alcançada com células de</p><p>múltiplas junções (3 ou 4 junções) acopladas a um concentrador solar com um fator de</p><p>concentração de 400 a 800 sóis. As células de 3 junções (de liga Ga-As) comercialmente</p><p>disponíveis podem converter até 42% da luz concentrada em eletricidade [81]. Mesmo</p><p>considerando-se alguma perda de reflexão, e um fator de empacotamento de células</p><p>abaixo de 95%, ainda é possível obter uma eficiência elétrica no módulo na faixa dos</p><p>30% a 36%, ou seja, uma eficiência de conversão maior do que o dobro de um painel</p><p>de silício típico (de 13% a 16%). De forma complementar, pode ser recuperado o calor</p><p>de resfriamento das células (até 90 °C) alcançando-se quase 80% de eficiência total:</p><p>35% para energia elétrica e 45% para energia térmica. Esta é abordagem é chamada</p><p>HCPVT (High Concentrating Photovoltaic Thermal Systems), em livre tradução, Sistemas</p><p>Térmicos Fotovoltáicos de alta concentração [7].</p><p>Os concentradores solares atendem as demandas a temperaturas mais altas e</p><p>transferem energia a uma incidência maior que a natural, da própria irradiação solar. O</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>167</p><p>mecanismo óptico, formado por grandes áreas espelhadas, concentram os feixes de luz</p><p>solar em um ponto específico gerando uma grande sobreposição. Desta forma, são</p><p>atingidas maiores temperaturas e altos valores de eficiência [82].</p><p>São diversos os tipos de concentradores solares existentes, podem ser refletores ou</p><p>refratores, com tipos cilíndricos ou circulares. Cada um permite uma variação de</p><p>temperatura diferente capaz de atingir os 800 ºC. Como pode ser exemplificado na Figura</p><p>8.2.</p><p>Figura 8.2. Tipos de concentradores solares.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>168</p><p>Esses equipamentos são utilizados para produzir vapor, na secagem de grãos, em</p><p>dessalinização, pode-se gerar energia mecânica, com o auxílio de uma turbina a vapor,</p><p>e, posteriormente, eletricidade, por meio de um gerador de corrente elétrica. Também</p><p>são utilizados em diversos processos industriais.</p><p>Uma comparação entre os diferentes tipos de coletores é feito na Tabela 8.2.</p><p>Tabela 8.2. Comparações entre os concentradores [6].</p><p>Concentrador</p><p>Fresnel</p><p>Linear</p><p>Cilíndrico</p><p>Parabólico</p><p>Disco Parabólico Torre solar</p><p>Fluido de trabalho Vapor Óleo Sintético Hidrogênio ou Helio Sais fundidos</p><p>Espaço ocupado Médio Grande Pequeno Médio</p><p>Consumo de água 3000 3000 Não consome 2000</p><p>Armazenamento Sim Sim</p><p>Depende da</p><p>configuração</p><p>central</p><p>Depende da</p><p>configuração</p><p>central</p><p>Funcionamento hibrido Sim Sim</p><p>Apenas em alguns</p><p>casos</p><p>Sim</p><p>Portanto nos próximos itens, 8.2 e 8.3 serão apresentados os principais tipos de coletores</p><p>e concentradores, respectivamente, e suas aplicações nos âmbitos de geração de calor</p><p>e potência.</p><p>8.2. Principais Tipos de Coletores</p><p>8.2.1. Coletores Planos ou "de Pratos"</p><p>O principal componente deste tipo de coletor é a placa de absorção conhecida como</p><p>"placa solar". Fabricado a partir de uma tubulação de cobre soldado a uma chapa do</p><p>mesmo material. O topo da superfície de absorção é revestido com placas pintadas com</p><p>tintas escuras, não reflexivas convencionais ou eletrostáticas, para maior durabilidade.</p><p>A superfície escura do revestimento absorve a maior parte da radiação solar incidente.</p><p>Quando a radiação solar atinge esta superfície, ela é automaticamente convertida em</p><p>energia térmica [80].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>169</p><p>A folha de cobre funciona como um condutor que transporta o calor absorvido para a</p><p>tubulação de cobre. O fluido, água, absorve o calor e leva-o para fora do coletor, sendo</p><p>armazenado em um reservatório térmico. A superfície superior do conjunto é geralmente</p><p>de vidro temperado, com baixo teor de óxido de ferro, a fim de interferir minimamente</p><p>na passagem dos raios solares. Os vidros temperados podem suportar altas</p><p>temperaturas e, principalmente, altas variações de temperatura, o que significa dizer</p><p>que é adequado ao estresse térmico [83].</p><p>Figura 8.3. Coletor solar plano.</p><p>8.2.2. Coletores Parabólicos Compostos</p><p>O coletor parabólico composto é um dispositivo não formador de imagem que possui a</p><p>capacidade de refletir para o absorvedor toda a radiação incidente, o diagrama</p><p>esquemático do coletor é ilustrado na Figura 8.4. O aquecimento alcançado por este</p><p>equipamento é de até 140 ºC. Diferentemente do coletor plano, em que o absorvedor é</p><p>iluminado em somente uma face, o seu absorvedor é iluminado em ambas das faces, o</p><p>que leva a um maior aproveitamento de superfície de absorção [84].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>170</p><p>Figura 6.4. Diagrama esquemático do coletor parabólico composto.</p><p>Segundo Kalogirou (2004), o absorvedor do coletor parabólico composto pode</p><p>apresentar uma variedade de configurações, podendo ser de planos verticais ou</p><p>horizontais, no formato de V invertido ou cilíndrico, conforme ilustrado pela Figura 9 [1].</p><p>Figura 8.5. Diferentes tipos de absorvedores.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>171</p><p>8.3. Principais Tipos de Concentradores</p><p>8.3.1. Concentrador Solar Cilíndrico Parabólico</p><p>O concentrador solar cilíndrico parabólico é um dispositivo que apresenta a geometria</p><p>cilíndrico parabólica, este equipamento é revestido por um material refletor geralmente</p><p>espelhos, conforme mostrado na Figura 8.6. Os campos solares apresentam imensas</p><p>fileiras paralelas de espelhos côncavos conectados. Ao longo da linha focal do</p><p>concentrador atravessa um tubo metálico denominado receptor que absorverá os raios</p><p>solares concentrados pelos espelhos [82].</p><p>Figura 8.6. Concentrador solar parabólico cilíndrico.</p><p>A partir do instante em que o espelho (parábola) é apontada em direção ao sol, os raios</p><p>solares que incidem paralelamente ao material refletor serão convergidos no receptor</p><p>alinhado à linha focal do espelho, conforme a Figura 8.7 [1].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>172</p><p>Figura 8.7. Desenho da concentração de radiação em um concentrador cilíndrico parabólico.</p><p>O tubo receptor são tubos que absorvem o calor, com a finalidade de aquecer o fluido</p><p>em circulação e encaminhá-lo ao trocador de calor, que troca calor com a água gerando</p><p>vapor, caso o sistema seja de troca indireta. Em sistemas de geração direta de vapor, a</p><p>água pressurizada já é evaporada no próprio tubo receptor. São feitos de aço inoxidável</p><p>e apresentam cerca de 70 mm de diâmetro e costumam ter de 25 a 150 m de</p><p>comprimento [1].</p><p>O receptor, essencialmente, consiste em um tubo metálico revestido por uma película</p><p>seletiva, que deve apresentar elevada absorbância à irradiação solar e baixa emitância</p><p>para a radiação térmica. Geralmente esta película apresenta-se na cor preta, podendo</p><p>absorver até 90% da radiação incidente, e emite pouca radiação infra-vermelha.</p><p>O tubo receptor é envolvido por um cilindro de vidro com anti-reflexo para redução das</p><p>perdas de calor por convecção do receptor para o ambiente, o que leva a redução do</p><p>coeficiente de perda de calor.</p><p>Uma outra medida para evitar perdas de calor é manter o</p><p>vácuo no espaço entre o tubo receptor e o vidro. Dentro do tubo receptor escoa um</p><p>fluido que devido a concentração dos raios solares obtida no mesmo, faz com que este</p><p>fluido atinja temperaturas elevadas [7].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>173</p><p>O fluido de transferência de calor, representado muitas vezes pela sigla em inglês HTF</p><p>(Heat Transfer Fluid), deve apresentar altos valores de calor específico e coeficiente de</p><p>transferência de calor, sem sofrer processos físico-químicos de degradação. O fluido</p><p>normalmente utilizado é o óleo mineral térmico (sintético), três marcas muito conhecidas</p><p>são a Dowtherm, a Paratherm e a Eastman. Seus fluidos térmicos atingem temperaturas</p><p>na escala de 300°C a 400°C, sendo que o mais eficiente o Therminol, devido as suas</p><p>propriedades de transferência de calor serem superiores a fluidos como o caloria.</p><p>Atualmente, estão sendo desenvolvidos novos HTF menos poluentes, que em caso de</p><p>vazamentos, trarão menores danos ambientais. Não obstante existem pesquisas que</p><p>buscam a utilização de sais fundidos ou de metais líquidos como fluidos térmicos de alta</p><p>eficiência [85].</p><p>O concentrador cilíndrico parabólico rastreia o sol durante dia, movidos por motores</p><p>elétricos ou por uma unidade hidráulica, sendo o último o mais utilizado. O sistema de</p><p>rastreamento é classificado pelo seu modo de movimento, podendo ser de eixo único ou</p><p>de dois eixos. Para os concentradores apresentados neste livro, o sistema de será de</p><p>eixo único, podendo ser orientado no sentido leste-oeste rastreando o sol de norte a sul</p><p>ou no sentido norte-sul rastreando o sol de leste a oeste.</p><p>O concentrador cilíndrico parabólico permite o aquecimento de fluidos a temperaturas</p><p>entre 50 ºC e 400 ºC, e que a energia do fluido pode ser tanto utilizada para geração de</p><p>vapor ou de energia elétrica (via turbinas a vapor). O sistema cilíndrico parabólico é a</p><p>tecnologia mais difundida no mundo, dentre os concentradores térmicos. Além de ser a</p><p>tecnologia mais madura. Portanto, são estimados com relativa facilidade o investimento</p><p>necessário, custo de operação e manutenção para construção de uma de suas unidades</p><p>[6].</p><p>Uma vantagem desta tecnologia é a capacidade de armazenamento e capacidade de</p><p>funcionamento híbrido, ou seja, com auxílio de combustível fóssil para sua operação. O</p><p>fato de os campos solares estarem dispostos em grandes fileiras paralelas, faz com que</p><p>a utilização do terreno seja feita de modo bastante eficiente. A grande desvantagem</p><p>desta tecnologia é que a temperatura de operação é dependente do fluido de</p><p>transferência utilizado, além das perdas térmicas eventuais nos campos solares [59].</p><p>https://www.dow.com/en-us/pdp.dowtherm-a-heat-transfer-fluid.238000z.html</p><p>https://thermalprops.paratherm.com/HE.asp</p><p>https://www.therminol.com/</p><p>Alex Vazzoler</p><p>174</p><p>8.3.2. Torre Central</p><p>De acordo Casella [86] e International Energy Agency (IEA), a torre central é composta</p><p>por um campo de heliostatos, espelhos planos posicionados no solo e suportados por</p><p>rastreadores solares (sun trackers). Geralmente dispostos em um campo circular, cujos</p><p>heliostatos concentram os raios solares em um receptor central (ponto focal) que estará</p><p>localizado no topo de uma torre, conforme a Figura 8.8.</p><p>Figura 8.8. Torre solar circundada por heliostatos.</p><p>A torre deve estar posicionada em uma certa altura e distância dos heliostatos, com a</p><p>finalidade de evitar o sombreamento destes. A torre apresenta uma altura entre 50 e</p><p>165 m, a altura depende da distância que existe entre heliostatos e a torre [86].</p><p>Cada heliostato possui uma superfície refletora, uma estrutura de suporte e um sistema</p><p>de rastreamento do sol em dois eixos, para ativação deste sistema cada heliostato tem</p><p>seu próprio sistema de controle. Cada heliostato é composto por quatro espelhos,</p><p>apresentando uma área refletora total entre 50 e 150 m2 [86].</p><p>https://www.iea.org/</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>175</p><p>A torre central possui a capacidade de concentrar a luz solar em um fator 600 a 1000</p><p>vezes, consequentemente esta tecnologia atinge temperaturas elevadas, da ordem de</p><p>500 a 800 ºC cerca de duas vezes mais do que a temperatura alcançada no concentrador</p><p>cilíndrico parabólico. Para o aquecimento do fluido térmico, no caso das torres o mais</p><p>utilizado são sais fundidos, em especial carbonatos [26]. Mediante a capacidade de</p><p>atingir temperaturas elevadas, o sistema de torre central tem o potencial de atingir maior</p><p>eficiência e menor custo de armazenamento do que sistema cilíndrico parabólico [87].</p><p>Esta tecnologia ainda encontra-se na fase de desenvolvimento, muitas pesquisas estão</p><p>sendo realizadas para melhorar a capacidade de armazenamento e a para encontrar</p><p>materiais absorvedores de calor, que sejam capazes de suportar altas temperaturas e</p><p>variações ambientais sem perder suas propriedades físico-químicas [86].</p><p>Na torre central os dois principais fluidos de transferência são o sal fundido e o vapor</p><p>direto que são aquecidos a temperaturas próximas de 565 °C, utilizando-se carbonatos</p><p>de sódio com cerca de 75% de eficiência de conversão solar (irradiação em</p><p>aquecimento). O alcance desta temperatura torna-se possível devido a necessidade de</p><p>uma quantidade menor de tubulação para o fluido de transferência e a alta concentração</p><p>de calor no receptor da torre [86].</p><p>Ao observar-se a Figura 8.8, nota-se que a energia da radiação concentrada é absorvida</p><p>pelo líquido que circula pelo receptor, ocorrendo a conversão da energia solar em energia</p><p>térmica. O calor gerado é convertido posteriormente em vapor superaquecido, que é</p><p>utilizado para movimentar uma turbina, junto a ela está acoplado um gerador que</p><p>promoverá a geração de energia elétrica. O vapor já utilizado é direcionado para um</p><p>condensador onde obtém-se água no estado líquido que será canalizada para o início do</p><p>processo para posteriormente torna-se vapor novamente [44].</p><p>As vantagens da utilização torre central é que superfície refletora coletam e concentram</p><p>os raios solares em um único receptor, minimizando o transporte de energia térmica,</p><p>evitando perdas de calor no campo. Por possuir o sistema de rastreamento solar em dois</p><p>eixos e concentrar a luz solar em um único receptor central, a tecnologia possui altas</p><p>taxas de concentração de 300 a 1500 [86]. Além disso, pode possuir sistema de</p><p>armazenamento e pode ser utilizada em configurações híbridas [88].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>176</p><p>Campo</p><p>heliostático</p><p>Torre solar</p><p>Reservatório</p><p>quente</p><p>Reservatório</p><p>frio</p><p>Sal</p><p>quente</p><p>Gerador de</p><p>vapor</p><p>Sal</p><p>frio</p><p>Eletricidade</p><p>Fonte fria</p><p>do ciclo</p><p>Vapor</p><p>superaquecido</p><p>de alta</p><p>Vapor de baixa</p><p>pressão</p><p>Heliostatos</p><p>Figura 8.8. Diagrama esquemático de torre central com reaproveitamento de calor residual</p><p>com Ciclo Rankine Orgânico [89].</p><p>8.3.3. Refletor Linear de Fresnel</p><p>O refletor linear de Fresnel se aproxima em forma do concentrador cilíndrico parabólico,</p><p>consistindo em espelhos planos ou levemente curvos que recriam virtualmente o perfil</p><p>de uma parábola, dispostos em fileiras, e concentram os raios solares em um tubo</p><p>receptor fixo e linear, que apresenta a face voltada para baixo, de acordo com a Figura</p><p>8.9 [90].</p><p>O receptor é responsável por captar os raios solares refletidos e transferir o calor para o</p><p>meio de transferência. O calor é transferido para o líquido por convecção, e a</p><p>temperatura da parede do tubo torna-se superior a de saturação do fluido assim inicia-</p><p>se a vaporização no tubo receptor.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>177</p><p>Figura 8.9. Refletores lineares de Fresnel [78].</p><p>Uma desvantagem desse sistema é que durante o dia o tubo receptor projeta uma</p><p>sombra indesejada sobre os espelhos e ao longo do dia há um sombreamento entre os</p><p>espelhos à medida que o Sol se move. Outro problema é a área que deve ser</p><p>disponibilizada</p><p>para a projeção e execução do equipamento que é de média a grande.</p><p>Em contrapartida, esta área, caso o concentrador seja suspenso, pode ser usada para</p><p>cultivo e pastagem. Ao decorrer do dia, o sistema funciona como proteção contra o sol</p><p>abrasador dos locais áridos, proporcionando sombra a reservas de água e a áreas de</p><p>cultivo ou pastagem, durante a noite com os espelhos na posição horizontal é oferecida</p><p>proteção contra as temperaturas negativas da área sombreada [90].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>178</p><p>O sistema Linear de Fresnel é capaz de gerar vapor diretamente nos receptores a um</p><p>menor custo do que o concentrador parabólico, pela sua configuração mais simples.</p><p>Outra vantagem, é o baixo custo dos espelhos planos comparado aos espelhos de canal</p><p>parabólico, e devido ao arranjo fixo dos espelhos e o receptor, não é necessário um</p><p>sistema de rastreamento solar (tracking) [91]. Por outro lado, apresenta uma eficiência</p><p>inferior ao concentrador parabólico cilíndrico em termos de conversão de energia solar</p><p>em energia térmica. Contudo, este dispositivo pode ter uma aplicação viável para</p><p>geração de vapor em refinarias, indústria de recuperação de óleos pesados, indústria de</p><p>celulose e papel e na dessalinização [92].</p><p>As temperaturas oferecidas para aplicação estão em um intervalo de 60 ºC a 270 ºC</p><p>Podendo ser utilizado conforme a pressão para aquecimento de água ou vaporização [1].</p><p>8.3.4. Concentrador de disco parabólico</p><p>Este equipamento é formado por espelhos sob a forma de disco que coleta e concentra</p><p>os raios provenientes do sol em um ponto denominado foco. Este se localiza no centro</p><p>do refletor parabólico, como mostrado na Figura 8.10. Sua estrutura efetua o seguimento</p><p>solar em dois eixos, movendo-se o conjunto concentrador e receptor juntos pelo rastreio</p><p>solar [93].</p><p>Figura 8.10. Desenho esquemático do disco parabólico [81].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>179</p><p>O concentrador com disco parabólico é composto por um coletor, um receptor e um</p><p>motor de Stirling ou uma microturbina a gás. O disco coleta e concentra os raios solares</p><p>no receptor, o gás absorve a energia térmica e transfere para o motor Stirling que a</p><p>converte em energia mecânica. Acoplado ao motor, existe um gerador de energia elétrica</p><p>que converte a energia mecânica em eletricidade. Nessa produção de energia não há</p><p>consumo de água, o receptor utiliza como fluido de trabalho o hidrogênio ou o hélio [94].</p><p>Uma vantagem do sistema de disco parabólico é poder ser construído em áreas de</p><p>pequenos declives ou acidentadas, em razão de os discos serem isolados um dos outros</p><p>e não precisarem estar em série. Estes sistemas são capazes de atingir os maiores</p><p>valores de eficiência dentre todos os tipos de sistemas de concentração solar [94].</p><p>O consumo de água pelos sistemas Stirling é muito baixo, sendo utilizada basicamente</p><p>para limpeza e manutenção dos espelhos. O que o faz adequado para utilização em locais</p><p>desérticos ou nos quais há pouca disponibilidade de água. Como desvantagem, os</p><p>sistemas de disco parabólico não são aptos para armazenamento energia térmica e seu</p><p>o custo de construção é relativamente alto [94].</p><p>As temperaturas oferecidas para aplicação estão em um intervalo de 100 ºC a 750ºC</p><p>Podendo ser utilizado dependendo da pressão para aquecimento de água ou vaporização</p><p>[1].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>180</p><p>CONCENTRADORES</p><p>SOLARES – PARTE 2 -</p><p>DIMENSIONAMENTO</p><p>9</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>181</p><p>9. Concentradores solares – parte 2 - dimensionamento</p><p>Foi estruturado o dimensionamento de um concentrador solar do tipo parabólico</p><p>cilíndrico para produção de vapor em uma planta química.</p><p>9.1. Dimensionamento do Tubo absorvedor</p><p>Segundo Flyyn et al. (2019) a velocidade de escoamento recomendável a tubulações de</p><p>calor contendo água em mudança de fase é de 3 ft/s (0,914 m/s). O diâmetro do tubo</p><p>absorvedor é obtido pela Equação 9.1.1 [95]:</p><p>Vazão volumétrica</p><p>𝑄 = 𝐴. 𝑢 =</p><p>𝜋𝐷2</p><p>4</p><p>𝑢 . : 𝐷 = √</p><p>4𝑄</p><p>𝜋𝑢</p><p>= √</p><p>4�̇�</p><p>𝜋𝑢𝜌</p><p>(9.1.1)</p><p>Calor transferido</p><p>𝑞 = �̇�(𝐻𝑜 − 𝐻𝑖) (9.1.2)</p><p>Rearranjando a equação 9.12 e substituindo-a na equação 9.1.1:</p><p>𝐷 = √</p><p>4𝑞</p><p>𝜋𝑢𝜌(𝐻𝑜 − 𝐻𝑖)</p><p>(9.1.3)</p><p>Especificamente para água e vapor (em saturação), são apresentadas algumas</p><p>correlações empíricas necessárias para os cálculos anteriores, obtidas por regressão dos</p><p>dados de Smith et al. [96].</p><p>𝑉𝑎𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑝𝑖𝑎 ∆𝐻𝑠𝑎𝑡(𝐽/𝑚𝑜𝑙) = 2406,18 − 0,41333𝑇 − 0,00966𝑇2 (9.1.4)</p><p>𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜𝑔𝜌𝑠𝑎𝑡 = 9,0 10−8𝑇3 − 7,0. 10−5𝑇2 + 0,0262𝑇 − 5,2457 (9.1.5)</p><p>𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 𝑑𝑜 𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝜌𝑠𝑎𝑡 = −3,0 10−6𝑇2 − 6,0 10−5𝑇 + 0,9935 (9.1.6)</p><p>𝑝𝑎𝑟𝑎 7,74 10−6 ≤ 𝜌𝑠𝑎𝑡 ≤ 0,0654 𝑔/𝑐𝑚3 6,98 ≤ 𝑇 ≤ 320,74 ℃ 1 ≤ 𝑃 ≤ 11400𝑘𝑃𝑎</p><p>Substituindo as equações 9.1.4 a 9.1.6 na equação 9.1.3, obtendo-se uma formulação</p><p>do tipo em que as propriedades são uma função do calor transferido conforme a Equação</p><p>9.1.7:</p><p>Alex Vazzoler</p><p>182</p><p>𝐷 = 0,018√</p><p>𝑞∗</p><p>𝑢𝐿</p><p>𝑓(𝑇) (9.1.7)</p><p>em que q* é a carga de potência por metro linear de tubulação (kWh/m) e L é o</p><p>comprimento da tubulação (m).</p><p>9.2. Dimensionamento do Concentrador solar</p><p>9.2.1. Análise energética de concentradores (primeira lei)</p><p>O concentrador é uma superfície parábola e tem um único ponto focal, onde é colocado</p><p>o tubo de absorção, local em que toda luz incidente é coletada. Para o dimensionamento</p><p>do concentrador parabólico cilíndrico considerou-se uma área de 9,8 m2 [26].</p><p>O funcionamento de um concentrador parabólico cilíndrico é baseado na lei da reflexão</p><p>e esta enuncia que todo raio incidente, em paralelo ao eixo de simetria da parábola, será</p><p>refletido e convergirá ao foco. Na Figura 9.2 pode ser visualizado um esquema de um</p><p>concentrador solar com W como largura, L como comprimento, do como diâmetro do tubo</p><p>absorvedor e f é como distância focal entre a parábola e o tubo absorvedor [13].</p><p>Figura 9.2. Dimensões de um concentrador parabólico cilíndrico [13].</p><p>L</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>183</p><p>A equação para gerar o perfil parabólico do concentrador é expressa pela Equação</p><p>9.2.1.1 Na equação da parábola o parâmetro p é igual a 2f, sendo que f é a distância do</p><p>vértice ao foco [18].</p><p>𝑦2 = 2𝑝𝑥 = 4𝑓𝑥 (9.2.1.1)</p><p>Parábola é o conjunto de todos os pontos P do plano. Em que a distância P até d1 a um</p><p>ponto fixo F, chamado foco da parábola, é igual à distância d2 até P a uma reta fixa d,</p><p>que é a diretriz da parábola, o que pode ser visto na Figura 9.3. A distância da diretriz</p><p>ao vértice da parábola é a mesma distância do vértice da parábola ao foco [23].</p><p>F</p><p>D</p><p>d1</p><p>d2 P</p><p>P</p><p>F</p><p>D</p><p>(a) (b)</p><p>Figura 9.3. (a) Pontos de uma parábola, (b) parâmetros de uma parábola.</p><p>Primeiramente determina-se d e F e a partir desses parâmetros determina-se os pontos</p><p>de curvatura da parábola que deverão ser simétricos, como na Figura 9.3b.</p><p>Usando esse tipo de sistema parabólico maximiza-se a razão de concentração de um</p><p>coletor. Aumentando-se a eficiência térmica já que a transferência de energia é</p><p>direcionada somente a</p><p>um ponto.</p><p>Em um concentrador cilíndrico parabólico pode ocorrer três tipos de perdas: ópticas,</p><p>geométricas e térmicas.</p><p>As perdas ópticas acontecem na superfície do concentrador, atingida pelos raios</p><p>provenientes do sol, e são ocasionadas por erros no posicionamento do concentrador,</p><p>Alex Vazzoler</p><p>184</p><p>no sombreamento do suporte e dos tubos, e em imperfeições existentes na superfície</p><p>refletora.</p><p>As perdas geométricas se dão de duas maneiras: a primeira é devido à maneira que está</p><p>disposta a fila de concentradores, uma sobre as outras, gerando-se sombras. A segunda,</p><p>por outro lado, o fato do ângulo de incidência de radiação ser maior que zero durante a</p><p>maior parte do dia.</p><p>As perdas térmicas ocorrem através de convecção e radiação para o meio. Estas</p><p>acontecem principalmente no tubo absorvedor e nas tubulações que unem os</p><p>concentradores, caso estejam em série, e nos arredores [35].</p><p>O processo de conversão da radiação solar em energia térmica passa por dois estágios.</p><p>No primeiro estágio a radiação solar é captada por uma superfície e refletida para o tubo</p><p>absorvedor. No segundo estágio a radiação solar é absorvida e transferida para o fluido</p><p>de transferência de calor que circula pelo tubo absorvedor. A Figura 9.5 apresenta uma</p><p>exemplificação detalhada do processo de conversão da radiação solar em energia</p><p>térmica. Ilustrando, como na primeira hipótese, as perdas térmicas no tubo absorvedor</p><p>são apenas de natureza radiativa e convectiva [37].</p><p>Figura 9.5. Desenho esquemático de um concentrador parabólico (corte transversal) [37].</p><p>Cujas variáveis são a radiação solar direta, Id (W/m2); área da superfície de captação, Ac</p><p>(m2); área sombreada pelo absorvedor, As (m2) e a área útil do concentrador, A (m2).</p><p>𝐴𝑢 = 𝐴𝑐 − 𝐴𝑠 (9.2.1.2)</p><p>As demais variáveis são a área do absorvedor iluminada pela radiação refletida, Ai (m2); a</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>185</p><p>potência perdida por convecção, Pconv (W), a potência perdida por radiação para o meio</p><p>ambiente, Pperd (W); o diâmetro do tubo absorvedor, D (m); o comprimento do tudo</p><p>absorvedor, L (m) e eficiência ótica do sistema de captação da energia solar, 𝜂𝑜.</p><p>A potência útil do sistema em Watts (W ou J/s) é dada pela diferença entre a potência</p><p>máxima e a potência perdida, evidenciado na Equação 14.</p><p>𝑃𝑡 = 𝑃𝑎𝑏𝑠 − 𝑃𝑝𝑒𝑟 (9.2.1.3)</p><p>em que Pt é a potência de rendimento térmico (W), Pabs é a potência máxima absorvida</p><p>(W), Pperd é a potência perdida (W). A potência térmica máxima absorvida pelo tubo</p><p>absorvedor, é dada pela Equação 9.2.4.</p><p>𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝐼𝑑𝐴𝑢𝜌𝑘𝑟𝑑𝛼𝑡 (9.2.1.4)</p><p>em que 𝜌 é a refletividade do concentrador (%), 𝑘𝑟𝑑 é a fração da radiação refletida que</p><p>chega no absorvedor (%) e 𝛼𝑡 é a absorbância do tubo (%).</p><p>As perdas térmicas que ocorrem no tubo absorvedor são as perdas por condução nos</p><p>suportes dos tubos, convecção e radiação entre o tubo de vidro e o tubo absorvedor e</p><p>perdas por condução, convecção e radiação entre o tubo de vidro e o meio ambiente.</p><p>Geralmente os valores das perdas por condução podem ser desprezados, quando</p><p>comparados com as outras perdas existentes. As variáveis que influenciam as perdas</p><p>térmicas são a temperatura da parede do tubo absorvedor, temperatura ambiente, a</p><p>velocidade do vento, intensidade da irradiação solar e a vazão de água nos tubos [6].</p><p>A potência perdida por radiação e convecção pode ser determinada pela Equação 9.2.1.5.</p><p>Entretanto as equações 9.2.1.6 a 9.2.1.10 fornecem as estimativas das demais</p><p>propriedades necessárias a esta [1].</p><p>𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑 = 𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣 + 𝑃𝑟𝑎𝑑 = ℎ̅𝐴𝑖(𝑇𝑎𝑏𝑠 − 𝑇∞) + 𝜀𝐴𝑖𝜎(𝑇𝑎𝑏𝑠</p><p>4 − 𝑇𝑎</p><p>4) (9.2.1.5)</p><p>Para as seguintes variáveis: ℎ̅, coeficiente de transferência convectiva (W/m2K)</p><p>𝐴𝑖 =</p><p>𝜋𝐷𝐿</p><p>2</p><p>(9.2.1.6)</p><p>é a área do tubo absorvedor onde ocorrem as perdas térmicas (m2). Em que D é o</p><p>diâmetro do tubo absorvedor (m), 𝐿 é o comprimento do tudo absorvedor (m), 𝑇𝑎𝑏𝑠 é a</p><p>temperatura do tubo absorvedor (K), 𝑇∞ = 𝑇𝑎 é a Temperatura ambiente (K), 𝜀 é a</p><p>emissividade do tubo absorvedor, 𝜎 é a constante de Stefan-Boltzmann (5,67. 10-8</p><p>W/m2K4).</p><p>Alex Vazzoler</p><p>186</p><p>O coeficiente de transferência convectiva, pode ser obtido pela Equação 17.</p><p>ℎ̅ = 𝑁𝑢𝐷</p><p>̅̅ ̅̅ ̅̅</p><p>𝑘</p><p>𝐷</p><p>(9.2.1.7)</p><p>em que ℎ̅ é o Coeficiente de transferência convectiva (W/m2K), 𝑁𝑢𝐷</p><p>̅̅ ̅̅ ̅̅ é o número de</p><p>Nusselt médio e k é a condutividade térmica do fluido (W/m.K). O número de Nusselt</p><p>médio (𝑁𝑢𝐷</p><p>̅̅ ̅̅ ̅̅ ) pode ser obtido pela Equação 9.2.1.8,</p><p>𝑁𝑢𝐷</p><p>̅̅ ̅̅ ̅̅ = 0,3 +</p><p>0,62𝑅𝑒𝐷</p><p>1/2</p><p>𝑃𝑟1/3</p><p>[1 + (0,4/𝑃𝑟)2/3]1/4</p><p>[1 + (</p><p>𝑅𝑒𝐷</p><p>282000</p><p>)</p><p>5/8</p><p>]</p><p>4/5</p><p>(9.2.1.8)</p><p>em que 𝑅𝑒𝐷 é o Número de Reynolds, 𝑃𝑟 é o Número de Prandtl estimado pela equação</p><p>9.2.1.9,</p><p>𝑃𝑟 =</p><p>𝜇𝐶𝑝</p><p>𝑘</p><p>(9.2.1.9)</p><p>Para o cálculo anterior, devem ser conhecidas as seguintes propriedades do fluido: a</p><p>viscosidade absoluta, μ (kg/m.s), o Calor específico do fluido, 𝑐𝑃 (kJ/kg oC) e a</p><p>condutividade térmica do fluido, k (kJ/m oC). O número de Reynolds é obtido por meio</p><p>da Equação 9.2.10.</p><p>𝑅𝑒𝐷 =</p><p>𝑣𝐷</p><p>𝜐</p><p>(9.2.1.10)</p><p>em que v é a velocidade do vento (m/s) e 𝑣 é a viscosidade cinemática do fluido (m2/s).</p><p>A eficiência óptica representa a razão entre a radiação solar captada pela superfície, pelo</p><p>montante total descontado da parcela refletida pelo tubo absorvedor, e é encontrada</p><p>pela Equação 21. As perdas ópticas equivalem ao percentual da radiação solar que é</p><p>captado pela superfície refletora e não chega ao tubo receptor.</p><p>𝜂𝑜 = 𝜌𝑘𝑟𝑑𝛼𝑡 (9.2.1.11)</p><p>em que 𝜂𝑜 é a eficiência óptica do sistema de captação de energia solar.</p><p>A eficiência ou rendimento térmico (FR) definida como a razão entre a potência térmica</p><p>efetiva (Pt) e a potência máxima absorvida (Pabs). É o percentual da energia solar que</p><p>chega ao tubo absorvedor que é transferida para o fluido de transferência de calor,</p><p>evidenciado a seguir na Equação 9.2.12 [49].</p><p>𝐹𝑅 =</p><p>𝑃𝑡</p><p>𝑃𝑎𝑏𝑠</p><p>=</p><p>𝑄𝑢</p><p>𝐴𝐼𝑟</p><p>(9.2.1.12)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>187</p><p>em que Qu é a energia útil, Ir é a energia solar incidente e Ac é a área do espelho do</p><p>concentrador. Consequentemente, o denominador na equação 9.2.1.12 é o total entrada</p><p>de energia para o coletor. A radiação solar incidente é um parâmetro relacionados às</p><p>condições ambientais e pode ser obtido de dados estatísticos ou de medições por meio</p><p>de piranômetros [31] Para calcular quanta energia está disponível, é necessário calcular</p><p>o balanço energético dentro do coletor, caracterizado pela diferença matemática entre a</p><p>energia absorvida e a temperatura perdas.</p><p>O balanço de energia pode ser indicado da</p><p>seguinte forma:</p><p>𝑞𝑟𝑎𝑑 = 𝐴[𝑆 − 𝑈𝑎(𝑇 − 𝑇𝑎)] (9.2.1.13)</p><p>em que S é a radiação solar absorvida da placa, Ua é o coletor coeficiente de perdas</p><p>totais (composto pela soma de três contribuições, perdas frontais, perdas traseiras e</p><p>perdas perimetrais), T é a temperatura da placa e Ta é a temperatura do ar. Quando</p><p>incidente disponíveis medições de radiação solar (I), o cálculo adequado para a energia</p><p>absorvida é dada pela seguinte fórmula:</p><p>𝑆 = (𝜏𝛼)̅̅ ̅̅ ̅̅ 𝐼 (9.2.1.14)</p><p>em que (𝜏𝛼)̅̅ ̅̅ ̅̅ é a transmitância da tela transparente do coletor (𝜏) multiplicado pela</p><p>absorbância da placa (𝛼), calculada a média de diferentes tipos de radiação.</p><p>O valor máximo de energia útil pode ser alcançado quando o coletor é caracterizado pela</p><p>mesma temperatura do fluido que entra, com a subsequente minimização das perdas de</p><p>calor. Mesmo assim, em condições operacionais reais, isso nem sempre é possível e, por</p><p>descrevendo o ganho real de energia útil, o fator de remoção de calor (FR) precisa ser</p><p>introduzido. Esse fator mostra quanta energia resta quanto resultado de perdas de calor</p><p>devido à diferença de temperatura na entrada do coletor. O fator de remoção de calor</p><p>pode ser definido como [47]:</p><p>𝐹𝑅 =</p><p>𝑄𝑢</p><p>𝑄</p><p>=</p><p>�̇�𝑐𝑝(𝑇0 − 𝑇𝑖)</p><p>𝐴[𝑆 − 𝑈𝑎(𝑇𝑖 − 𝑇𝑎)]</p><p>=</p><p>𝐺𝑐𝑝(𝑇0 − 𝑇𝑖)</p><p>𝑆 − 𝑈𝑎(𝑇𝑖 − 𝑇𝑎)</p><p>(9.2.1.15)</p><p>Na forma alternativa</p><p>𝐹𝑅 =</p><p>𝐺𝑐𝑝</p><p>𝑈𝑎</p><p>[1 − 𝑒𝑥𝑝 (−</p><p>𝐹′𝑈𝑎</p><p>𝐺𝑐𝑝</p><p>)] (9.2.1.16)</p><p>em que G é a taxa de fluxo de fluido expressa para a área da unidade do coletor, cf é a</p><p>capacidade térmica específica do fluido, Tfo é a temperatura do fluido de saída e Tfi é a</p><p>Alex Vazzoler</p><p>188</p><p>temperatura do fluido que entra. Consequentemente, a energia o saldo do dispositivo</p><p>real pode ser definido como [56]:</p><p>𝑄𝑢 = 𝐴𝐹𝑅[𝑆 − 𝑈𝑎(𝑇𝑖 − 𝑇𝑎)] (9.2.1.17)</p><p>𝜂𝑒𝑛 =</p><p>𝑄𝑢</p><p>𝐼𝐴</p><p>(9.2.1.18)</p><p>O fator de concentração (C) é obtido por meio da Equação 9.2.19,</p><p>𝐶 =</p><p>𝐴</p><p>𝐴𝑖</p><p>(9.2.1.19)</p><p>em que 𝐶 é o fator de concentração da energia solar, A é a Área útil do concentrador</p><p>(m2) e 𝐴𝑖 é a Área iluminada do absorvedor (m2).</p><p>9.2.2. Análise exergética de concentradores (segunda lei)</p><p>A análise termodinâmica é geralmente feita através da distinção entre sistemas definidos</p><p>como fechados e abertos. Ambos têm condições de contorno e energia interna total (E)</p><p>que interagem através das fronteiras nas formas de trabalho (W) e calor (q).</p><p>Por convenção o calor é transferido para dentro do sistema e o trabalho transferido para</p><p>as vizinhanças é considerado positivo. Logo, a primeira lei da termodinâmica para</p><p>qualquer processo entre dois estados 1 e 2 que estão em equilíbrio é expressa pela</p><p>equação 9.2.2.1 [97]:</p><p>∫ 𝛿𝑄</p><p>2</p><p>1</p><p>+ ∫ 𝛿𝑊</p><p>2</p><p>1</p><p>= 𝐸2 − 𝐸1 (9.2.2.1)</p><p>ou executando-se as integrações:</p><p>𝑄 + 𝑊 = 𝐸2 − 𝐸1 (9.2.2.2)</p><p>De acordo com a equação 9.2.2.2, as interações entre trabalho e calor dependem do</p><p>caminho da transformação termodinâmica, enquanto a mudança de energia não, sendo</p><p>o valor da última grandeza determinado estritamente a partir dos estados inicial (1) e</p><p>final (2). A segunda lei da termodinâmica aplicada ao mesmo sistema é expressa</p><p>conforme abaixo [98]:</p><p>∫</p><p>𝛿𝑄</p><p>𝑇</p><p>2</p><p>1</p><p>≤ 𝑆2 − 𝑆1 (9.2.2.3)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>189</p><p>Portanto, a transferência de entropia entre o sistema fechado e o ambiente depende da</p><p>transferência de calor através dos seus limites (dQ) e da temperatura do sistema</p><p>reservatório (T).</p><p>A transferência de entropia relacionacia-se à transferência de calor conforme a equação</p><p>9.2.2.4. Sendo a sua geração expressa pela equação 9.2.2.4 [98]:</p><p>𝑆𝑔𝑒𝑟 = ∫</p><p>𝛿𝑄</p><p>𝑇</p><p>2</p><p>1</p><p>= 𝑆2 − 𝑆1 ≥ 0 (9.2.2.4)</p><p>Nos sistemas abertos, há fronteiras através das quais há transferência de massa e</p><p>energia. A análise pode levar em consideração a massa e energia, através da primeira</p><p>lei da termodinâmica em sistemas abertos [99].</p><p>∑ �̇�𝑖 (𝐻𝑖 +</p><p>1</p><p>2</p><p>𝑢2 + 𝑔𝑍)</p><p>𝑖</p><p>𝑖</p><p>− ∑ �̇�0 (𝐻0 +</p><p>1</p><p>2</p><p>𝑢2 + 𝑔𝑍)</p><p>0</p><p>0</p><p>+ 𝑄 − �̇�𝑠 =</p><p>𝜕𝐸</p><p>𝜕𝑡</p><p>(9.2.2.5)</p><p>Cabe salientar que a transferência de trabalho geralmente ocorrerá sob a forma de um</p><p>eixo rotativo.</p><p>Já o balanço de entropia é obtido a partir da equação 9.2.2.3, ao estabelecer-se os</p><p>limites de integração, e elementos de entrada (i) e saída (0) do volume de controle.</p><p>Logo, a segunda lei da termodinâmica na forma integral será [99]:</p><p>∑ �̇�𝑖𝑆𝑖</p><p>𝑖</p><p>− ∑ �̇�0𝑆0</p><p>0</p><p>+</p><p>𝑄</p><p>𝑇</p><p>≤</p><p>𝜕𝑆</p><p>𝜕𝑡</p><p>(9.2.2.6)</p><p>Ao associar-se as equações 9.2.2.4 e 9.2.2.6 será obtida a taxa de geração de entropia</p><p>(𝑆𝑔𝑒𝑟), expressa por:</p><p>𝑆𝑔𝑒𝑟 =</p><p>𝜕𝑆</p><p>𝜕𝑡</p><p>−</p><p>𝑄</p><p>𝑇</p><p>+ ∑ �̇�𝑖𝑆𝑖</p><p>𝑖</p><p>− ∑ �̇�0𝑆0</p><p>0</p><p>(9.2.2.7)</p><p>A principal aplicação da geração de entropia, é o cálculo da Exergia (Ex). Esta grandeza</p><p>pode ser definida como a quantidade máxima de trabalho útil que pode ser gerada por</p><p>um sistema quando em equilíbrio com o ambiente. Esta condição é considerada como</p><p>ponto de referência, e pode ser chamada de estado morto [35]. A análise de exergia</p><p>aplicada a um coletor solar auxilia os engenheiros na otimização energética do sistema,</p><p>proporcionando um método de cálculo adicional para a redução de perdas energéticas.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>190</p><p>Considerando-se uma placa plana coletor e impondo o equilíbrio da exergia, a eficiência</p><p>pode ser deduzida, e as partes de fatores irreversíveis também são definidas [36]. O</p><p>balanço de exergia pode ser demonstrado da seguinte forma [97]:</p><p>𝐸𝑥𝑖 + 𝐸𝑥𝑠 + 𝐸𝑥0+𝐸𝑥𝑝𝑒𝑟𝑑 + 𝐸𝑥𝑑𝑒𝑠𝑡 = 0 (9.2.2.8)</p><p>em que Exi, Ex0, Exs, Experd e Exdest são as taxas de entrada, saída, armazenamento,</p><p>vazamento (perda) e destruição de exergia respectivamente. A entrada taxa de exergia</p><p>considerando o fluxo de fluido é dada por:</p><p>𝑒𝑥𝑖,𝑓 =</p><p>𝐸𝑥𝑖,𝑓</p><p>�̇�</p><p>= 𝑐𝑝 [𝑇𝑖 − 𝑇𝑎 − 𝑇𝑎𝑙𝑛 (</p><p>𝑇𝑖</p><p>𝑇𝑎</p><p>)] +</p><p>�̇�𝑃𝑖𝑛</p><p>𝜌</p><p>(9.2.2.9)</p><p>Em que �̇� é a vazão mássica (kg/s). Tendo-se em conta o Teorema de Carnot [100], a</p><p>taxa de exergia relacionada à radiação solar absorvida é definido como:</p><p>𝐸𝑥𝑖,𝑞 = 𝜂𝑜𝑝𝜂𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡𝐼𝐴 = 𝜂𝑜𝑝 (1 −</p><p>𝑇𝑎</p><p>𝑇𝑠</p><p>) 𝐼𝐴 (9.2.2.10)</p><p>Em que ηo é a eficiência óptica, I é a radiação solar incidente, A é a área da placa</p><p>198</p><p>9.5.3. Análise fenomenológica ..................................................................... 200</p><p>10. Concentradores solares – parte 3 – estudo de caso ........................................ 203</p><p>10.1. Introdução ........................................................................................... 203</p><p>10.2. Estudo de caso – concentrador no vale do aço ......................................... 204</p><p>10.3. Resultados dos métodos de otimização ................................................... 207</p><p>10.4. Análise energética, exergética, econômica e ambiental (4E) de sistema com torre</p><p>solar concentradora para produção de eletricidade em diferentes cenários ........... 209</p><p>10.4.1. Análise de sensibilidade para a efetividade da torre concentradora ........ 209</p><p>10.4.2. Análise de temperaturas e entalpia ................................................... 210</p><p>11. Anexo 1 – Fenomenologia térmica ................................................................ 214</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>13</p><p>11.1 Modelagem da Placa do Coletor ............................................................... 214</p><p>11.1.1. Modelo dinâmico do coletor .............................................................. 215</p><p>11.1.2. Balanço de energia do fluido ............................................................. 216</p><p>11.2. Modelo do reservatório .......................................................................... 219</p><p>11.3. Modelo de Newton (reservatório) ............................................................ 222</p><p>11.3.1. Balanço de energia .......................................................................... 222</p><p>11.4. Modelo para o Cálculo da Taxa Mássica (termossifão) ............................... 223</p><p>11.5. Modelo simplificado para sistema com convecção forçada (concentradores) . 225</p><p>11.6. Estimativas de custos de sistemas com coletores e concentradores ............. 229</p><p>11.6.1. Coletores ....................................................................................... 229</p><p>11.6.2. Concentradores .............................................................................. 230</p><p>11.7. Propriedades de fluidos térmicos para sistemas solares ............................. 231</p><p>11.8. Água como fluido térmico em sistemas solares ......................................... 239</p><p>12. Anexo 2 – Normas e informações técnicas ..................................................... 249</p><p>12.1. Normas relacionadas a sistemas solares e de aquecimento – nacionais ....... 249</p><p>12.2. Normas relacionadas a sistemas solares e de aquecimento – internacionais . 262</p><p>12.3. Normas e procedimentos ....................................................................... 265</p><p>12.3.1. Coletores solares planos – banho e piscina ......................................... 265</p><p>12.3.3. Procedimentos dos ensaios............................................................... 267</p><p>12.3.3. Critérios de Conformidade ................................................................ 272</p><p>12.3.4. Grau de severidade, ações corretivas e sanções aplicáveis às não-</p><p>conformidades obtidas nos ensaios de reservatórios térmicos .......................... 274</p><p>12.4. Normas e procedimentos aplicáveis à etiquetagem de sistemas acoplados e</p><p>sequência de ensaios .................................................................................... 277</p><p>12.5. Etiqueta nacional de conservação de energia – formato padronização ......... 278</p><p>12.6. Testes de coletores em laboratórios e certificados..................................... 286</p><p>13. Anexo 3 – Glossário e informações adicionais ................................................ 291</p><p>Conversão de unidades e relações úteis ........................................................... 297</p><p>Tabela C.1. Conversão de unidades. ................................................................ 298</p><p>Tabela C.2. Análise dimensional das variáveis. ................................................. 299</p><p>Tabela C.3. Velocidades recomendadas e perdas de carga. ................................ 300</p><p>Tabela C.4. Velocidades recomendáveis para água e vapor. ............................... 301</p><p>Tabela C.5. Velocidades recomendáveis para hidrocarbonetos. ........................... 302</p><p>Tabela C.6. Velocidades recomendáveis para vapores conforme massa molar e</p><p>pressão. ...................................................................................................... 302</p><p>Tabela C.7. Coeficientes típicos de transferência de calor (U) para alguns fluidos e</p><p>sistemas de transferência de calor. ................................................................. 303</p><p>Alex Vazzoler</p><p>14</p><p>Tabela C.8. Coeficientes típicos de transferência de calor (U) para alguns fluidos e</p><p>sistemas de transferência de calor [146]. ........................................................ 304</p><p>Tabela C.9. Fatores de incrustração de água para coletores e concentradores solares,</p><p>e outros sistemas tubulares de aquecimento. ................................................... 306</p><p>Tabela C.10. Fatores de incrustração e coeficientes de filme de diferentes fluidos para</p><p>sistemas de troca térmica. ............................................................................. 307</p><p>14. Referências bibliográficas ............................................................................ 309</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>15</p><p>INTRODUÇÃO</p><p>1</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Alex Vazzoler</p><p>16</p><p>1. Introdução</p><p>O fornecimento contínuo de energia do Sol é a força motriz da dinâmica atmosférica e</p><p>da vida. É a fonte de energia primária, e o restante dos recursos energéticos estão todos</p><p>relacionados a esta [13]. Nos próximos itens será discutido em mais detalhes este</p><p>recurso onipresente em nosso planeta.</p><p>1.1. A energia solar</p><p>O Sol é um astro composto por gases a alta temperatura (plasma), basicamente por</p><p>hidrogênio e hélio, e com uma massa total de aproximadamente 2,2 x 107 t. (umas</p><p>334.000 vezes a massa da Terra). Estima-se que tenha uma existência de uns 4,5 a 5</p><p>bilhões de anos, e que vai continuar proporcionando energia durante 5 a 8 bilhões de</p><p>anos mais, antes de converter-se em um corpo frio [14].</p><p>Esta estrela pode ser comparada a um imenso forno nuclear com um diâmetro de 110 o</p><p>da Terra, onde o hidrogênio é convertido em hélio através de processos de fusão nuclear</p><p>a uma velocidade de 4 milhões de toneladas por segundo.</p><p>Os processos de fusão nuclear geram temperaturas no interior do Sol que ascendem até</p><p>os 60 milhões de K. Tal temperatura diminui à medida que aproxima-se da superfície</p><p>solar, estabilizando-se ao redor dos 6.000 K, e aumentando-se de novo na coroa solar</p><p>até atingir temperaturas que alcançam os 2 milhões de K [12]. Vide Tabela 1.1.</p><p>Tabela 1.1. Dados sobre o Sol [15].</p><p>Intensidade de emissão superficial absoluta (TW) 3,76.1014</p><p>Diâmetro do Sol (km) 1.392.000</p><p>Massa solar (kg) 1,99.1030 kg</p><p>Temperatura de equilíbrio na superfície solar 5776 K</p><p>Composição na camada exterior do Sol 75% Hidrogênio</p><p>23% Hélio</p><p>2% outros gases</p><p>Distância Terra-Sol 150.000.000 km</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>17</p><p>O Sol não é um corpo sólido como os planetas, mas uma enorme bola de gás</p><p>concentrado, pela grande força de gravidade exercida pelo próprio núcleo. Na superfície</p><p>solar ocorrem erupções solares equivalentes à explosão de 1000 bombas atômicas, que</p><p>provocam a expulsão de massa solar para o espaço, tal fenômeno é responsável pelo</p><p>efeito conhecido como vento solar. Este é formado por partículas eletricamente</p><p>carregadas, que provocam alterações magnéticas, chegando inclusive a alcançar a</p><p>atmosfera terrestre, e produzindo fenômenos como os das auroras polares, ou</p><p>interferências nas ondas de rádio ou de telecomunicações [15].</p><p>Assim como</p><p>absorvente e Ts é a temperatura aparente do sol. Para um coletor solar, a soma da</p><p>equação (9.2.2.9) e equação (9.2.2.10) é igual ao taxa total de exergia de entrada [101].</p><p>Considerando-se as condições de estado estacionário, a taxa de exergia armazenada é</p><p>igual a zero. A taxa de exergia de saída contabilizada será expressa pela equação</p><p>9.2.2.11,</p><p>𝑒𝑥0,𝑓 =</p><p>𝐸𝑥0,𝑓</p><p>�̇�</p><p>= −𝑐𝑝 [𝑇0 − 𝑇𝑎 − 𝑇𝑎𝑙𝑛 (</p><p>𝑇0</p><p>𝑇𝑎</p><p>)] −</p><p>�̇�𝑃𝑜𝑢𝑡</p><p>𝜌</p><p>(9.2.2.11)</p><p>A taxa de exergia de vazamento (perdida) produzida pela taxa de transferência de calor</p><p>do absorvedor para o ambiente pode ser definido da seguinte forma:</p><p>𝐸𝑥𝑝𝑒𝑟𝑑 = −𝑈𝑎𝐴(𝑇 − 𝑇𝑎)𝜂𝑐𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 = −𝑈𝑎𝐴(𝑇𝑝 − 𝑇𝑎) (1 −</p><p>𝑇𝑎</p><p>𝑇𝑝</p><p>) (9.2.2.12)</p><p>A taxa de exergia destruída compreende três termos. O primeiro é produzido pela</p><p>diferença de temperatura entre a superfície do absorvente e a fonte de irradiação solar,</p><p>estimada conforme abaixo [87]:</p><p>𝐸𝑥𝑑,∆𝑇𝑠 = −𝜂𝑜𝑝𝐼𝐴𝑇𝑎 (</p><p>1</p><p>𝑇𝑝</p><p>−</p><p>1</p><p>𝑇𝑠</p><p>) (9.2.2.13)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>191</p><p>A segunda contribuição está relacionada a queda de pressão:</p><p>𝐸𝑥𝑑,∆𝑃 = −</p><p>�̇�∆𝑃</p><p>𝜌</p><p>𝑇𝑎</p><p>𝑙𝑛 (</p><p>𝑇0</p><p>𝑇𝑎</p><p>)</p><p>(𝑇0 − 𝑇𝑖)</p><p>(9.2.2.14)</p><p>Finalmente, a terceira contribuição é produzida pela diferença de temperatura entre a</p><p>superfície do absorvedor e o fluido:</p><p>𝐸𝑥𝑑,∆𝑇𝑓</p><p>= −�̇�𝑐𝑝𝑇𝑎 [𝑙𝑛 (</p><p>𝑇0</p><p>𝑇𝑖</p><p>) −</p><p>(𝑇0 − 𝑇𝑖)</p><p>𝑇𝑝</p><p>] (9.2.2.15)</p><p>Tendo em conta a Eq. (7) e Eq. (13) na Eq. (6), a exergia a eficiência pode ser calculada</p><p>como:</p><p>𝐸𝑥,𝑑𝑒𝑠𝑡 = 𝐸𝑥𝑑,∆𝑃 + 𝐸𝑥𝑑,𝑓 + 𝐸𝑥𝑑,∆𝑇𝑠 (9.2.2.16)</p><p>𝜂𝑒𝑥 =</p><p>𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 ú𝑡𝑖𝑙/𝑑𝑒 𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜</p><p>𝐸𝑥𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎</p><p>=</p><p>𝐸𝑥0,𝑓 − 𝐸𝑥𝑖,𝑓</p><p>𝐸𝑥𝑖,𝑞</p><p>(9.2.2.17)</p><p>𝜂𝑒𝑥 =</p><p>�̇�𝑐𝑝 [𝑇0 − 𝑇𝑖 − 𝑇𝑎𝑙𝑛 (</p><p>𝑇0</p><p>𝑇𝑖</p><p>) −</p><p>∆𝑃</p><p>𝜌 ]</p><p>𝜂𝑜𝑝𝐼𝐴 (1 −</p><p>𝑇𝑎</p><p>𝑇𝑠</p><p>)</p><p>(9.2.2.18)</p><p>A exergia útil dos coletores solares (absorvida) foi estimada pelas equações 9.2.2.10,</p><p>esta equação pode ser reescrita em outra forma, conforme a equação 9.2.2.19 [102].</p><p>𝐸𝑥𝑖,𝑞 = 𝐴𝐼𝜓 (9.2.2.19)</p><p>A entrada de energia solar em um sistema ocorre pela absorção de parte da irradiação</p><p>solar. Petela em sua tese de doutorado, em 1964, determinou a relação expressa pela</p><p>equação 9.2.2.20 [100],</p><p>𝜓 = 1 −</p><p>4</p><p>3</p><p>𝑇𝑎</p><p>𝑇𝑠</p><p>−</p><p>1</p><p>3</p><p>(</p><p>𝑇𝑎</p><p>𝑇𝑠</p><p>)</p><p>4</p><p>(9.2.2.20)</p><p>em que T e Ta são as temperaturas do reservatório de radiação e meio ambiente,</p><p>respectivamente. Em conjunto a equação 9.2.2.19 será utilizada para a análise</p><p>exergética dos processos com irradiação solar [103].</p><p>A interação entre dois corpos negros a diferentes temperaturas ocasiona a ocorrência de</p><p>irreversibilidades em ambos as superfícies dos corpos. Portanto, é necessário introduzir</p><p>Alex Vazzoler</p><p>192</p><p>um termo adicional a relação de Petela [100] deve ser considerado o fator de exergia da</p><p>radiação emitida por uma fonte geométrica (f) [24].</p><p>𝜓 = 1 −</p><p>4</p><p>3</p><p>𝑇𝑎</p><p>𝑇</p><p>−</p><p>1</p><p>3</p><p>1</p><p>𝑓</p><p>(</p><p>𝑇𝑎</p><p>𝑇</p><p>)</p><p>4</p><p>𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑓 ≥ (</p><p>𝑇𝑎</p><p>𝑇</p><p>)</p><p>3</p><p>(9.2.2.21)</p><p>Quando f</p><p>𝐶𝑂2) (9.2.3.9)</p><p>Alex Vazzoler</p><p>194</p><p>Em que Ʊ𝐶𝑂2</p><p>é a emissão média de CO2 (2 kg CO2 / kWh) quando carvão é usado para</p><p>geração de eletricidade. O preço internacional do carbono (zCO2) está entre 13 $/ tCO2 e</p><p>16 $/tCO2 para o cenário de cotações baixa e alta. O valor médio de 14,5 $/tCO2 foi adotado</p><p>para a análise [88]. O custo ambiental (ZCO2) é obtido usando a equação de Rajoria et al</p><p>[107].</p><p>𝑍𝐶𝑂2</p><p>= 𝑧𝐶𝑂2</p><p>𝛷𝐶𝑂2</p><p>($) (9.2.3.10)</p><p>A combinação das análises energética, exergética, econômica e ambiental é conhecida</p><p>na literatura como 4E Analysis (Energy, Exergy, Economy and Environment) [108].</p><p>9.3. Modelo hidráulico – queda de pressão</p><p>A perda de carga nos tubos, ∆P (em Pa), para escoamento bifásico, é descrita pela</p><p>Equação 11 de Unwin.</p><p>𝛥𝑃 = 6753</p><p>𝑞𝐿</p><p>𝜌𝐷𝑖</p><p>5 (1 +</p><p>91,4</p><p>𝐷𝑖</p><p>) (9.3.1)</p><p>em que 𝑞𝑡 é a vazão em cada um dos tubos (m3 s-1), 𝐿 é comprimento dos tubos (m) e</p><p>𝐷𝑖 é o diâmetro interno dos tubos (cm).</p><p>9.4. Otimização de concentradores parabólicos</p><p>9.4.1. Modelo econômico</p><p>O problema de otimização termo-hidráulica aqui abordado consiste em um compromisso</p><p>entre o gasto energético de bombeamento devido à perda de carga nos tubos</p><p>absorvedores geradores de vapor e a área externa dos tubos, que aumentam a</p><p>dissipação térmica.</p><p>Os gastos com capital que compõem o projeto são majoritariamente dados pelo custo</p><p>do concentrador, incluindo-se espelho e tubos. O custo operacional variável é descrito</p><p>pelo custo adicional com bombeamento devido à perda de carga por atrito, enquanto os</p><p>ganhos são compostos pela precificação do vapor e trabalho gerados [109].</p><p>Custo fixo do concentrador (CFC) pode ser aproximado pela Equação 9.4.1 [93].</p><p>𝐶𝐹𝐶 = 1,23 (1160 + 2355,2𝐴𝐶</p><p>1,2) (9.4.1.1)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>195</p><p>em que 𝐴𝐶 é a área do concentrador (m2).</p><p>O custo anual de bombeamento (CB) para suprir a perda de carga no sistema</p><p>(concentrador e comprimentos equivalentes) é determinado pela Equação 9.4.1.2.</p><p>𝐶𝐵 =</p><p>𝑐𝐸𝑁𝐶</p><p>3600 𝜂𝐵𝜂𝑚</p><p>(</p><p>∆𝑃</p><p>𝜌𝑔</p><p>+ ∑ 𝐿𝑖</p><p>𝑖 = 1</p><p>) 𝑔𝑞𝜌 ($/ℎ𝑜𝑟𝑎) (9.4.1.2)</p><p>em que CE é o custo do kWh de eletricidade (0,03 R$/kWh); NC é o número de</p><p>concentradores, 𝜂𝐵 e 𝜂𝑚 são os rendimentos da bomba e do motor; ∆𝑃 é a queda de</p><p>pressão no concentrador (Equação 9.3.1) e Li são os comprimentos equivalentes dos</p><p>acidentes, o total equivale a 0,9 m [82].</p><p>As receitas geradas pelo sistema são expressas através dos ganhos com a potência</p><p>gerada pelas turbinas (Rt) e o reaproveitamento do calor residual em sistemas de</p><p>aquecimento (Rtc). Cujas variáveis são as vazões de que atravessam os concentradores</p><p>(q) e sistema de aquecimento (qp), as entalpias de entrada (Hi) e saída (Ho) nas turbinas.</p><p>Por último, a variação de entalpia na condensação do vapor saturado (∆Hv</p><p>sat ) que ocorre</p><p>durante o aquecimento dos processos e demais sistemas [110].</p><p>𝑅𝑡 =</p><p>𝑐𝐸</p><p>3600𝜂𝑡</p><p>𝑞𝜌(𝐻𝑖 − 𝐻0) ($/ℎ𝑜𝑟𝑎) (9.4.1.3)</p><p>𝑅𝑡𝑐 =</p><p>𝑐𝐸</p><p>3600𝜂𝑡𝑐</p><p>𝑞𝑝𝜌∆𝐻𝑣</p><p>𝑠𝑎𝑡 ($/ℎ𝑜𝑟𝑎) (9.4.1.4)</p><p>O equacionamento do problema de otimização é desenvolvido no tópico a seguir.</p><p>9.4.2. Otimização – Método termohidráulico</p><p>O problema de otimização não linear consiste na maximização do lucro (L) com a</p><p>produção de vapor no sistema conforme a Equação 9.4.2.1:</p><p>𝑚𝑎𝑥 𝐿 = 𝑤𝑡𝑅𝑡 + 𝑤𝑡𝑐𝑅𝑡𝑐 − 𝑤𝐵𝐶𝐵 − 𝑤𝐹𝐶𝐶𝐹𝐶 (9.4.2.1)</p><p>em que wt, wtc, wb e wFC são os pesos da função objetivo para as receitas com a potência</p><p>gerada pela turbina (Rt), do aquecimento (Rtc) e custos com bombeamento (CB).</p><p>Para a equação supracitada, a variável mais importante na otimização é o diâmetro do</p><p>tubo do concentrador. Porque há um balanço de custos e benefícios (trade-off) em</p><p>Alex Vazzoler</p><p>196</p><p>relação a queda de pressão (∆P ~ di</p><p>-5 ) e a absorção de irradiação (Pabs ~ di</p><p>2 ). Portanto,</p><p>o modelo de otimização estimará o ponto que maximizará a produção de potência e</p><p>calor, ao passo que minimiza a queda de pressão nos concentradores para maximização</p><p>da função lucro.</p><p>Cálculo do tempo de retorno do investimento não descontado (payback simples),</p><p>equação 9.4.2.2, é um parâmetro importante para uma análise econômica preliminar, e</p><p>será estimado a partir dos resultados da otimização. Cabe salientar, que as turbinas,</p><p>trocadores de calor e demais acessórios foram consideradas como unidades pré-</p><p>existentes e não serão consideradas nos cálculos de custos.</p><p>𝑡𝑝𝑏 =</p><p>𝐶𝐹𝐶</p><p>8760(𝑅𝑡 + 𝑅𝑡𝑐 − 𝐶𝐵)</p><p>(𝑎𝑛𝑜) (9.4.2.2)</p><p>9.4.3. Otimização – Método térmico-exergético</p><p>Os modelos ópticos, térmicos e exergéticos apresentados nas seções anteriores foram</p><p>transpostas para um computador computacional do MATLAB programa. Neste programa,</p><p>a maioria dos parâmetros geométricos e condições operacionais podem ser variáveis. A</p><p>formulação do problema de otimização, considerando as quantidades Ti, Ta, Ts, I, (𝜏𝛼),</p><p>𝜂o, S, Va, L, Di, etc., como parâmetros constantes, é dado por</p><p>𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑖𝑧𝑎𝑟 𝜂𝑒𝑥 = 𝑒𝑞 (9.2.2.22)</p><p>𝑆𝑢𝑗𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑎</p><p>𝐸𝑞𝑢𝑎çõ𝑒𝑠 9.2.2.9 𝑎 9.2.2.14</p><p>𝐴𝑖𝑛𝑓 ≤ 𝐴 ≤ 𝐴𝑠𝑢𝑝, �̇�𝑖𝑛𝑓 ≤ �̇� ≤ �̇�𝑠𝑢𝑝, 𝑇0, 𝑇𝑝, 𝑈𝑎 , 𝑄𝑢, ∆𝑃, 𝑐𝑝, 𝜌, 𝐹𝑅 , 𝐹′ ≥ 0</p><p>em que A e m são os parâmetros independentes e Tout, Tp, Ul, Qu, DP, Cp, r, FR, F0 ef</p><p>são os parâmetros dependentes na otimização procedimento. Visto que a função objetivo</p><p>e suas restrições não-lineares, foi maximizado numericamente com Caixa de ferramentas</p><p>de otimização do MATLAB. O MATLAB utiliza variações de sequências método de</p><p>programação quadrática (SQP) para otimização restrita.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>197</p><p>9.5. Noções sobre o dimensionamento de torres concentradoras e sua</p><p>combinação com ciclos termodinâmicos</p><p>9.5.1. Circuito da torre concentradora</p><p>Torres concentradoras podem produzir eletricidade com menor impacto ambiental do</p><p>que sistemas utilizando hidrocarbonetos como combustíveis. Como por exemplo,</p><p>turbinas a gás. Tal campo de estudos necessita de estudos mais aprofundados para</p><p>viabilizar-se competitivamente no mercado de suprimento de eletricidade, especialmente</p><p>atrativo em locais com baixa latitude e alta incidência solar. O Ciclo Rankine Orgânico</p><p>pode ser um sistema auxiliar bastante relevante para tal finalidade. A produção de</p><p>eletricidade solar em maior escala é feita através da utilização de circuitos com torres</p><p>concentradoras, conforme ilustrado pela Figura 9.6. [111].</p><p>Campo</p><p>heliostático</p><p>Torre solar</p><p>Reservatório</p><p>quente</p><p>Reservatório</p><p>frio</p><p>Reaproveitamento</p><p>de calor residual</p><p>Sal</p><p>quente</p><p>Gerador de</p><p>vapor</p><p>Sal</p><p>frio</p><p>Eletricidade</p><p>Ciclo</p><p>Rankine</p><p>Orgânico</p><p>Vapor</p><p>superaquecido</p><p>de alta</p><p>Vapor de baixa</p><p>pressão</p><p>Tratamento de</p><p>água e remoção</p><p>de oxigênio</p><p>(desaeradora)</p><p>Heliostatos</p><p>(1)</p><p>(2)</p><p>(3)</p><p>(4)</p><p>Retorno de</p><p>condensado</p><p>Água de</p><p>alimentação</p><p>da caldeira</p><p>(5)</p><p>(6)</p><p>(7)</p><p>(8)</p><p>Sal frio</p><p>comprimido</p><p>Figura 9.6. Circuito de geração de eletricidade solar a partir de torre concentradora e Ciclo</p><p>Rankine Orgânico (CRO).</p><p>Alex Vazzoler</p><p>198</p><p>A torre é a fonte majoritária de energia do sistema, sais fundidos (fluido</p><p>térmico de</p><p>aquecimento) absorvem a irradiação solar refletida pelos heliostatos que circundam a</p><p>torre, gerando a corrente de sal quente (1). Esta corrente é utilizada como fonte de calor</p><p>na caldeira, e é produzido vapor superaquecido a alta pressão (3), que em seguida irá</p><p>movimentar turbinas para produção de eletricidade gerando-se vapor de baixa pressão</p><p>(4) como corrente de descarga. Para que o ciclo termodinâmico esteja completo, é</p><p>necessária a rejeição de calor residual da corrente 4 para uma fonte fria. Para</p><p>reaproveitar este calor residual à baixa temperatura, é acoplado um sistema com um</p><p>ciclo Rankine orgânico, e bomba de calor, descrito com mais detalhes [106].</p><p>9.5.2. Melhoria da integração do ciclo CRO através da utilização de bombas de</p><p>calor</p><p>Para ampliar a produção de eletricidade no sistema solar é utilizado um ciclo Rankine</p><p>orgânico. Um Ciclo CRO, com regeneração, é representado pela Figura 9.7. E seu</p><p>funcionamento consiste na seguinte sequência de operações [112,113]:</p><p>Bomba</p><p>CRO</p><p>Fonte</p><p>quente (TH)</p><p>Fonte</p><p>fria (TL)</p><p>Turbina</p><p>Condensador</p><p>Evaporador</p><p>Regenerador</p><p>(1)</p><p>(2)</p><p>(2a)</p><p>(3)</p><p>(4)</p><p>(4a)</p><p>Figura 9.7. Representação de um Ciclo Rankine Orgânico (CRO) com regeneração.</p><p>- Compressão do fluido de trabalho pela bomba (1-2) até atingir a pressão do</p><p>evaporador;</p><p>- Evaporação isobárica do fluido de trabalho (2-3);</p><p>- Expansão isentrópica na turbina (3-4);</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>199</p><p>- Condensação e reinício do ciclo (4-1);</p><p>- Uma troca de calor intermediária no regenerador entre as etapas 2 e 4 (2a e 4a).</p><p>O objetivo do ciclo é produzir o máximo trabalho útil na turbina com o menor consumo</p><p>de utilidades associadas (quentes ou frias), e de preferência, com a menor vazão possível</p><p>do fluido refrigerante, ou se possível, utilizar um fluido refrigerante mais barato ou com</p><p>menores impactos ambientais [114].</p><p>O reaproveitamento de fontes térmicas de baixa temperatura (como vapor de baixa</p><p>pressão, por exemplo) se tornou atrativo para geração de eletricidade. Outros</p><p>investimentos foram destinados para produção de energia elétrica partir de recursos</p><p>renováveis como biomassa ou energias solar, geotérmica e eólica. Com objetivo de</p><p>desempenhar um papel de suma importância na garantia do cumprimento de novos</p><p>padrões de segurança e sustentabilidade e no máximo reaproveitamento dos recursos</p><p>das instalações industriais [115].</p><p>Genericamente há dois modos de melhorar a performance de um Ciclo CRO. A primeira</p><p>é aumento do coeficiente de performance, modificando-se as condições de operação, e</p><p>a segunda é selecionar o fluido de trabalho mais adequado. As temperaturas dos</p><p>processos podem não ser compatíveis com os fluidos de trabalho do Ciclo CRO. Então,</p><p>bombas de calor podem promover a melhoria do desempenho do ciclo já que transferem</p><p>calor residual para evaporação do fluido de trabalho orgânico.</p><p>Esta abordagem mostra-se viável em grande parte dos casos citados abaixo [111,116]:</p><p>- Incompatibilidade entre o fluido de trabalho e o ciclo CRO;</p><p>- A temperatura de evaporação do fluido de trabalho do Ciclo CRO é adequada;</p><p>- O fluido de trabalho do Ciclo CRO tem uma razão pequena entre o calor latente e</p><p>sensível;</p><p>- O coeficiente de desempenho (COP) da bomba de calor é satisfatório.</p><p>O calor residual das fontes de calor do ciclo CRO pode ser classificado em calor residual</p><p>com e sem restrições. No segundo caso, o calor residual pode atingir uma temperatura</p><p>próxima à ambiente. Caso haja uma limitação de temperatura, primeiro caso, é</p><p>considerado com restrições. Um bom exemplo, é a temperatura de gases ácidos que não</p><p>pode ser inferior a temperatura de orvalho da mistura gasosa para serem evitados</p><p>problemas com corrosão [114].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>200</p><p>Naturalmente, sistemas em que não há restrições severas com temperatura (primeiro</p><p>caso) há uma maior flexibilidade na escolha de fluidos de trabalho, e em sistemas com</p><p>restrições essa seleção é limitada. Grande parte dos sistemas de recuperação de calor</p><p>residual, se enquadra na segunda categoria devido a uma série de limitações</p><p>operacionais [116].</p><p>O sistema proposto neste artigo se enquadra na categoria de sistemas com restrições, e</p><p>o sistema de Ciclo Rankine Orgânico aplicado ao estudo de caso é similar ao proposto</p><p>por Spayde et al. [111].</p><p>9.5.3. Análise fenomenológica</p><p>a) Análise da torre concentradora conforme a primeira lei da termodinâmica</p><p>O primeiro passo da construção do modelo matemático do sistema de geração de energia</p><p>solar (Figura 9.6) é o balanço de energia no gerador de vapor. Este é um componente</p><p>crítico, já que é a conexão entre as centrais receptoras (comumente são utilizadas de 4</p><p>a 5 torres solares) e a unidade de energia da turbina a vapor [44].</p><p>O gerador de vapor consiste em uma série de trocadores de calor, através dos quais sal</p><p>fundido a alta temperatura, oriundo da torre receptora, aquece água de líquido sub-</p><p>resfriado a vapor superaquecido, conforme o balanço de energia é expresso pela equação</p><p>9.5.3.1 [86].</p><p>𝑞𝑎𝑏𝑠 = �̇�𝑠𝑓(𝐻1</p><p>𝑠𝑓 − 𝐻7</p><p>𝑠𝑓) =</p><p>�̇�𝑣𝑎𝑝(𝐻3</p><p>𝑣𝑎𝑝 − 𝐻6</p><p>𝑣𝑎𝑝)</p><p>𝜂𝑔𝑒𝑟</p><p>(9.5.3.1)</p><p>em que �̇�𝑠𝑓 e �̇�𝑣𝑎𝑝 são as vazões mássicas de sais fundidos e de vapor. Já 𝐻1</p><p>𝑠𝑓 , 𝐻7</p><p>𝑠𝑓 são</p><p>entalpias de entrada e saída dos sais fundidos e 𝐻3</p><p>𝑣𝑎𝑝, 𝐻6</p><p>𝑣𝑎𝑝 são as entalpias de saída e</p><p>entrada do gerador de vapor. A potência elétrica (Wel) gerada pelo sistema pode ser</p><p>estimada por:</p><p>𝑊𝑒𝑙 =</p><p>�̇�𝑣𝑎𝑝(𝐻4</p><p>𝑣𝑎𝑝 − 𝐻3</p><p>𝑣𝑎𝑝)</p><p>𝜂𝑡𝑢𝑟𝜂𝑒𝑙</p><p>(9.5.3.2)</p><p>𝐻4</p><p>𝑣𝑎𝑝 é a entalpia de saída da turbina, 𝜂𝑡𝑢𝑟 𝑒 𝜂𝑒𝑙 são as eficiências da turbina e de</p><p>conversão de trabalho em eletricidade.</p><p>Na torre solar (receptor), a radiação solar incidente é transformada de energia</p><p>eletromagnética em energia térmica. Parte dessa energia térmica (qre) é absorvida pelo</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>201</p><p>fluido térmico (qabs), isto é, o sal fundido. O restante da energia térmica é dissipado para</p><p>o meio ambiente por convecção (qcon), radiação (qrad), reflexão (qref) e condução (qcond)</p><p>[86].</p><p>𝑞𝑎 = 𝑞𝑐𝑜𝑛 + 𝑞𝑟𝑎𝑑 + 𝑞𝑟𝑒𝑓 + 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 (9.5.3.3)</p><p>𝑞𝑐𝑜𝑛</p><p>𝐴𝑟𝑒(𝑇𝑟𝑒 − 𝑇𝑎)</p><p>= ℎ𝑎 +</p><p>0,81</p><p>𝐹𝑟</p><p>(𝑇𝑟𝑒 − 𝑇𝑎)0,426 (9.5.3.4)</p><p>em que 𝐹𝑟 é a razão �̅�/𝐴𝑟𝑒 é o fator de forma; 𝑇𝑟𝑒 𝑒 𝑇𝑎 são as temperaturas da superfície</p><p>refletora e ambiente; �̅� 𝑒 𝐴𝑟𝑒 são o valor de área média e de reflexão; ℎ𝑎 é o coeficiente</p><p>de transmissão de calor para o ambiente.</p><p>E as demais frações de dissipação de calor para o ambiente são expressas pela série de</p><p>três equações:</p><p>𝑞𝑟𝑎𝑑 = 𝜀�̅�𝐴𝑟𝑒𝐹𝑟(𝑇𝑠,𝑟𝑒</p><p>4 − 𝑇𝑎</p><p>4) (9.5.3.5)</p><p>𝑞𝑟𝑒𝑓 = 𝑞𝑟𝑒𝐹𝑟𝜌 (9.5.3.6)</p><p>𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 =</p><p>𝜆𝑖𝑠𝑜𝐴𝑟𝑒</p><p>𝛿𝑖𝑠𝑜</p><p>(𝑇𝑠,𝑟𝑒 − 𝑇𝑖𝑠𝑜) (9.5.3.7)</p><p>𝜀 ̅é a emissividade da superfície, 𝜎 é a constante de Stefan Boltzmann, 𝜌 é a refletividade,</p><p>𝜆𝑖𝑠𝑜 e 𝛿𝑖𝑠𝑜 são a condutividade térmica e a espessura do isolante.</p><p>A eficiência da torre concentradora ou receptor central (𝜂rec) é definida como a razão da</p><p>energia térmica absorvida pelo sistema receptora e a incidente [44]:</p><p>𝜂𝑟𝑒𝑐 =</p><p>𝑞𝑎𝑏𝑠</p><p>𝑞𝑟𝑒</p><p>= 1 −</p><p>𝑞𝑎</p><p>𝑞𝑟𝑒</p><p>(9.5.3.8)</p><p>O valor de potência elétrica necessária é fornecido como dado de entrada do problema,</p><p>e os dados de dimensionamento da torre solar foram previamente fixados. A vazão de</p><p>vapor necessária e os demais dados de dimensionamento serão introduzidos como</p><p>restrições no problema global de otimização.</p><p>O modelo para o ciclo CRO, foi adaptado do trabalho de Spayde et al. [111] e o</p><p>equacionamento do Ciclo Rankine Orgânico pode ser encontrado em detalhes nesta</p><p>referência. A próxima análise envolve a estimativa da eficiência exergética da torre,</p><p>estabelecida de forma análoga aos concentradores solares, conforme o item [101].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>202</p><p>CONCENTRADORES</p><p>SOLARES – PARTE 3 –</p><p>ESTUDO DE CASO</p><p>10</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>203</p><p>10. Concentradores solares – parte 3 – estudo de caso</p><p>Neste capítulo será estabelecido o dimensionamento de um concentrador solar. E na</p><p>segunda parte serão feitos alguns cálculos termodinâmicos para uma torre solar com</p><p>sais fundidos.</p><p>10.1. Introdução</p><p>O concentrador a ser analisado, está inserido no circuito térmico ilustrado pela Figura 10.1.</p><p>O sistema de bombeamento transporta água à 90 oC e 26,96 bar (pressão de saturação da</p><p>água a 230 oC) para uma bateria de concentradores parabólicos. Dentro do concentrador, a</p><p>água é aquecida de tal condição até a temperatura de 270 oC (40 oC de superaquecimento).</p><p>Em seguida, este vapor é expandido através das turbinas até a condição de saturação a 180</p><p>oC, a ser utilizado em aplicações com aquecimento em processo e nas demais instalações do</p><p>complexo.</p><p>Vapor</p><p>superaquecido</p><p>Vapor</p><p>saturado</p><p>Make-up de água</p><p>desmineralizada</p><p>Blowdown</p><p>Sistemas de</p><p>aquecimento</p><p>Condensação</p><p>Geração de</p><p>potência</p><p>Bombeamento</p><p>Concentradores</p><p>Reservatórios</p><p>de calor</p><p>Reservatórios</p><p>de calor</p><p>Figura 10.1. Circuito de geração de calor e potência utilizando-se concentradores solares.</p><p>As taxas de irradiação solar (Id) variam ao longo de todo o dia, em certos momentos pode</p><p>Alex Vazzoler</p><p>204</p><p>superar o valor de dimensionamento, em outros estará abaixo deste valor. Logo, há três</p><p>alternativas de dimensionamento do concentrador quanto a esta grandeza: Utiliza-se um</p><p>valor médio de Id para o dimensionamento; estes valores são introduzidos através duas</p><p>restrições (Id,min ≤ 𝐼𝑑 ≤ Id, max) ou utiliza-se um método não determinístico. Neste capítulo,</p><p>foi adotada a segunda abordagem. Um componente elementar para a viabilidade do sistema</p><p>térmico solar são os sistemas de armazenamento (reservatório) de calor, ilustrado pela</p><p>Figura 10.2 [117].</p><p>Vapor circula como fluido térmico</p><p>de aquecimento pelos tubos</p><p>Silicone a ser aquecido</p><p>passando pelo casco</p><p>Reservatório</p><p>de calor</p><p>(com silicone)</p><p>Trocador</p><p>de calor</p><p>Figura 10.2. Circuito térmico fechado, integrado ao reservatório de calor utilizando silicone como</p><p>fluido térmico.</p><p>Em momentos em que há valores de irradiação muito altos, é possível armazenar calor</p><p>nestes reservatórios com fluidos térmicos de alto valor de calor específico (silicone, sais</p><p>fundidos, entre outros). Nas circunstâncias em que há queda de irradiação, este calor</p><p>armazenado pode ser utilizado para suprir este déficit de calor e atender a demanda de</p><p>energia necessária ao processo. É um elemento estrutural do circuito, cujo objetivo é</p><p>contrabalancear as características transientes do abastecimento com irradiação solar.</p><p>10.2. Estudo de caso – concentrador no vale do aço</p><p>Para análise de quantidade de irradiação solar recebida por um concentrador localizado</p><p>na Região do Vale do Aço (Coronel Fabriciano, Ipatinga, Timóteo e Santana do Paraíso)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>205</p><p>utilizou-se do programa Sundata da Eletrobrás o qual fornece a irradiação para regiões</p><p>de coordenadas geográficas próximas como a cidade de Caratinga. Podendo ser visto na</p><p>Tabela 10.1.</p><p>Tabela 10.1. Coordenadas geográficas das cidades analisadas.</p><p>Cidades analisadas Latitude Longitude Altitude</p><p>Coronel Fabriciano 19° 31’ 07” S 42° 37’ 44” W 250 m</p><p>Timóteo 19° 34’ 57” S 42° 38’ 57” W 333 m</p><p>Ipatinga 19° 28’ 06’’ S 42° 32’ 12” W 240 m</p><p>Santana do Paraíso 19° 21’49”S 42° 34’ 07” W 285 m</p><p>Caratinga 19° 47’ 23” S 42° 08’ 21” W 578 m</p><p>A irradiação média anual de Caratinga é 4,91 KWh/m2.dia ou 205,53 J/ m2.s, que é a</p><p>radiação extraterrestre, ou seja, a quantidade de irradiação que ainda não atingiu a</p><p>atmosfera terrestre.</p><p>Considerou-se uma área (Ac) de 9,8 m2 para o concentrador parabólico e comprimento</p><p>(L) de 8,09m e largura (w) de 5,2 m. Considerando-se um fator de concentração solar</p><p>de 200 (retirado do catálogo da SunPower)[118].</p><p>A irradiação que chega ao concentrador para a área requerida é 1611,35 kJ/s ou kW.</p><p>Quanto ao espelho do concentrador, a parábola deve ter um ângulo de abertura menor,</p><p>fazendo com que o perfil parabólico seja mais aberto, o que permite uma área maior</p><p>projetada de irradiação solar, aumenta a taxa de calor absorvido pela água no tubo</p><p>absorvedor e a eficiência do mesmo. Optou-se por um ângulo de abertura de 30°.</p><p>Para o dimensionamento do tubo absorvedor utilizou-se as fórmulas mencionadas</p><p>anteriormente pelas as quais calculou-se a vazão mássica:</p><p>𝑞 = �̇�(𝐻0 − 𝐻𝑖) (9.1.1)</p><p>Das tabelas de vapor presentes no Anexo A.</p><p>𝐻0(270 °𝐶, 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎) = 2789,70 𝑘𝐽/𝑘𝑔 𝑒 𝐻𝑖(70 °𝐶, 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎) = 293,07 𝑘𝐽/𝑘𝑔</p><p>1611,35</p><p>𝑘𝐽</p><p>𝑠</p><p>= �̇�(2789,7 − 293,07) 𝑘𝐽/𝑘𝑔 . : �̇� = 0,65</p><p>𝑘𝑔</p><p>𝑠</p><p>= 2323,50</p><p>𝑘𝑔</p><p>ℎ</p><p>https://www.sundata.nl/</p><p>https://us.sunpower.com/solar-resources/products/datasheets</p><p>Alex Vazzoler</p><p>206</p><p>A velocidade de escoamento recomendável a tubulações de calor contendo água em</p><p>mudança de fase é de 3ft/s (0,914 m/s). A vazão volumétrica da água de alimentação</p><p>será:</p><p>𝑄 = 𝐴. 𝑢 =</p><p>𝜋𝐷2</p><p>4</p><p>𝑢 . : 𝐷 = √</p><p>4𝑄</p><p>𝜋𝑢</p><p>= √</p><p>4�̇�</p><p>𝜋𝑢𝜌(70℃)</p><p>= 0,03𝑚 = 3 𝑐𝑚 (</p><p>1 "</p><p>2,54𝑐𝑚</p><p>) = 1,18 "</p><p>O diâmetro interno do tubo absorvedor é 1,18 " (0,02997 m).</p><p>Para os cálculos de eficiência precisou-se calcular a área sombreada (As) do concentrador</p><p>solar e a partir desta a área útil (Au), ou seja, a área em que os feixes de raios solar</p><p>atingirão o coletor.</p><p>𝐴𝑠 = 𝑑𝑡𝑙 = 0,02997𝑚. 8,09𝑚 = 0,24 𝑚2 𝐴𝑢 = 𝐴𝐶−𝐴𝑆 = 9,8 𝑚2 − 0,24 𝑚2 = 9,56 𝑚2</p><p>Para a potência térmica máxima absorvida pelo tubo absorvedor (𝑃𝑎𝑏𝑠) a reflexividade</p><p>(𝜌) do concentrador com espelhos é de 90% a 95% considerou-se a mínima</p><p>reflexibilidade utilizando a fração 0,9. Para a fração de radiação refletida utilizou-se a</p><p>máxima de 0,95. A absorvidade do tubo que é construído em cobre, devido às</p><p>características citadas anteriormente, é de 90% a 96% considerou uma absorvidade</p><p>mínima com uma fração de 0,9.</p><p>𝑃𝑎𝑏𝑠 = 𝐼𝑑𝐴𝑢𝜌𝑘𝑟𝑑𝛼𝑡 = 1511,96 𝑊</p><p>A potência perdida se dá pelo somatório da potência de convecção e potência de</p><p>radiação. Calcula-se primeiramente Reynolds e em seguida o número de Prandtl.</p><p>Analisado pelo site CPTEC a velocidade do vento em Ipatinga é 1,39 m/s.</p><p>𝑅𝑒𝐷 =</p><p>1,39</p><p>𝑚</p><p>𝑠 . 0,02997 𝑚</p><p>15,712 . 10−6𝑚2/𝑠</p><p>= 2651,37 𝑃𝑟 =</p><p>183,6. 10−7. 1,0069. 103</p><p>26,14. 103</p><p>= 0,707</p><p>Segundo Bergman et al. (2012) [20] para Reynolds maior que 2300 o escoamento é</p><p>turbulento o que pode ser analisado nesse trabalho. Pela fórmula geral de Churchill e</p><p>Bernstein calculou-se o número de Nusselt pela equação 9.2.1.8.</p><p>𝑁𝑢𝐷</p><p>̅̅ ̅̅ ̅̅ = 0,3 +</p><p>0,62 . 2651,371/20,7071/3</p><p>[1 + (0,4/0,707)2/3]1/4</p><p>[1 + (</p><p>2651,37</p><p>282000</p><p>)</p><p>5/8</p><p>]</p><p>4/5</p><p>= 26,34</p><p>O coeficiente de transferência convectiva é:</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>207</p><p>ℎ̅ = 26,34</p><p>30. 10−3𝑊/𝑚𝐾</p><p>0,02997𝑚</p><p>= 26,37 𝑊/𝑚2𝐾</p><p>Voltando ao cálculo da potência perdida do tubo absorvedor:</p><p>𝑃𝑐𝑜𝑛𝑣 =</p><p>26,37𝑊</p><p>𝑚2𝐾</p><p>. 0,38 𝑚2(343,15𝐾 − 298,15𝐾) = 450,93 𝑊</p><p>A emissividade do tubo de cobre oxidado preto é de 0,88 𝜇𝑚.</p><p>𝑃𝑟𝑎𝑑 = 0,88. 0,38𝑚2. 5,67. 10−8𝑊/𝑚2𝐾(343,15𝐾4 − 298,15𝐾4) = 113,07 𝑊</p><p>Então a potência perdida será:</p><p>𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 = 450,93 + 113,07 = 564,00 𝑊</p><p>A potência útil é a diferença entre a potência absorvida e a potência perdida no</p><p>absorvedor.</p><p>𝑃𝑢 = 1511,96 − 564,00 = 947,96 𝑊</p><p>Eficiência óptica:</p><p>𝜂𝑜 = 0,9 .0,95 .0,9 = 0,77</p><p>Percentual da energia solar que chega ao tubo absorvedor e é transferida para o fluido</p><p>de transferência de calor:</p><p>𝜂𝑡 =</p><p>947,96</p><p>1511,96</p><p>= 0,63</p><p>Eficiência global:</p><p>𝜂𝑢 = 0,77.0,6 = 0,48</p><p>Fator de concentração do coletor solar.</p><p>𝐶 =</p><p>9,56 𝑚2</p><p>0,38𝑚2</p><p>= 25,16</p><p>10.3. Resultados dos métodos de otimização</p><p>A abordagem termo-hidráulica proposta foi estruturada a partir dos dados de entrada da</p><p>Tabela 10.2, em que os valores, estipulados por intervalos, são assumidos como</p><p>restrições do modelo. Assim como, as correlações para as estimativas das propriedades</p><p>envolvidas foram extraídas dos trabalhos de Boretti et al. (2018) e Kalogirou (2014)</p><p>aplicadas a sistemas similares de concentradores [7,44].</p><p>A partir dos dados obtidos, pode-se verificar que o circuito com quatro concentradores</p><p>atende as demandas térmicas do sistema, e tal sistema pagará seu investimento dentro</p><p>Alex Vazzoler</p><p>208</p><p>de um prazo satisfatório (menos de 2 anos). Cabe evidenciar que houve aproximações</p><p>nos cálculos, que podem acarretar margens de erro superiores a 10%. Tal margem pode</p><p>ser considerada satisfatória para cálculos preliminares e para comparação entre</p><p>diferentes circuitos térmicos: com diferentes tipos de concentradores, mudanças dos</p><p>sistemas, entre outras modificações.</p><p>Tabela 10.2. Valores (ou intervalos) de entrada especificados para os concentradores.</p><p>Para cálculos mais precisos, são necessários dados de fabricantes e tais cálculos somente</p><p>são pertinentes em etapas de dimensionamento rigoroso e seleção de equipamentos. O</p><p>escopo deste trabalho, foi ilustrar o papel de cálculos aproximados combinados à</p><p>otimização. Os resultados obtidos da otimização não linear estão dispostos na Tabela</p><p>10.3.</p><p>Tabela 10.3. Resultados obtidos a partir da otimização e cálculo do tempo de retorno a partir</p><p>destes resultados.</p><p>Variável Resultado da</p><p>otimização</p><p>Unidade</p><p>Diâmetro do tubo do concentrador, dop 7,6 (3”) cm/in</p><p>Área do espelho, Ac 22,9 m2</p><p>Comprimento do espelho, L 8,9 M</p><p>Número de concentradores, NC 4 kW</p><p>Tempo de payback simples, tpb 1,8 Ano</p><p>Variável Valor Unidade</p><p>Comprimento do espelho, L 6 a 10 M</p><p>Área do espelho, Ac 15 a 27 m2</p><p>Número de concentradores, NC 3 a 5 kW</p><p>Potência requerida nas turbinas, Preq 7200 kW</p><p>emissividade da superfície dos tubos, ε 0,5 -</p><p>Incidência direta de radiação solar, Id 155 a 650 W/m2</p><p>Refletividade do concentrador, ς 0,9 -</p><p>Reflexão difusa pelo absorvedor, 𝜑 0,95 -</p><p>Absorvidade dos tubos. 𝛼 0,95 -</p><p>Constante de Stefan-Boltzmann, σ 5,67.10-8 W/m2 K4</p><p>Temperatura inicial, Ti 90 oC</p><p>Temperatura final, Tf 270 oC</p><p>Temperatura ambiente, T∞ 25 oC</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>209</p><p>10.4. Análise energética, exergética, econômica e ambiental (4E) de sistema</p><p>com torre solar concentradora para produção de eletricidade em diferentes</p><p>cenários</p><p>Serão apresentados os dados obtidos pela análise 4E, para a Cidade do Rio de Janeiro,</p><p>conforme as demandas de energia e dados iniciais do estudo de caso proposto por</p><p>Collado et al. (2013) [87] e os dados de irradiação solar foram obtidos a partir do</p><p>software Sundata [119].</p><p>10.4.1. Análise de sensibilidade para a efetividade da torre concentradora</p><p>Para a escolha da temperatura de operação mais adequada para a torre concentradora será</p><p>estabelecida uma análise de sensibilidade dos valores de eficiência para diferentes valores</p><p>de temperatura, considerando-se o grau máximo de intensidade solar para o sistema, estes</p><p>resultados são apresentados pela Figura 10.3.</p><p>460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680</p><p>50</p><p>55</p><p>60</p><p>65</p><p>70</p><p>75</p><p>80</p><p>85</p><p>90</p><p>E</p><p>fi</p><p>ci</p><p>ên</p><p>ci</p><p>a</p><p>ex</p><p>er</p><p>g</p><p>ét</p><p>ic</p><p>a</p><p>(%</p><p>)</p><p>Temperatura (</p><p>o</p><p>C )</p><p>Eficiência exergética (intensidade de 100%)</p><p>Figura 10.3. Análise de sensibilidade para eficiência exergética da torre concentradora com</p><p>intensidade de 100% da irradiação solar.</p><p>A Figura 10.3 evidencia a obtenção da maior eficiência na temperatura de 580 graus para</p><p>os valores testados dentro da faixa de temperaturas da análise de sensibilidade. Para cada</p><p>temperatura foi o utilizado o algoritmo de otimização expresso pelas equações 1 a 11, com</p><p>https://www.sundata.nl/</p><p>Alex Vazzoler</p><p>210</p><p>a maximização da grandeza eficiência exergética. Por outro lado, é necessária uma</p><p>temperatura de 5 ℃ acima da média anual para atingir-se este valor. Portanto, será adotado</p><p>o valor de 560 ℃, já que este valor é o maior dentro do limite de irradiação solar média,</p><p>este valor será adotado para os demais cálculos.</p><p>10.4.2. Análise de temperaturas e entalpia</p><p>A primeira ferramenta proposta para a análise do sistema composto pelo ciclo de</p><p>aquecimento de sais fundidos, composto pelas etapas 1, 2, 7 e 8, e do sistema de geração</p><p>de potência acoplado ao Ciclo Rankine Orgânico, etapas 3, 4, 5 e 6, é a curva de entalpia e</p><p>temperatura expressa pela Figura 4.</p><p>500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500</p><p>100</p><p>150</p><p>200</p><p>250</p><p>300</p><p>350</p><p>400</p><p>450</p><p>500</p><p>550</p><p>600</p><p>(6)(5)</p><p>(3)</p><p>(1-2)</p><p>(8)(7)</p><p>T</p><p>e</p><p>m</p><p>p</p><p>e</p><p>r</p><p>a</p><p>tu</p><p>r</p><p>a</p><p>(</p><p>o</p><p>C</p><p>)</p><p>Entalpia (kW)</p><p>Ciclo de aquecimento dos sais fundidos</p><p>Ciclo de geração de vapor e potência</p><p>(4)</p><p>Figura 10.4. Curva de entalpia e temperatura para o conjunto torre concentradora e Sistema</p><p>geração de vapor e potência.</p><p>A curva superior, em preto, composta pelos pontos 1,2,7 e 8, é o sistema de conversão de</p><p>irradiação solar em energia térmica, parte desta energia é transferida ao sistema adjacente</p><p>(curva em vermelho com os pontos 3, 4, 5 e 6) através da caldeira. E um montante</p><p>expressivo, convertido em eletricidade pelas turbinas e pelo ciclo Rankine Orgânico.</p><p>Verifica-se que a curva superior está deslocada em termos da entalpia a direita (maiores</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>211</p><p>valores de entalpia) e temperatura mais altas. Já que, pela segunda lei da termodinâmica,</p><p>o calor somente pode ser transferido espontaneamente de temperaturas mais altas para</p><p>temperaturas mais baixas, o que acarreta maiores forças motrizes e maior eficiência na</p><p>transferência de calor para a caldeira. Pela Figura 10.4 verifica-se uma diferença de</p><p>temperatura bastante expressiva entre os picos das curvas (cerca de 200 ℃) o que evidencia</p><p>grande potencial de aproveitamento energético no sistema.</p><p>A etapa a seguir visa a análise dos fluxos de exergia, nas diferentes etapas que constituem</p><p>o sistema. Para um melhor entendimento dos impactos das etapas sobre a eficiência e a</p><p>qualidade da energia.</p><p>4.3. Diagrama exergético</p><p>Para avaliar a eficiência exergética do sistema, é essencial analisar a variação da exergia em</p><p>cada uma de suas etapas principais [97]. Estas etapas de forma cronológica consistem no</p><p>aquecimento na torre concentradora, no aproveitamento de calor na caldeira, o trabalho</p><p>gerado pelas turbinas, e no calor residual reaproveitado pelo Ciclo Rankine Orgânico (CRO)</p><p>para geração de eletricidade.</p><p>A Figura 10.5 apresenta um fluxograma com os valores de exergia útil, e destruída, nas</p><p>principais etapas do sistema.</p><p>Aquecimento na torre concentradora 10,72 MW</p><p>Aquecimento na caldeira 8,48 MW</p><p>Trabalho na turbina 6,08 MW</p><p>Ciclo Rankine</p><p>orgânico 3,75 MW</p><p>Exergia destruída Exergia útil</p><p>2,24 MW</p><p>2,40 MW</p><p>0,83 MW</p><p>1,68 MW</p><p>Figura 10.5. Fluxograma de exergia nas principais etapas do sistema.</p><p>Tendo-se em</p><p>perspectiva a Figura 10.5, para o aquecimento na torre, 10,72 MW são</p><p>utilizados no aquecimento das correntes de sais fundidos. Enquanto, 2,24 MW são</p><p>destruídos, ou seja, não são utilizados pelo sistema em modalidades úteis, ou seja, que</p><p>Alex Vazzoler</p><p>212</p><p>gerem algum tipo de aproveitamento energético imediato ou posterior em todo o processo.</p><p>De forma análoga, as demais etapas têm as relações quantitativas expressas pela Figura 3.</p><p>Verifica-se nas etapas, taxas de destruição de exergia abaixo dos 25% em sistemas térmicos</p><p>solares, o que evidencia uma boa qualidade no aproveitamento energético [97].</p><p>A próxima etapa é a estimativa de geração de dióxido de carbono por este sistema, conforme</p><p>a metodologia proposta por Mamamghani et al [120].</p><p>4.4. Resultados da otimização termoeconômica e análise 4E.</p><p>Os modelos de otimização energética e exergética, descrito no item 2.1, juntamente a</p><p>análise 4E foram aplicados à diferentes cenários de intensidade de irradiação solar</p><p>apresentados na Tabela 1. Conforme estes dados, verifica-se o aumento das</p><p>irreversibilidades no sistema em função da maior produção de vapor (função do montante</p><p>de irradiação solar disponível), e consequentemente, as eficiências de da torre concentradora</p><p>(𝜂𝑟𝑒𝑐), exergética (𝜂𝑒𝑥) e da turbina (𝜂𝑡) no sistema são inversamente proporcionais à vazão</p><p>de vapor produzida.</p><p>Tabela 10.4. Resultados obtidos pela análise 4E para diferentes cenários de irradiação solar</p><p>(variação da intensidade)</p><p>Variável Baixa intensidade</p><p>(50%)</p><p>Média intensidade</p><p>(70%)</p><p>Alta intensidade</p><p>(100%)</p><p>𝜂𝑟𝑒𝑐 71,2 68,9 66,5</p><p>𝜂𝑒𝑥 65,2 62,4 59,8</p><p>𝜂𝑡 73,2 71,1 68,7</p><p>𝑅𝑣 ($/kg) 0,035 0,042 0,051</p><p>𝑍𝐶𝑂2</p><p>′($/kg) 0,00044 0,00056 0,00068</p><p>Um fato a ser evidenciado é que o aumento de escala reduz os custos de produção de vapor,</p><p>em detrimento dos aumentos dos custos com geração de carbono que são proporcionais a</p><p>exergia destruída (irreversibilidades) no sistema. Consequentemente, operar com menores</p><p>escalas diminui efeitos como tensão térmica-mecânica, mas elevam o custo de produção de</p><p>vapor.</p><p>Outro ponto é a intensificação de tal fenômeno em sistemas não renováveis, nos quais as</p><p>emissões de dióxido de carbono aumentam de forma mais substantiva do que no exemplo</p><p>previamente descrito [120]. Tanto os fluidos de processo quanto as utilidades, têm grande</p><p>potencial de geração de dióxido de carbono, e tal fato deve sempre ser considerado</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>213</p><p>Anexo 1 –</p><p>FENOMENOLOGIA TÉRMICA</p><p>11</p><p>1</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Alex Vazzoler</p><p>214</p><p>11. Anexo 1 – Fenomenologia térmica</p><p>Neste capítulo são apresentados os balanços de energia e as respectivas considerações</p><p>para a modelagem dos principais componentes do sistema de aquecimento de água</p><p>(placa coletora e armazenador) e para o cálculo da vazão mássica de circulação</p><p>termossifão.</p><p>11.1 Modelagem da Placa do Coletor</p><p>Tendo-se em perspectiva a placa coletora da Fig. 11.1. No esquema, o comprimento da</p><p>placa é representado por L, a largura por w, a espessura do isolamento é Lis e a largura</p><p>e altura do canal são dc e hc respectivamente. A temperatura de entrada no coletor é Ti,</p><p>a temperatura de saída To, a área superficial A, a taxa mássica �̇� e o coeficiente global</p><p>de transferência de calor para o ambiente Ua.</p><p>São definidos os seguintes parâmetros físicos de entrada: radiação solar direta no plano</p><p>do coletor (l), velocidade do vento (V) e temperatura ambiente (Ta). Foi proposto um</p><p>modelo dinâmico que obtém a temperatura To como função de Ti, �̇�, l e Ua [109].</p><p>(a)</p><p>(b)</p><p>(c)Ta</p><p>Ua</p><p>V</p><p>m</p><p>.</p><p>m</p><p>.Ti</p><p>T0</p><p>β</p><p>Hc</p><p>Lis</p><p>W</p><p>dc</p><p>Figura 11.1. Esquema das placas coletoras.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>215</p><p>Para simplificar a analise foram feitas as seguintes considerações [109]:</p><p>-A placa absorvedora e o isolamento, na base do absorvedor, estão à mesma</p><p>temperatura, Tp;</p><p>-A placa não tem diferenças de temperatura na direção do fluxo, nem no sentido</p><p>transversal do fluxo: Tp = f(t), onde t é o tempo;</p><p>-A temperatura do fluido na placa varia ao longo do comprimento do coletor: Tf = f(x);</p><p>- No modelo proposto desprezam-se as perdas de calor nas laterais da placa.</p><p>11.1.1. Modelo dinâmico do coletor</p><p>O volume de controle empregado na análise é representado pela Figura 11.2 [2].</p><p>Tf</p><p>hf</p><p>Tt Ta Va</p><p>I (W/m2)</p><p>Lp</p><p>Lis</p><p>kp</p><p>kis</p><p>Up</p><p>Utkt</p><p>Figura 11.2. Ilustração da transferência de calor no Volume de controle.</p><p>O primeiro ponto é aplicação de um balanço de energia para o sistema (primeira lei da</p><p>termodinâmica):</p><p>𝑑𝐸𝑐</p><p>𝑑𝑡</p><p>= �̇�𝑒 + �̇�𝑠 + �̇�𝑔 (11.1.1.1)</p><p>Os termos de entrada e saída de energia estão associados com a transferência de calor</p><p>pelos modos radiante (radiação solar), condutivo e convectivo (perdas para o ambiente);</p><p>Alex Vazzoler</p><p>216</p><p>a variação de energia acumulada se deve à variação de temperatura no volume de</p><p>controle. Substituindo os termos, obtém-se a equação 11.1.1.2 [121]:</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑝,𝑖𝑠</p><p>𝑑𝑇𝑝</p><p>𝑑𝑡</p><p>= 𝐴𝑐,𝑝𝐼 + 𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎(𝑇𝑎 − 𝑇𝑝) + 𝐴𝑠,𝑝ℎ𝑓(�̅�𝑝 − �̅�𝑓) (11.1.1.2)</p><p>O coeficiente de troca de calor pelo fundo do coletor Ub depende das espessuras do</p><p>isolamento e da parede da placa Lis e Lp e dos respectivos coeficientes de transferência</p><p>de calor por condução dos materiais, ks e kp como mostra a equação 11.1.1.3:</p><p>𝑈𝑏 =</p><p>1</p><p>𝐿𝑖𝑠</p><p>𝑘𝑖𝑠</p><p>+</p><p>𝐿𝑝</p><p>𝑘𝑝</p><p>(11.1.1.3)</p><p>O Coeficiente de transferência de calor por convecção ha, devido à velocidade do vento</p><p>va, é dado pela equação 11.1.1.14 [121]:</p><p>ℎ𝑎 = 7 + 2,1𝑣𝑎 (11.1.1.4)</p><p>O coeficiente global de transferência de calor pelo topo da placa (Up) depende dos</p><p>coeficientes de transferência de calor por convecção e radiação:</p><p>𝑈𝑝 =</p><p>1</p><p>1</p><p>ℎ𝑎</p><p>+</p><p>1</p><p>ℎ𝑟</p><p>(11.1.1.5)</p><p>Para simplicidade do modelo e devido a que se trabalha a baixas temperaturas, a perda</p><p>por radiação hr da equação 11.1.1.5 é desprezada. O coeficiente global de transferência</p><p>de calor (Ua) resulta da somatória das perdas pelo topo e pelo fundo do coletor:</p><p>1</p><p>𝑈𝑎</p><p>=</p><p>1</p><p>𝑈𝑏</p><p>+</p><p>1</p><p>𝑈𝑝</p><p>(11.1.1.6)</p><p>11.1.2. Balanço de energia do fluido</p><p>Considerou-se que o escoamento nos canais da placa do coletor sendo similar ao</p><p>escoamento num tub[20]o. O modelo considera que o fluido tem uma vazão mássica</p><p>conhecida �̇�, e a transferência de calor convectiva ocorre na superfície interna da placa.</p><p>Do balanço de energia para um volume de controle infinitesimal de fluido incompressível:</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑝,𝑖𝑠</p><p>𝑑𝑇𝑓</p><p>𝑑𝑥</p><p>= ℎ𝑓𝑃(�̅�𝑝 − 𝑇𝑓) (11.1.2.1)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>217</p><p>P é o perímetro da superfície (perímetro molhado), equação 11.1.2.2, onde nc é o número</p><p>de canais.</p><p>𝑃 = 2𝑛𝑐(𝑑𝑐 + 𝐻𝑐) (11.1.2.2)</p><p>O coeficiente médio de transferência de calor por convecção do fluido é calculado usando</p><p>as correlações de Azevedo e Sparrow [20] para convecção natural em canais inclinados</p><p>com água, equações 11.1.2.3 e 11.1.2.4:</p><p>ℎ̅𝑓 =</p><p>�̅�𝑢𝑘</p><p>𝐿𝑐</p><p>(11.1.2.3)</p><p>�̅�𝑢 = 0,645 [𝑅𝑎</p><p>𝑆</p><p>𝐿</p><p>]</p><p>0,25</p><p>(11.1.2.4)</p><p>S é a separação entre placas (Fig. 3.3). O número de Rayleigh (Ra) é calculado através</p><p>da Equação 11.1.2.5 [20]:</p><p>𝑅𝑎 = 𝑔𝛽(𝑇𝑝 − 𝑇𝑓)</p><p>𝑆3</p><p>𝛼𝜐</p><p>(11.1.2.5)</p><p>A difusividade térmica da água calcula-se por meio da equação 11.1.2.6:</p><p>𝛼 =</p><p>𝑘</p><p>𝜌𝑐𝑝</p><p>(11.1.2.6)</p><p>θ</p><p>g</p><p>Superfície isotérmica ou com</p><p>fluxo isotérmico uniforme</p><p>Figura 11.3. Escoamento por convecção livre entre placas paralelas aquecidas.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>218</p><p>Baseados nas considerações admitidas, as equações diferenciais 11.1.2.7 e 11.1.2.8,</p><p>resultantes dos balanços de energia da placa e do fluido são resolvidas analiticamente e</p><p>em forma independente. Manipulando a Eq. 3.:</p><p>𝑑𝑇𝑝</p><p>𝑑𝑡</p><p>=</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝐼 − 𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎(�̅�𝑝 − 𝑇𝑎) − 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓(�̅�𝑝 − �̅�𝑓)</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑐</p><p>(11.1.2.7)</p><p>𝑑𝑇𝑝</p><p>𝑑𝑡</p><p>=</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝐼 − 𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎𝑇𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓�̅�𝑓</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑐</p><p>−</p><p>(𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓)</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑐</p><p>�̅�𝑝 (11.1.2.8)</p><p>Definem-se as constantes R e S, equações 11.1.2.9a e 11.1.2.9b:</p><p>𝑅 =</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝐼 − 𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎𝑇𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓�̅�𝑓</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑐</p><p>(11.1.2.9𝑎) 𝑒 𝑆 =</p><p>(𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓)</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑐</p><p>(11.1.2.9𝑏)</p><p>𝑑𝑇𝑝</p><p>𝑑𝑡</p><p>= 𝑅 − 𝑆�̅�𝑝 ou 𝑑𝑡 =</p><p>𝑑𝑇𝑝</p><p>𝑅 − 𝑆�̅�𝑝</p><p>(11.1.2.9𝑐)</p><p>Considerando a temperatura média do fluido constante para um dado intervalo, a solução</p><p>da equação diferencial se faz por separação de variáveis. É obtido um novo grupo de da</p><p>equação diferencial se faz por separação constantes, definidas como C1 e C2:</p><p>𝑢 = 𝑅 − 𝑆�̅�𝑝 . : 𝑑𝑢 = −𝑆�̅�𝑝 (11.1.2.9𝑐) −</p><p>1</p><p>𝑆</p><p>𝑑𝑢</p><p>𝑢</p><p>= 𝑑𝑡 . : −</p><p>1</p><p>𝑆</p><p>𝑙𝑛𝑢 = 𝑡 (11.1.2.9𝑑)</p><p>Substituindo-se 11.1.2.9c em 11.1.2.9d:</p><p>−</p><p>1</p><p>𝑆</p><p>𝑙𝑛(𝑅 − 𝑆�̅�𝑝)</p><p>�̅�𝑝0</p><p>�̅�𝑝 = 𝑡 . : 𝑙𝑛(𝑅 − 𝑆�̅�𝑝)</p><p>�̅�𝑝0</p><p>�̅�𝑝 = −𝑆𝑡 . : 𝑙𝑛 (</p><p>𝑅 − 𝑆�̅�𝑝</p><p>𝑅 − 𝑆�̅�𝑝0</p><p>) = −𝑆𝑡</p><p>𝑅 − 𝑆�̅�𝑝</p><p>𝑅 − 𝑆�̅�𝑝0</p><p>= 𝑒−𝑆𝑡 . : �̅�𝑝 =</p><p>𝑅</p><p>𝑆</p><p>− (</p><p>𝑅</p><p>𝑆</p><p>− �̅�𝑝0) 𝑒−𝑆𝑡 (11.1.2.9𝑒)</p><p>𝑅</p><p>𝑆</p><p>=</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝐼 − 𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎𝑇𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓�̅�𝑓</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓</p><p>=</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝐼 − 𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎𝑇𝑎</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓</p><p>+</p><p>𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓</p><p>�̅�𝑓 (11.1.2.9𝑓)</p><p>Definindo-se as constantes C1 e C2:</p><p>𝐶1 =</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝐼 − 𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎𝑇𝑎</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓</p><p>(11.1.2.9𝑔) . : 𝐶2 =</p><p>𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓</p><p>𝐴𝑐,𝑝𝑈𝑎 + 𝐴𝑠𝑝ℎ𝑓</p><p>�̅�𝑓 (11.1.2.9ℎ)</p><p>Substituindo-se as equações anteriores na equação 11.1.2.9f:</p><p>𝑅</p><p>𝑆</p><p>= 𝐶1 + 𝐶2�̅�𝑓 (11.1.2.9𝑖)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>219</p><p>É obtida então, a seguinte expressão do cálculo da temperatura da placa:</p><p>�̅�𝑝 = 𝐶1(1 − 𝑒−𝑆𝑡) + 𝐶2�̅�𝑓(1 − 𝑒−𝑆𝑡) + �̅�𝑝0𝑒−𝑆𝑡 (11.1.2.9𝑗)</p><p>De forma similar, manipulando a solução da equação 11.1.2.1:</p><p>𝑑𝑇𝑓</p><p>𝑑𝑥</p><p>=</p><p>ℎ𝑓𝑃</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑓</p><p>�̅�𝑝 −</p><p>ℎ𝑓𝑃</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑓</p><p>𝑇𝑓 (11.1.2.9𝑘)</p><p>Considerando a temperatura da placa constante para um intervalo de tempo</p><p>determinado:</p><p>𝑑𝑇𝑓</p><p>𝑑𝑥</p><p>= 𝐴�̅�𝑝 − 𝐵𝑇𝑓 𝑒𝑚 𝑞𝑢𝑒 𝐴 =</p><p>ℎ𝑓𝑃</p><p>(�̇�𝑐𝑝)</p><p>𝑓</p><p>�̅�𝑝 𝑒 𝐵 = 𝐴�̅�𝑝 (11.1.2.9𝑙)</p><p>Solucionando-se a equação por separação de variáveis é obtido:</p><p>𝑇𝑓 = 𝑇𝑝(1 − 𝑒−𝐴) + 𝑇𝑓0𝑒−𝐴 (11.1.2.9𝑚)</p><p>A temperatura média do fluido é calculada pela integração ao longo do comprimento do</p><p>coletor:</p><p>𝑇𝑓 =</p><p>1</p><p>𝐿</p><p>∫ 𝑇𝑓(𝑥)𝑑𝑥</p><p>𝐿</p><p>𝐿 = 0</p><p>(11.1.2.9𝑛)</p><p>Conhecidas as condições iniciais de temperatura da placa Tpo, temperatura de entrada e</p><p>temperatura média do fluido, a radiação solar incidente no intervalo de tempo</p><p>considerado e o comprimento do coletor é possível calcular a temperatura de saída do</p><p>fluido do coletor a partir das equações 11.1.2.9.</p><p>11.2. Modelo do reservatório</p><p>A água do tanque pode operar com graus significativos de estratificação com água mais</p><p>quente no topo que no fundo. O reservatório é modelado dividindo-o em seções e</p><p>escrevendo os balanços de energia para cada seção. Obtém-se desta maneira um jogo</p><p>de i equações diferenciais que são resolvidas para as temperaturas das seções como</p><p>funções de tempo.</p><p>Para formular estas equações é necessário fazer suposições sobre como a água quente</p><p>que entra se distribui pelos diferentes nós. O modelo de estratificação parcial [6]</p><p>Alex Vazzoler</p><p>220</p><p>considera cada seção a uma temperatura uniforme como mostra a figura 11.4. Para o</p><p>tanque de três seções da figura, o fluxo do coletor sempre sai pelo fundo, seção 3, e o</p><p>fluxo de recarga sai pelo topo, nó 1. O fluxo que retorna do coletor (à temperatura Tco)</p><p>entrará na seção do reservatório cuja temperatura seja mais próxima, no entanto, menor</p><p>que a temperatura de saída do coletor (Tc,o).</p><p>A seguir é definida uma função de controle Fc, que determina qual a camada que receberá</p><p>a água que vem do coletor: Determina-se uma função de controle F° para determinar</p><p>qual a seção que recebe a água chegando do coletor, de acordo as seguintes regras,</p><p>equação 11.2.1 [6].</p><p>𝐹𝑖</p><p>𝑐 = {</p><p>1 𝑠𝑒 𝑖 = 1 𝑒 𝑇𝑐,0 > 𝑇𝑟,𝑖</p><p>1 𝑠𝑒 𝑇𝑟,𝑖−1 > 𝑇𝑐,0 > 𝑇𝑟,𝑖</p><p>0 𝑠𝑒 𝑖 = 0 𝑜𝑢 𝑖 = 𝑁 + 1</p><p>0 𝑜𝑢𝑡𝑟𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑠𝑜𝑠</p><p>} (11.2.1)</p><p>Note-se que se o coletor está funcionando, então uma e só uma função de controle é</p><p>diferente de zero (0).</p><p>Tr,1</p><p>Tr,2</p><p>Tr,3</p><p>Extração</p><p>mc</p><p>.</p><p>Tc,0</p><p>F1mc</p><p>.c</p><p>Do coletor</p><p>F2mc</p><p>.c</p><p>F3mc</p><p>.c</p><p>F1mc</p><p>.c</p><p>(F1+F2)mc</p><p>.c c</p><p>Ao coletor</p><p>Tr,3</p><p>mc</p><p>. Reposição</p><p>TL</p><p>mL</p><p>.</p><p>F3mL</p><p>.L</p><p>F2mL</p><p>.L</p><p>F1mL</p><p>.L</p><p>F3mL</p><p>.L</p><p>(F2+F3)mc</p><p>.L L</p><p>Tr,1</p><p>mL</p><p>.</p><p>Perdas</p><p>Figura 11.4. Estratificação do líquido no reservatório (caso de 3 seções).</p><p>O líquido de recarga pode ser controlado por uma função similar [6]:</p><p>𝐹𝑖</p><p>𝐿 = {</p><p>1 𝑠𝑒 𝑇𝑟,𝑖−1 > 𝑇𝑙 > 𝑇𝑟,𝑖</p><p>1 𝑠𝑒 𝑖 = 𝑁 𝑒 𝑇𝑙</p><p>(11.2.5)</p><p>Com as funções de controle definidas, o balanço de energia na seção i pode-se expressar</p><p>como:</p><p>�̇�𝑖</p><p>𝑑𝑇𝑟,𝑖</p><p>𝑑𝑡</p><p>= (</p><p>𝑈𝑠𝐴</p><p>𝑐𝑝</p><p>) (𝑇𝑎 − 𝑇𝑟,𝑖) + 𝐹𝑖</p><p>𝑐�̇�𝑖(𝑇𝑐,0 − 𝑇𝑟,𝑖) + 𝐹𝑖</p><p>𝐿�̇�𝑖(𝑇𝑙 − 𝑇𝑟,𝑖)</p><p>+ {</p><p>�̇�𝑚,𝑙(𝑇𝑟,𝑖−1 − 𝑇𝑟,𝑖) 𝑠𝑒 �̇�𝑚,𝑖 > 0</p><p>�̇�𝑚,𝑖+1(𝑇𝑟,𝑖 − 𝑇𝑟,𝑖+1) 𝑠𝑒 �̇�𝑚,𝑖+1</p><p>do termossifão, com</p><p>as perdas por atrito no circuito (canais do coletor, tubos conectores, tanque). As perdas</p><p>por fricção através do circuito hf são calculadas usando relações convencionais de</p><p>mecânica dos fluidos para fluxo em tubos. Para cada componente deste circuito é usada</p><p>a equação de perdas [125]:</p><p>ℎ𝑓 = 𝑓</p><p>𝐿</p><p>𝐷</p><p>𝑣2</p><p>2𝑔</p><p>+ ∑ 𝑘</p><p>𝑣2</p><p>2𝑔</p><p>(11.4.5)</p><p>Na equação 10.4.5 é o comprimento do tubo, u a velocidade média do fluido, g a</p><p>constante de gravidade e do diâmetro equivalente. O fator de atrito f = 64/Re para fluxo</p><p>laminar em tubos em que o número de Reynolds (Re 2000. O termo ∑ 𝑘</p><p>𝑣2</p><p>2𝑔</p><p>corresponde às perdas menores associadas</p><p>com cotovelos, reduções e outras restrições nas tubulações.</p><p>A temperatura da água na saída do coletor é determinada analiticamente, dada a</p><p>temperatura de entrada e a taxa mássica estimada.</p><p>A distribuição de temperaturas nas seções do reservatório é calculada numericamente.</p><p>Uma vez conhecidas as temperaturas no coletor e a temperatura média no tanque,</p><p>podem ser calculadas as forças de flutuação.</p><p>Combinando todas as fontes de resistência por atrito e comparando com as respectivas</p><p>alturas manométricas 𝑇𝐻𝐻𝐸𝐴𝐷 = ∑ ℎ𝑓 do sistema termossifão, se faz uma nova</p><p>estimativa por substituições sucessivas. O procedimento é repetido até que o balanço do</p><p>sistema termossifão com as perdas por atrito esteja dentro da margem de 1%.</p><p>Uma vez alcançada a convergência, o procedimento se faz para o seguinte intervalo de</p><p>tempo, usando a taxa mássica estimada no passo anterior.</p><p>11.5. Modelo simplificado para sistema com convecção forçada</p><p>(concentradores)</p><p>Em sistemas em que é necessário gerar vapor de alta pressão, é necessário</p><p>bombeamento para garantir que a água alimentada aos concentradores esteja na</p><p>Alex Vazzoler</p><p>226</p><p>pressão final do vapor. O aquecimento no tubo do concentrador é isobárico e o balanço</p><p>de energia (primeira lei) é expresso abaixo [124]:</p><p>𝑑𝐻 + �̇�(𝑣𝑑𝑧 + 𝑔𝑑𝑧) = 𝛿𝑄 + 𝛿𝑊 (11.5.1)</p><p>Para o escoamento ao longo do trocador de calor, não há trabalho mecânico e as</p><p>variações de energia potencial e cinética podem ser desprezadas, quando comparadas</p><p>com a variação na entalpia. Assim, a Equação 1 pode ser escrita para as seguintes formas</p><p>particulares, para troca de calor sensível e latente, respectivamente [99]:</p><p>𝑑𝐻 = �̇�𝑐𝑝𝑑𝑇 (11.5.2)</p><p>𝑑𝐻 = 𝑚𝜆̇ ∑ 𝑑𝑥𝑖</p><p>𝑖</p><p>(11.5.3)</p><p>Tf,i</p><p>m</p><p>.</p><p>Tf,0</p><p>Vapor</p><p>saturado</p><p>mV</p><p>.</p><p>mL</p><p>.</p><p>Hc</p><p>L2</p><p>L1</p><p>L3</p><p>L4</p><p>Região 1 -</p><p>Monofásica e</p><p>isotérmica</p><p>Região 2 - Aquecimento</p><p>Região 3 - Vaporização</p><p>Região 4 -</p><p>flash</p><p>adiabático</p><p>Figura 11.6. Circuito térmico de um concentrador para produção de vapor saturado.</p><p>A parcela referente à taxa de transferência de calor pode ser calculada pelo conceito de</p><p>coeficiente global de transferência de calor:</p><p>𝑞" = 𝐻𝑐𝜂 (11.5.4)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>227</p><p>𝐻</p><p>𝐻0</p><p>= 𝑎 + 𝑏</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>+ 𝑐 (</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>)</p><p>2</p><p>(11.5.5)</p><p>Substituindo-se a equação 10.5.5 na equação 10.5.4:</p><p>𝑞" = 𝜂𝐻0 [𝑎 + 𝑏</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>+ 𝑐 (</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>)</p><p>2</p><p>] . : 𝑞" = 𝑎1 + 𝑏1</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>+ 𝑐1 (</p><p>𝑆</p><p>𝑆0</p><p>)</p><p>2</p><p>(11.5.6)</p><p>a1, b1 e c1 são os parâmetros empíricos de desempenho de um determinado concentrador</p><p>solar, que podem ser levantados para um determinado concentrador, caso não sejam</p><p>conhecidos os parâmetros do concentrador e solares. Tal procedimento é pertinente na</p><p>associação de concentradores particularmente, pelo fato de o 𝜂 não permanecer</p><p>constante ao longo da associação em série [100].</p><p>Para o cálculo da temperatura de parede do coletor, pode-se aproximar o valor do</p><p>rendimento ao da absorbância (𝜂 ≈ 𝜀, 65-90%, conforme o material e tipo de tubo) e</p><p>pode ser feita a seguinte aproximação para uma estimativa da temperatura da parede</p><p>do tubo, considerando as resistências a transferência de calor na parte interna dos tubos</p><p>(convecção)e externa (radiação) [20].</p><p>1</p><p>𝑈</p><p>=</p><p>1</p><p>ℎ𝑖</p><p>𝐷𝑒𝑥</p><p>𝐷𝑖</p><p>+ 𝑅𝑓,𝑖 +</p><p>1</p><p>ℎ𝑒𝑥</p><p>+</p><p>𝐷𝑒𝑥</p><p>2𝑘𝑤</p><p>𝑙𝑛</p><p>𝐷𝑒𝑥</p><p>𝐷𝑖</p><p>(11.5.7)</p><p>1</p><p>ℎ𝑒𝑥</p><p>=</p><p>1</p><p>ℎ𝑎</p><p>+</p><p>1</p><p>ℎ𝑟</p><p>𝑒𝑚 𝑞𝑢𝑒 ℎ𝑟 = 𝜂𝜎𝐴(𝑇𝑠</p><p>2 + 𝑇𝑎</p><p>2)(𝑇𝑠 + 𝑇𝑎) (11.5.8)</p><p>O coeficiente de transferência convectiva de calor no interior dos tubos (hi) pode ser</p><p>calculado através de duas contribuições: a ebulição convectiva (hcb) e a ebulição</p><p>nucleada (hnb) [126]. A contribuição da convecção forçada é calculada pelo produto entre</p><p>o coeficiente de convecção forçada no líquido escoando sozinho (hl) e um fator de</p><p>amplificação (F), função do parâmetro (Xtt) de Martinelli [127]. Essa contribuição está</p><p>associada à intensificação da convecção forçada pela mudança de fase. A contribuição</p><p>da ebulição nucleada está diretamente ligada à formação das bolhas [128]. O surgimento</p><p>da ebulição nucleada ocorre quando a temperatura da parede do tubo (Tw) for maior que</p><p>a temperatura de início da ebulição nucleada (onset nucleate boiling - Twonb).</p><p>O cálculo da temperatura da parede está presente no modelo através da seguinte</p><p>equação algébrica, que descreve o circuito térmico de transferência de calor ao longo da</p><p>área de troca térmica:</p><p>Alex Vazzoler</p><p>228</p><p>𝑇𝑠 − 𝑇𝑤</p><p>1</p><p>ℎ𝑖</p><p>𝐷𝑒𝑥</p><p>𝐷𝑖</p><p>+ 𝑅𝑓,𝑖 +</p><p>1</p><p>ℎ𝑒𝑥</p><p>+</p><p>𝐷𝑒𝑥</p><p>2𝑘𝑤</p><p>𝑙𝑛</p><p>𝐷𝑒𝑥</p><p>𝐷𝑖</p><p>=</p><p>𝑇𝑤 − 𝑇𝑓</p><p>1</p><p>ℎ𝑖𝐷𝑖</p><p>(11.5.9)</p><p>A temperatura de início da ebulição nucleada também está presente no modelo de acordo</p><p>com a correlação proposta por Frost e Dzakowic [129]:</p><p>𝑇𝑤,𝑜𝑚𝑏 = 𝑇𝑠𝑎𝑡 + √</p><p>8𝜎𝑞"𝑇𝑠𝑎𝑡</p><p>𝑘𝑓𝜆𝜌𝑔</p><p>𝑃𝑟𝑓 (11.5.10)</p><p>A equação diferencial de balanço de energia é complementada pela equação algébrica</p><p>de cálculo da variação de entalpia, englobando a parcela de cada fase em escoamento:</p><p>∆𝐻 = (∫ ∑ 𝑥𝑖𝑐𝑝,𝑖𝑑𝑇</p><p>𝑖</p><p>𝑇</p><p>𝑇𝑟𝑒𝑓</p><p>+</p><p>𝐻𝐸</p><p>𝑀𝑙</p><p>) 𝑚𝐿 + (∫ ∑ 𝑦𝑖𝑐𝑝,𝑖𝑑𝑇</p><p>𝑖</p><p>𝑇</p><p>𝑇𝑟𝑒𝑓</p><p>+</p><p>∑ 𝑦𝑖𝜆𝑖(𝑇𝑟𝑒𝑓)𝑖</p><p>𝑀𝑔</p><p>) 𝑚𝑉 (11.5.11)</p><p>O comportamento hidráulico do sistema é descrito através do balanço de energia</p><p>mecânica. No escoamento monofásico relativo às Regiões 1 e 2, composto de três</p><p>termos: cinético; gravitacional, e um termo devido ao atrito. Assim, pode-se escrever,</p><p>para escoamento monofásico [130]:</p><p>−</p><p>𝑑𝑃</p><p>𝑑𝐿</p><p>= − (</p><p>𝐺</p><p>𝜌</p><p>)</p><p>2 𝑑𝜌</p><p>𝑑𝐿</p><p>+ 𝜌𝑔𝑠𝑒𝑛𝜃 +</p><p>𝑓</p><p>𝐷</p><p>𝐺2</p><p>2𝜌</p><p>(11.5.12)</p><p>Já para o escoamento bifásico, a equação necessita de algumas modificações:</p><p>−</p><p>𝑑𝑃</p><p>𝑑𝐿</p><p>= − (</p><p>𝐺</p><p>𝜌𝑏𝑓</p><p>)</p><p>2</p><p>𝑑𝜌</p><p>𝑑𝐿</p><p>+ 𝜌𝑏𝑓𝑔𝑠𝑒𝑛𝜃 + 𝜑𝑏𝑓</p><p>2</p><p>𝑓</p><p>𝐷</p><p>𝐺2</p><p>2𝜌</p><p>(11.5.13)</p><p>Na Equação 9, acrescentou-se a massa específica bifásica (𝜌𝑏𝑓) e o coeficiente de</p><p>correção (𝜑𝑏𝑓) [126]. A massa específica bifásica é calculada em função das massas</p><p>específicas do líquido e do gás. Já o coeficiente 𝜑𝑏𝑓</p><p>, é calculado para adequar o termo</p><p>referente ao atrito monofásico para o bifásico.</p><p>A passagem da corrente líquida através da bomba é representada pela curva</p><p>característica da bomba (carga ou head da bomba) [131]:</p><p>ℎ𝐵 =</p><p>𝑃0 − 𝑃𝑖</p><p>𝜌𝑔</p><p>+ ℎ𝑓 = 𝑏0 + 𝑏1𝑄 + 𝑏2𝑄2 (11.5.14)</p><p>Os balanços de massa e energia são expressos pelas equações 11.5.10 e 11.5.11:</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>229</p><p>�̇� = �̇�𝑉 + �̇�𝐿 (11.5.15)</p><p>�̇�𝐻 + 𝑞 = �̇�𝑉𝐻𝑉 + �̇�𝐿𝐻𝐿 (11.5.16)</p><p>A fração de vapor (𝛺) é expressa pela equação 10.5.17 [126]:</p><p>𝛺 =</p><p>�̇�𝑉</p><p>�̇�𝐿</p><p>(11.5.17)</p><p>Substituindo a equação anterior no balanço de massa:</p><p>�̇�𝐿 =</p><p>�̇�</p><p>1 + 𝛺</p><p>(11.5.18)</p><p>Para a produção de vapor de alta pressão superaquecido para produção de eletricidade</p><p>por meio da movimentação de turbinas. É necessário utilizar uma bateria de</p><p>concentradores parabólicos (ou outros concentradores de menor porte) ou uma torre</p><p>concentradora, conforme ilustrado pela Figura 11.7.</p><p>Sítio</p><p>Tratamento</p><p>de água</p><p>Bombeamento</p><p>Bateria de</p><p>concentradores</p><p>Sítio</p><p>Tratamento</p><p>de água</p><p>Bombeamento</p><p>Torre</p><p>concentradora</p><p>Figura 11.7. Circuito de geração de vapor superaquecido: (a) bateria de concentradores; (b)</p><p>circuito com uma torre concentradora.</p><p>11.6. Estimativas de custos de sistemas com coletores e concentradores</p><p>11.6.1. Coletores</p><p>O custo da instalação solar fotovoltaica nos EUA, em média, varia linearmente (de forma</p><p>aproximada) durante o ano de 2016, conforme abaixo:</p><p>Alex Vazzoler</p><p>230</p><p>𝐶 = 2100𝑃𝑜𝑡 1 ≤ 𝑃𝑜𝑡 ≤ 18,2 𝑘𝑊 (11.6.1.1)</p><p>em que C é o custo total da instalação em dólares ($) e Pot é a potência do sistema</p><p>fotovoltaico (kW). Este custo é distribuído em uma proporção aproximada: Painéis</p><p>solares (30% do total), calibração e balanceamento do sistema (20%), Mão-de-obra</p><p>(15%), impostos e autorizações (15%), manutenção e demais custos operacionais</p><p>(20%). Para o contexto Brasileiro, o custo de capital será de cerca de 30 a 40% mais</p><p>alto quando comparado ao americano (multiplicar o valor da equação 11.6.1 por 1,35</p><p>para obter-se uma estimativa para um coletor comprado no Brasil).</p><p>O custo de uma instalação térmica solar depende do tipo coletor utilizado, coletores</p><p>planos com tubulações de plástico são mais baratos e são aplicados no aquecimento de</p><p>piscinas, produção de água de banho, e aplicações cuja a temperatura não exceda os 60</p><p>oC. Coletores com de placa plana com tubulações de metal e sem vácuo atingem os 75</p><p>oC, coletores com vácuo podem atingir temperaturas mais altas. A partir de dados de</p><p>fabricantes e distribuidoras brasileiras e chinesas, foram levantadas as seguintes</p><p>correlações de custos entre os períodos de novembro e dezembro de 2019, entre acerca</p><p>de cinco fabricantes estabelecidos no mercado. Já foram considerados custos com</p><p>impostos e importação (não foi considerado o frete):</p><p>Coletor solar com tubos de plástico para aplicações domiciliares:</p><p>𝐶 = 170𝐴 + 6,2𝑁𝑡 + 6,4𝑉𝑟 𝑟2 = 0,9867 (11.6.1.2)</p><p>Coletor solar com tubos de meta com caixa e placa de absorção:</p><p>𝐶 = 210𝐴 + 8,2𝑁𝑡 + 8,4𝑉𝑟 𝑟2 = 0,9920 (11.6.1.3)</p><p>Coletor solar com tubos de metal sob vácuo:</p><p>𝐶 = 350𝐴 + 10,2𝑁𝑡 + 10,2𝑉𝑟 𝑟2 = 0,9835 (11.6.1.4)</p><p>em que A é a área de absorção solar do concentrador ou área projetada do equipamento</p><p>(m2), Nt é o número de tubos do concentrador e Vr é o volume do reservatório de fluido</p><p>térmico (litros).</p><p>11.6.2. Concentradores</p><p>Os custos de concentradores variam de forma muito significativa, de fabricante para</p><p>fabricante. Uma estimativa “otimista” é atribuir um custo de 1200 R$ por m2 de área de</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>231</p><p>espelho (absorção) do concentrador (os custos variam entre 800 e 1800 R$/m2), e</p><p>atribuir um custo adicional de 30% para os custos de instalação. Por exemplo, um</p><p>conjunto de cinco concentradores com 9 m2 cada teria um custo de:</p><p>𝐶𝐹𝐶 = 1200</p><p>𝑅$</p><p>𝑚2</p><p>5 . 9𝑚2 1,3 = 70200 𝑅$/𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑑𝑒 5 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠</p><p>Uma correlação da literatura para o custo fixo de uma bateria de concentradores (CFC)</p><p>de disco parabólico (em dólares, $) para aplicações de alta performance (vapor</p><p>superaquecido) pode ser aproximado pela equação abaixo:</p><p>𝐶𝐹𝐶 = 1,23 (1160 + 2355,2𝐴𝐶</p><p>1,2) 8,2 ≤ 𝐴𝑐 ≤ 104,8 𝑚2 (11.6.2.1)</p><p>em que 𝐴𝐶 é a área de espelho do concentrador (m2).</p><p>As correlações supracitadas devem ser utilizadas apenas para estimativas de custos de</p><p>ordem de grandeza (erros de cerca de 10 a 15%) [43].</p><p>11.7. Propriedades de fluidos térmicos para sistemas solares</p><p>O cálculo do coeficiente de transferência de calor (h) em um referido meio é feito por</p><p>meio da estimativa experimental do número de Nusselt (Nu),</p><p>𝑁𝑢 =</p><p>ℎ𝐿</p><p>𝜆𝑓</p><p>(11.7.1)</p><p>em que 𝜆𝑓 é a condutividade térmica do fluido e L é o comprimento característico da</p><p>respectiva geometria. Para um tubo cilíndrico, por exemplo, é o próprio diâmetro interno</p><p>da tubulação (D).</p><p>O adimensional de Nusselt é uma função dos números de Reynolds (Re) e Prandtl (Pr),</p><p>𝑃𝑟 =</p><p>𝑐𝑃𝜇</p><p>𝜆𝑓</p><p>(11.7.2)</p><p>em que calor específico (cp), da viscosidade (𝜇) e da condutividade térmica (𝜆𝑓) do fluido.</p><p>Uma série de correlações são apresentados na Tabela 11.1 incluindo-se fatores de</p><p>correção (K), aplicada a equação 11.7.3, para casos em que há grande fluxo térmico na</p><p>superfície dos tubos [132].</p><p>𝐾 =</p><p>𝑁𝑢</p><p>𝑁𝑢0</p><p>= (</p><p>𝜇</p><p>𝜇𝑤</p><p>)</p><p>𝑛</p><p>= 1 + (</p><p>𝐷</p><p>𝐿</p><p>)</p><p>2/3</p><p>𝑝𝑎𝑟𝑎</p><p>𝐿</p><p>𝐷</p><p>> 60 (11.7.3)</p><p>Alex Vazzoler</p><p>232</p><p>Tabela 11.1. Correlações para coeficientes de transferência de calor para vários fluidos [133].</p><p>Autor Correlação Faixa de validade</p><p>Correlações gerais</p><p>Dittus-Boelter 𝑁𝑢1 = 0,023𝑅𝑒0,8𝑃𝑟0,4 0,7 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 120</p><p>104 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 1,2. 105</p><p>𝐿/𝐷 > 60</p><p>Sieder-Tate</p><p>𝑁𝑢2 = 0,023𝑅𝑒0,8𝑃𝑟1/3 (</p><p>𝜇𝑏</p><p>𝜇𝑤</p><p>)</p><p>0,14</p><p>0,7 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 120</p><p>𝑅𝑒 ≥ 104</p><p>𝐿/𝐷 > 60</p><p>(tubos lisos)</p><p>Hausen 𝑁𝑢3 = 0,037(𝑅𝑒0,75 − 180)𝑃𝑟0,42 0,5 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 2000</p><p>104 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 5. 106</p><p>Pethukov (com o expoente n</p><p>retirado de Sleicher e Rouse)</p><p>𝑁𝑢0,4 =</p><p>𝑅𝑒𝑏𝑃𝑟𝑏</p><p>𝑓</p><p>2 [1 + (𝑑/𝐿)2/3]</p><p>1,07 + 12,7(𝑃𝑟𝑏</p><p>2/3 − 1)(𝑓/2)0,5</p><p>(</p><p>𝜇𝑏</p><p>𝜇𝑤</p><p>)</p><p>0,14</p><p>com</p><p>𝑓 = [1,58 𝑙𝑛𝑅𝑒𝑏 − 3,28]−2</p><p>Correção para líquidos</p><p>𝑁𝑢4 = 𝑁𝑢0,4 (</p><p>𝜇𝑏</p><p>𝜇𝑤</p><p>)</p><p>0,11</p><p>Correção para gases</p><p>𝑁𝑢4 = 𝑁𝑢0,4 (</p><p>𝑇𝑤</p><p>𝑇𝑏</p><p>)</p><p>𝑛</p><p>𝑐𝑜𝑚 𝑛 = − (𝑙𝑜𝑔</p><p>𝑇𝑤</p><p>𝑇𝑏</p><p>)</p><p>1</p><p>4</p><p>+ 0,3</p><p>0,5 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 2000</p><p>104 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 5. 106</p><p>Gnielinski (para escoamento</p><p>turbulento)</p><p>Com expoente n para</p><p>Sleicher e Rouse</p><p>𝑁𝑢5 =</p><p>(𝜉/8)(𝑅𝑒𝑏 − 1000)𝑃𝑟𝑏</p><p>1 + 12,7√(𝜉/8)(𝑃𝑟𝑏</p><p>2/3 − 1)</p><p>[1 + (𝑑/𝐿)2/3]𝐾</p><p>os demais corpos celestes, o Sol descreve movimentos de rotação e de</p><p>translação; a rotação ao redor de seu eixo tem um período de aproximadamente quatro</p><p>semanas (não é como a de um sólido rígido, cuja velocidade de rotação varia de acordo</p><p>com a latitude), além disso, realiza um movimento de translação em relação à própria</p><p>galáxia [16].</p><p>1.2. Radiação e constante solar</p><p>Apenas uma fração da energia emitida pelo Sol alcança a Terra. Realmente, dos</p><p>3,76.1014 TW que o Sol emite, 173.000 TW são interceptados pelo planeta. Mas este</p><p>valor supera largamente o consumo máximo existente em nível mundial [17].</p><p>Entende-se por constante solar a energia de origem solar que alcança por unidade de</p><p>área de superfície, e tempo, orientada perpendicularmente aos raios solares e situada</p><p>na borda exterior da atmosfera terrestre, de maneira que não existisse nenhum tipo de</p><p>obstáculo entre o Sol e a superfície que provocasse a atenuação dos raios solares.</p><p>Fala-se de constante solar porque caso se suponha que nosso planeta está situado à</p><p>distância média do Sol de uns 1.495 x 1011 m, este fato implicaria em um ângulo sólido</p><p>de 32o, com o qual poderia afirmar-se que a intensidade que chega à superfície exterior</p><p>da atmosfera é praticamente constante [16].</p><p>O valor médio admitido para a constante solar é de 1,354 kW/m2 com variações</p><p>estacionais aproximadas de 3,5% pela distinta posição do Sol com relação ao nosso</p><p>planeta (e devido à excentricidade da órbita terrestre) com diferenças de 1,5%</p><p>decorrentes das oscilações ou flutuações das manchas solares. Estas, são um fenômeno</p><p>cíclico relacionado à variação da atividade do sol, definidas como zonas de menor</p><p>temperatura, que aparecem sobre a superfície do sol, aproximadamente a 2000 K abaixo</p><p>do resto da superfície [8].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>18</p><p>Figura 1.1. Variação da constante solar [8].</p><p>Este processo cíclico de surgimento e desaparecimento das manchas solares tem uma</p><p>duração aproximada de 11 anos, ainda que sejam possíveis as ocorrências de ciclos de</p><p>maior ou menor duração. O desaparecimento quase total das manchas solares indica um</p><p>período de diminuição da atividade solar, que provoca quedas da temperatura média da</p><p>Terra de até 2,5 K [8].</p><p>A radiação solar recebida pela Terra do Sol varia, em parte, pelos movimentos que o</p><p>planeta realiza. Neste sentido, será levado em conta os movimentos de rotação e</p><p>translação que esta realiza: o primeiro, ao redor de seu eixo N-S, com um período de 24</p><p>horas (rotação) e, o segundo, ao redor do Sol, com um período de 365 dias e 6 horas</p><p>(translação), em uma órbita elíptica com uma excentricidade de 3%, denominada</p><p>eclíptica [18].</p><p>O eixo polar da Terra mantém durante a translação uma direção aproximadamente</p><p>constante, e forma um ângulo de 23,45º com o eixo eclíptico; esta inclinação do eixo de</p><p>rotação é responsável pelas estações do ano, ou seja, pelo distinto aquecimento dos</p><p>hemisférios.</p><p>1.3. Energia radiante, fótons e corpos negros</p><p>De toda a lista de formas convencionais de energia (mecânica, térmica, elétrica, etc.), a</p><p>radiante desempenha um papel importantíssimo na transmissão energética dentro do</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>19</p><p>contexto da energia solar. É uma experiência amplamente conhecida que, se</p><p>submetermos um corpo aos efeitos da radiação solar, este sofre um aquecimento. Do</p><p>mesmo modo, também é perceptível o aumento de temperatura em um termômetro, se</p><p>este for aproximado de uma lâmpada em incandescência. Caso prossiga-se com o</p><p>experimento, pode-se comprovar que o calor radiante sofre refração e difração. Isto é,</p><p>comporta-se de acordo com as leis do movimento ondulatório: portanto, admite-se que</p><p>a energia calorífica transmitida por radiação é transportada por meio de ondas</p><p>eletromagnéticas [18].</p><p>Apesar da cotidiana familiaridade com a energia radiante, a franja correspondente ao</p><p>espectro visível representa apenas uma pequena fração do amplo espectro de energia</p><p>radiante. Seu estudo, conhecimento e aplicações tecnológicas, foram desenvolvidos ao</p><p>longo dos últimos 150 anos.</p><p>A transferência de calor por radiação é a única que não requer um meio para sua</p><p>propagação, transmitindo-se no vácuo. A matéria sob temperatura distinta do zero</p><p>absoluto emite e absorve energia radiante, abrangendo um amplo intervalo que se</p><p>estende para ambos os lados da estreita faixa de radiação visível - compreendida entre</p><p>os 0,38 e os 0,78 μm, cuja potência e distribuição de frequências variam com a</p><p>temperatura da matéria [17].</p><p>Figura 1.2. Espectro da radiação eletromagnética [19].</p><p>O espectro da radiação eletromagnética, representado na figura 1.2, estende-se das</p><p>ondas longas de rádio de 104 m, até as radiações energéticas ionizantes de 10-14 m, que</p><p>contêm energias de várias centenas de milhões de elétron-Volts (eV). Cabe destacar que</p><p>Alex Vazzoler</p><p>20</p><p>a sensibilidade do olho humano somente está adaptada para captar a franja de radiação</p><p>solar visível, compreendida entre os 4500 e os 6500 ångström (1 Å = 10-10 m).</p><p>Esta teoria provocou uma das primeiras crises do antigo paradigma Newtoniano, ao ser</p><p>desenvolvida, na metade do século XIX. A Teoria Eletromagnética de J.C. Maxwell,</p><p>abarcava não somente o comportamento clássico dos campos elétricos e magnéticos,</p><p>mas também incorporava as manifestações luminosas.</p><p>Sem embargo, é a partir do desenvolvimento de alguns conceitos gerais da</p><p>termodinâmica estabelecidos por Kirchoff, verificou-se que a transmissão de calor por</p><p>radiação depende exclusivamente da temperatura absoluta T (K) do corpo. De forma</p><p>complementar, os cientistas Stefan e Boltzmann estabeleceram que a quantidade de</p><p>energia contida em uma unidade de volume (fluxo de potência radiante, q) cresce muito</p><p>rapidamente com a temperatura, adotando um valor equivalente à quarta potência</p><p>daquela, conforme a Equação 1.3.1 [19].</p><p>𝑞" =</p><p>𝑞</p><p>𝐴</p><p>= 𝜎𝜀𝑇4 (1.3.1)</p><p>em que, q” é o fluxo térmico (taxa) radiante, W/m2, q é o calor transferido (W), 𝜎 é a</p><p>constante de Stefan-Boltzmann (5,67 10–8 W/m2K4), A é a área da superfície de emissão</p><p>(m2), T é a temperatura absoluta da superfície (K) e 𝜀 é a emissividade, definida com a</p><p>razão entre a radiação (total) emitida por uma superfície real (q) e a radiação de corpo</p><p>negro à mesma temperatura (qb) [20]:</p><p>𝜀 =</p><p>𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑚 𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜</p><p>𝑅𝑎𝑑𝑖𝑎çã𝑜 𝑒𝑚𝑖𝑡𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑢𝑚 𝑐𝑜𝑟𝑝𝑜 𝑛𝑒𝑔𝑟𝑜 𝑛𝑎 𝑚𝑒𝑠𝑚𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑖çã𝑜</p><p>=</p><p>𝑞"</p><p>𝑞𝑏"</p><p>(1.3.2)</p><p>Um corpo negro é definido como um corpo ideal que pudesse absorver todas as radiações</p><p>que lhe chegassem, independentemente de seus comprimentos de ondas, dispondo de</p><p>um número infinito de níveis de energia permitidos. Todos os corpos a uma temperatura</p><p>superior a 0 K emitem energia em forma de radiação, a frequências e comprimentos de</p><p>onda determinadas, existindo um número infinito de radiações simples ordenadas em</p><p>função do comprimento de onda, denominadas em seu conjunto de espectro</p><p>eletromagnético.</p><p>Outra importante contribuição foi, realizada pelo físico M. Planck que, ao estudar as</p><p>interações entre a matéria e a radiação, descobriu a famosa "Teoria dos Quanta”.</p><p>Atualmente, tal forma de energia pode ser interpretada como uma prolongação dos</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>21</p><p>conceitos clássicos da energia cinética e potencial, isto é, como uma extensão dos</p><p>campos elétrico e magnético provocados pelas ondas [19].</p><p>A determinação de uma lei que expressasse a distribuição espectral da energia emitida</p><p>por um corpo negro ideal se apresentava como problemática, e embora se pudesse obter</p><p>uma fórmula de sua distribuição de Wien, subsistia uma função arbitrária promovendo</p><p>trocas de energia entre matéria e radiação. Neste</p><p>Com</p><p>𝜉 = [1,84 𝑙𝑜𝑔𝑅𝑒𝑏 − 1,64]−2</p><p>Correção para líquidos</p><p>𝑁𝑢4 = 𝑁𝑢0,4 (</p><p>𝜇𝑏</p><p>𝜇𝑤</p><p>)</p><p>0,11</p><p>Correção para gases</p><p>𝑁𝑢4 = 𝑁𝑢0,4 (</p><p>𝑇𝑤</p><p>𝑇𝑏</p><p>)</p><p>𝑛</p><p>𝑐𝑜𝑚 𝑛 = − (𝑙𝑜𝑔</p><p>𝑇𝑤</p><p>𝑇𝑏</p><p>)</p><p>1</p><p>4</p><p>+ 0,3</p><p>0,5 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 2000</p><p>104 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 5. 106</p><p>Correlações específicas para sais fundidos</p><p>Liu et al.</p><p>𝑁𝑢6 = 0,0242𝑅𝑒0,81𝑃𝑟1/3 (</p><p>𝜇𝑏</p><p>𝜇𝑤</p><p>)</p><p>0,14</p><p>12,7 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 14,7</p><p>1,7. 104 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 4,5. 104</p><p>Wu et al. Regime transitório</p><p>𝑁𝑢7,𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 = 0,00154𝑅𝑒1,1𝑃𝑟1/3</p><p>1,6 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 23,9</p><p>2,3. 103 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 104</p><p>Regime turbulento</p><p>𝑁𝑢7,𝑡𝑢𝑟𝑏 = 0,02948𝑅𝑒0,787𝑃𝑟1/3</p><p>1,6 ≤ 𝑃𝑟 ≤ 23,9</p><p>104 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 4,6.104</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>233</p><p>Tabela 11.1. Correlações para coeficientes de transferência de calor para vários fluidos</p><p>(continuação [133]).</p><p>Autor Correlação Faixa de validade</p><p>Correlações específicas para metais líquidos</p><p>Sódio (Na) líquido</p><p>Lyon-Martinelli</p><p>𝑁𝑢8 = 7,0 + 0,025 (</p><p>𝑃𝑒</p><p>𝑃𝑟𝑡</p><p>)</p><p>0,8</p><p>𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑒𝑐𝑙𝑒𝑡 𝑃𝑒 = 𝑅𝑒𝑃𝑟</p><p>𝑃𝑟𝑡 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑎𝑛𝑑𝑡𝑙 𝑒𝑚 𝑟𝑒𝑔𝑖𝑚𝑒 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜</p><p>𝑃𝑟 ≤ 0,1</p><p>104 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 106</p><p>Sleicher-Rouse 𝑁𝑢9</p><p>∗ = 6,3 + 0,0167𝑅𝑒𝑓𝑖𝑙𝑚</p><p>0,85𝑃𝑟𝑤</p><p>0,93</p><p>*Fluxo térmico constante</p><p>Hausen 𝑁𝑢10 = 𝐴 + 0,018𝑃𝑒0,8</p><p>Com</p><p>𝐴 = {</p><p>4,5 𝑃𝑒 ≤ 1000</p><p>5,4 − 9. 10−4𝑃𝑒 1000 ≤ 𝑃𝑒 ≤ 2000</p><p>3,6 𝑃𝑒 ≥ 2000</p><p>}</p><p>A condição de razão entre comprimento da tubulação (L) e diâmetro (D) ser maior do</p><p>que 60, refere-se ao escoamento plenamente desenvolvido. O Valor de Nusselt calculado</p><p>por meio das equações da Tabela 11.1, refere-se ao valor de Nusselt isotérmico (𝑁𝑢0) e</p><p>para considerar-se o efeito da variação de temperatura ao longo do comprimento da</p><p>tubulação, é necessário multiplicar-se 𝑁𝑢0 pelo fator K para obter-se o valor real</p><p>aproximado de Nusselt (Nu) conforme a equação 11.7.3. Este fator K pode ser</p><p>igualmente compreendido como a razão entre as viscosidades do fluido na temperatura</p><p>isotérmica (𝜇) e na temperatura de parede (𝜇𝑤). Em diversos trabalhos, o valor do</p><p>expoente n foi aproximado como 0,14 [134].</p><p>Nestas equações a temperatura de parede é considerada constante, e há um fluxo de</p><p>calor da parte externa da tubulação para a parte interna, considerado igualmente</p><p>constante.</p><p>As demais propriedades caloríficas de alguns fluidos térmicos são listadas na Tabela 11.2.</p><p>Tabela 11.2. Propriedades termofísicas dos fluidos térmicos (unidades em S.I) [133].</p><p>Equações para a propriedade Intervalo de validade</p><p>Therminol VP-1 [133]</p><p>𝑐𝑃 = 2,82𝑇 + 716</p><p>𝜆 = 1,73. 10−7𝑇2 + 7,62. 10−6𝑇 + 0,14</p><p>𝜌 = −7,61. 10−4𝑇2 − 2,24. 10−1𝑇 + 1191</p><p>𝜇 = (−2,3. 10−5𝑇3 + 5,61. 10−3𝑇2 − 19,89𝑇 + 1822)−1</p><p>285 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 673 𝐾</p><p>Alex Vazzoler</p><p>234</p><p>Tabela 11.2. Propriedades termofísicas dos fluidos térmicos (unidades S.I, continuação [133]).</p><p>Equações para a propriedade Intervalo de validade</p><p>Sais fundidos [135,136]</p><p>𝑐𝑃 = 1443 + 0,172(𝑇 − 273,15)</p><p>𝜆 = 0,443 + 1,9. 10−4(𝑇 − 273,15)</p><p>𝜌 = 2090 − 0,636(𝑇 − 273,15)</p><p>𝜇 = 2,2714. 10−2 − 1,2. 10−4(𝑇 − 273,15) + 2,281. 10−7(𝑇 − 273,15)2 − 1,474. 10−10(𝑇 − 273,15)3</p><p>533 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 873 𝐾</p><p>𝑐𝑃 = 1560</p><p>𝜆 = 0,411 + 4,36. 10−4(𝑇 − 273,15) − 1,54. 10−6(𝑇 − 273,15)2</p><p>𝜌 = 2084 − 0,74(𝑇 − 273,15)</p><p>𝜇 = 102,7374(𝑇 − 273,15)−2,104</p><p>415 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 808 𝐾</p><p>𝑐𝑃 = 1634 − 0,33𝑇</p><p>𝜆 = 0,519</p><p>𝜌 = 2240 − 0,827(𝑇 − 273,15)</p><p>𝜇 = 106,1374(𝑇 − 273,15)−3,36406</p><p>403 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 823 𝐾</p><p>Metais líquidos [137]</p><p>Sódio</p><p>𝑐𝑃 = 1658,2 − 0,8479𝑇 + 4,4541. 10−4𝑇2 − 2,9926. 106𝑇−2</p><p>𝜆 = 124,67 − 0,11381𝑇 + 5,5226. 10−5𝑇2 − 1,1842. 10−8𝑇3</p><p>𝜌 = 219 + 275,32 (1 −</p><p>𝑇</p><p>2503,7</p><p>) + 511,58 (1 −</p><p>𝑇</p><p>2503,7</p><p>)</p><p>0,5</p><p>𝑙𝑛𝜇 = −6,4406 − 0,3958𝑙𝑛𝑇 +</p><p>556,835</p><p>𝑇</p><p>371 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 1255 𝐾</p><p>Líquidos (em geral)</p><p>𝑐𝑃 = 159 − 2,72. 10−2𝑇 + 7,12. 10−6𝑇2</p><p>𝜆 = 3,61 − 1,517. 10−2𝑇 + 1,741. 10−6𝑇2</p><p>𝜌 = 11096 − 1,3236𝑇</p><p>𝜇 = 4,94. 10−4𝑒𝑥𝑝 (</p><p>754,14</p><p>𝑇</p><p>)</p><p>400 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 1500 𝐾</p><p>Gases [133]</p><p>Ar</p><p>𝑐𝑃 = 0,1805𝑇 + 950,1</p><p>𝜆 = 6,22. 10−3 + 7,14. 10−5𝑇 − 9,72. 10−9𝑇2</p><p>𝜌 = 3,483</p><p>𝑃</p><p>𝑇</p><p>𝜇 = 1,716 (</p><p>𝑇</p><p>273,15</p><p>)</p><p>1,54</p><p>(</p><p>383,55</p><p>𝑇 + 110,4</p><p>)</p><p>500 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 1500 𝐾</p><p>Ar</p><p>𝑐𝑃 = 0,1805𝑇 + 950,1</p><p>𝜆 = 6,22. 10−3 + 7,14. 10−5𝑇 − 9,72. 10−9𝑇2</p><p>𝜌 = 3,483</p><p>𝑃</p><p>𝑇</p><p>𝜇 = 1,716 (</p><p>𝑇</p><p>273,15</p><p>)</p><p>1,54</p><p>(</p><p>383,55</p><p>𝑇 + 110,4</p><p>)</p><p>500 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 1500 𝐾</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>235</p><p>Tabela 11.2. Propriedades termofísicas dos fluidos térmicos (unidades S.I, continuação [133]).</p><p>Equações para a propriedade Intervalo de validade</p><p>Gases [133]</p><p>Dióxido de carbono</p><p>𝑐𝑃 = 651 + 0,918𝑇 − 3,32. 10−4𝑇2</p><p>𝜆 = −0,011 + 9,74. 10−5𝑇 − 1,57. 10−8𝑇2</p><p>𝜌 = 5,2923</p><p>𝑃</p><p>𝑇</p><p>𝜇 = 5,94. 10−7 + 5,3. 10−8𝑇 − 1,23. 10−11𝑇2</p><p>650 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 1100 𝐾</p><p>Hélio</p><p>𝑐𝑃 = 5183 + 8,97. 10−3𝑇 − 2,58. 10−6𝑇2</p><p>𝜆 = 0,0708 + 3,33. 10−4𝑇 − 3,91. 10−8𝑇2</p><p>𝜌 = 0,24055</p><p>𝑃</p><p>𝑇</p><p>𝜇 = 8,64. 10−6 + 4,23. 10−8𝑇 − 4,7. 10−12𝑇2</p><p>500 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 1500 𝐾</p><p>Hidrogênio</p><p>𝑐𝑃 = 14994 − 1,72𝑇 + 1,72. 10−3𝑇2</p><p>𝜆 = 5,94. 10−2 + 4,32. 10−4𝑇 − 3,6. 10−8𝑇2</p><p>𝜌 = 0,24055</p><p>𝑃</p><p>𝑇</p><p>𝜇 = 3,69. 10−6 + 1,97. 10−8𝑇 − 3,08. 10−12𝑇2</p><p>500 𝐾 ≤ 𝑇 ≤ 1000 𝐾</p><p>Os fluidos térmicos listados na Tabela 10.2 consistem em líquidos, gases e metais</p><p>líquidos. Os primeiros fluidos a serem testados foram evidentemente a água e o ar, mas</p><p>ao longo dos últimos 60 anos diversos outros fluidos térmicos foram avaliados para cada</p><p>faixa de temperatura da respectiva aplicação.</p><p>A eficiência média anual de uma planta concentradora solar (torre) está atualmente em</p><p>torno de 16% e é principalmente limitada pela temperatura do fluido de trabalho. Ao</p><p>selecionar-se um fluido térmico para a transferência de calor é imperativo que este</p><p>reduza os custos com as aquisições do concentrador solar, do sistema de</p><p>armazenamento térmico e trocadores de calor [133]. Ao passo que permite serem</p><p>atingidas temperaturas suficientemente altas com altos coeficientes de transferência de</p><p>calor. Diversos fluidos térmicos foram testados ao longo dos últimos cinquenta anos,</p><p>alguns são listados abaixo [135]:</p><p>Líquidos para transferência de calor:</p><p>a) Óleos térmicos: Therminol VP-1, Dowtherm, etc.</p><p>b) Sais fundidos: Sal solar (60 wt% NaNO3, 40 wt% KNO3), HITEC (7 wt% NaNO3,</p><p>40 wt% NaNO2, 53 wt% KNO3), HITECXL (7 wt% NaNO3, 45 wt% KNO3, 48 wt%</p><p>Ca(NO3)2), etc.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>236</p><p>c) Metais líquidos: Sódio líquido (Na), Bismuto-chumbo eutético, LBE (44,5 wt% Pb</p><p>e 55,5 wt% Bi), etc.</p><p>Gases para transferência de calor:</p><p>a) Gases pressurizados: Ar, CO2, He, H2.</p><p>b) Fluidos supercríticos: s-CO2, s-H2O.</p><p>A distinção entre líquido, gás e fluidos bifásicos é necessária porque não há limite de</p><p>temperatura para gases e vapor pressurizados, ao contrário dos líquidos que podem</p><p>operar somente até a sua temperatura de ebulição ou de decomposição, no caso de</p><p>substâncias com problemas de estabilidade térmica. Na verdade, os óleos orgânicos</p><p>tendem a decompor-se a temperaturas em torno de 400 °C. Já Nitratos inorgânicos,</p><p>podem exceder a faixa de 530-600 °C, e solidificam-se entre 130 a 220 °C, conforme</p><p>sua composição [135].</p><p>Uma visão geral dos limites de temperatura de alguns fluidos térmicos empregados</p><p>em sistemas solares é resumido na Tabela 11.3. As partículas em suspensão de</p><p>carbeto de silício (SiC) estão inclusas, por comportarem-se similarmente a líquidos</p><p>[133].</p><p>Tabela 11.3. Faixa de temperatura operacional para diferentes fluidos térmicos [133].</p><p>Fluido de transferência de calor Intervalo de temperatura (℃)</p><p>Óleos térmicos 12-400</p><p>Therminol VP-1</p><p>Sais fundidos</p><p>Sal solar 260-600</p><p>HITEC 140-530</p><p>HITEC XL 130-550</p><p>Metais líquidos</p><p>Sódio 98-883</p><p>Bismuto-chumbo eutético, LBE 125-1670</p><p>Partículas em suspensão</p><p>Carbeto de silício 0 - 1800</p><p>Para os fluidos da Tabela 11.3 e utilizando-se as correlações para cálculo do número</p><p>de Nusselt da Tabela 11,1 e das propriedades da Tabela 11.2. Foram construídos os</p><p>gráficos das figuras 11.8 a 11.11. Estes gráficos</p><p>campo, foi decisiva a contribuição de</p><p>M. Planck, inicialmente adotou um conceito contínuo de absorção e de emissão, habitual</p><p>na época; sem dúvida, ao perceber que tal hipótese não conduzia a resultados aceitáveis,</p><p>adotou uma posição beligerante para com as teorias ondulatórias da luz de Fresnel e</p><p>Maxwell: a energia radiante não é emitida ou absorvida de forma contínua, mas em</p><p>quantidades discretas [19].</p><p>A equação que Planck estabeleceu, correlaciona as transferências energéticas da</p><p>radiação com sua frequência, conforme a Equação 1.3.3 [19]:</p><p>𝐸 = ℎ𝜐 (1.3.3)</p><p>A equação constitui uma das leis fundamentais da teoria quântica, e nos mostra como a</p><p>radiação apenas pode ceder energia à matéria de uma maneira descontínua, em forma</p><p>de pacotes discretos, múltiplos de uma quantidade definida, os famosos "quanta". A</p><p>suposição de que a radiação existe em forma de partículas discretas, denominadas</p><p>"fótons", cada um dos quais transporta uma quantidade fixa de energia, "os quanta",</p><p>nos permite estabelecer uma correta interpretação das interações entre radiação e</p><p>matéria [21].</p><p>O calor, a luz, os raios X, as radiações gama, etc., são diferentes manifestações da</p><p>energia radiante e podem ser expressas através de alguns parâmetros característicos</p><p>[20]:</p><p>i. A frequência (υ), definida como o número de ciclos por segundo, representando</p><p>uma função do tempo (s-1);</p><p>ii. O período t, que representa a duração de cada ciclo em segundos. Logicamente</p><p>seu valor será o inverso da frequência (s);</p><p>iii. O comprimento de onda 𝝀, que se expressa como a distância em metros que a</p><p>onda percorrerá durante um período da radiação (m).</p><p>Alex Vazzoler</p><p>22</p><p>A radiação solar recebida pela Terra em forma de constante solar, isto é, nas imediações</p><p>da atmosfera terrestre, é de tipo eletromagnético e se propaga a 300.000 km/s,</p><p>abrangendo um conjunto de comprimentos de onda, que vão desde a radiação de onda</p><p>longa da zona dos raios infravermelhos (IR) (𝝀 > 0,75μm), à radiação de onda curta da</p><p>zona dos raios ultravioletas (UV) (𝝀</p><p>bastante diferente do de um corpo negro à mesma temperatura.</p><p>Em uma situação intermediária, faz-se a aproximação a um corpo cinza, no qual adota-</p><p>se um valor médio de "e(𝝀)", para todas os comprimentos de onda, com a condição de</p><p>obter a mesma potência térmica total emitida que no caso real. Ao fazer a aproximação</p><p>do corpo negro, é suposta uma temperatura efetiva do Sol de 5762 K, um pouco inferior</p><p>à que existe realmente em sua superfície [17].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>26</p><p>1.5. Efeitos da atmosfera sobre a irradiação solar</p><p>Em sua passagem pela atmosfera, a radiação solar sofre diversos processos de</p><p>atenuação e de espargimento, como resultado de sua interação com os distintos</p><p>componentes atmosféricos: aerossóis, nuvens, moléculas de ozônio, dióxido de carbono,</p><p>oxigênio, água, etc. Os efeitos mais importantes de tal interação são [24]:</p><p>- A diminuição da energia radiante total disponível ao nível do solo, em relação à</p><p>disponível no limite superior da atmosfera;</p><p>- A modificação das características espectrais e distribuição espacial da radiação.</p><p>A absorção de radiação solar na atmosfera é ocasionada essencialmente pelo ozônio (O3)</p><p>e pelo vapor de água (H2O). No primeiro caso, a banda de absorção mais importante</p><p>está localizada no ultravioleta: praticamente, toda a radiação solar de comprimento de</p><p>onda inferior a 0,29 𝝀m é absorvida pelo ozônio localizado nas altas camadas da</p><p>atmosfera; a partir de 0,35 𝝀m, desaparece a absorção de radiação por tal gás, voltando</p><p>a aumentar nas proximidades de 0,6 𝝀m [17].</p><p>O vapor de água absorve, fundamentalmente, na zona infravermelha, tendo suas bandas</p><p>de absorção mais importantes em 1,0; 1,4 e 1,8 𝝀m. A partir de comprimentos de onda</p><p>de 2,3 𝝀m, a transmissão da radiação solar na atmosfera se torna praticamente nula,</p><p>devido à absorção por parte da água e dióxido de carbono [17].</p><p>O espalhamento ou dispersão (scattering) é outro dos efeitos anteriormente</p><p>mencionados, e se traduz em uma atenuação da radiação solar extraterrestre e sua</p><p>redistribuição em todas as direções do espaço sem mudanças significativas no</p><p>comprimento de onda. Em ordem de importância, os constituintes atmosféricos</p><p>responsáveis pelo fenômeno de espargimento são: o vapor de água, os aerossóis, e os</p><p>componentes moleculares. A contribuição ao fenômeno do scattering está em relação</p><p>direta ao tamanho do constituinte e de sua densidade [25].</p><p>Caso sejam considerados os fenômenos de reflexão e absorção que ocorrem com a</p><p>radiação solar incidente sobre a atmosfera terrestre, é obvio que somente uma parte da</p><p>energia pode ser aproveitada no nível da terra. Em geral, o espectro solar, ao atravessar</p><p>a atmosfera, se desloca para energias mais baixas. Por exemplo, dentro do espectro</p><p>visível toma mais importância a franja dos infravermelhos e se atenua a zona dos</p><p>ultravioletas. Este efeito torna-se mais evidente nas primeiras horas da manhã e nas</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>27</p><p>últimas da tarde, quando se pode observar uma cor mais avermelhada do Sol, já que</p><p>são os momentos do dia em que a radiação solar tem que atravessar uma maior</p><p>espessura de ar [25].</p><p>Em contrapartida, em um meio-dia sem nuvens, a cor branca do Sol corresponde ao</p><p>espectro de radiação calorífica a altas temperaturas, similar ao que chega às camadas</p><p>altas da atmosfera, o qual apresenta seu máximo centrado na zona visível (por isso se</p><p>obtém a cor branca).</p><p>Da radiação total incidente sobre a superfície da Terra (qt), se tem que uma parte da</p><p>radiação chega de forma direta (qd) e outra de forma difusa (qs) [14].</p><p>𝑞𝑡 = 𝑞𝑑 + 𝑞𝑠 (1.5.1)</p><p>A radiação direta é a recebida em nível da terra sem que os raios do sol tenham variado</p><p>de direção. A radiação difusa é aquela que sofre os processos de refração, reflexão e</p><p>absorção na atmosfera e, em especial, nos acúmulos de vapor de água (nuvens, neblina,</p><p>etc.).</p><p>Uma parte da radiação que chega à superfície da terra é refletida, sendo esta fração</p><p>conhecida como refletividade (r). Portanto, da radiação solar que chega à terra, os</p><p>captadores podem empregar três componentes: a direta, a difusa e a refletida [12].</p><p>𝑟 =</p><p>𝑞𝑟</p><p>𝑞𝑡</p><p>=</p><p>𝑞𝑟</p><p>𝑞𝑑 + 𝑞𝑠</p><p>(1.5.2)</p><p>A parte restante da radiação solar que incide sobre a atmosfera é refletida de novo para</p><p>o espaço (qr) ou absorvida pelas massas de nuvens (qa). Cabe destacar que a fração</p><p>absorvida, qa, pode chegar à superfície da terra de forma indireta (chuvas, radiação</p><p>calorífica das nuvens), mas em um nível de degradação energético não apto para</p><p>aproveitamento conforme a Equação 1.5.3 [12]:</p><p>𝑞𝑡 = 𝑞𝑟 + 𝑞𝑎 (1.5.3)</p><p>Finalmente, cabe mencionar que a energia solar total incidente em um dia completo pode</p><p>superar os 8 kWh/m2 em uma localidade situada a cerca de 40º de latitude, com uma</p><p>média anual sobre uma superfície horizontal de cerca de 4,5 kWh/m2.</p><p>Alex Vazzoler</p><p>28</p><p>1.6. Irradiação sobre uma superfície: absorção, reflexão e transmissão</p><p>A radiação solar, ao incidir primeiro sobre a atmosfera da Terra e, posteriormente, sobre</p><p>sua superfície, experimenta um conjunto de processos próprios da interação da radiação</p><p>com a matéria. Toda energia radiante que interage com um corpo, deve,</p><p>obrigatoriamente, provocar os seguintes fenômenos [26]:</p><p>i. Uma fração da energia recebida (q) é refletida (qr). Neste caso, o coeficiente de</p><p>reflexão do material será dado pela expressão:</p><p>𝑟 =</p><p>𝑞𝑟</p><p>𝑞</p><p>(1.6.1)</p><p>ii. Outra fração da energia (qt) pode atravessar o material, penetrabilidade (t), definida</p><p>por:</p><p>𝑡 =</p><p>𝑞𝑡</p><p>𝑞</p><p>(1.6.2)</p><p>iii. E, finalmente, uma determinada fração (qa) será absorvida (absorbância, 𝜗) pelo</p><p>próprio material. O coeficiente de absorção toma o valor:</p><p>𝜗 =</p><p>𝑞𝑎</p><p>𝑞</p><p>(1.6.3)</p><p>A partir das equações anteriores (1.10 a 1.12) é obtida a relação:</p><p>𝑞 = 𝑞𝑟 + 𝑞𝑡 + 𝑞𝑎 . : 𝑟 + 𝑡 + 𝜗 = 1 (1.6.4)</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>29</p><p>Noções de</p><p>astronomia e</p><p>posição solar</p><p>2</p><p>C</p><p>a</p><p>p</p><p>í</p><p>t</p><p>u</p><p>l</p><p>o</p><p>Alex Vazzoler</p><p>30</p><p>2. Noções de astronomia e posição solar</p><p>Serão abordados de forma bastante sucinta conceitos de astronomia e a influência da</p><p>posição do sol ao longo dos períodos do ano na emissão solar e consequentemente</p><p>aproveitamento de energia.</p><p>2.1. Principais parâmetros na posição relativa entre o sol e a terra</p><p>Desde sua origem até a chegada à Terra, o espectro solar sofrerá uma série de</p><p>atenuações como descrito no capítulo anterior. Devido à natureza emissiva do Sol, à</p><p>dispersão geométrica das ondas radiantes para chegar até o planeta e à sua</p><p>interação física com a atmosfera. Além destes efeitos, sujeitos à climatologia de cada</p><p>região e à estação do ano, a quantidade de energia solar captada em um determinado</p><p>momento da superfície da terra, depende de outros parâmetros astronômicos e da</p><p>própria orientação do captador (coletor)</p><p>[27]. As relações geométricas entre um</p><p>plano de qualquer orientação particular relativa à Terra em qualquer momento, e a</p><p>posição relativa do Sol com respeito a este plano, são descritos mediante a</p><p>combinação dos ângulos que serão definidos nos próximos itens [28].</p><p>2.1.1. Latitude</p><p>A latitude (Φ) é o ângulo formado pela vertical do ponto geográfico considerado da</p><p>superfície terrestre e pelo plano do equador. Seu intervalo de variação começa entre -</p><p>90º (latitude sul) e encerra-se em 90º (latitude norte).</p><p>Figura 2.1. Coordenadas de latitude [24].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>31</p><p>2.1.2. Declinação solar</p><p>A declinação solar (𝛿) é o ângulo formado pela linha Terra-Sol, ao meio-dia, e pelo plano</p><p>do equador. Sua variabilidade é de -23,45 a 23,45º. A declinação tem uma dependência</p><p>com o dia Juliano (ao primeiro dia de janeiro é atribuído o valor de D igual a 1, enquanto</p><p>que para o dia 31 de dezembro é 365.) Para estes dias é realizado o cálculo, obtido a</p><p>partir de tabelas astronômicas, ou de forma mais prática a partir da seguinte expressão [29]:</p><p>𝛿 = 23,45 𝑠𝑒𝑛 (360</p><p>284 + 𝐷</p><p>365</p><p>) (2.1.2.1)</p><p>em que D é o dia juliano.</p><p>Ainda que para efeitos práticos seja invariável, não se deve esquecer que a declinação</p><p>sofre variações cíclicas de períodos compreendidos entre 40.000 e 100.000 anos, que a</p><p>fazem oscilar entre os 22º e 24º, e acredita-se que sejam as causadoras das mudanças</p><p>climáticas observadas ao longo da história do nosso planeta [30].</p><p>Por exemplo, para o dia 17 de agosto de 2015 no hemisfério norte (D = 227 dias), a</p><p>declinação solar é estimada pela equação 2.1.2.1:</p><p>𝛿 = 23,45 𝑠𝑒𝑛 (360</p><p>284 + 𝐷</p><p>365</p><p>) = 23,45 𝑠𝑒𝑛 (360</p><p>284 + 227</p><p>365</p><p>) = 23,45. 𝑠𝑒𝑛 (144) = 13,78°</p><p>Figura 2.2. Declinação solar [30].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>32</p><p>2.1.3. Azimute e altura</p><p>É o ângulo formado pela projeção dos raios solares sobre o plano tangente à superfície</p><p>terrestre e seu sul geográfico, denominado meridiano do lugar. Portanto, o ângulo</p><p>azimutal (𝛾) tem valor igual a zero para uma superfície orientada perfeitamente ao sul,</p><p>90º para o leste e - 90º para o oeste, sendo sua variabilidade, de -180º a +180º (Figura</p><p>2.3) [30].</p><p>Figura 2.3. Coordenadas solares planas: altura e azimute [27].</p><p>A altura (H) é o ângulo formado pela radiação solar direta com o eixo sul do plano</p><p>tangente à Terra no ponto do observador.</p><p>A altura e o azimute constituem as coordenadas solares planas e permitem de forma</p><p>simples situar o Sol e descrever seu movimento ao longo do ano, tomando como</p><p>referência o ponto de observação da terra.</p><p>Quando se fala-se de captadores (sistemas de coleta solar, em geral), o azimute é</p><p>tomado como o ângulo formado pela projeção horizontal da linha perpendicular à</p><p>superfície captadora e pela linha que passa pelo captador e pelo sul geográfico, conforme</p><p>a Figura 2.4.</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>33</p><p>Figura 2.4. Azimute em captadores solares [27].</p><p>2.1.4. Inclinação</p><p>A inclinação (S) é o ângulo formado pelo plano da superfície captadora e pela horizontal</p><p>do ponto de referência [28].</p><p>Figura 2.5. Inclinação.</p><p>2.2. Tempo solar e ângulo horário</p><p>Outro efeito a ser considerado é a rotação da terra, expressa através do ângulo horário.</p><p>Este ângulo é o resultado da divisão do tempo solar verdadeiro (T.S.V.) em horas por</p><p>360º; desta forma, cada hora equivale a 15º [28].</p><p>Alex Vazzoler</p><p>34</p><p>Toma-se por convenção de 0º o meio-dia solar, ângulos das horas da manhã positivos e</p><p>das horas da tarde negativos. O tempo solar verdadeiro (T.S.V) é obtido a partir da</p><p>seguinte equação [17]:</p><p>𝑇. 𝑆. 𝑉 = (</p><p>𝐻𝑜𝑟á𝑟𝑖𝑜 𝑜𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙</p><p>𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙/𝑓𝑢𝑠𝑜</p><p>) − (</p><p>𝑎𝑣𝑎𝑛ç𝑜 𝑐𝑜𝑚 𝑟𝑒𝑙𝑎çã𝑜</p><p>𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟</p><p>) ± (</p><p>𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒</p><p>𝑑𝑜 𝑙𝑢𝑔𝑎𝑟</p><p>) ± (</p><p>𝐸𝑞𝑢𝑎çã𝑜</p><p>𝑑𝑜 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜</p><p>) (2.2.1)</p><p>A equação do tempo é o fator que corrige a hora solar devido às perturbações da órbita</p><p>terrestre e da velocidade de giro. Ao orbitar a terra ao redor do sol, sua velocidade muda</p><p>de acordo com a distância em relação a este. Quando aproxima-se do Sol, move-se mais</p><p>lentamente e quando afasta-se, o faz mais rapidamente. Esta diferença na velocidade</p><p>da terra é a causadora da divergência entre a hora solar real e a hora solar média, já</p><p>que um relógio normal mede o tempo uniformemente e não leva em conta a variação na</p><p>velocidade da terra.</p><p>Por exemplo, em Barcelona (longitude 2º leste) para avaliar-se o tempo solar verdadeiro</p><p>(T.S.V.) dia 15 de agosto de 1985, às 11 horas, são necessários os dados apresentados</p><p>na Tabela 2.1 [18].</p><p>Figura 2.6. Gráfico da equação do tempo [16].</p><p>A diferença horária entre o meio-dia e às 8h 47 min é de 3h 13 min, portanto, o ângulo</p><p>horário será (cada hora equivale a 15o):</p><p>𝑤 = (3ℎ + 13𝑚𝑖𝑛</p><p>1ℎ</p><p>60𝑚𝑖𝑛</p><p>)</p><p>15°</p><p>1ℎ</p><p>= 49,25°</p><p>Meses do ano</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>35</p><p>Tabela 2.1. Dados e cálculo do T.S.V [18].</p><p>2.3. Gráficos Solares</p><p>Os gráficos solares permitem representar a posição do Sol no arco celeste em qualquer</p><p>instante do ano para uma latitude determinada. O arco celeste é o hemisfério visível do</p><p>céu em todas as direções acima do horizonte. O quadriculado do gráfico solar (Figura</p><p>2.7) representa os ângulos verticais e horizontais dos pontos do arco celeste [17].</p><p>Figura 2.7. Arco celeste e representação da posição do Sol [19].</p><p>Tudo acontece como se o observador localizasse a altura e o azimute do Sol sobre um</p><p>hemisfério transparente colocado acima de si, e como se depois representasse esta visão</p><p>acima de um cilindro vertical (ainda que geometricamente isto não seja de todo possível)</p><p>[17].</p><p>Acima do quadriculado gráfico podem ser representadas as trajetórias solares para as</p><p>diferentes épocas do ano, e ao unir estas com as linhas das horas do dia, é obtido o</p><p>Conceito Tempo</p><p>Hora oficial 11h 0min 0s</p><p>Fuso horário -2h 0min 0s</p><p>+/- longitude 2º leste (4 min/grau) -0h 8min 0s</p><p>+/- equação do tempo (figura 2.6) -0h 5min 0s</p><p>T.S.V 8h 47min 0s</p><p>Alex Vazzoler</p><p>36</p><p>gráfico solar completo. As horas dos gráficos solares sempre correspondem ao tempo</p><p>solar verdadeiro (T.S.V.).</p><p>Figura 2.8. Gráfico solar (a 40º de latitude) [21].</p><p>Como a trajetória aparente do Sol muda de acordo com a localização sobre a terra, é</p><p>necessário um gráfico solar diferente conforme cada latitude (ver Figura 2.9).</p><p>Figura 2.9. Diagrama solar polar [27].</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>37</p><p>Uma variante do gráfico solar é o gráfico solar polar, que incorpora como nova variável</p><p>a declinação. Este tipo de representação permite converter de forma imediata</p><p>coordenadas de posicionamento solar. De azimute para declinação e ângulo horário, e</p><p>vice-versa.</p><p>Por outro lado, devido ao campo magnético do planeta, é necessário corrigir as variações</p><p>magnéticas da bússola (declinação magnética) para cada lugar, uns poucos graus para</p><p>o leste e para o oeste para obter o norte geográfico (diferente do norte magnético).</p><p>2.4. Cálculo do ângulo de incidência da radiação direta e da inclinação do</p><p>captador</p><p>O primeiro parâmetro a ser determinado em um captador (coletor) solar é a inclinação</p><p>requerida para obter a captação de um máximo de radiação solar direta [26].</p><p>O ângulo de incidência (𝜎) é formado pela radiação direta sobre a superfície captadora,</p><p>ou seja, a linha sol-captador e pela perpendicular ao captador. Por trigonometria, se</p><p>obtém que o ângulo de incidência é calculado segundo a equação 2.4.1 [1]:</p><p>Figura 2.10. Ângulo de incidência [26].</p><p>𝑐𝑜𝑠(𝜎) = 𝑠𝑒𝑛(𝛿)𝑠𝑒𝑛(𝛷)𝑐𝑜𝑠(𝑆) + 𝑠𝑒𝑛(𝛿)𝑐𝑜𝑠(𝛷)𝑠𝑒𝑛(𝑆)𝑐𝑜𝑠(𝛾) + 𝑐𝑜𝑠(𝛿)𝑐𝑜𝑠(𝛷)𝑐𝑜𝑠(𝑆)𝑐𝑜𝑠(𝜔)</p><p>+ 𝑐𝑜𝑠(𝛿)𝑠𝑒𝑛(𝑆)[𝑠𝑒𝑛(𝛷) cos(𝛾) cos(𝑤) + 𝑠𝑒𝑛(𝛾)𝑠𝑒𝑛(𝜔)] (2.4.1)</p><p>Tomando-se como referência o exemplo anterior, será calculada a radiação solar direta</p><p>e difusa incidente em um captador plano situado em Barcelona, que tem uma orientação</p><p>Alex Vazzoler</p><p>38</p><p>Azimute de 10º para o sudeste, uma inclinação de 30º e a radiação recebida é de 715</p><p>W/m2, no dia 15 de agosto de 1985 às 11 horas.</p><p>A declinação solar (𝛿) no 15 de agosto de 1985 foi calculada no exemplo de cálculo 1 em</p><p>13,78º [29].</p><p>O ângulo horário (𝜔) que corresponde às 11 horas do dia 15 de agosto de 1985, em</p><p>Barcelona, foi calculado no exemplo de cálculo 2 em 49,25º. Barcelona está situada a</p><p>uma latitude (Φ) de 41º. Assim, os ângulos para o desenvolvimento deste exemplo são:</p><p>Tabela 2.2. Dados para o cálculo da radiação solar direta e difusa incidente [29].</p><p>Substituindo-se os dados da Tabela 2.2 na equação 2.3:</p><p>𝑐𝑜𝑠(𝜎) = 𝑠𝑒𝑛(13,78°)𝑠𝑒𝑛(41°)𝑐𝑜𝑠(30°) + 𝑠𝑒𝑛(13,78°)𝑐𝑜𝑠(41°)𝑠𝑒𝑛(30°)𝑐𝑜𝑠(10°)</p><p>+ 𝑐𝑜𝑠(13,78°)𝑐𝑜𝑠(41°)𝑐𝑜𝑠(30°)𝑐𝑜𝑠(49,25°)</p><p>+ 𝑐𝑜𝑠(13,78°)𝑠𝑒𝑛(30°)[𝑠𝑒𝑛(41)𝑐𝑜𝑠(10)𝑐𝑜𝑠(49,25) + 𝑠𝑒𝑛(10)𝑠𝑒𝑛(49,25)]</p><p>𝑐𝑜𝑠(𝜎) = 0,77 . : 𝜎 = 39°</p><p>A radiação direta recebida (qd) será de 715 W/m2.0,77 = 547,9 W/m2</p><p>A radiação difusa recebida (qs) será de (715 – 547,9) W/m2 = 167,1 W/m2</p><p>Normalmente, os captadores são instalados de forma fixa e orientados para o sul (No</p><p>hemisfério superior, no hemisfério inferior é o contrário). Nestes casos, o azimute do</p><p>captador é zero.</p><p>O ângulo horário não é levado em consideração, já que a superfície coletora capta todas</p><p>as horas solares (o valor médio deste ângulo é nulo). Portanto, a fórmula do ângulo de</p><p>incidência é simplificada até a expressão [16]:</p><p>𝜎 = 𝛷 − 𝑆 − 𝛿 (2.4.2)</p><p>Diferentes ângulos Valores (o)</p><p>Declinação, 𝛿 13,78</p><p>Latitude, Φ 41</p><p>Azimute, 𝛾 10</p><p>Ângulo horário, 𝜔 49,25</p><p>Inclinação, S 30</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>39</p><p>em que 𝜎 é o ângulo de incidência, Φ é o ângulo de latitude, S é o ângulo de inclinação</p><p>do captador e 𝛿 é o ângulo de declinação solar.</p><p>A máxima radiação para um captador, fixado no ângulo horário e no azimute, é obtida</p><p>quando o ângulo de incidência é nulo (𝛿 = 0). Neste caso, a equação 2.4.2 será</p><p>simplificada para [16]:</p><p>𝑆 = 𝛷 − 𝛿 (2.4.3)</p><p>Portanto, a inclinação da superfície captadora é modificada segundo a variação da</p><p>altura solar ao meio-dia, ao longo do ano. No caso da instalação solar somente ser</p><p>utilizada alguns meses ao ano, pode-se colher a declinação média neste período de</p><p>tempo com o fim de fixar a inclinação.</p><p>Figura 2.11. Inclinação ideal dos coletores em função da época do ano e da latitude [16].</p><p>2.5. Distância mínima entre painéis e cálculo de sombras</p><p>A separação mínima entre as linhas de captadores é estabelecida de forma que, ao meio-</p><p>dia solar do dia mais desfavorável (altura solar mínima " 𝜑min") do período de utilização,</p><p>a sombra da aresta superior de uma fila deve ser projetada, como máximo, sobre a</p><p>aresta superior da fila seguinte. Em equipamentos de utilização em todo o ano ou no</p><p>Alex Vazzoler</p><p>40</p><p>inverno, o dia mais desfavorável corresponde a 21 de dezembro. Neste dia, a altura solar</p><p>mínima ao meio-dia solar possui um valor de [1]:</p><p>𝜑𝑚𝑖𝑛 = (90° − 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒) − 23° (𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑛𝑜) (2.5.1)</p><p>Para equipamentos de utilização no verão, os dias mais desfavoráveis podem ser 21 de</p><p>março ou de setembro. Nestes dias, a altura solar mínima ao meio dia solar será [1]:</p><p>𝜑𝑚𝑖𝑛 = (90° − 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒) (𝑉𝑒𝑟ã𝑜) (2.5.2)</p><p>Pode ser demonstrado que a distância mínima (DM) entre captadores resulta em:</p><p>𝐷𝑀 = 𝐿 [𝑐𝑜𝑠(𝑆) +</p><p>𝑠𝑒𝑛(𝑆)</p><p>𝑡𝑔(𝜑𝑚𝑖𝑛)</p><p>] (2.5.3)</p><p>em que S é a inclinação do captador e L seu comprimento.</p><p>Por exemplo, para captadores com uma distância mínima de dois metros de</p><p>comprimento, inclinados em 40º, situados em uma zona de 40º de latitude norte, e de</p><p>utilização no inverno. Os valores calculados pelas equações 2.6 e 2.8 serão:</p><p>𝐼𝑛𝑣𝑒𝑟𝑛𝑜: 𝜑𝑚𝑖𝑛 = (90° − 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒) − 23° = 90° − 40° − 23° = 27°</p><p>𝐷𝑀 = 𝐿 [𝑐𝑜𝑠(𝑆) +</p><p>𝑠𝑒𝑛(𝑆)</p><p>𝑡𝑔(𝜑𝑚𝑖𝑛)</p><p>] = 2𝑚 [𝑐𝑜𝑠(40°) +</p><p>𝑠𝑒𝑛(40°)</p><p>𝑡𝑔(27°)</p><p>] = 4,06 𝑚</p><p>Normalmente, no dia mais desfavorável do período de utilização, o equipamento não</p><p>deve ter mais de 5% da superfície útil de captadores coberta por sombras. Um</p><p>equipamento será inoperante quando 20% de sua superfície de captação estiver na</p><p>sombra.</p><p>A determinação das sombras projetadas sobre os captadores por parte de obstáculos</p><p>próximos é concretizada na prática observando-se o entorno a partir do ponto médio da</p><p>aresta inferior do captador, tomando como referência a linha norte-sul [12].</p><p>Um sistema mais preciso para avaliar as sombras produzidas ao longo do ano por</p><p>barreiras permanentes consiste na utilização de diagramas solares. A partir da projeção</p><p>dos contornos dos obstáculos afastados sobre o ponto de localização das placas, são</p><p>obtidos pares de ângulos que identificam as posições do Sol (em coordenadas planas),</p><p>nas quais este começaria a ser visto coberto. Representando estes pontos no diagrama</p><p>solar, são obtidas algumas regiões que representam as épocas do ano em que a zona de</p><p>estudo receberá sombra (Figura 2.12).</p><p>Fundamentos de sistemas solares térmicos</p><p>41</p><p>Figura 2.12. Determinação de sombras [12].</p><p>Aos parâmetros astronômicos definidos, há de acrescentar-se os fatores climáticos</p><p>locais, com o fim de poder estabelecer o potencial solar de uma zona. Este dado somente</p><p>pode ser conhecido através da experimentação e da medição direta.</p><p>Basicamente, há dois tipos de instrumentos para medir a radiação solar. Em primeiro</p><p>lugar, o pireliômetro é destinado à medição da radiação solar direta. Este aparelho,</p><p>devido ao movimento da terra com relação ao sol, deve seguir constantemente o astro-</p><p>rei. É destinado geralmente para estudos e investigações. Por outro lado, o piranômetro</p><p>ou actinômetro permite medir em um determinado plano a radiação global recebida em</p><p>um período de tempo (hora a hora, dia a dia, etc.).</p><p>Rotineiramente estes aparelhos estão conectados a um registro que apresenta a</p><p>distribuição da radiação solar ao longo dos intervalos de tempo desejados, e são</p><p>conectados a um integrador que nos proporciona a energia total captada [31].</p><p>Há outros instrumentos de medição recomendados para a obtenção da máxima</p><p>informação meteorológica da zona e da instalação solar: termômetros para as</p><p>temperaturas máximas e mínimas, anemômetro e cata-ventos para a velocidade e</p><p>direção do vento, respectivamente, e um higrômetro para a umidade relativa (Figura</p><p>2.13).</p><p>Alex Vazzoler</p><p>42</p><p>Figura 2.13. (a) Rastreador solar com sensor de radiação difusa (piranômetro); (b) Sensor de</p><p>radiação direta (pireliômetro) e (c) Rastreador solar com sensor de radiação difusa</p><p>(piranômetro) a esquerda e sensor de radiação direta (pireliômetro) ao centro.</p><p>A maneira mais confiável para estimar-se a energia que chega a uma instalação solar, e</p><p>a forma como chega a sua distribuição no tempo, consiste em consultar a radiação dada</p>