manual curso isst vulcano

MANUAL INSTALADORES DE SISTEMAS SOLARES TRMICOS

Manual para Instaladores

de

Sistemas Solares Trmicos

Manual Instalador de Sistemas Solares Trmicos

Bosch Termotecnologia, SA 2

INDCE

1. INTRODUO...................................................................................................................... 6

1.1. Portugal e a energia solar trmica................................................................................... 6

1.2. Enquadramento legal....................................................................................................... 8

2. CONCEITOS DE FSICA...................................................................................................... 9

2.1. Introduo........................................................................................................................ 9

2.2. Grandezas ....................................................................................................................... 9

2.3. Mecnica........................................................................................................................ 11

2.4. Hidrulica....................................................................................................................... 11

2.5. Termodinmica .............................................................................................................. 13

2.6. Electricidade .................................................................................................................. 16

3. CONCEITOS SOLARES .................................................................................................... 17

3.1. Radiao........................................................................................................................ 17

3.2. Movimento Terra-Sol ..................................................................................................... 19

3.3. Curvas de Penalizao.................................................................................................. 21

3.4. Determinao de Sombras............................................................................................ 23

4. TIPOS DE SISTEMAS SOLARES TRMICOS.................................................................. 28

4.1 Sistema Termossifo..................................................................................................... 28

4.2 Opes de Instalao ................................................................................................31

4.3 Sistema de Circulao Forada .................................................................................... 32

Ilustraes do sistema de circulao forada...........................................................................33

4.3.1 Sistemas Directos e Indirectos ..................................................................................34

4.3.2 Acumuladores ............................................................................................................35

4.3.3 Circulao Invertida ...................................................................................................38

4.3.4 Estratificao..............................................................................................................38

4.3.5 Estao Solar.............................................................................................................39

4.3.6 Vaso de expanso .....................................................................................................40

4.3.7 Controladores.............................................................................................................41

4.3.8 Ligaes Hidrulicas..................................................................................................45

5. FIXAO DOS COLECTORES ......................................................................................... 49

5.1 Circulao Natural Termossifo ................................................................................. 49

5.2 Circulao Forada........................................................................................................ 50

6. ESQUEMAS DE PRINCPIO .............................................................................................. 54

7. ARRANQUE DA INSTALAO......................................................................................... 56



8. MANUTENO DO SISTEMA SOLAR ............................................................................. 57

9. INTRODUO TECNOLOGIA DOS SISTEMAS SOLARES TRMICOS ..................... 59

10. PRINCIPIOS BSICOS PARA O APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR ............... 60

11. CONVERSO TRMICA DA ENERGIA SOLAR............................................................... 61

11.1. Constante Solar ............................................................................................................. 61

11.2. Corpo negro................................................................................................................... 61

11.3. Superfcie selectiva........................................................................................................ 61

11.4. Coeficientes de absortncia () e emitncia () ............................................................ 62 11.5. Corpo transparente e corpo opaco................................................................................ 62

11.6. Efeito de estufa.............................................................................................................. 63

12. COLECTORES SOLARES................................................................................................. 63

12.1. Tipos de colectores solares trmicos. ........................................................................... 63

12.2. Elementos constituintes de um colector plano.............................................................. 64

12.2.1. Cobertura transparente ................................................................................................. 65

12.2.2. Superfcie absorsora...................................................................................................... 66

12.2.3. Isolamento posterior ...................................................................................................... 69

12.2.4. Caixa.............................................................................................................................. 70

12.3. Estudo energtico.......................................................................................................... 70

12.3.1. Parmetros de performance.......................................................................................... 71

12.3.2. Potncia instantnea ..................................................................................................... 77

1.1.2 Caudal recomendado .................................................................................................... 78

12.4. Consideraes hidrulicas ............................................................................................ 79

12.4.1. Ligaes em srie.......................................................................................................... 79

12.4.2. Ligaes em paralelo..................................................................................................... 80

12.4.3. Ligaes em paralelo de canais .................................................................................... 80

12.4.4. Ligaes mistas ............................................................................................................. 81

12.4.4.1. Srie-paralelo ......................................................................................................... 82

12.4.4.2. Paralelo de canais-paralelo.................................................................................... 82

12.4.5. Consideraes sobre as ligaes ................................................................................. 83

12.5. Perda de carga no campo de colectores....................................................................... 84

13. ARMAZENAMENTO DE CALOR E APOIO....................................................................... 88

13.1. Estratificao ................................................................................................................. 88

13.2. Redes de distribuio de guas para consumo ............................................................ 89

13.3. Dimensionamento e critrios ......................................................................................... 91

13.3.1. Perfis de consumo......................................................................................................... 91



13.3.2. Temperaturas de utilizao ........................................................................................... 91

13.3.3. rea de colectores instalada ......................................................................................... 94

13.3.4. Dimensionamento segundo R.C.C.T.E. ........................................................................ 94

13.4. Isolamento trmico ...................................................................................................... 103

14. CIRCUITOS SOLARES.................................................................................................... 103

14.1. Tubagens e materiais .................................................................................................. 103

14.1.1. Dimensionamento........................................................................................................ 104

14.1.2. Capacidade interna das tubagens............................................................................... 108

14.1.3. Isolamento trmico ...................................................................................................... 109

14.1.4. Misturas anti-congelantes............................................................................................ 110

14.2. Bombas circuladoras ................................................................................................... 113

14.2.1. Grupos de bombagem................................................................................................. 114

14.3. Permutadores de calor ................................................................................................ 116

14.4. Dispositivos de segurana........................................................................................... 119

14.4.1. Vasos de expanso ..................................................................................................... 119

15. SEGURANA NO TRABALHO ....................................................................................... 122

15.1. Utilizao de produtos qumicos.................................................................................. 123

15.2. Extintores..................................................................................................................... 123

15.3. Acidentes de trabalho.................................................................................................. 125

15.4. Legislao aplicvel..................................................................................................... 126

15.5. reas de grande risco.................................................................................................. 128

15.6. Equipamentos de proteco individual EPI.............................................................. 130

15.7. Trabalhos em altura..................................................................................................... 135

15.8. Utilizao de escadas Medidas de preveno......................................................... 136

15.9. Andaimes..................................................................................................................... 137

16. CONCEITO DE PROJECTO SOLAR TRMICO ............................................................. 142

25.1. Definio de projecto................................................................................................... 142

16.2. Levantamento da informao...................................................................................... 142

16.3. Estrutura da memria descritiva de um projecto solar trmico................................... 145

16.4. Consideraes acerca do projecto.............................................................................. 146

16.5. Estimativa de produo anual de energia ................................................................... 147

16.6. Componentes de um sistema caractersticas tcnicas ............................................ 148

16.7. Viabilidade econmica................................................................................................. 149

16.8. Consideraes finais ................................................................................................... 152

16.9. Garantias ..................................................................................................................... 152

17. INTERPRETAO DE DESENHOS TCNICOS............................................................. 153



18. PLANEAMENTO E PREPARAO DO TRABALHO..................................................... 155

19. BIBLIOGRAFIA................................................................................................................ 157



1. INTRODUO

O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotvel na escala terrestre de tempo, tanto

como fonte de calor como de luz, hoje, sem sombra de dvidas, uma das alternativas

energticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milnio. Quando se fala

em energia, devemos lembrar que o Sol responsvel pela origem de praticamente todas as

outras fontes de energia, ou seja, as fontes de energia so, em ltima instncia, derivadas da

energia do Sol.

A radiao solar tambm induz a circulao atmosfrica em larga escala, causando os

ventos, outra fonte de energia renovvel. Petrleo, carvo e gs natural foram gerados a partir

de resduos de plantas e animais que, originalmente, tambm obtiveram a energia necessria

ao seu desenvolvimento, da radiao solar.

1.1. Portugal e a energia solar trmica O petrleo a principal fonte de energia importada por Portugal, (com uma dependncia de

87,2% em 2005). O consumo e a dependncia crescem de ano para ano, fazendo aumentar a

factura energtica deste nosso pequeno Pas.

Para alm dos reflexos econmicos desta situao, temos ainda de ter em conta que desta

forma, Portugal, em matria de emisses de gases com efeito de estufa (36,4 milhes de

toneladas de CO2 em 2005) tem tido uma m prestao. No entanto, podemos, devemos e

vamos a tempo de atenuar todos estes efeitos se apostarmos num recurso que Portugal possui

em abundncia: O Sol.

O Sol uma fonte de energia inesgotvel e o seu aproveitamento depende de vrios factores,

(ex.: radiao, perfis de consumo, horas solares, localizaes das instalaes, capacidade de

captao, inclinaes, orientaes, etc.), alguns dos quais podemos controlar, como a

orientao e inclinao dos colectores solares. O objectivo dimensionar uma instalao que

garanta a produo de energia em funo das necessidades, sem esquecer o sistema de apoio

de energia convencional como sistema de energia auxiliar.



Fig.1 Radiao solar na Pennsula Ibrica

As aplicaes da energia solar mais usuais so aquecimento de gua, o aquecimento

ambiente por baixa temperatura e o aquecimento de piscinas, podendo ser econmica e

vantajosa em muitas situaes. Podemos assim dizer que a viabilidade econmica de uma

aplicao solar ser to mais vantajosa conforme:

- A quantidade de energia fornecida pelo sol, atravs da radiao solar, no local onde

estiver instalado o sistema de converso.

- As caractersticas do prprio sistema que condicionam o rendimento da converso.

- O tipo de utilizao da gua e ar quente, devendo existir sempre uma preocupao com o

uso racional do consumo energtico

Saber qual a utilizao que se vai dar ao equipamento muito importante, situao que

muitas vezes descurada. Por exemplo, uma habitao que tenha um consumo espordico

(casa de frias) de gua quente sanitria no ir ter a mesma poupana energtica que um

sistema que usado durante todo o ano.

Portugal tem um ambicioso programa com o objectivo de at 2010 atingir a meta de 1 milho

de m2 de painis solares trmicos instalados.

Esto para isso previstas diversas medidas de promoo, de onde se destacam a,

certificao, incentivos financeiros entre outras no sentido de se atingir esse fim.



1.2. Enquadramento legal

A 4 de Abril de 2006 entraram em vigor dois Decretos de Lei (Decreto-Lei n79/2006 e

Decreto-Lei n80/2006), que tornaram obrigatria a utilizao de energia solar trmica em todas

as novas construes domsticas novas.

Cada instalao carece de projecto trmico para o aproveitamento de energia solar,

necessitando para isso de seguir as indicaes dos referidos diplomas.

A legislao em vigor assenta nos seguintes principais pressupostos:

- Obrigao de instalao de 1m2 de Colector (colector padro) por ocupante

independentemente do tipo de Colector, neste caso, o melhor colector permite uma melhor

classificao energtica.

Esta rea pode ser reduzida at ao mnimo de 50% da rea da cobertura disponvel.

- Perfil de consumo de 40 litros a 60 por pessoa

- No permitida apenas a pr-instalao de Sistemas Solares Trmicos para produo de

A.Q.S.

- O projecto: ter de prever Colectores Solares Certificados (Marca Certif ou SolarKeyMark).

- A execuo da obra ter de ser efectuada por instaladores certificados (Certificado de

Aptido Profissional).

- Fazer prova da existncia de um contrato de manuteno de 6 anos.

- Uso obrigatrio do programa de clculo solar Solterm.

- No so aceites:

Recuperadores de calor, bombas de calor, microgerao, painis termodinmicos

logo, os colectores solares s podero ser substitudos por outras fontes renovveis

que captem igual quantidade de energia numa base anual. Ex.: Geotermia, Painis

Fotovoltaicos, Elica



2. CONCEITOS DE FSICA

2.1. Introduo

Fsica a cincia que estuda os componentes fundamentais do universo, as foras que estes

exercem e os seus resultados. O termo Fsica deriva do grego que significa natureza.

A matemtica uma ferramenta importante para a compreenso e dimensionamento desses

mesmos fenmenos.

A Fsica est dividida em diversos campos que permitem o seu estudo de uma forma

separada, assim temos:

- A Mecnica;

- A Hidrulica;

- A Termodinmica;

- A Electricidade;

- A ptica.

2.2. Grandezas

Uma grandeza descreve, quantitativamente um conceito, pois exprime-o sob a forma de um

binrio nmero/unidade.

Todas as medies devem vir acompanhada de uma unidade que permita comparar a

grandeza fsica com uma determinada escala pr-definida.

Para se poder compreender as normas, os regulamentos, alguns certificados de materiais,

placas caractersticas e tantos outros documentos tcnicos, necessrio ter presente algumas

noes sobre os sistemas de unidades que so utilizados.

Portugal, como a maioria dos pases adoptou, o chamado Sistema Internacional de Medidas

e, neste mbito, existem as grandezas principais e fundamentais da tabela 1:



Grandeza Unidade Simbologia Definio

Tempo segundo s a durao de 9192631770 perodos de radiao correspondente

transio entre dois nveis hiperfinos do estado fundamental do

tomo de Csio 133

Massa quilograma kg a unidade de massa que igual massa do prottipo

internacional do quilograma

Espao metro m o comprimento do trajecto percorrido pela luz no vazio durante um

intervalo de tempo 1/299792458 do segundo

Quantidade

de matria mole mol

a quantidade de matria de um sistema contendo tantas unidades

elementares quantos tomos que existem em 0,012 kg de Carbono

12

Intensidade

Elctrica Ampere A

a intensidade de uma corrente constante que, mantida em dois

condutores paralelos, rectilneos, de comprimento infinito, de seco

circular desprezvel, e colocados distncia de 1 metro um do

outro, no vazio, produziria entre estes dois condutores uma fora

igual a 2x10-1N por metro de comprimento

Temperatura Kelvin K uma unidade de temperatura termodinmica, a fraco 1/273,16

da temperatura termodinmica do ponto triplo da gua

Tabela.1 Grandezas fsicas fundamentais

Existem outras grandezas importantes que derivam da combinao das grandezas principais

como as que se indicam na tabela 2:

Grandeza Unidades do SI

e derivadas Simbologia

Outras

unidades

utilizadas

Simbologia

Caudal mssico quilograma por

segundo kg/s ou kg.s-1

Caudal volmico metro cbico por

segundo m3/s ou m3.s-1

Frequncia Hertz Hz

Intensidade de

corrente elctrica Ampere A

Intervalo ou

variao de

temperatura

Kelvin

grau Celsius

K

C

Potncia Watt W quilocaloria por

minuto

kcal/min ou

kcal.min-1

Diferena de Volt V



potencial ou

tenso elctrica

Presso Pascal Pa

bar

milmetro de

coluna de gua

bar

mm c.a

Quantidade de

calor joule J

quilocaloria kcal

1 bar = 105 Pa 1 Pa = 0,00001 bar = 0,01 mbar = 0,1 mm c.a = 0,0000102 kgf/cm2

1 mbar = 102 Pa = 10 mm c.a

1 kW = 860 kcal/h = 14,33 kcal/min

Tabela.2 Grandezas fsicas derivadas

2.3. Mecnica

A Mecnica o ramo da Fsica que estuda as foras em movimento, as suas causas e

implicaes. Neste campo existem algumas grandezas que so importantes conhecer e que

so indicadas na tabela 3:

Grandeza Expresso

matemtica Unidade do SI Simbologia

Fora amF rr = Newton N

Peso gmP rr = Newton N

Trabalho eFW = rr Joule J

Potncia tWPr

= Watt W g = 9,8 m/s2

Tabela.3 Grandezas da mecnica

2.4. Hidrulica

o ramo da Fsica que estuda a mecnica dos fluidos.

Podemos definir as seguintes grandezas associadas a este ramo da Fsica:



Grandeza Expresso

matemtica Unidade do SI Simbologia Definio

Volume

especfico mVVe =

metro cbico por

quilograma m3/kg Ve, o volume por

unidade de massa

Massa

especfica Vm= quilograma por

metro cbico kg/m3 , a massa por unidade

de volume

Peso especfico VgmPe

= Newton por metro cbico

N/m3 Pe, o quociente entre o peso e o volume

Presso SFP = Pascal P

Presso que

transmitida por um lquido

com a mesma

intensidade em todas as

direces e que

suportada pelas paredes

e fundo de um recipiente

Densidade

-

d, a relao entre a

massa de um corpo e a

massa de igual volume

de gua a 4C.

Caudal SvQ = metro cbico por segundo

m3/s S Seco

V Velocidade de

circulao do fludo

Patmosfrica = 1013 mbar

Tabela.4 Grandezas da hidrulica

Se tivermos um tubo cuja seco no uniforme, sabemos que, o caudal que entra no tubo

igual ao que sai, logo:

2211 SvSv =

Temos assim a denominada equao de continuidade do fluxo.

Se o lquido estiver em repouso a sua presso designa-se por Presso Total (PT), passando

a ter as seguintes componentes quando o lquido est em movimento:

- Presso esttica (Pe): Presso exercida por um fludo nas paredes do tubo;

- Presso dinmica (Pd): Est relacionada com a massa especfica do lquido e a sua

velocidade;

V1

S1

S2

refernciavolmicamassasubstnciavolmicamassad

____=

V2



- Presso potncia (Pz): Termo associado energia potencial de posio.

Podemos reparar na imagem anterior que quando o fludo passa da seco S1 para a seco

S2, aumenta de velocidade e a presso dinmica mas reduz a sua presso esttica.

2.5. Termodinmica

A termodinmica o ramo da Fsica que estuda o calor e a sua propagao.

A temperatura um conceito muito til para conhecer, medir e comparar o estado trmico

dos corpos. Os termmetros so os instrumentos mais usados para medir temperatura.

Existem vrias escalas de valores para definir temperatura, a mais usada a centgrada, que

se baseia nas temperaturas de congelao da gua (0C) e de ebulio (100C) da gua

presso atmosfrica normal (1atm). No entanto existem outras unidades de temperatura:

- Fahrenheit unidade muito utilizada pelos pases anglo-saxnicos

F = C x 1,8 + 32

- A escala de temperatura absoluta (em graus Kelvin) igual escala centgrada acrescida

de um valor constante de 273,16C.

K = C + 273,16

Com o aquecimento os corpos tendem a dilatar. Essa dilatao depende do tipo de material

de que feito o corpo e proporcional variao da sua temperatura.

Para os slidos, as variaes de comprimento (L), superfcie (S) e volume (V) expressam-se,

respectivamente, de acordo com:

T= 11 TSS = 2 TVV = 3



Nos lquidos, a dilatao expressa-se por:

TVV =

Este conceito de dilatao dos lquidos muito importante uma vez que uma das

constantes existentes num circuito com lquido quente, como os que vamos abordar neste

mbito.

Denomina-se por caloria a quantidade de calor necessria para elevar de um grau

centgrado a temperatura de um grama de gua. A quantidade de calor absorvida por um corpo

ao passar de uma temperatura inicial ti a uma temperatura final tf dada pela expresso:

( )ifp ttCmQ =

Sendo Cp o calor especfico do corpo.

Sempre que um corpo altera o seu estado fsico entre slido, lquido e gasoso, dizemos que

houve uma mudana de estado.

Durante qualquer mudana de estado h uma absoro de calor sem elevar a temperatura

tendo a presso atmosfrica uma influncia sobre as temperaturas nas mudanas de fase. Por

exemplo, um grama de gelo necessita de 80 calorias para passar do estado slido para o

estado lquido e esse grama de gua necessita de 539 calorias para passar do estado lquido

para o estado de vapor.

Fig.2 Mudanas de estado da gua

Calor latente (80 kcal a 0C)

Calor sensvel (100 kcal) de 0C at 100C

Calor latente (539 kcal a 100C)



Calor latente Grandeza fsica que determina a quantidade de calor que uma unidade de

massa de determinada substncia deve receber para mudar de estado fsico.

Calor especfico Grandeza fsica que define a energia necessria para elevar 1C a

temperatura de determinada substncia sem haver mudana de fase.

Calor sensvel Grandeza fsica que determina a quantidade de calor que uma unidade de

massa de determinada substncia capaz de receber ou ceder sem mudar o seu estado fsico

Propagao de calor. A energia pode-se transmitir de trs formas distintas:

- Conduo: Tem de existir um contacto fsico entre dois corpos slidos a diferentes

temperaturas. O corpo com menor temperatura vai absorver a temperatura do corpo com

temperatura mais elevada at se atingir um equilbrio trmico.

Fig.3 Conduo de calor

- Conveco: Processo de transporte de massa caracterizado pelo movimento de um fludo

devido sua diferena de densidade, especialmente por meio de calor

Fig.4 Conveco de calor

T1 T2

T1 T2

S2

S1



- Radiao trmica: a radiao electromagntica emitida por um corpo em equilbrio

trmico causada pela variao de temperatura do mesmo. um mecanismo de transmisso de

energia entre dois corpos a temperaturas diferentes, como por exemplo, o Sol e a Terra. No

processo de radiao h transferncia de energia sem ser necessria a presena de um meio

material, pois as radiaes electromagnticas propagam-se no vazio

Fig.5 Radiao de calor

2.6. Electricidade

A electricidade um fenmeno fsico que tem origem nas cargas e na sua interaco.

Os corpos, no que respeita sua capacidade de conduo elctrica podem ser classificados

como condutores ou isolantes. Um corpo to melhor condutor, quanto maior for a sua

permeabilidade passagem de corrente elctrica.

A unidade de carga elctrica o coulomb e equivalente carga de 6,25 1018 electres.

A intensidade de corrente a carga que circula num corpo condutor por unidade de tempo

e tem a seguinte expresso:

tqI = (A)

Definimos a diferena de potencial entre dois pontos A e B de um condutor como sendo o

trabalho W realizado para deslocar uma carga q do ponto A para o ponto B e tem como

expresso:

qWVVV ABAB == (V)

T2



Chamamos de resistncia R de um condutor oposio que este oferece circulao da

corrente elctrica e a sua expresso :

IVR AB= ()

A potncia elctrica o produto entre a diferena de potencial e a intensidade de corrente

sendo a sua expresso:

2IRIVP AB == (W)

Designa-se por efeito de Joule a lei que expressa a relao entre a corrente elctrica que

percorre um determinado corpo, num intervalo de tempo e o calor que gerado. Este

aquecimento pode ser aproveitado mediante o uso de resistncias de aquecimento destinadas,

entre outros fins, para aquecer gua.

tRIQ = 2 (J)

3. CONCEITOS SOLARES

3.1. Radiao

O Sol a maior fonte de energia disponvel no planeta Terra. indispensvel para a vida no

planeta e uma energia limpa, logo amiga do ambiente.

O sol emite radiao electromagntica, sob a forma de ondas electromagnticas, compostas

essencialmente por:

- Infravermelho (46%);

- Visvel (47%);

- Ultravioleta (7%).



Fig.6 Radiao electromagntica

A energia fornecida pelo Sol durante um quarto de hora superior energia utilizada, a nvel

mundial, durante um ano. Tendo em conta que o Sol se encontra a 143 milhes de quilmetros

da Terra apenas uma pequena fraco da energia irradiada est disponvel superfcie da

Terra.

A energia irradiada para a atmosfera terrestre tem um valor mdio constante, chamada de

constante solar, relativamente a 1 m2 de superfcie, de 1367 W/m2. Esta constante est sujeita

a alteraes provocadas pelas variaes da actividade solar. Normalmente usa-se para valor

mdio anual de irradiao na superfcie terrestre entre os 800 1000 W/m2.

A radiao solar sobre uma superfcie, dentro da atmosfera terrestre, constituda por trs

componentes:

- Radiao directa: a radiao que vem directamente do Sol e chega a uma superfcie

sem obstculos a obstruir a sua passagem.

- Radiao difusa: Provm de todo o cu excepto do disco solar. Parte da radiao, ao

atravessar a atmosfera, reflectida pelos diversos componentes atmosfricos, como

nuvens, outra parte absorvida (O2, O3, H2O, ) e a que sobra difundida (atravs de

gotas de gua, p em suspenso, etc).



- Radiao reflectida ou indirecta: Radiao que proveniente da reflexo no solo e nos

objectos circundantes. A reflectividade do solo designa-se por albedo e depende apenas

da composio e cor do mesmo (tom mais claro ou escuro, superfcie com gua ou com

vegetao, etc. ).

Fig.7 Radiao na atmosfera

3.2. Movimento Terra-Sol

A Terra roda em torno de um eixo imaginrio que liga o Plo Norte ao Plo Sul, chamado de

eixo polar, descrevendo uma rbita elptica em torno do Sol. Este eixo quase perpendicular

ao plano da elptica formando um ngulo com a normal ao plano da rbita de 23 27. Ao fim de

24 horas d uma volta completa sobre si mesmo, o que d origem sucesso dos dias e das

noites.

Fig.8 Movimento Terra-Sol



A trajectria do movimento da Terra em torno do Sol aproximadamente circular, existindo

uma altura do ano em que a Terra est mais prxima do Sol. Esse dia o 4 de Janeiro.

Fig.9 Trajectria terrestre

Durante os equincios da Primavera e do Outono a durao dos dias igual das noites

uma vez que a declinao solar nula. nesses dias que podemos dizer que o Sol nasce a

Este e pe-se a Oeste.

Durante o solstcio de Vero a declinao solar de 23 27 e em que o perodo diurno

maior que o perodo nocturno, sendo o solstcio de Inverno o oposto, ou seja, a declinao

solar de -23 27 e o perodo diurno menor que o perodo nocturno.

Fig.10 Declinao solar



Podemos ento chamar declinao ao ngulo formado entre a direco da radiao e o

plano do equador.

3.3. Curvas de Penalizao

As curvas de penalizao so ferramentas grficas usadas em aplicaes solares para

detectar as penalizaes energticas que os colectores solares iro ter quando se interfere

com a inclinao dos mesmos.

Os colectores devem-se instalar de tal forma a que ao longo do perodo anual de utilizao

se aproveite a mxima radiao solar. No caso de Portugal, de uma forma geral, devem-se

orientar a Sul geogrfico 1), no coincidente com o sul magntico definido pela bssola. O

Norte geogrfico est cerca de 5 para a direita do Norte magntico.

1) Podemos determinar o Sul geogrfico atravs da direco de uma sombra projectada por

uma vara s 12 horas solares.

As curvas de penalizao devem ser usadas de forma adequada ao perodo de utilizao.

Quando se vai instalar um colector solar importante saber quais as opes que existem

para colocar o colector solar numa superfcie.

O compromisso entre a esttica da instalao e o aproveitamento mximo da radiao solar

algo importante de avaliar em cada situao.

claro que o ideal ser sempre obter as duas situaes, mas muitas vezes vemo-nos

confrontados com constrangimentos que nos obriga a optar por uma das duas situaes em

detrimento da segunda.

Em qualquer situao, as solues tero de ser explicadas ao utente de modo a ser ele a

optar por uma delas.

De uma forma sucinta, desvios at 25 relativamente ao azimute Sul no vo afectar

gravemente o rendimento e a energia trmica fornecida pelo equipamento.



Se o desvio for para Leste o perodo dirio de captao vai-se adiantar uma hora por cada

15 de desvio relativamente a um equipamento orientado a Sul geogrfico.

Se o desvio for, para Oeste, esse perodo de captao vai-se retardar na mesma proporo

que para Leste, mas com um ligeiro acrscimo de rendimento uma vez que vai funcionar mais

tempo durante as horas em que a temperatura do ambiente mais elevada.

A tabela 5 d indicaes das inclinaes que normalmente se aconselham dar aos colectores

solares, de acordo com a poca do ano e tipo de utilizao:

Utilizao ngulo

Todo o ano (AQS) Latitude do local

Inverno (AQS e aquecimento) Latitude do local + 10

Vero (Piscinas/hotelaria de temporada) Latitude do local 10

Tabela.5 ngulo de Inclinaes do colector solar

Pode-se no entanto calcular de uma forma mais rigorosa, o efeito da orientao, utilizando os

grficos seguintes que representam as penalizaes correspondentes colocao dos

colectores com diferentes inclinaes e azimutes.

Fig.11 Curvas de penalizao (Solstcios)

Se tivermos uma latitude diferente, por exemplo 35, necessrio mudar a escala da

inclinao subtraindo 5. Se a latitude for de 42 devem acrescentar-se 2.



Fig.12 Curvas de penalizao anual

Podemos reparar atravs das curvas de penalizao que pequenos desvios do

posicionamento no provocam grandes penalizaes na energia til fornecida pelo

equipamento solar. Logo, podemos adaptar o ngulo de inclinao do colector a uma superfcie

inclinada com um razovel compromisso entre a esttica e a resposta do sistema.

3.4. Determinao de Sombras

Com alguma frequncia necessrio colocar os colectores solares em zonas onde pode

haver influncia de sombras. Nesses casos ser conveniente conhecer as sombras que podem

afectar a resposta energtica dos colectores.

De forma a determinarmos quais as penalizaes que uma determinada sombra vai ter sobre

um colector usamos uma ferramenta muito til, as projeces estereogrficas.



Fig.13 Projeco estereogrfica

No dia mais desfavorvel do perodo de utilizao escolhido os colectores solares no devem

ter mais do que 30% da sua superfcie til de captao coberta por sombras, durante mais de

uma hora.

Na prtica, a determinao das sombras que so projectadas sobre os colectores por parte

dos obstculos observando desde o ponto mdio da aresta inferior do colector, tomando como

referncia a linha Norte Sul.

Fig.14 Espaamento entre colectores de forma a evitar o sombreamento (horizontal)

1 2



A distncia entre as linhas de colectores define-se de forma que s 12 horas solares do dia

mais desfavorvel (altura solar mnima do solstcio de Dezembro) a sombra da aresta superior

da fila da frente tem de se projectar, no mximo, sobre a aresta inferior da fila que fica

imediatamente atrs. Nos colectores projectados para ter uma utilizao anual (AQS), o dia

mais desfavorvel corresponde, em Portugal, a 21 de Dezembro. Neste dia, a altura mnima do

Sol (h0) s 12 horas tem o seguinte valor:

( ) 5,23__900 = localdoLatitudeh

Na figura 14 podemos ver que a distncia mnima d entre filas de colectores :

tantanh021ZZddd +=+=

+= costanh0

senLd

Durante o ms de Dezembro e na primeira metade de Janeiro, mesmo tendo respeitado os

distanciamentos entre filas ou obstculos podem produzir-se sombras no incio e fim do dia, o

que no grave para a resposta do sistema.

Se no existirem dificuldades com o espao existente, recomenda-se o aumento da distncia

anterior em 25%.

Se tivermos os colectores colocados sobre uma superfcie no horizontal, mas sim com uma

inclinao de ngulo , ento a distncia medida sobre a superfcie inclinada ser:

Fig.15 Espaamento entre colectores de forma a evitar o sombreamento (inclinado)



( )( ) ( )

++

= cos

tan'

0hsenLd

cos'dd =

Podemos adoptar como regra geral para instalaes em superfcies planas horizontais uma

distncia, para colectores com um comprimento de 2 metros, nunca inferior a 4,5 metros.

Como referido anteriormente, as projeces estereogrficas permitem determinar as zonas

de sombreamento ao longo de um ano a que um colector solar est sujeito. Na figura 16

podemos ver para uma latitude de 40 a trajectria solar durante os 365 dias do ano.

Fig.16 Projeco estereogrfica

Trajectria Solar



Vamos ver um exemplo de como se pode determinar o sombreamento de um colector solar

trmico instalado numa superfcie.

Fig.17 Exemplo de um obstculo

Fig.18 Exemplo da sombra que o obstculo faz sobre o colector

Podemos verificar que o obstculo representado no exemplo vai fazer uma sombra sobre o

colector durante o solstcio de Inverno durante as 12 horas e as 14 horas. Os restantes meses

do ano no sero afectados.

Latitude aproximada = 40 45 0

30



Na figura 19 podemos ver o mesmo exemplo com o apoio do programa de clculo Solterm 5

Fig.19 Exemplo da sombra com o apoio do software Solterm 5

Se quisermos usar outra latitude, por exemplo 37, devemos mudar a escala da inclinao e

somar 3. Se a latitude for de 45, ento teremos de subtrair 5.

4. TIPOS DE SISTEMAS SOLARES TRMICOS

Na rea do aquecimento, respectivamente na captao de calor proveniente da radiao

solar, temos dois sistemas possveis:

Circulao Natural (termossifo) Circulao Forada;

A opo de escolha entre estes dois tipos de sistemas solares trmicos, depender da carga

energtica que queiramos cobrir e do tipo de instalao que ser possvel executar.

4.1 Sistema Termossifo

O sistema de circulao natural, denominado de termossifo, aplicado a instalaes de

dimenses mais reduzidas, pois um sistema limitativo em termos de capacidade de



armazenamento de energia e de rea de campo solar. De qualquer forma, um sistema com

uma maior facilidade de instalao e no depende de meios mecnicos ou controlos

electrnicos para o seu perfeito funcionamento.

A radiao solar, ao incidir no colector, ir aumentar a temperatura do fludo solar que

percorre a tubagem do circuito primrio, que, com o aumento de temperatura diminui a sua

densidade, o que favorece o seu movimento, ou seja, a circulao faz-se por conveco

natural, o fludo quente tem uma densidade inferior e sobe do colector para o depsito e o

fludo mais frio desce e entra novamente no colector (ver figura 20). Este processo contnuo

desde que exista uma diferena de temperatura entre o acumulador e o colector, suficiente

para criar movimento do fluido.

Quando o fluido solar sobe e atinge o permutador do acumulador, transmite energia na forma

de calor, aquecendo a gua que se encontra no interior do mesmo. Quanto mais radiao

houver, maior ser o caudal de fludo e, se no houver radiao ou a temperatura no colector

no for superior do depsito, no haver circulao e, consequentemente, no ser aquecida

a gua do acumulador, havendo necessidade de prever um sistema de apoio.

Na seguinte figura est representado o princpio de funcionamento do sistema solar tipo termossifo:

Fig.20 Circuito hidrulico termossifo



Como j foi referido anteriormente, um sistema solar, independentemente do tipo de

instalao, tem obrigatoriamente de ter um acumulador, pois temos interesse em guardar toda

a energia da radiao solar que atinge o colector a cada momento.

Seguidamente esto representadas duas ilustraes do acumulador do sistema termossifo

Fig.21 Ligaes Hidrulicas ao acumulador

Fig.22 Constituio do acumulador

Entrada do fludo solar

Enchimento/Purga Ligao para a vlvula de Segurana

Sada A.Q.S Sada do fludo Solar

Entrada da gua da rede

nodo de Magnsio



Fig.23 Ligaes do colector ao acumulador

Para se aproveitar ao mximo a eficincia do sistema e, tal como representado na figura 23,

importante garantir que as ligaes do fluido solar no circuito primrio esto cruzadas, ou seja,

o circuito frio ligado na parte inferior do colector de um dos lados e a parte quente, sai do

colector na parte superior do lado oposto,

Das quatro ligaes disponveis (para flexibilizar a instalao, dependendo da sua

geometria), aquelas que no forem utilizadas tm de ser tamponadas, de modo a garantir a

estanquidade do sistema.

4.2 Opes de Instalao

Mediante as caractersticas das diversas instalaes necessrio escolher e adaptar as

solues existentes. possvel instalar este tipo de sistemas termossifo em telhados

inclinados e em telhados de cobertura plana. necessrio que um instalador antes de iniciar

os seus trabalhos, e como aprofundado no captulo V, d prioridade mxima ao planeamento

e estudo da instalao, pois os acessrios de montagem divergem dependendo do tipo de

telhado. Representamos seguidamente alguns exemplos dos dois tipos de instalao:



Fig.24 Telhado plano, acumulador de 150 ou 200 L Fig.25 Telhado plano, acumulador de 300 L

Fig.26 Telhado inclinado acumulador de 150 ou 200 L Fig.27 Telhado inclinado acumulador de 300 L

4.3 Sistema de Circulao Forada

Num sistema de circulao forada o transporte do fluido entre os colectores e o depsito

garantido por uma bomba.

Uma instalao forada, pelo facto de no ter o acumulador junto e acima do painel, permite

aquecer um maior volume de gua e, por isso, maior rea do campo de colectores



Este tipo de instalao, pelo facto de envolver mais componentes mais exigente que a de

circulao natural, pois envolve uma srie de clculos e dimensionamentos para que todo o

sistema funcione de forma eficiente.

Numa instalao de circulao forada atravs do dimensionamento da bomba de circulao,

o traado de tubagem, a altura manomtrica e as respectivas perdas de carga, podem ser

melhor ultrapassadas.

Neste tipo de instalao o acumulador poder ser instalado longe dos colectores, ou mesmo

dentro da habitao, uma vez que, por meios electrnicos possvel fazer um controlo

diferencial do funcionamento da bomba. Assim, quando existir uma diferena de temperatura

entre o lquido nos colectores e o da parte inferior do acumulador, o controlador ir transmitir

alimentao bomba que, por sua vez movimenta o fluido quente para dentro do acumulador,

transmitindo o calor do interior da serpentina do acumulador para a gua de consumo que se

encontra dentro do mesmo.

Sistemas de Circulao Forada so a soluo ideal para habitaes com espao interior

para o depsito, permitindo, igualmente, a possibilidade de ampliao futura da instalao.

Nos sistemas de circulao forada existem, acessrios de montagem para instalao em

telhados planos ou para telhados inclinados, e ainda, solues integradas no prprio telhado ou

instalao na fachada de uma habitao.

Ilustraes do sistema de circulao forada

Fig.28 Dois colectores em telhado plano Fig.29 2 colectores em telhado inclinado



Fig.30 Instalao na fachada com inclinao ajustvel

Fig.31 Instalao integrada no telhado

4.3.1 Sistemas Directos e Indirectos

A permuta de calor entre o circuito primrio e o secundrio pode realizar-se por transferncia

directa ou indirecta. No primeiro caso no existe separao hidrulica entre o circuito primrio e

o circuito secundrio, isto , a gua que aquecida nos colectores a que enviada

directamente para consumo. No segundo caso, existe um separador entre os dois circuitos

denominado permutador de calor. Dentro de um acumulador o permutador de calor pode ser,

por exemplo, a serpentina.

No sistema directo, o circuito mais simples e tem um rendimento trmico superior, mas

apresenta diversos inconvenientes que o tornam desaconselhvel, na maior parte dos casos:

Maior restrio a nvel da variedade de materiais a utilizar, dado que a gua que vai percorrer todo o circuito hidrulico a gua de consumo;

Risco de congelamento e consequente danificao do equipamento no caso de regies em que as temperaturas mnimas sejam muito baixas;

Risco elevado de corroso, devido a uma constante oxigenao no interior da instalao;

Risco elevado de incrustao de calcrio.



Todos estes inconvenientes fazem com que, actualmente, a maioria dos sistemas sejam

indirectos, apesar do preo que se paga a nvel do menor rendimento dos sistemas indirectos.

Fig.32 Instalao de um circuito directo

Fig.33 Instalao de um circuito indirecto

4.3.2 Acumuladores

Nos sistemas de acumulao existe alguma diversidade em termos de equipamentos:



o Acumuladores de uma serpentina; o Acumuladores de duas serpentinas; o Acumuladores de inrcia (sem permutador de calor interno)

Nos sistemas de acumulao devemos exigir as seguintes caractersticas:

Elevada capacidade calorfica; Reduzidas Perdas trmicas; Temperatura de utilizao adaptada necessidade energtica; Rpida resposta ao consumo; Fcil integrao no edifcio; Elevada fiabilidade.

Os acumuladores de maior capacidade so indicados para situaes de maior consumo

(grande habitaes, escolas, pequenas indstrias, edifcios pblicos, balnerios, instalaes

hoteleiras, etc.), com necessidade de abastecimento simultneo de gua quente em vrios

pontos de consumo.

Os acumuladores de pequena e mdia dimenso so mais indicados para apartamentos e

vivendas de mdia dimenso, permitindo conforto e economia, fornecendo simultaneamente e

de forma imediata, gua quente em vrios pontos de consumo.

Nas instalaes solares, a radiao solar no consegue fornecer em todas as situaes

energia suficiente para a globalidade das necessidades, logo existe a necessidade de agregar

instalao um aparelho de apoio convencional. Este apoio convencional poder estar

interligado com o depsito de duas formas distintas:

No caso do depsito de uma serpentina, teremos de fazer passar a gua sada do depsito, pelo aparelho de apoio, para que, se a energia solar no for capaz de aquecer

a gua at temperatura desejada, o aparelho de apoio entrar em funcionamento e

fornece a energia adicional.



Fig.34 Sistema de apoio solar a um Depsito de uma serpentina

No caso de um depsito de duas serpentinas, serpentina inferior e o aparelho de apoio segunda, sempre e s quando a energia solar no for suficiente. Nesta soluo, as

trocas energticas do-se todas dentro do acumulador.

Fig.35 Sistema de apoio solar a um Depsito de duas serpentinas



Fig.36 Sistema de apoio solar a um Depsito de Inrcia

4.3.3 Circulao Invertida

Durante o perodo nocturno, em que se regista uma diminuio de temperatura ambiente, o

sentido da circulao do lquido solar pode inverter-se, ou seja, a temperatura do colector

poder ficar inferior do depsito, o que far com que a baixa temperatura do colector arrefea

a gua do depsito. Para evitar este fenmeno importante garantir a instalao de uma

vlvula de reteno na ida do fludo solar quente ao depsito.

Fig.37 Exemplo de uma instalao com circulao invertida

4.3.4 Estratificao

Estratificao o fenmeno de separao em camadas ou estratos de qualquer formao

natural ou artificial que se encontrava em forma homognea. No caso dos acumuladores,



teremos toda a vantagem em conseguir aproveitar a estratificao para separar, dentro de um

acumulador, a gua quente da gua fria.

Os depsitos devero estar em posio vertical, para favorecer a estratificao da gua.

No caso de haver necessidade de um elevado consumo de gua, em vez de optar por um

depsito de grandes dimenses, por questes de espao e para facilitar a estratificao,

aconselhvel a utilizao de mais do que um acumulador. Na instalao de dois acumuladores

importante que da parte superior do primeiro depsito se extraia a gua para a base do

segundo acumulador, assegurando desta forma que a gua mais quente se encontra na parte

superior do segundo acumulador, local de onde se extrai a gua para o consumo sanitrio.

Fig.38 Exemplo de estratificao

4.3.5 Estao Solar

Numa instalao forada, tal como a designao o indica, necessitamos de um componente

que faa movimentar o fluido. Esse movimento criado pela estao solar que incorpora uma

bomba.

Este componente pressupe um pr-dimensionamento de acordo com a dimenso da

instalao, nomeadamente o campo de colectores e a rede de tubagens do circuito.



Fig.39 Componentes de uma estao solar

4.3.6 Vaso de expanso

O vaso de expanso um elemento que dever ser devidamente dimensionado e inserido

numa instalao solar com o propsito de absorver as dilataes do fluido, devido ao aumento

de temperatura dentro do circuito fechado.

O correcto dimensionamento da capacidade do vaso de expanso a garantia de que este

garantir a absoro do volume de expanso do fluido. Se no houver absoro, sempre que

houver excesso de volume, haver perda de lquido pela vlvula de segurana.

Na ligao entre o circuito e o vaso de expanso no se pode instalar nenhuma espcie de

vlvula, pois a tubagem deve estar totalmente livre para que com o aumento de presso o

fluido se possa deslocar sem nenhum constrangimento.



Fig.40 Vaso de expanso

O volume do vaso de expanso depende de:

Presso do sistema; rea de colectores; Volume de instalao; Temperatura de estagnao.

No interior do vaso de expanso existe uma membrana, (ver fig.38), que se desloca com o

aumento de presso do circuito. necessrio que o vaso de expanso receba uma pr-carga

para exercer resistncia ao fluido.

4.3.7 Controladores

Numa instalao forada muito vantajosa a instalao de controladores diferenciais,

responsveis por ligar a bomba do sistema de energia solar, sempre que a diferena de

temperatura ajustada entre o campo de colectores e o acumulador solar ultrapassada.

Existem vrios tipos de controladores, consoante a forma e o nmero de aplicaes que tem de

gerir.

4.3.7.1 Controladores para uma aplicao Os controladores que esto destinados para uma nica aplicao, gerem apenas a diferena

de temperaturas entre o campo de colectores e o acumulador solar e alimentam uma vlvula

de trs vias, que, consoante a temperatura das sondas, faz funcionar a bomba para um circuito

ou outro.



Fig.41 Controlador para uma aplicao com possibilidade de ligao de duas sondas de temperatura

Fig.42 Controlador para uma aplicao com possibilidade de ligao de trs sondas de temperatura

Em sistemas de energia solar de apoio de aquecimento, o controlador pode ser utilizado para

o aumento da temperatura de retorno. Este compara a temperatura do retorno do aquecimento

com a do termoacumulador intermdio. Conforme a temperatura do retorno, o caudal do

retorno do aquecimento conduzido atravs do termoacumulador intermdio ou directamente

de volta para a caldeira de aquecimento.



Fig.43 Exemplo de uma instalao solar com controlador diferencial e vlvula de trs vias

Se no se instalasse um controlador, a bomba estaria a trabalhar continuamente, fosse ou

no necessria a energia solar para aquecer a gua de consumo.

Fig.44 Exemplo de uma instalao solar com controlador diferencial

4.3.7.2 Controladores para vrias aplicaes

Numa instalao que tenha duas a trs aplicaes solares (p.ex. guas quentes sanitrias,

aquecimento por piso radiante e ainda uma piscina), j se torna necessrio a aplicao de um

controlador com maior capacidade.

1. Sonda de temperatura do acumulador

2. Vlvula de trs vias

3. Controlador diferencial

4. Sonda da temperatura no retorno do aquecim

1. Sonda de temperatura de

colector

2. Sonda de temperatura do

acumulador

3. Controlador diferencial

4. Vaso de expanso

5. Estao solar



Este tipo de controlador tem capacidade para oito entradas para sondas de temperatura e

cinco bornes de alimentao. O controlador faz a gesto de toda a instalao. Por exemplo, se

o sistema est a satisfazer as guas quentes sanitrias e atinge a temperatura desejada, o

controlador comanda a vlvula de trs vias, comutando para o acumulador do piso radiante.

Uma vez mais, por controlo de temperatura, quando o respectivo acumulador tiver atingido a

temperatura desejada, o controlador comuta a vlvula de trs vias para o permutador de calor

da piscina. Desta maneira conseguida uma ptima gesto energtica.

Fig.45 Controlador para 2 ou 3 aplicaes com possibilidade de ligao de oito sondas de temperatura



4.3.8 Ligaes Hidrulicas

No sistema forado, para garantir uma distribuio uniforme do caudal, conveniente que

todas as filas de colectores tenham o mesmo nmero de colectores, assegurando perdas de

carga iguais em todas elas, sem aumentar os custos com acessrios. Contudo nem sempre

isto possvel pois existem muitas variveis a influenciar, como a inclinao e rea disponvel

dos telhados.

Os painis devem ser ligados e balanceados entre si, para poder garantir o fluxo correcto do

lquido atravs de cada um deles.

Existem trs tipos de ligao entre colectores:

Ligao em srie; Ligao em paralelo; Ligao em paralelo de canais.

4.3.8.1 Ligao em Srie

A ligao de entrada a cada fila realizar-se- pelo tubo de ligao inferior do primeiro colector

e a sada pelo tubo de ligao superior do ltimo colector da linha.

Para determinar o nmero mximo de colectores que podem ser ligados em srie preciso ter

em considerao que, por um lado, a temperatura nos ltimos painis pode ser elevada e

provocar danos nos materiais ou formao de vapor no circuito e, por outro, h uma acentuada

queda do rendimento nos ltimos colectores com este tipo de ligao.



A experincia comprova que, passando a mesma quantidade de caudal entre eles, depois do

fluido no primeiro colector ter recebido o calor transmitido, passar para o outro colector com

uma temperatura acentuada. Seguindo este raciocnio, quando o fluido atinge o ltimo colector

j ter uma temperatura bastante elevada, da que a diferena de temperatura entre a entrada

do fluido e a sada ficar to reduzida que o rendimento desse colector ir ser inferior.

Fig.46 Esquema de uma instalao em srie

4.3.8.2 Ligao em paralelo de canais

A ligao em paralelos de canais tem a vantagem de necessitar de um menor comprimento

de tubagens. Este tipo de ligao tem a possibilidade de obter um rendimento superior

ligao em srie. Como podemos observar na fig 45, cada colector recebe o fluido solar

mesma temperatura e transmite o calor proveniente da radiao solar para o mesmo. Logo

seguindo este raciocnio, no existiro problemas de sobreaquecimento do ltimo colector.

Do ponto de vista funcional, devemos ter em conta, para o traado da bateria de colectores,

os seguintes factores:

A instalao dos colectores deve assegurar o mesmo percurso hidrulico para todos, de forma a obter perdas de carga e caudais similares em todos eles. Se assim no for, os

Vantagens:

Baixo custo Instalao simples Qualquer tipo de colector

Desvantagens:

Menor rendimento Maior perda de carga



saltos trmicos nos colectores (directamente dependentes do caudal), sero diferentes

uns dos outros, reduzindo o rendimento global da instalao.

O caudal especfico nos colectores, deve ser o caudal recomendado. Desta forma asseguramos um bom coeficiente de transmisso de calor entre o absorsor e o fludo.

O comprimento das tubagens deve ser o mais curto possvel, para minimizar as perdas de carga e de calor. As perdas de calor em tubagens e acessrios devem reduzir-se ao

mnimo, evitando zonas mal isoladas e pontes trmicas.

O desenho da bateria de colectores deve evitar a formao de bolsas de vapor ou de ar e permitir a montagem e desmontagem simples dos colectores

Fig.47 Instalao em paralelo de canais

4.3.8.3 Ligao em paralelo

Vantagens:

Baixo custo Instalao simples Maior rendimento Menor perda de carga

Desvantagens:

Dependente do tipo de colector



Fig.48 Instalao em paralelo

4.3.8.4 Exemplos de ligaes hidrulicas

Fig.49 Instalao com ligaes hidrulicas em paralelo de canais

Vantagens:

Maior rendimento Maior controlo de caudal Menor perda de carga Qualquer tipo de colector

Desvantagens:

Custo mais elevado Instalao mais

complexa



Fig.50 Instalao com alimentao em retorno invertido

5. FIXAO DOS COLECTORES

5.1 Circulao Natural Termossifo

Numa instalao de termossifo podemos ter fixaes para telhado inclinado ou para superfcie plana.

A ilustrao que representamos para uma instalao de dois colectores



Fig.51 Suportes para 2 colectores em telhado inclinado

Para telhado plano existe outro tipo de estrutura, onde os colectores ficaro fixos. Tal como j

foi referido, necessrio que os colectores tenham um ngulo de inclinao favorvel

recepo da radiao solar, por isso a estrutura para telhado plano ao ser montada, dever

considerar esse mesmo ngulo, como mostra figura 50:

Fig.52 Estrutura para superfcie plana

5.2 Circulao Forada

Na circulao forada em telhado inclinado, a estrutura um pouco diferente do sistema

termossifo, pois no sendo necessrio fixar o acumulador, tem apenas os perfis de encaixe

para os colectores, fig.51.



Fig.53 Estrutura para telhado inclinado

Tambm a fixao do sistema de circulao forada em telhado plano, mais simples, como

mostra a fig.52, por no ter acumulador integrado



Fig.54 Estrutura para superfcie plano

Dependendo da posio do suporte face a telha, teremos formas diferentes de o fixar:

Fig. 55 Fixao com trs furos placa ou a ripa na vertical

Se este suporte que vai agarrar tipo gancho telha estiver na posio apresentada teremos

apenas que aparafusar o brao do suporte telha



Fig. 56 Fixao directa telha

Para aplicar o sistema termossifo ou o sistema de circulao forada necessrio ter em

considerao os seguintes aspectos:

rea de captao o Nmero de pessoas o Orientao o Inclinao o rea disponvel

Acumulador o Nmero de pessoas o Quantidade de gua por elas consumida o Temperatura desejada

Determinao da rea total de colectores solares

o Capacidade do depsito de acumulao o Espao disponvel no telhado o Orientao do telhado o Inclinao do telhado o Necessidade energtica associada a cada tipo de utilizao, ex: a.q.s,

piscina



6. ESQUEMAS DE PRINCPIO

Fig.57 Instalao solar com depsito de uma serpentina e aparelho de apoio para guas instantneas

Fig.58 Instalao solar com trs aplicaes



Fig.59 Instalao solar colectiva s com depsito de inrcia

Fig.60 Instalao solar colectiva com depsitos individuais



Fig.61 Instalao solar colectiva apenas com depsitos individuais

7. ARRANQUE DA INSTALAO

Terminada a instalao, preciso efectuar o enchimento do circuito primrio. Durante o

enchimento importante retirar todo o ar e impurezas que se encontram no interior do circuito

primrio, para isso utiliza-se uma bomba elctrica e deixa-se que o aparelho trabalhe o tempo

suficiente at sair todo o ar do circuito. Durante o enchimento do circuito, devem manter-se os

purgadores todos abertos, a bomba externa de enchimento conectada na estao solar

descrita anteriormente, com duas vlvulas, uma de enchimento e outra de retorno do fluido

bomba.

necessrio comprovar que todas as vlvulas de seccionamento esto montadas na posio

correcta, que permite a passagem de fluido no sentido pretendido. No momento em que se

est a executar o enchimento, essencial tapar os colectores, pois se eles j estiverem a

receber radiao solar existe uma grande diferena de temperatura do fluido solar para a

superfcie absorsora e poder danificar o material ou criar a evaporao do prprio fluido.

Depois de se ter retirado todo o ar fecham-se os purgadores.



8. MANUTENO DO SISTEMA SOLAR

essencial realizar-se uma manuteno peridica a todos os componentes da instalao de

forma a garantir um funcionamento eficiente e duradouro.

Manuteno dos Colectores



Sistema de Acumulao

Permutador de Calor

Circuito Hidrulico



Sistema de Regulao

9. INTRODUO TECNOLOGIA DOS SISTEMAS SOLARES TRMICOS

O sol uma fonte de energia inesgotvel e para a aproveitar, necessrio projectar uma

instalao solar trmica eficiente. Cada instalao dever ser dimensionada em funo das

necessidades dos seus utilizadores. O principal objectivo proporcionar uma poupana de

energia convencional e contribuir para uma significativa reduo das emisses de CO2. No

entanto, importante salientar a necessidade de considerar um sistema de energia convencional

para apoio, j que o sistema de captao solar no ser autnomo durante todo o ano.

O critrio de dimensionamento de sistemas solares trmicos baseia-se nas necessidades

mdias anuais, ao contrrio do critrio de dimensionamento de sistemas convencionais, que

baseado nas necessidades de ponta. Portanto, a anlise de rentabilidade econmica, a

eficincia energtica e os benefcios ambientais dos equipamentos solares, baseiam-se na

poupana de energia convencional obtida ao longo de um ano.

Os sistemas podem ser compactos do tipo termossifo ou forados. No caso dos sistemas por

termossifo, devido s diferenas de densidade, o fludo trmico circula naturalmente entre o

colector solar e o permutador do depsito sem o auxilio de qualquer bomba de impulso. Os

sistemas forados requerem bombas circuladoras controladas por termstatos diferenciais que

colocam a bomba circuladora em funcionamento sempre que o diferencial de temperatura

existente entre os colectores solares e o depsito de acumulao seja positivo.

As principais aplicaes de energia solar trmica so:

- Sistemas de preparao de guas quentes sanitrias.

- Aquecimento da gua de piscinas.



- Apoio de aquecimento central (principalmente por piso radiante).

O aproveitamento da energia solar trmica para o aquecimento de guas quentes sanitrias

muito vantajoso, sendo obrigatrio nos edifcios abrangidos pelo R.C.C.T.E. (Regulamento das

Caractersticas de Comportamento Trmico dos Edifcios), sempre que haja uma exposio solar

adequada.

A quantidade de calor que um sistema solar trmico pode fornecer depende da radiao solar

mdia diria do local considerado (kWh/m), da superfcie (em m) de colectores solares trmicos

e da orientao dos colectores em relao ao sol. Finalmente, a percentagem de energia solar

captada que realmente transformada em calor, depende do desempenho (rendimento) dos

colectores solares.

O desempenho de um sistema solar trmico, pode ser determinado atravs da comparao

entre a radiao solar disponvel num perodo de tempo e o aumento de temperatura da gua no

interior do depsito ou tambm com recurso a programas informticos que simulam o

desempenho trmico das instalaes.

10. PRINCIPIOS BSICOS PARA O APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR

No projecto de uma instalao solar trmica, fundamental respeitar alguns princpios bsicos

para evitar problemas que possam ocorrer. Portanto, para que a captao de energia solar seja

eficiente, necessrio:

- Instalar o nmero suficiente de colectores solares para garantir a captao de energia

necessria.

- Assegurar a correcta orientao e inclinao das superfcies absorsoras.

- Garantir o correcto ajuste dos aparelhos de regulao e controlo (termstatos diferenciais,

centralinas, etc.).

- Efectuar a correcta regulao de caudal do fludo trmico, em funo da superfcie de

captao instalada.

- Definir a melhor forma de interligao com a energia de apoio, sendo que o funcionamento

destes deve estar limitado ao mnimo indispensvel, atravs da regulao eficaz dos mesmos.



11. CONVERSO TRMICA DA ENERGIA SOLAR

11.1. Constante Solar

O Sol emite uma energia equivalente a 1367W por cada

metro quadrado de atmosfera. Esse valor denominado de

constante solar.

Fig. 62 Constante Solar

Aps as perdas pela absoro e reflexo na atmosfera esse valor reduz-se para

aproximadamente um mximo de 1000 W/m na superfcie da terra.

11.2. Corpo negro

Colocando uma superfcie plana bem orientada radiao solar, ela absorver a energia

incidente e consequentemente a sua temperatura ir aumentar. medida que a temperatura

dessa superfcie aumenta, tambm aumentam as perdas por radiao, at que finalmente se

atinge um ponto de equilbrio trmico. O equilbrio ir ocorrer quando as perdas trmicas forem

iguais aos ganhos de energia.

O corpo negro um modelo ideal, no qual toda a radiao incidente absorvida,

independentemente do comprimento de onda e da direco da incidncia. Este corpo tem a

capacidade de absorver toda a radiao nele incidente mas tambm para uma dada temperatura

consegue emitir mais energia por radiao.

11.3. Superfcie selectiva

Uma Superfcie selectiva absorve a radiao incidente como um corpo negro, mas ao

contrrio deste, emite menos energia por radiao. Portanto possui um elevado coeficiente de

absortncia () e um baixo Coeficiente de emitncia ().



Fig. 63 Superfcies selectivas

11.4. Coeficientes de absortncia () e emitncia ()

Coeficiente de absortncia () a relao entre a quantidade de energia de radiao que um corpo absorve e a que absorveria um corpo negro submetido mesma radiao.

Coeficiente de emitncia () a relao entre a quantidade de energia radiada que um corpo emite a determinada temperatura e a que emitiria um corpo negro mesma temperatura.

11.5. Corpo transparente e corpo opaco

Um corpo transparente aquele que deixa passar a radiao electromagntica e um corpo

opaco aquele que no se deixa atravessar pela radiao.

A cobertura de um colector solar trmico deve apresentar estas as duas caractersticas:

1. Deve ser transparente para que a luz solar atravesse o vidro de fora para dentro, at

chegar superfcie absorsora.

2. A cobertura dever ser opaca, no permitindo portanto, a fuga de radiao para o exterior

fenmeno conhecido por efeito de estufa.

Estas duas caractersticas contribuem para garantir o aquecimento da superfcie absorsora.

A transmitncia um valor que define a transparncia de uma cobertura solar.



11.6. Efeito de estufa.

O aproveitamento da energia solar sob a forma de calor implica a existncia de um conhecido

fenmeno efeito de estufa.

O efeito de estufa consiste na reteno da radiao emitida pela superfcie de um objecto,

sem que esta se perca para o exterior. Esse objectivo consegue-se por intermdio de uma

cobertura adequada. Como consequncia disso, o calor fica retido, permitindo um aumento de

temperatura na superfcie do objecto.

Fig. 64 Efeito de estufa num colector solar.

12. COLECTORES SOLARES

Os colectores solares so os principais elementos de qualquer sistema de energia solar

trmica. Tm como objectivo captar a energia solar incidente e transmiti-la ao fluido que circula

no seu interior. Quanto ao tipo de colectores que formam o sistema de captao para a produo

de guas quentes sanitrias (e no s), podemos falar nos colectores planos com ou sem

cobertura ou nos colectores de tubos de vcuo. No caso dos colectores para piscinas, pode ser

aplicado qualquer um dos referidos, mas os colectores que no possuem cobertura, isolamento

e carcaa, normalmente so mais vantajosos.

12.1. Tipos de colectores solares trmicos.

Existem diversos tipos de colectores solares trmicos, adequados a diferentes utilizaes:



Tubos de

vcuo

CPC

Planos

com

cobertura

Planos

sem

cobertura

Tabela 6 - Tipos de colectores solares trmicos

12.2. Elementos constituintes de um colector plano

De uma forma simples, o colector solar plano formado por uma cobertura, uma superfcie

absorsora e uma caixa isolada para evitar as perdas de calor. Geralmente, a superfcie

absorsora soldada a uma serpentina de tubos, pelos quais circula um fluido trmico.



Fig. 65 Constituio de um colector solar plano

12.2.1. Cobertura transparente

A cobertura deve permitir a passagem de radiao solar para o interior do colector e impedir a

fuga de energia emitida pela superfcie quente para o exterior do colector. O objectivo provocar

o efeito de estufa e assegurar a estanquidade do sistema.

Fig. 66 Cobertura transparente

Para se conseguir uma boa eficincia, uma cobertura deve possuir as seguintes

caractersticas:

- Elevada transmitncia (transparncia) para poder captar cerca de 90% da radiao solar.

- Capacidade de restringir perdas por conveco do ar, aquecido pelo contacto com a superfcie

absorsora.

- Estanquidade gua e ao ar.



- Resistncia s condies climatricas (ventos, neves e geadas, granizos e choques trmicos).

- Segurana contra eventuais ferimentos, atravs de uma cobertura que se quebre em

pequenos fragmentos sem bordas afiadas nem em estilhaos afiados.

Os materiais mais utilizados so o vidro e alguns tipos de acrlicos. Com o objectivo de diminuir

as perdas por reflexo dos raios solares incidentes, podem ser aplicados tratamentos especiais

anti-reflexo sobre as superfcies exteriores. Tambm podem ser aplicados tratamentos nas

superfcies interiores, que permitem a passagem da radiao de pequeno comprimento de onda

(ultra-violeta) e retm as de maior comprimento, isto , maior frequncia (infravermelhos).

Fig. 17 Comprimentos de frequncia de onda

Existem coberturas de vidro duplo que permitem aumentar o efeito de estufa nos colectores e

por conseguinte, a temperatura do fludo na superfcie absorsora. No entanto, esses colectores

apresentam menores rendimentos pticos, j que a energia recebida tambm menor.

De um modo geral, os colectores solares de cobertura dupla so mais interessantes em zonas

de baixa temperatura ambiente e propcias a ventos fortes. No nosso pas, este tipo de cobertura

s faz sentido em zonas onde a intensidade de radiao maior (zonas de maior altitude).

12.2.2. Superfcie absorsora

A superfcie absorsora consiste basicamente numa superfcie em contacto com os canais por

onde circula o fludo. A sua funo receber a radiao solar e transform-la em calor para

ceder ao fludo.



Fig. 68 Superfcies absorsoras

A superfcie deve possuir um revestimento que lhe confira uma caracterstica similar de um

corpo negro, conseguindo portanto uma elevada absortncia (>90%).

Para que os rendimentos sejam elevados, recorrem-se a superfcies selectivas, que como j

foi mencionado, possuem a elevada capacidade de absorver como um corpo negro mas com

menores perdas por radiao, ou seja, com menores coeficientes de emitncia (5 a 15%).

Fig. 69 Superfcie no Selectiva versus Superfcie Selectiva

A construo das superfcies absorsoras varia consoante o tipo de revestimento e materiais

utilizados e a disposio hidrulica dos canais condutores de fludo.

Entre os diversos tipos de superfcies absorsoras que existem no mercado, destacamos os

seguintes:

- Tubos soldados placa metlica absorsora.

- Canais formados entre duas placas de cobre/alumnio unidas (colectores tipo Roll-Bond).



Fig. 70 Tipos de superfcies absorsoras.

As soldaduras entre os tubos de distribuio hidrulica e placas metlicas absorsoras, so

geralmente realizadas por ultra-sons. Neste caso, podemos falar de dois tipos de superfcies

absorsoras:

a) Grelha de tubos de cobre soldados por ultra-sons: Consiste numa grelha de tubos pelos

quais circula o fluido trmico.

Fig. 72 Absorsor em grelha de tubos

b) Dupla serpentina em cobre soldada por ultra-sons: Neste caso, o colector constitudo por

duas serpentinas, nas quais circula o fludo trmico. A grande vantagem que este sistema

oferece, que o fludo em circulao permanece mais tempo no interior do colector, aumentando

assim o rendimento.



Fig. 72 Absorsor em dupla serpentina

Relativamente aos revestimentos das superfcies absorsoras, podemos falar em trs tipos de

tratamento:

a) Tratamento Semi-Selectivo ou pintura solar: um tratamento baseado numa pintura

especial, resistente aos raios U.V., que oferecem uma boa relao preo/rendimento.

b) Tratamento Selectivo: Este tratamento confere superfcie um revestimento que consiste

numa lmina de Crmio negro, permitindo reduzir a percentagem de emisses e fazendo com

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