Modelação de sistemas de armazenamento de energia
térmica para aumentar a penetração de energias
renováveis na produção de electricidade
Manuel Ngola Cusseiala
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Júri
Presidente: Professor Doutor Mário Costa
Orientador: Professor Doutor Carlos Augusto Santos Silva
Vogal: Professora Doutora Tânia Sousa
Maio de 2013
In Memoriam
À minha querida MÃE, Delfina Mungongo.
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a DEUS Pai todo-poderoso por me ter dado uma mãe como tu
Sra. Delfina Mungongo (Que a sua alma descansa em paz), um pai como tu Sr. Fernando
Cusseiala e os meus queridos irmãos. Vocês são a razão da minha vida, sem vocês esse
trabalho não seria possível.
Agradeço o meu orientador Carlos Augusto Santos Silva, por me ter aceitado como
orientando e pelo apoio que me foi dado durante a realização deste trabalho.
Finalmente agradeço os meus amigos que directa ou indirectamente contribuíram para
a realização deste trabalho, pela amizade, carinho e apoio que me forneceram.
i
Resumo
Os sistemas solares térmico permitem o aquecimento de águas sanitárias através do
aproveitamento da energia proveniente do sol. Portugal tem condições excelentes para o
aproveitamento desta fonte de energia, pelo que a utilização de coletores solares para o
aquecimento de águas sanitárias permite uma diminuição dos custos energéticos e dos
impactes ambientais e a sua utilização tem vindo a crescer significativamente nos últimos anos.
Num contexto onde a optimização do sistema com vista à maximização da sua
eficiência técnica e económica, os sistemas solares térmicos podem ainda desempenhar um
papel adicional, ainda que indirecto, na integração de energias renováveis na geração de
energia eléctrica. Em geral, nos meses de inverno, os sistemas solares térmicos necessitam de
outra fonte de energia para apoiar o aquecimento de águas sanitárias, em geral gás ou
electricidade. No caso do apoio ser eléctrico, o sistema solar térmico pode então ser utilizado
como sistema de armazenamento indirecto, ao utilizar o apoio quando há produção em
excesso de energias renováveis na rede e assim evitar a sua utilização em períodos do dia
onde a utilização de energia para apoio seja menos interessante. A utilização do solar térmico
nesta vertente pode ser vantajosa em edifícios residenciais com geração de electricidade no
local e assim optimizar o consumo de energias para uma situação de “casas de balanço zero”.
Para utilizar os sistemas solares térmicos desta forma, é necessário ter um modelo de
funcionamento com uma resolução temporal pelo menos horária, quando em geral os modelos
disponíveis consideram resoluções temporais mensais (e.g. Solterm). Assim, esta tese
apresenta a modelação de um sistema solar térmico convencional para utilização no sector
residencial com resolução horária e compara os resultados do modelo com o software de
referência para Portugal, o Solterm. A tese apresenta ainda uma análise ao impacto do
consumo de electricidade no apoio para diferentes estações do ano e considerando diferentes
perfis de consumo de águas quentes sanitárias, demonstrando através do impacto nos custos
que a utilização de um modelo de resolução horária tem um impacto significativo na análise da
operação do sistema.
Palavras-Chave: Energias renováveis, Sistemas solar térmicos, Solterm, Modelo horário
ii
Abstract
Solar thermal systems produce hot water by harnessing energy from the sun. Portugal
has excellent conditions for the utilization of this energy source, so the use of solar collectors for
water heating has grown significantly in recent years as it uses can reduce significantly energy
costs and environmental impacts.
In a context where systems have to be optimized to maximize the economic and
technical efficiency, solar thermal systems can aid, albeit indirectly, in the integration of
renewables for electricity generation. In general, in the winter months, solar thermal systems
require the use of another energy source to support water heating, namely gas or electricity. In
the case the support is electric, solar thermal systems can then be used as an indirect storage
system, using the backup when there is excess of renewable electricity generation and thus
prevent its use during periods of the day when the use of backup power is less interesting. The
use of solar thermal in this way can be advantageous for example in residential buildings that
aim to be net zero energy buildings.
The use the solar thermal system as a storage system requires the use of a detailed
model with, at least, hourly resolution. However, the available models like Solterm consider in
general monthly temporal resolutions. Thus, this thesis presents a hourly model of a
conventional solar thermal system used in the residential sector and compares the modeling
results with Solterm, the reference software for Portugal. The thesis also presents an analysis of
the impact of electricity consumption for backup purposes for different seasons and considering
different consumption profiles of hot water, demonstrating through a cost analysis that the use
of a hourly resolution model has significant impacts on the system operation.
Key-Words: Renewables Energies, Solar Thermal Systems, Solterm, Hourly Model
iii
Índice
Agradecimentos ......................................................................................................................... i
Resumo..................................................................................................................................... ii
Abstract ................................................................................................................................... iii
Índice....................................................................................................................................... iv
Índice de Figuras ...................................................................................................................... vi
Índice de Tabelas ................................................................................................................... viii
Nomenclatura .......................................................................................................................... ix
Capítulo 1– INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 1
1.1 Motivação ....................................................................................................................... 1
1.2 Objectivo e Contribuições................................................................................................ 3
1.3 Abordagem bibliográfica ................................................................................................. 3
1.4 Estrutura da tese ............................................................................................................. 4
Capítulo 2 – SISTEMA SOLAR TÉRMICO...................................................................................... 5
2.1 Colector solar .................................................................................................................. 5
2.1.1 Colector simples ou sem cobertura ........................................................................... 5
2.1.2 Colector plano ou com cobertura.............................................................................. 7
2.1.3 Colector evacuado ou colector de tubo de calor ....................................................... 8
2.1.4 Colector Parabólico Composto (CPC ou Concentrador Solar) ..................................... 9
2.1.5 Colector Híbrido ..................................................................................................... 10
2.1.6 Selecção do colector ............................................................................................... 11
2.2 Tanque de armazenamento ........................................................................................... 11
2.2.1 Tanque de armazenamento de água potável .......................................................... 13
2.2.2 Tanque de armazenamento de regulação ............................................................... 14
2.2.3 Tanque de armazenamento combinado .................................................................. 14
2.2.4 Tanque de armazenamento estratificado ................................................................ 14
2.3 Circuito Hidráulico ......................................................................................................... 15
Capítulo 3 – MODELAÇÃO DE SISTEMAS SOLAR TÉRMICO ....................................................... 17
3.1 Princípios de transmissão de calor ................................................................................. 17
3.2 Desenvolvimento do Modelo......................................................................................... 19
3.2.1 Modelo do Absorsor ............................................................................................... 21
3.2.2 Modelo do sistema solar térmico ............................................................................ 25
3.2.3 Modelo Horário ...................................................................................................... 27
3.3 Implementação do Modelo ........................................................................................... 30
iv
3.4 Implementação do Modelo no Solterm ......................................................................... 32
Capítulo 4 – ANÁLISE DE RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................. 37
4.1 Definição dos perfis de consumo ................................................................................... 37
4.2 Validação do Modelo para uma resolução temporal mensal .......................................... 38
4.3 Resultados para o modelo de resolução horária ............................................................ 43
4.3.1 Inverno ................................................................................................................... 43
4.3.2 Primavera ............................................................................................................... 45
4.3.3 Verão...................................................................................................................... 46
4.3.4 Outono ................................................................................................................... 48
4.4 Comparação de resultados: Modelo horário vs mensal .................................................. 49
Capítulo 5 – CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS .................................................................. 51
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................... 53
Anexo A: Fundamentos sobre energia solar ............................................................................... i
Radiação Solar ...................................................................................................................... ii
Movimentos da Terra, Estações ........................................................................................... iv
Influência da orientação ....................................................................................................... ix
Anexo B: Informações complementares de sistemas solar térmicos ......................................... xi
Sistema passivo (Circulação natural ou Termosifão) ............................................................. xi
Sistema Ativo (Circulação forçada) ...................................................................................... xii
Sistema Direto e Indireto ................................................................................................... xiv
v
Índice de Figuras
Figura 1-Limite de stock energético. .......................................................................................... 1
Figura 2-Radiação Solar na região continental de Portugal. ....................................................... 2
Figura 3-Colector Simples.......................................................................................................... 6
Figura 4-Colector com cobertura ............................................................................................... 7
Figura 5-Coletor de tubo de vácuo. ........................................................................................... 8
Figura 6-Concentrador solar. ..................................................................................................... 9
Figura 7-Tipos de tanque de armazenamento. ........................................................................ 12
Figura 8-Tanque de armazenamento de água potável. ............................................................ 13
Figura 9-Tanque de armazenamento estratificado .................................................................. 15
Figura 10-Algoritmo de captação de energia solar ................................................................... 19
Figura 11-Algorítmo de processamento de dados.................................................................... 20
Figura 12-Balanço de energia ao absorsor. .............................................................................. 21
Figura 13-Variação do coeficiente de correcção com o Ângulo de incidência ........................... 23
Figura 14-Modelo de sistema solar térmico para AQS. ............................................................ 26
Figura 15-Trocas de calor: necessidades energéticas constantes em funcionamento diário ..... 27
Figura 16-Trocas de calor: necessidades energéticas no período de radiação solar .................. 28
Figura 17-Trocas de calor: necessidades energéticas no período noturno................................ 29
Figura 18-Modelo mensal ....................................................................................................... 30
Figura 19-Modelo Horário ....................................................................................................... 31
Figura 20-Ambiente de trabalho do programa Solterm e seleção de dados ............................. 33
Figura 21-Escolha das condições climáticas no programa Solterm ........................................... 33
Figura 22-Escolha de perfil de consumo .................................................................................. 34
Figura 23-Análise de resultados .............................................................................................. 34
Figura 24-Perfil de Consumo ................................................................................................... 37
Figura 25-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 160 l ..................................... 40
Figura 26-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 120 l ..................................... 41
Figura 27-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 200 l ..................................... 42
Figura 28-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil1) .................................................. 43
Figura 29-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil2) .................................................. 43
Figura 30-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil3) .................................................. 44
Figura 31-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil1) .............................................. 45
Figura 32-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil2) .............................................. 45
Figura 33-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil3) .............................................. 46
Figura 34-Disponibilidade energética dia de verão (perfil1) ..................................................... 46
Figura 35-Disponibilidade energética dia de verão (perfil2) ..................................................... 47
Figura 36-Disponibilidade energética dia de verão (perfil3) ..................................................... 47
Figura 37-Disponibilidade energética dia de outono (perfil1) .................................................. 48
Figura 38-Disponibilidade energética dia de outono (perfil2) .................................................. 48
Figura 39-Disponibilidade energética dia de outono (perfil3) .................................................. 49
vi
Figura 40-Raios solar consequente da fusão nuclear no centro do sol ........................................ i
Figura 41-Radiação solar. .......................................................................................................... ii
Figura 42-Espectro da radiação solar. ....................................................................................... iii
Figura 43-Irradiação solar global e os seus componentes para diferentes condições do céu. .... iv
Figura 44-Plano da eclíptica. ..................................................................................................... v
Figura 45-Estações do ano a nível mundial. ............................................................................... v
Figura 46-Coordenadas Horizontais.......................................................................................... vi
Figura 47-Coordenadas Geográficas ......................................................................................... vi
Figura 48-Variação da altura do Sol com a latitude. ................................................................. vii
Figura 49- Características dos solstícios e equinócios ............................................................. viii
Figura 50-Descrição dos ângulos para a tecnologia solar. ......................................................... ix
Figura 51-Circuito termosifão. ................................................................................................. xii
Figura 52-Circulação forçada. ................................................................................................. xiii
Figura 53-Sistema direto e Indireto. ....................................................................................... xiv
vii
Índice de Tabelas
Tabela 1-Material e Tipos de tanque de armazenamento. ....................................................... 13
Tabela 2-Dados de entrada. Lisboa.......................................................................................... 38
Tabela 3-Resultados Solterm vs Modelo .................................................................................. 39
Tabela 4-Resultados referentes aos casos analisados .............................................................. 42
Tabela 5-Comparação de resultados ....................................................................................... 49
Tabela 6-Avaliação de custos .................................................................................................. 50
Tabela 7-Ângulos utilizados em tecnologia solar. ..................................................................... ix
viii
Nomenclatura
ix
x
Símbolos Gregos
xi
Capítulo 1– INTRODUÇÃO
1.1 Motivação
O aumento das taxas de exploração dos combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás
natural e urânio) tem sido cada vez maior. Estas fontes de energia, que têm reservas finitas à
nossa escala de tempo, acabarão por se esgotar e inevitavelmente este processo deixar-nos-á
num beco sem saída relativamente à utilização de energia.
Por outro lado o sol, que possui ainda cerca de 5 bilhões de anos de vida, disponibiliza
uma quantidade de energia muito superior à energia que é actualmente consumida no mundo
por unidade de tempo. Assim, e tendo por base o limite de stock disponível por unidade de
tempo (figura 1), podemos observar que a energia disponível no sol, que corresponde a um
valor aproximado de 1,5 x1018 kWh /ano, é muito superior à soma de todas as reservas de
combustíveis fósseis. (GreenPro, 2004)
Figura 1-Limite de stock energético.
Fonte (adaptado): Cubo de energia. www.greenpro.de
Para além disso, a utilização crescente de recursos energéticos de origem fóssil
apresenta impactes ambientais e induz alterações no clima, provocando mudanças e prejuízos
irreversíveis que aumentam com o aumento da utilização dos tais recursos. A solução para se
lidar com este problema encontra-se no aumento da eficiência energética, na racionalização da
utilização da energia e na utilização de fontes de energia renováveis: sol, vento, água e
biomassa.
Para o caso da energia solar, considerando radiação solar média, Portugal Continental
tem condições muito favoráveis para a exploração de energia solar como fonte de energia
renovável, pois a radiação média incidente por metro quadrado tem um valor de 1700 kWh/ano.
1
Figura 2-Radiação Solar na região continental de Portugal.
(Fonte: http://www.grausolar.com, 2012)
Tradicionalmente, os edifícios nos Estados Unidos da América (EUA) e na União
Europeia (UE), consomem 40% do total de energia primária, sendo que desta a maior parte é
proveniente dos combustíveis fósseis, o que torna os edifícios um dos principais contribuidores
para os gases de efeito de estufa (U.S. Department of Energy, 2012).
Uma das estratégias que está a ser analisada para minimizar este efeito é o
desenvolvimento de “edifícios de balanço zero”- Net-zero energy building (NZEB) ou
simplesmente net zero energy (ZNE) -que é um termo que designa edifícios em que o balanço
entre a energia consumida e a energia produzida é nulo e que consequentemente tem impacte
nulo nas emissões de dióxido de carbono por ano (U.S. Department of Energy, 2012).
Tipicamente, a energia é produzida no próprio edifício através de fontes de energias
renováveis, incluindo a energia solar térmica, energia fotovoltaica e a energia eólica. Deste
modo, a procura de energia é igual à geração de energia. Estes edifícios são ainda muito raros,
dada a dificuldade em concretizar o objectivo, mesmo nos países desenvolvidos, mas
continuam ganhando muita importância e popularidade. (Baden, Fairey, Waide, & Laustsen,
2006).
A geração de energia no próprio edifício pode ser feita recorrendo as várias tecnologias
de micro-geração que podem produzir calor e electricidade para o edifício, dentre eles:

Electricidade: Utilizando painéis solares fotovoltaicos, turbinas eólicas e células de
combustíveis (hidrogénio).

Calor: Biocombustíveis, biomassa, painéis solares térmicos (água quente, ar quente,
vapor de baixa pressão), etc.
Para lidar com as flutuações das necessidades energéticas (calor ou electricidade), os
edifícios de energia zero, geralmente são conectados à rede mas permitem a existência de um
2
fluxo bidireccional. Deste modo, as casas exportam electricidade durante o dia, quando o
consumo é menor e importam durante a noite. A grande vantagem é evitar custos altos de
baterias para armazenamento de energia eléctrica. Contudo, pode introduzir grandes
perturbações na gestão da rede.
Contudo, existem casos onde as construções são completamente independentes (não
ligados à rede), apesar dos custos iniciais muito mais elevados e dificilmente resgatáveis sem
ajudas (Roaf, Crichton, & Nicol, 2009), onde o armazenamento é essencial.
Assim, a integração dos sistemas de produção de calor, cujo armazenamento é mais
fácil, com os sistemas de geração de electricidade renovável pode apresentar sinergias
interessantes que é necessário explorar, e é esse o objectivo desta tese.
1.2 Objectivo e Contribuições
Este trabalho tem como objectivo modelar sistemas solares de produção de águas quentes
sanitárias (AQS) com resolução horária, com base no impacto da radiação solar e temperatura
exteriores na produção de águas quentes sanitárias e no apoio eléctrico necessário, de forma
que possa ser utilizado com modelos de operação de electricidade, que recorrem a resoluções
temporais pelo menos horárias.
O programa SOLTERM, e que é utilizado para validar o modelo desenvolvido, apresenta os
resultados somente a nível mensal e anual Assim o contributo científico desta tese é o
desenvolvimento de um modelo matemático que permita utilizar este sistema como
armazenamento de energia eléctrica de origem renovável. Este modelo matemático tem como
base, o cálculo das necessidades energéticas ao longo do dia, em função das necessidades de
consumo após a validação a nível mensal e anual e foi implementado recorrendo a uma folha
de cálculo
1.3 Abordagem bibliográfica
Na literatura, não foram encontradas referências relativamente a modelos horários de
sistemas solares térmicos. Em geral ao tema, em termos de modelação de sistemas solar
térmico, tem havido apenas análises em modelos mensais mesmo em trabalhos muito
recentes. Exemplos disso são por exemplo, a tese “Avaliação de Sistemas Solares Térmicos de
Produção de Água Quente Sanitária em Edifícios de Habitação Multifamiliar” Alexandre Daniel
Sousa Santos, IST 2012, onde se analisa qual a melhor solução para a implementação de
sistemas solares térmicos em edifícios multifamiliares ou ainda na tese sobre colectores
solares térmicos sob condições transientes, caracterização óptica e térmicas com base no
modelo quasi-dinâmico, de Tiago Vaz Pato Osório, ist 2011, onde apesar de ser desenvolvido
um modelo para determinar as condições transientes de sistemas solares térmicos, não é
desenvolvido nenhum modelo de operação.
3
Assim, o desenvolvimento do modelo seguiu a modelação genérica de sistemas
solares térmicos, como por exemplo a desenvolvida em (Roriz, Rosendo, Lourenço, Calhau, &
Morais, 2010)
1.4 Estrutura da tese
A tese está composta por 5 capítulos. Neste primeiro capítulo é introduzida a motivação
para o desenvolvimento desta tese, são descritos os objectivos e contribuições e é indicada
qual a abordagem bibliográfica ao tema.
O segundo capítulo descreve genericamente os sistemas solar térmicos e descreve com
maior detalhe os componentes de um sistema convencional, em particular o sistema de
absorção e o apoio, quando a radiação solar não é suficiente para suprir as necessidades do
utilizador.
O terceiro capítulo é a espinha dorsal desta tese, pois é neste capítulo que é feita a
modelação matemática para o cálculo das necessidades energéticas do sistema solar térmico,
em particular o modelo horário. É ainda introduzido a representação do mesmo modelo no
software de referência Solterm.
No quarto capítulo é feito o estudo comparativo entre os resultados do modelo proposto e o
software de referência Solterm para uma resolução temporal mensal e a análise detalhada dos
resultados do modelo horário proposto.
Por último, o quinto capítulo vem concluir todo trabalho e as análises feitas.
4
Capítulo 2 – SISTEMA SOLAR TÉRMICO
O colector solar é o elemento do sistema que converte a luz solar (radiação de onda-curta)
em calor. Estabelece a ligação entre a energia solar e os restantes componentes do sistema
solar através do circuito hidráulico. O calor é gerado pela absorção dos raios solares através de
uma placa metálica (placa absorsora) que se comporta como um corpo negro. A placa
absorsora é a componente mais importante do colector. Nela está incorporada um sistema de
tubos que transferem o calor gerado para o fluido de transferência térmica, que por sua vez flui
para o tanque de armazenamento. O calor gerado é transferido para a água potável através de
um permutador de calor.
O fluido de transferência térmica é composto por uma solução aquosa (mistura de água
com anticongelante) para proteger os colectores do perigo de congelamento. O anticongelante
normalmente utilizado é o glicol. A mistura circula num circuito fechado e pode ser utilizado em
sistemas de transferência indirecta de calor através de um permutador. Existe ainda uma
centralina (sistema de comando diferencial) que serve para activar a bomba de circulação do
circuito hidráulico, quando o diferencial de temperatura entre o colector e o tanque
armazenamento atingir um valor pré-estabelecido. Quando este valor é atingido, a bomba de
circulação é activada e o fluido de transferência térmica no colector que foi aquecido pelo sol
circula para o depósito de água potável, onde o calor é transferido para a água através do
permutador de calor do sistema solar, localizado abaixo do sistema de apoio.
2.1 Colector solar
Como já foi dito anteriormente, o colector é o componente que tem como função converter
a maior quantidade de radiação solar disponível em calor e transferir este calor com o mínimo
de perdas para o resto do sistema. Consoante a sua aplicação, existem diversos tipos de
colectores:
2.1.1 Colector simples ou sem cobertura
Estes colectores são constituídos apenas pelo absorsor. Normalmente são constituídos por
conjuntos de tubos flexíveis ligados em paralelo. As eficiências desses colectores são muito
elevadas, apresentando um valor superior ou igual a 0,9. Encontram-se sobre variadas formas,
desde a placa absorsora de plástico (propileno, policarbonato ou polivinil) constituída por tubos
em forma de esteira e unidos por dois tubos de maior diâmetro nas partes inferior e superior ou
placas absorsora selectivas de aço inoxidável constituídos da mesma forma.
5
Figura 3-Colector Simples
(Fonte: http://www.google.pt)
Geralmente são utilizados em piscinas exteriores, cuja utilização normalmente ocorre
de Maio a Setembro. Os colectores a utilizar numa instalação solar serão preferencialmente os
colectores de borracha sem cobertura. A utilização destes colectores permite a circulação
directa da água da piscina pelos mesmos.
Têm uma menor eficiência relativamente ao colector plano com cobertura, uma vez que
além de não possuírem esta camada, também não possuem revestimento e isolamento
térmico, fazendo com que as perdas de calor sejam elevadas. De salientar que a utilização de
colectores sem cobertura torna necessário que sejam colocados num local onde estes estejam
protegidos do vento já que são particularmente sensíveis a velocidades de vento superiores a
, que conduzem a uma diminuição drástica do seu rendimento.
A placa absorsora pode substituir a cobertura do telhado para a área definida pelo
dimensionamento, reduzindo os custos na aquisição da cobertura. Assim, o custo da produção
de energia é mais baixa, devido ao menor investimento na componente de cobertura do
telhado e está disponível para diversas formas de telhado: telhados planos, telhados
inclinados, ou seja, a instalação destes colectores pode ser adaptado a curvas suaves. É
também uma solução mais estética para telhados em alumínio. Por causa da baixa
performance, é necessário instalar uma superfície de colectores maior do que para outros
tipos.
Por tudo mencionado atrás, este tipo de colectores deverá ser utilizado unicamente
para necessidades de temperaturas de utilização inferiores a 30 ºC, como para o aquecimento
de piscinas no verão e estufas agrícolas. As temperaturas baixas do ar exterior no Inverno
tornam a utilização deste tipo de colector inadequado para o aquecimento de piscinas cobertas
no Inverno.
6
2.1.2 Colector plano ou com cobertura
Na sua maioria, os colectores usados são do tipo planos, podendo ser de baixa ou alta
temperatura variando consoante o fabricante. O colector solar plano é o mais comum; permite
aquecer água até aos
. Utiliza no seu funcionamento dois fenómenos naturais: a absorção
de calor pela cor negra e a subida da água quente.
O colector solar plano, é constituído por uma caixa isolada, coberta por uma placa de
material transparente. No interior da caixa são colocados tubos por onde circula a água.
Figura 4-Colector com cobertura
(Fonte: http://www.portugalrenovaveis.com)
O interior da caixa é pintado (ou revestido) de preto, para receber a energia do Sol e
transformá-la em calor que é transmitido aos tubos por onde circula a água.
A cobertura transparente permite a passagem dos raios solares, e serve para provocar
o efeito de estufa e reduzir as perdas de calor. A radiação incidente sobre o vidro do colector
deve estar convenientemente orientada, de forma a atingir a superfície absorsora de cor negra,
convertendo-a em emissora de radiações infravermelhas. Sendo o vidro ou plástico opaco à
radiação infravermelha, permite conservar o calor no seu interior ficando a uma temperatura
superior à temperatura exterior. O fluido que circula nos canais em circuito fechado, aquece e
transporta a energia térmica, muitas vezes com a ajuda de um sistema de bombagem. Assim,
os colectores planos com cobertura são constituídos por absorsores de metal no interior de
uma caixa rectangular plana com isolamento térmico, sendo que na parte frontal existe uma
7
cobertura transparente e na lateral, dois tubos ligados para alimentação e retorno do fluido de
transferência térmica.
Este tipo de colector solar funciona eficientemente durante todo o ano. Com os
chamados recobrimentos selectivos podem conseguir-se melhores rendimentos reduzindo as
perdas caloríficas por radiação. Este revestimento da placa absorsora obtém-se através de um
processo electroquímico ou de uma pulverização catódica que confere à placa propriedades
óticas que reduzem a emissão da radiação infravermelha, mantendo a sua capacidade de
absorção tão boa como a da tinta negra. Os colectores planos pesam entre
são fabricados em diversos tamanhos desde
e, em alguns casos, dimensões
maiores. No entanto, os tamanhos mais comuns são de
de
e
, apresentando um peso de cerca
por módulo.
A eficiência média anual de um sistema completo com colectores planos é de 35 a
40%, isto é, para um valor de
de radiação solar, a produção de energia térmica
para um sistema bem dimensionado, corresponde a
.
2.1.3 Colector evacuado ou colector de tubo de calor
Esses colectores são também conhecidos como colectores de tubo de vácuo. São painéis
planos, em que o fluido térmico circula no interior de tubos concêntricos.
Figura 5-Coletor de tubo de vácuo.
(Fonte: http://www.portugalrenovaveis.com)
São sistemas que funcionam através da absorção da radiação solar e da radiação difusa,
sendo as mesmas transferidas para uma vara de cobre existente no interior do tubo de vácuo,
que tem no seu interior um líquido que vaporiza com o calor, subindo até ao ponto mais alto do
8
tubo onde se encontra o condensador. A água fria passa pelos vários condensadores do
colector, absorvendo assim o calor fornecido por estes, aquecendo a água desta forma.
Para se reduzir as perdas térmicas neste colector, usam-se tubos de vidro (com absorsores
internos) sujeitos a vácuo. De forma a se eliminar as perdas de calor por convecção, a pressão
dentro dos tubos de vidro deve ser no máximo
. Assim, as perdas de calor para a
atmosfera são significativamente reduzidas, sendo de realçar que mesmo com uma
temperatura de absorção de
ou maior, os tubos de vidro permanecem frios no seu
exterior.
Na sua maioria, a pressão de evacuação dos tubos de vácuo é inferior a
. O
“tubo de calor” permite ao sistema a função de díodo, isto é, a transferência de calor faz-se
sempre na direcção da placa absorvente para a água e nunca ao contrário. Devido às
propriedades físicas do líquido do “tubo de calor” e à construção especial do condensador, a
temperatura máxima de funcionamento do sistema pode ser controlada. O líquido especial que
está dentro do “tubo de calor” evapora-se quando aquecido, transferindo energia calorífica para
o seu topo. O vapor é condensado, dentro de um condensador especial, regressando o líquido
seguramente à sua posição original devido à gravidade. O ciclo é repetido continuamente.
2.1.4 Colector Parabólico Composto (CPC ou Concentrador Solar)
São colectores que possuem uma superfície parabólica com objectivo de concentrar os
raios solares para a zona de captação da energia radiante. Estes colectores permitem obter
temperaturas superiores a
, temperaturas não concebidas para aquecimento de edifícios
e de águas sanitárias. São utilizados em centrais térmicas e podem ser do tipo cilíndrico ou de
revolução (de disco único ou conjunto de discos com perfil parabólico).
Figura 6-Concentrador solar.
(Fonte: http://www.portugalrenovaveis.com)
9
O funcionamento base destes colectores é a concentração da radiação solar, na placa
absorsora, através de um sistema duplo de absorção da radiação, do seguinte modo: um
sistema de absorsores que permite absorver a radiação de forma semelhante aos colectores
planos; um sistema de reflexão da radiação que permite a absorção da radiação na parte
inferior do absorsor. São chamados de concentradores do tipo CPC (Colectores Parabólicos
Compostos) devido à configuração da superfície reflectora ser parabólica. (GreenPro, 2004)
A diferença fundamental relativamente a um colector plano é a geometria do absorsor,
já que enquanto nos colectores planos existe uma superfície plana à qual estão soldados os
tubos, nos CPC’s a área absorsora é constituída por duas alhetas unidas a um tubo e
colocadas em cima de uma superfície reflectora. Como consequência, a captação solar realizase nas duas faces das alhetas e as perdas térmicas são inferiores. Assim, o sol incide na parte
superior das alhetas e na superfície parabólica reflectora. Os raios são reflectidos e acabam
por incidir na parte inferior das alhetas ou directamente no tubo, contribuindo para aquecer
ainda mais o fluido térmico.
O uso de reflectores permite a concentração da radiação solar sobre a superfície
absorsora, resultando numa menor área de absorção para a mesma quantidade de energia
absorvida. Tendo em conta que as perdas térmicas são proporcionais à área superficial,
absorsores com menor área apresentam menores perdas térmicas. Acontece que, quanto
maior é a concentração, menor é o ângulo com a normal aos colectores segundo o qual os
raios solares incidem para serem captados, no entanto, para o colector funcionar com um bom
rendimento tem de se manter sempre perpendicular aos raios solares, seguindo o sol no seu
movimento diurno. Esta é uma desvantagem, pois o mecanismo de controlo para fazer o
colector seguir a trajectória do sol, é bastante dispendioso e complicado, para além de só
permitir a captação directa.
2.1.5 Colector Híbrido
São colectores que possuem células fotovoltaicas (PV) integradas, efectuando neste caso
o aquecimento do fluido térmico e a produção de electricidade. Tendo a produção simultânea
de calor e electricidade, mesmo assim não é designada por equipamento de cogeração. A
circulação da água (ou de ar, no caso de painéis para aquecimento directo do ar) nestes
colectores tem também a função de arrefecer as células fotovoltaicas já que o seu rendimento
diminui com a temperatura a que estão sujeitas.
Dos diferentes tipos de colectores híbridos, existem actualmente duas soluções mais
comuns: No caso do painel térmico servir para aquecimento de ar, as células PV são opacas e
no caso do painel térmico servir para aquecimento de água (Objecto de estudo), as células PV
são transparentes permitindo a passagem da radiação solar para o painel térmico.
10
2.1.6 Selecção do colector
A selecção do colector é sobretudo em função da temperatura que se pretende obter para o
fluido térmico que atravessa o colector e do seu custo. Pode ainda ser escolhido em função da
dificuldade de colocação. Os colectores planos sem ou com acumulação, com ou sem
coberturas de vidro ou material sintético, são os mais utilizados para o aquecimento de água
sanitária dado que se pretende atingir temperaturas na ordem dos 60 ºC. Caso se pretenda que
o colector aqueça o fluido que travessa até uma temperatura que permita o aquecimento de
gerador de um sistema frigorífico de absorção, no entanto será necessário usar painéis solares
de alta eficiência ou concentradores solares, dado que a temperatura pretendida é superior a
80 ºC.
A escolha do painel pode estar relacionada também com o ajuste ao telhado de uma
habitação, e.g. se colector é constituído apenas por absorsor de tubos flexíveis, e que, sendo
menos eficiente que um colector plano, é uma solução que pode ser considerada
arquitectonicamente mais atraente. Pode ainda a escolha recair num colector híbrido ou num
painel solar térmico com painel fotovoltaico anexo, de forma a obter-se simultaneamente
aquecimento e ‘’produção’’ de electricidade. No caso de se pretender aproveitar o calor obtido
pelo painel solar para efectuar o aquecimento do gerador de sistema frigorífico de absorção, a
escolha recai sobre um colector de alta eficiência (colector plano ou CPC).
Os painéis solares podem ser integrados na estrutura do edifício, ou serem montados no
edifício (geralmente na cobertura) ou ainda serem colocados no exterior. A opção depende
frequentemente do espaço disponível e da insolação a que os diferentes elementos do edifício
estão
sujeitos,
em
particular
devido
ao
sobreaquecimento
de
objectos
próximos
(sobreaquecimento próprio do edifício, edifícios e vegetação adjacentes, orientação das
paredes) e ao espaço livre para a colocação de painéis. (Roriz, Rosendo, Lourenço, Calhau, &
Morais, 2010).
2.2 Tanque de armazenamento
Tendo em conta que a energia fornecida pelo sol pode ser intermitente e desfasada da
utilização de água quente/calor, é necessário armazenar o calor gerado pela radiação solar
para ser utilizado quando necessário. (GreenPro, 2004)
De acordo com as aplicações diferenciam-se os tipos de tanques de armazenamento
tendo em conta a força de compressão e o material. Consoante a ligação e transferência de
calor entre o colector solar e o depósito, os tanques podem ser:

Tanque de armazenamento (sem permutador de calor) para circuito directo: Fluido que
circula nos colectores solares é a água de consumo. Este circuito acarreta problemas
de corrosão e calcificação das tubagens, pelo que se encontra em desuso (Figura 7 à
esquerda)
11

Tanque de armazenamento (com permutador de calor) para circuito primário: Nos
colectores circula um determinado fluido térmico, em circuito fechado e com permuta
térmica para o circuito de consumo (secundário) num permutador de calor interior ou
exterior ao depósito. Esses tanques são os mais utilizados actualmente (Figura 7 à
direita)
Figura 7-Tipos de tanque de armazenamento.
Fonte: concurso solar, Padre Hymalaia)
Relativamente ao material utilizado, os tanques de armazenamento classificam-se em
tanques de pressão ou tanques de superfície livre. Os tanques de pressão encontram-se
disponíveis em aço inoxidável, esmaltados ou revestidos em plástico. Os tanques de
armazenamento de aço inoxidável são mais leves e com menores necessidade de
manutenção, mas são mais caros em relação aos tanques de aço esmaltado, pelo que o aço
inoxidável é mais sensível a águas com muito cloro. Os tanques esmaltados são
necessariamente equipados com magnésio ou com um ânodo externo para protecção contra a
corrosão (fissuras no esmalte). Também estão disponíveis tanques de aço revestido de
plásticos mais baratos. O revestimento dos tanques (sensível a temperatura superiores a 80ºC)
não deve ser poroso. Testes realizados à maioria dos revestimentos de plástico tem
apresentado problemas de fiabilidade. Os tanques de plástico de superfície livre apresentam
sensibilidades a temperaturas muito elevadas.
A tabela 1 apresenta um breve resumo sobre os diversos tipos de tanque de
armazenamento em função do material:
12
Tabela 1-Material e Tipos de tanque de armazenamento.
(Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004)
Tipo
Tanque de Pressão
Tanque de água potável
Aço inoxidável, Aço
Tanque de superfície Livre
esmaltado e Aço revestido de
plástico
Tanque de armazenamento
Aço
Plástico
regulador
Tanque de armazenamento
Aço, Aço inoxidável e Aço
combinado
esmaltado
2.2.1 Tanque de armazenamento de água potável
Um esquema de tanque de armazenamento solar standard é apresentado na Figura 8 e
têm as seguintes características: Dois permutadores de calor para duas fontes de calor
(bivalente), ligação directa para o reservatório de água fria e, pressão de operação do tanque
variável entre
.
Figura 8-Tanque de armazenamento de água potável.
(Fonte: GreenPro, Energia solar térmico)
O dimensionamento do tanque de armazenamento deve ter em conta a cobertura de
vezes a quantidade de água quente diária utilizada. Assim o volume deverá ser de
por pessoa (média de consumo). Tanques de armazenamento de grandes dimensões
podem absorver grandes quantidades de energia, contudo no caso de superfícies dos
colectores constantes, aumenta a frequência de utilização do sistema de apoio, porque o nível
de temperatura no tanque de armazenamento é menor que para um tanque menor.
Para o sector doméstico, especificamente para casas de uma ou duas famílias, os
tanques standard tem uma capacidade de
13
. No caso dos tanques de
armazenamentos servirem de depósito de água potável a temperatura deve ser limitada até
cerca de
, dado que o calcário precipita a altas temperaturas, podendo bloquear a
superfície do permutador de calor. Para além disso o calcário é depositado gradualmente na
base do tanque de armazenamento.
2.2.2 Tanque de armazenamento de regulação
O tanque de armazenamento de regulação é um tanque de aço (tanque de pressão) ou
um tanque de plástico não pressurizado com água para aquecimento. O calor armazenado
neste tanque pode ser introduzido directamente no sistema de aquecimento (suporte de
aquecimento) ou transferido através de um permutador de calor para a água potável.
2.2.3 Tanque de armazenamento combinado
O tanque de armazenamento combinado é uma combinação de um tanque de
regulação e um tanque de armazenamento de água potável. Uma pequena secção com um
tanque de armazenamento de água potável é instalada na parte de superior da área quente do
tanque de armazenamento de regulação, cuja superfície superior atua como um permutador de
calor. Estes tanques são apropriados para usar em sistemas solares para aquecimento de
água, com e sem suporte de aquecimento. Por causa do sistema de alimentação o
funcionamento da tubagem é simples e o controlo do sistema simples. Todos os geradores de
calor (colectores solares, caldeiras de aquecimento) tais como todos os consumidores de calor
(água quente, aquecedores) operam no mesmo regulador. O sistema de aquecimento está
ligado à área superior do tanque de armazenamento de regulação onde a água potável é
aquecida. A zona intermédia pode ser usada para aumentar a temperatura da água de retorno.
Na zona inferior há um permutador de calor para alimentar o sistema solar. O tanque de
armazenamento de água potável interno é aquecido através da parede.
2.2.4 Tanque de armazenamento estratificado
De modo a ser possível utilizar água quente imediatamente, sem necessidade de antes
aquecer o tanque de armazenamento, tanques de enchimento especial foram desenvolvidos
para enchimento de tanques de armazenamento com capacidade para mais de 300 litros. Um
dispositivo de controlo-próprio engloba a variação da introdução de água aquecida. Este
processo tem lugar a uma altura em que a temperatura da alimentação da água é igual à
temperatura do tanque de armazenamento nesta camada. Deste modo é criado um bom efeito
de estratificação térmica no tanque e a temperatura utilizável na área superior do
armazenamento é rapidamente atingida. Comparando com os tanques de armazenamento
standard de água quente, as perdas de calor na passagem através das camadas frias é
evitada, através do aquecimento da camada indicada, evitando a mistura no tanque de
armazenamento durante a migração. Desta forma diminui-se a frequência de utilização do
aquecimento adicional (apoio).
14
Figura 9-Tanque de armazenamento estratificado
(Fonte: Pro-Clean PLUS®)
Relativamente aos outros tanques de armazenamento, este tanque apresenta diversas
vantagens como:

Utilização solar ideal para água quente e aquecimento graças à carga por estratificação
com dispositivos de estratificação, limitadores de fluxo de entrada especiais

Aquecimento higiénico de água fresca através do tubo ondulado especial em aço
inoxidável

Melhor rentabilidade para cada sistema de aquecimento (solar, biomassa, bomba
térmica)

Extracção constante e particularmente rápida de água quente

Construção com necessidade de espaço reduzida com uma perda mínima de calor
devido ao isolamento térmico extremamente eficiente

Longa vida útil

Estação solar integrada
2.3 Circuito Hidráulico
O calor gerado nos colectores é transportado para os tanques de armazenamento de calor,
através do circuito hidráulico. Este é constituído por: Tubagens, que permitem a ligação dos
colectores aos tanques de armazenamento que muitas vezes são instalados na cave; Fluido de
transferência térmica, que é o fluido que transporta o calor do colector para o tanque de
armazenamento; Bomba solar (circulação forçada), que se encarrega de circular o fluido de
transferência térmica no circuito solar; Permutador de calor, que transfere o calor para a água
potável no tanque de armazenamento; equipamento e acessórios para enchimento,
esvaziamento e drenagem, e, equipamento de segurança; vaso de expansão e válvula de
segurança que protegem o sistema de danos (perdas) devido à expansão do fluido térmico.
15
16
Capítulo 3 – MODELAÇÃO DE SISTEMAS SOLAR TÉRMICO
3.1 Princípios de transmissão de calor
A energia recebida pelo sistema solar térmico é descrita pela energia trocada por
radiação entre o sol e o painel.
A energia emitida por radiação, isto é, o poder emissivo da superfície é dada por
(3.1)
Onde
é a constante de Boltzmann (
). Para um corpo
real, a intensidade da radiação emitida em cada comprimento de onda é sempre igual ou
inferior à emitida pelo corpo negro. Deste facto o poder emissivo dum corpo real é inferior ao
do corpo negro, e depende da sua emissividade para diferentes comprimentos de onda ( ).
O fluxo de energia recebida por uma superfície por unidade de área, designado por
irradiação
é dado pela seguinte expressão:
(3.2)
onde
representa a intensidade da radiação normal a superfície. A sua unidade no
sistema SI é
(potência por unidade de área, por comprimento e por unidade de
ângulo sólido).
(3.3)
As leis de conservação de energia e da radiação proporcionam relações bem definidas
entre as propriedades radiactivas dos corpos. No caso apenas de energia radiante, a energia
total recebida tem de ser reflectida, transmitida ou absorvida para que o corpo possa manter a
sua temperatura. Deste modo, a relação entre a reflectividade ( ), a transmissividade ( ) e a
absortividade ( ) de um determinado corpo, para um determinado comprimento de onda é
(3.4)
onde qualquer das propriedades acima representada, apresenta valores entre 0 e 1. Elas
podem variar em função do comprimento de onda da radiação, mas o valor da sua soma será
sempre igual a unidade. Em função do comprimento de onda, os corpos podem ser
semitransparentes, transparentes ou opacos. Por exemplo, um corpo pode ser transparente à
radiação para um determinado comprimento de onda, e ser semitransparente ou opaco à
radiação para outro comprimento de onda.
Da definição de corpo negro, a reflectividade e transmissividade num corpo negro são
nulas, enquanto que a absortividade e a emissividade são iguais a 1. No caso de um corpo
17
real, a radiação emitida nos diferentes comprimentos de onda é igual ou inferior à emitida. Em
termos energéticos, interessa unicamente o balanço global de energia e não um balanço para
diferentes comprimentos de onda, associa-se assim o corpo real a um corpo cuja radiação
emitida em função do comprimento de onda varia de forma idêntica à de um corpo negro e que
radia a mesma quantidade de energia. Este corpo terá uma superfície cinzenta cuja
emissividade é constante e independente do comprimento de onda dada pela razão entre o
poder emissivo real e o poder emissivo de corpo negro a mesma temperatura.
(3.5)
Para um determinado comprimento de onda, a emissividade de um corpo é igual a sua
absortividade – Lei de Kirchoff.
(3.6)
Independentemente do comprimento de onda, para um corpo cinzento, a emissividade
é sempre igual à sua absortividade - Lei de Kirchoff para os corpos cinzento.
(3.7)
A transmissão do calor captado ao fluido térmico que se pretende aquecer é controlada por
dois fenómenos: A condução e a convecção. De igual forma, assim o são as perdas para o
meio envolvente ao painel.
A condução é o fenómeno de transferência de calor num determinado corpo sólido,
geralmente associado a diferença de temperatura entre as superfícies opostas do material
(materiais que constituem o painel). A convecção é o fenómeno de transferência de calor que
ocorre nos fluidos, causado pela diferença de densidade e de temperatura dos elementos que
formam o sistema (fluído térmico e ar que envolve o painel).
O fluxo de calor de condução (calor trocado por unidade de área) é dado pela lei de
Fourier,
que
estabelece
que
o
fluxo de calor através
de
um
material
é proporcional ao gradiente de temperatura e vem em sentido oposto ao mesmo.
(3.8)
A constante , é a condutividade térmica do material. Entre duas substâncias, a que tiver
condutividade maior, conseguirá ter uma taxa de transferência de calor maior, para um mesmo
gradiente de temperatura. A troca de calor por convecção é dada pela lei de Newton, e fluxo de
calor é
(3.9)
18
Onde
representa o coeficiente de convecção, e os índices
representam
respectivamente a superfície do material sólido e um ponto afastado dessa superfície.
O coeficiente de convecção do painel para o ar exterior depende neste caso das
condições atmosféricas (orientação do vento, velocidade e temperatura) e coeficiente de
convecção do painel para o fluido de transferência térmica depende das condições de
funcionamento do painel (velocidade do escoamento e temperatura), embora o efeito de
gradiente de pressão seja desprezado. (Roriz, Rosendo, Lourenço, Calhau, & Morais, 2010)
3.2 Desenvolvimento do Modelo
O modelo desenvolvido segue genericamente o algoritmo abaixo representado, onde S
significa Sim e N significa não:
Figura 10-Algoritmo de captação de energia solar
(Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz)
19
Figura 11-Algorítmo de processamento de dados
(Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz)
20
3.2.1 Modelo do Absorsor
De forma simplificada, as equações do balanço energético podem ser obtidas
considerando o absorsor de um colector solar plano atravessado por um caudal de massa
.A
figura seguinte representa esquematicamente o balanço energético feito ao absorsor.
Figura 12-Balanço de energia ao absorsor.
(Fonte (Adaptado): Energia solar em edifício, Luís Roriz)
A quantidade de calor captada é dada por
(3.10)
O valor de
pode ser considerado
caso o fluido
térmico seja água sem anticongelante ou ar, respectivamente. Caso o fluido térmico seja uma
. Os
mistura etilenoglicol-água (50-50), o valor pode ser considerado igual a
valores das massas específicas de cada fluido são considerados, respectivamente
.
A energia proveniente da radiação solar direcqta ( ) incidente, por unidade de
superfície do painel é
(3.11)
Onde n é a normal à superfície do painel. A energia recebida é dada por
em que
éa
área projectada sobre um plano perpendicular à direcção da radiação solar directa.
Tendo em conta a consideração de uma superfície plana, ou seja, com um factor de
forma igual a zero, a energia absorvida (devido à radiação directa) é proporcional a radiação
directa incidente. Caso a superfície não seja plana ou convexa, isto é, o factor de forma
diferente de zero, poderá haver um aumento da energia absorvida (se a radiação reflectida por
um ponto da superfície volte a incidir na superfície) – superfícies côncavas ou onduladas.
21
Nem toda a energia incidente ( ) é absorvida pelo painel (
é refletida (
), as outras são trocadas por condução-convecção (
com uma temperatura
e emitidas por radiação (
). Uma parte da energia
) com o ar que o rodeia
).
Da Figura 12, resultam as seguintes equações:
(3.12)
ou
(3.13)
O termo
corresponde à energia radiante absorvida pelo painel,
representa a perda de energia pela superfície total do painel por radiação própria e por
convecção e
é a energia absorvida, ou seja, a energia transmitida ao fluido térmico. As
trocas de energias por condução-convecção e a energia emitida pela radiação solar são dadas
por:
(3.14)
(3.15)
onde
é a área do absorsor,
)e
a emissividade,
a constante de Boltzmann (
a temperatura média do absorsor pode se dada por:
(3.16)

Caso o painel não ser constituído apenas pelo absorsor, a temperatura média da
equação (3.15) é igual a temperatura média no interior do painel;

representa o coeficiente de transmissão de calor (condução-convecção).
A energia radiante absorvida pela superfície absorsora do painel é dada por
(3.17)
Em que
representa o rendimento óptico quando a radiação é normal à superfície do
absorsor. Finalmente, a energia absorvida pelo painel é dada por
(3.18)
Quando a temperatura do painel for igual a temperatura ambiente, ou seja, quando não
existem perdas convectivas e nem radiactivas para o ambiente (
do painel é igual ao rendimento óptico e, é designado por rendimento inicial.
22
), o rendimento
Tendo em conta que a radiação directa pode apresentar ângulos de incidência entre
em relação a normal à superfície absorsora, e que a reflectividade da cobertura
transparente (caso exista) varia com este ângulo, é necessário considerar um coeficiente ( )
de correcção a este ângulo ( ). Este coeficiente representa a razão entre o rendimento óptico
para um determinado ângulo de incidência e o rendimento óptico num angulo de incidência
nulo (raios solares incidente perpendicularmente a superfície absorsora).
(3.19)
Para valores de ângulos de incidência inferiores a
o valor de K é aproximadamente 1,
tomando semelhança nos valores para direcção longitudinal (
) e transversal (
).
Matematicamente a eq. (3.19) pode ser aproximado geralmente à uma equação polinomial do
segundo grau, ou por
(3.20)
Representada graficamente pela seguinte curva:
Figura 13-Variação do coeficiente de correcção com o Ângulo de incidência
Tratando por semelhança a energia radiactiva utilizando a equação da energia por conduçãoconvecção, e definindo um coeficiente radiactivo
temos que
(3.21)
ou
(3.22)
e
(3.23)
23
ou
(3.24)
O factor de transferência de calor do painel (fracção solar FS) é definida como a razão
entre o calor recebido pelo fluido e o calor absorvido pelo painel, ou seja, a parcela de energia
que é fornecida pelo sistema de aquecimento solar. A fracção solar deve apresentar valores no
intervalo de 40 a 90%, em que abaixo deste intervalo o sistema está subdimensionado e, acima
deste intervalo o sistema está sobredimensionado.
(3.25)
sabendo que TE = T, temperatura de entrada da água. A equação (3.13) pode ser expressa por
(3.26)
logo
(3.27)
No caso de não haver radiação incidente, o calor captado deve-se apenas a conduçãoconvecção com o ambiente e, a equação anterior torna-se
(3.28)
E se a temperatura do fluido for igual a temperatura do meio exterior, o calor captado deve-se
apenas a radiação incidente, logo
(3.29)
Em regime estacionário, tem-se
.
Tendo em conta que o rendimento óptico é definido por
(3.30)
a partir das eqs. (3.26), (3.27) e (3.30) tem-se
24
(3.31)
e de (3.17)
(3.32)
para contabilizar as perdas condutiva-convectivas, utilizando a equação (3.24), a equação
(3.26) torna-se
(3.33)
e a eq. (3.42)
(3.34)
onde
. Em que
e
representam os coeficientes de
perda.
No entanto, o rendimento do colector solar poder ser definido (aproximadamente)
sabendo o rendimento que o colector teria caso o fluido à entrada estivesse à temperatura
ambiente, retirando assim as perdas de calor por condução-convecção. A formulação
apresentada, considerando um ou dois coeficientes é universalmente considerada quando são
conhecidas as propriedades.
3.2.2 Modelo do sistema solar térmico
Até agora, o balanço de energia foi feito apenas para o absorsor. O esquema seguinte
(Figura 14) representa o balanço geral, isto é, desde o painel até ao consumo.
A quantidade de energia que entra no sistema é dada por
(3.35)
e a que sai por
(3.36)
onde
representa a variação de energia do sistema,
captada pelo colector,
a energia dissipada por calor,
a energia do apoio,
a energia
a energia necessária,
as perdas
térmicas,
as perdas térmicas nas tubagens exterior,
as perdas térmicas nas tubagens
interior e
as perdas térmicas no depósito e
a energia associada a água de
compensação. A energia de apoio é, para além da energia de aquecimento da água (
25
)
efectuada por um equipamento auxiliar (resistência eléctrica, p. e.), a energia de bombagem
(
) no caso de circulação forçada.
Figura 14-Modelo de sistema solar térmico para AQS.
(Fonte (Adaptado): Energia solar em edifício, Luís Roriz)
A energia necessária (
) é calculada a partir da expressão
(3.37)
Onde
representa o número de dias por mês,
a diferença de temperatura e
o volume de água consumida por pessoa,
, o número de dias por ano:
26
3.2.3 Modelo Horário
Considerando um andamento da energia captada semelhante ao da irradiação
recebida durante um dia, poderá assim representar-se graficamente as trocas de energias e as
necessidade de aquecimento. No caso de as necessidades energéticas e as perdas serem
constantes durante o dia (Figura 15), ao início do dia o calor necessário é fornecido pelo
sistema de apoio (período 1 da figura). Quando o painel começar a receber irradiação solar, os
primeiros instantes (período 2 da figura) serve para o aquecimento do sistema que se
encontrava frio devido às temperaturas exteriores durante a noite, até atingir a temperatura
predefinida.
Figura 15-Trocas de calor: necessidades energéticas constantes em funcionamento diário
(Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz)
Durante certo tempo, as necessidades de calor são satisfeitas pela energia captada
pelo painel e o excesso são armazenadas no depósito de acumulação (período 3 da figura).
Quando a temperatura a temperatura limite predefinida é atingida, todo o excesso de calor é
dissipado (período 4 da figura). Neste caso o calor captado pelo painel não será suficiente para
suprir as necessidades energéticas, mas o calor acumulado no depósito é suficiente para
compensar esta diferença (período 5 da figura). Ao final do dia, o painel deixa de captar
radiação solar, mas o depósito possui ainda energia acumulada para satisfazer as
necessidades energéticas durante algum tempo (período 6 da figura). Quando esta energia se
esgota, entra em funcionamento novamente o sistema de apoio (período 1 da figura).
Resumidamente, o exemplo da figura 15 nos mostra que o depósito de acumulação está
ligeiramente subdimensionado e que, uma maior capacidade permitiria uma maior acumulação
de energia e uma redução de energia do sistema de apoio a fornecer.
A figura anterior pode ser subdividida em duas figuras, representando o mesmo
sistema solar e servindo um sistema com as mesmas necessidades horárias mas com períodos
27
e utilização distintos. Como se poderá ver, o calor acumulado, dissipado, fornecido pelo
depósito e pelo sistema de apoio são diferentes em cada caso.
Figura 16-Trocas de calor: necessidades energéticas no período de radiação solar
(Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz)
Nesta Figura 16, nos instantes iniciais (período 1 da figura) quando a radiação começa
a incidir no painel servem para aquecer o sistema até atingir a temperatura predefinida. Visto
não haver necessidades energéticas, o calor captado é armazenado (período 2 da figura).
Posteriormente a energia captada pelo painel servem para suprir as necessidades de calor e o
excesso é acumulado no depósito (período 3 da figura). Depois de ser atingida a temperatura
predefinida, todo calor é dissipado (período 4 da figura). No período 5, o calor captado pelo
painel já não é suficiente para satisfazer as necessidades energéticas, mas a energia
acumulada no depósito compensa este défice de energia. Após não haver necessidades de
calor, o sistema do painel solar, até deixar de captar radiação solar, acumula o calor no
depósito (período 6 da figura). Neste caso, contrário ao anterior, não existe necessidade de
sistema de apoio, mas é de salientar a importância da energia captada pelo painel ter sido
dissipada: este sistema estava sobredimensionado.
No segundo caso (Figura 17), nos instantes em que a radiação começa a incidir no
painel, os primeiros momentos servem para efetuar o aquecimento do sistema até atingir a
temperatura predefinida (período 1 da figura). No período 2 o calor captado é logo armazenado
no depósito por não haver necessidades energéticas. Quando a temperatura predefinida é
atingida, todo o excesso de calor é dissipado (período 3 da figura). Posteriormente, ao
28
existirem necessidades de calor, inicialmente estas são satisfeitas, em parte, pela energia
captada pelo painel e as restantes pela energia acumulada pelo depósito (período 4 da figura).
Figura 17-Trocas de calor: necessidades energéticas no período noturno
(Fonte: Energia solar em edifícios, Luís Roriz)
Ao final do dia, quando o painel já não receber radiação solar, as necessidades
energéticas são supridas pela energia acumulada no depósito (período 5 da figura). Ao esgotar
a energia acumulada, todas necessidades de calor são supridas pelo sistema de apoio
(período
6
da figura).
Diferente
dos outros,
este
depósito
de
acumulação
está
subdimensionado.
A implementação desta análise para uma qualquer resolução temporal t é baseada em duas
equações importantes que se seguem:
(3.38)
(3.39)
Onde
representa a energia acumulada no instante t,
a energia absorvida no instante anterior a t,
a energia absorvida no instante,
a energia de apoio no instante t e
a energia necessária ao consumo no instante t.
Se
, acumulou-se mais energia do que o necessário, no entanto, não há necessidade
de Apoio mas sim de dissipação de energia caso necessário, ou seja,
29
.
3.3 Implementação do Modelo
O modelo descrito em 3.2 foi implementado numa folha de cálculo. A figura 18
representa o modelo analisado em termos mensais, e a figura 19 mostra-nos uma parte do
modelo horário, isto é, a análise energética de todas as horas do ano, num total de 8760 horas.
Figura 18-Modelo mensal
30
Figura 19-Modelo Horário
31
3.4 Implementação do Modelo no Solterm
O Solterm é um programa de análise de desempenho de sistemas solares térmicos e
fotovoltaicos, especialmente ajustado às condições climáticas e técnicas de Portugal. A análise
de desempenho de um sistema solar é feita via simulação energética em regime quasiestacionárias: isto é, são simulados os balanços energéticos no sistema em intervalos curtos (5
minutos), durante os quais se considera constante o estado do ambiente e o do sistema.
Nestas simulações são usadas informações sobre:

Configuração / dimensionamento do sistema

Estratégias de controlo e operação

Radiação solar horizontal e temperatura ambiente em base horária

Obstruções, sombreamentos, albedo das redondezas, turbidez da atmosfera

Características técnicas dos componentes (coletores, armazenamento, etc.)

Consumo (ou “carga”) do sistema em base horária média mensal
As informações são armazenadas segundo categorias, algumas em bancos de dados que
podem ser geridos e expandidos pelo utilizador. O programa traz já consigo na instalação um
conteúdo inicial nestes bancos de dados, em que se realçam os dados meteorológicos de cada
concelho de Portugal e os dados dos coletores e “kits” de tecnologia solar térmica, que à data
de lançamento da versão estejam ensaiados e certificados segundo regras europeias da marca
Solarkeymark1 ou Certif2. No entanto os restantes bancos de dados (depósitos/permutadores,
coletores, baterias,…) também já incluem um conteúdo inicial substancial. A partir dos
resultados das simulações de um sistema é possível obter o seu pré-dimensionamento - aliás
são fornecidas no programa algumas ferramentas de otimização automática sob vários critérios
energéticos. O programa possui uma interface amigável e de fácil compreensão.
A figura 20 representa a secção na qual escolhemos as propriedades do sistema,
vocacionada para o RCCTE3, na figura 21 é apresentada a secção na qual é feita a escolha
dos dados climáticos.
1
http://www.estif.org/solarkeymark/schemerules.php
http://www.certif.pt/marcas.asp
3
http://www.rccte.com/
2
32
Figura 20-Ambiente de trabalho do programa Solterm e seleção de dados
Na figura 21, indicamos em que conselho estará localizado o sistema, sendo que permite fazer
ajustes de dados locais caso o utilizador tenha melhor informação.
Figura 21-Escolha das condições climáticas no programa Solterm
33
Na figura 22, definimos os perfis de consumo, bem com as temperaturas de entradas de água.
Figura 22-Escolha de perfil de consumo
Finalmente, na figura 23 obtêm-se os resultados da análise energética da simulação do
problema.
Figura 23-Análise de resultados
34
Onde surgem os seguintes parâmetros:
Rad.Horiz. – energia acumulada (mensal ou anual) da radiação solar global na horizontal à
superfície, por unidade de área (kWh/m²). A radiação global é a soma das componentes direta
(vinda da direção do Sol) e difusa (vinda do hemisfério celeste e refletida do solo e superfícies
junto ao solo) da radiação.
Rad.Inclin. – energia acumulada (mensal ou anual) da radiação solar global à face dos
coletores solares, por unidade de área (kWh/m²), portanto num plano inclinado. Note-se que
este valor não tem incluído o efeito dos modificadores de ângulo de incidência.
Desperdiçado – energia acumulada (mensal ou anual) que o sistema solar recolhe mas tem
de dissipar (kWh). O desperdício de energia recolhida surge quase sempre por se
ultrapassarem limites de temperatura de armazenamento de água em situações em que o
consumo é pequeno ou nulo. Este valor não deve ser confundido com as perdas térmicas em
depósitos, tubagens, etc.
Fornecido – energia acumulada (mensal ou anual) que o sistema fornece para consumo
(kWh). Trata-se de energia final útil, i.e. efetivamente entregue. Este valor é designado por
Esolar nos Regulamentos Energéticos para Edifícios, vd. Decreto-Lei no. 80/2006, de 4 de
Abril.
Carga – valor acumulado (mensal ou anual) da energia solicitada para consumo (kWh).
Apoio – energia acumulada (mensal ou anual) entregue para consumo pelo sistema de apoio,
ou auxiliar, para complementar a energia fornecida pelo sistema solar (kWh). Trata-se de
energia final útil; o valor de energia final correspondente será superior, e ainda mais o valor de
energia primária.
Fração solar – trata-se da percentagem de energia útil fornecida para consumo a partir de
radiação solar (razão “Fornecido” / “Carga” em valores anuais). É portanto a contribuição do
sistema solar em si para o consumo solicitado. A fração solar é a principal medida de avaliação
de desempenho em sistemas solares térmicos. Em geral procura-se atingir uma fração solar
(anual) entre 40% e 90%. Abaixo desta gama o sistema estará em geral subdimensionado;
acima desta gama é frequente que esteja sobredimensionado. No entanto, trata-se apenas de
valores guia para situações típicas. Em muitos casos, tais como cargas noturnas ou cargas
fortemente sazonais (concentradas no Verão ou no Inverno), esta indicação não é adequada.
De qualquer modo é sempre insuficiente usar a fração solar anual como critério único de
dimensionamento.
35
36
Capítulo 4 – ANÁLISE DE RESULTADOS E DISCUSSÕES
Após o desenvolvimento do modelo horário, esta secção introduz a análise dos
resultados.
O sistema testado consiste num sistema solar térmico com colector plano e um
depósito de água de 160L com apoio eléctrico.
Numa primeira fase são definidos os casos de consumo que servirão de teste ao
modelo. Numa segunda fase, o modelo desenvolvido, mas funcionando com resolução mensal
é comparado com o modelo implementado no Solterm. Finalmente, é aplicado o modelo horário
para os perfis de consumo descritos e é feita uma comparação em função da energia de apoio
que é efectivamente considerada no modelo e em função dos custos de diferentes tarifas,
como forma de representar o impacto da modelação horária na operação detalhada do
sistema.
4.1 Definição dos perfis de consumo
Nesta tese, consideramos 3 perfis de consumo que exigirão diferentes apoios de
energia, como podemos observar na figura seguinte:
Figura 24-Perfil de Consumo

No perfil 1 considerou-se o consumo repartido entre a manhã e a noite,
representativo de uma família de 2 adultos que tomam banho de manhã e 2
crianças que tomam banho ao final do dia, em conjunto com algumas lides
domésticas;
37

No perfil 2, temos um consumo sobretudo matinal de uma família de 2 adultos
e 2 jovens, onde as necessidades de consumo estão centradas no período da
manhã (120L) e algum consumo ao final do dia nas actividades domésticas.

No perfil 3, temos uma utilização ao longo do dia que representa famílias com
pessoas em casa a meio dia.
4.2 Validação do Modelo para uma resolução temporal mensal
Nesta secção vamos validar o modelo desenvolvido com o solterm, comparando os
valores mensais. Neste caso no nosso modelo dá sempre igual para qualquer dos perfis, pois
as contas são feitas com as mesmas necessidades térmicas globais para os 3 perfis (160 litros
por dia). Os dados específicos do sistema solar são os indicados na tabela 3.
Tabela 2-Dados de entrada. Lisboa
Propriedades do material
Colectores ESE
Módulos Painéis
5
Área [m2]
11,6
η0,n
0,8
ε
0,7
a1 [W/m2.K]
3,5
a2 [W/m2.K2]
0,016
α
45
βc
45
αs
90
αw
30
Consumo
VAQS [l]
40
TN
4
Ucc [W/m2.K]
1,8
38
Tabela 3-Resultados Solterm vs Modelo
Qfornecido [kwh]
Qnecessário [kwh]
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
SolTerm
206
207
223
238
239
227
235
236
Modelo
163
189
250
251
259
251
259
259
SolTerm
271
240
260
251
248
234
236
236
Modelo
259
234
251
251
259
251
259
259
SolTerm
65
33
37
13
9
7
1
0
Modelo
96
45
1
0
0
0
0
0
Set
222
251
229
251
7
0
Out
Nov
231
214
256
192
248
251
259
251
17
37
3
59
Dez
214
51
277
99
2692
265
2969
259
Total Anual
160
2738
Erro (%)
1,68
3048
2,5
Qapoio [kwh]
Fs
SolTerm
302
8,20
0,91
Modelo
0,90
1,1
Dos resultados apresentados na tabela 4, verifica-se que existe pequenas diferenças
mensais na energia absorvida e as necessidades térmicas. Isto deve-se ao facto de que como
no modelo, não foram contabilizadas as perdas de energias nas tubagens, nem tão pouco no
depósito propriamente dito, pelo que a energia fornecida no modelo é sempre maior do que o
Solterm e a realidade. Contudo, esta simplificação apresenta um erro de 1,68%.
Em relação às necessidades, as diferenças têm a ver com o facto de no modelo a água
na instalação é considerada sempre a mesma temperatura (15º C), o que não é verdade
para todos os meses, sendo maior nos meses de verão. Em particular o Solterm utiliza
valores diferentes do 15º C considerado no modelo Contudo, mais uma vez o erro é de apenas
2,5%.
No caso do apoio, as grandes diferenças têm a ver com os desperdícios de energia,
apresentando neste caso 25kWh de apoio a mais do que o Solterm, o que significa um erro de
8,2%.
De modo geral, nota-se que o valor da fração solar apresentam valores semelhantes.
Esta diferença deve-se a vários fatores, que afetam a fração solar de um sistema, tais como a
temperatura de utilização da água de consumo, o número de habitantes, volume consumido
por habitante por dia e ainda o volume do depósito.
Considera-se assim validade o modelo, com um erro inferior a 10%.
Tendo-se validado o modelo, os resultados apresentado na tabela 4, podem ser
explicadas nas três figuras seguintes, de como variam as energias fornecida pelos coletores, a
energia necessária, a energia do apoio e, bem como a fração solar do sistema. Estes gráficos
39
ilustram três casos que apresentam a distribuição da energia média mensal necessária para a
produção de um determinado volume de AQS com a respetiva contribuição dos coletores
solares, mas fazendo variar a o consumo de AQS.
A diferença entre ambas está na energia não fornecida pelos coletores solares que terá
que ser fornecida pelo apoio (sistema convencional de aquecimento). Os respetivos gráficos
mostram ainda que, nos meses de Verão, com o aumento da temperatura da água da rede, a
energia necessária para aquecer o mesmo volume de água é inferior quando comparada com
os meses mais frios, em contrapartida o apoio será maior nos meses mais frios do que nos
meses de verão. Fixando o valor 250 kWh de energia necessária como referência nos três
gráficos que ilustram os cenários descritos, é fácil observar as variações referidas.
Caso 1
Quando o consumo de AQS é o previsto no dimensionamento do sistema, os coletores
solares proporcionam a energia suficiente para suprir cerca de 80% das necessidades e
funcionam com um rendimento adequado. Neste exemplo, realizado para um consumo médio
diário de 160 litros de AQS, a energia necessária é de 3040 kWh/ano e a contribuição dos
coletores solares são de 2738 kWh/ano. A energia de apoio anual será neste caso de 302
kWh/ano, tendo uma fração solar de 0,90.
Figura 25-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 160 l
Este exemplo nos mostra um caso de sistema ligeiramente sobredimensionado, como descrito
anteriormente e representado na figura 15.
40
Caso 2
Figura 26-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 120 l
Quando o consumo é inferior ao previsto, a contribuição dos coletores solares também
será inferior, mas terá um maior impacto na contabilização total. No caso 2 como se pode ver
na figura 26, para um consumo diário de AQS de 120 litros, a energia necessária seria de 2280
kWh/ano, enquanto que os coletores contribuiriam com a mesma quantidade de 2738 kWh/ano,
o que representa mais de 100% das necessidades, significando assim que o sistema está
sobredimensionado. Nesta situação, as temperaturas de funcionamento seriam mais elevadas
e o rendimento dos coletores seria mais baixo e a fração solar muito acima da unidade. A
solução deste problema encontra-se na diminuição da energia absorvida, diminuindo a área
dos colectores.
Neste caso o sistema está sobredimensionado, pois a fracção solar apresenta um valor
acima dos 90%.
Caso 3
Finalmente, quando o consumo é superior ao previsto, os coletores solares
proporcionam mais energia, embora a sua contribuição no total seja menor. Na figura 26, para
um consumo de 200 litros por dia, a energia necessária seria de 3800 kWh/ano, sendo
constante a contribuição dos coletores solares, 2738 kWh/ano, o que representara cerca de
70% de satisfação das necessidades pelo sistema solar. As temperaturas de funcionamento
são mais baixas e o rendimento dos coletores tendem a aumentar. A energia de apoio também
terá um acréscimo significativo passando a ter um valor de 694 kWh/ano.
41
Figura 27-Necessidade energética anual para AQS, consumo de 200 l
Das análises feitas para os três casos, podemos concluir que os consumos possuem
grande influência directa nos benefícios energéticos dos painéis solares. A Tabela 4 quantifica
e resume todos estes resultados.
Tabela 4-Resultados referentes aos casos analisados
Qfornecido [kwh]
Jan
Fev
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Set
Out
Nov
Dez
Total Anual
Caso 1 Caso 2 Caso 3
163
163
163
189
175
189
250
188
250
251
188
299
259
194
324
251
188
313
259
194
324
259
194
324
251
188
313
256
194
256
192
188
192
160
160
160
3106
2738
2215
Qnecessário [kwh]
Caso 1
259
234
251
251
259
251
259
259
251
259
251
259
3040
42
Caso 2
194
175
188
188
194
188
194
194
188
194
188
194
2280
Caso 3
324
292
313
313
324
313
324
324
313
324
313
324
3800
Qapoio [kwh]
Caso 1
96
45
1
0
0
0
0
0
0
3
59
99
302
Caso 2
31
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
34
65
Caso 3
160
104
63
14
0
0
0
0
0
68
121
164
694
4.3 Resultados para o modelo de resolução horária
Nesta secção vamos fazer uma análise dos resultados para o modelo horário,
considerando os 3 perfis de consumo representado na figura 24, para todas estações do ano.
4.3.1 Inverno
kWh/dia
Perfil 1
3,5
3
2,5
2
Energia Necessária
Energia Acumulada
1,5
Energia de Apoio
1
0,5
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
t [h]
Figura 28-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil1)
kWh/dia
Perfil 2
3,5
3
2,5
2
Energia Necessária
Energeia Acumulada
1,5
Energia de Apoio
1
0,5
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
t [h]
Figura 29-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil2)
Os perfis 1 e 2, apresentam períodos de consumo semelhantes, mas diferem no volume de
consumo. É de notar que das 10 as 19h em qualquer dos casos não há necessidade de
43
consumo, mas existe no entanto radiação suficiente para neste casos que toda energia
captada seja então armazenada até atingir a temperatura limite, sendo o resto dissipada, que
não é o caso.
kWh/dia
Perfil 3
3,5
3
2,5
Energia Necessária
2
Energia Acumulada
1,5
Energia de Apoio
1
0,5
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
t [h]
Figura 30-Disponibilidade energética dia de inverno (perfil3)
Neste perfil, diferente dos outros, temos necessidade energética no período de elevada
radiação. Contudo, devido à fraca radiação deste dia em particular, o apoio ainda é totalmente
necessário, consumindo-se totalmente a energia captada pelo coletor, e a restante fornecida
pelo sistema de apoio.
Desde o começo do dia, todo o calor necessário ao aquecimento é fornecido pelo
sistema de apoio, mas a partir dum certo período da figura a radiação solar já começa a incidir
sobre o painel, embora insuficiente, e servirá no entanto para aquecer o sistema frio. No fim do
dia, quando a radiação começa a diminuir, as necessidades de calor voltam a ser fornecidas
pelo sistema de apoio. Como se pode observar, não existe energia acumulada ao meio dia,
diferente dos gráficos 28 e 29, isto deve-se ao facto de se estar a consumir ao mesmo tempo
que se acumula.
44
4.3.2 Primavera
kWh/dia
Perfil 1
4,5
4
3,5
3
2,5
Energia Necessária
2
Energia Acumulada
Energia de Apoio
1,5
1
0,5
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
t [h]
Figura 31-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil1)
kWh/dia
Perfil 2
4,5
4
3,5
3
2,5
Energia Necessária
2
Energia Acumulada
Energia de Apoio
1,5
1
0,5
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
t [h]
Figura 32-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil2)
45
kWh/dia
Perfil 3
4,5
4
3,5
3
2,5
Energia Necessária
2
Energia Acumulada
Energia de Apoio
1,5
1
0,5
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
t [h]
Figura 33-Disponibilidade energética dia de primavera (perfil3)
Na primavera, tipicamente num dia de maio ou princípio de junho a radiação solar
aparece mais cedo e é mais elevada do que a do inverno. Neste caso, como se pode observar
nas figuras 30, 31 e 32, houve maior acumulação de energia dos dias anteriores, resultando
assim numa menor necessidade de recurso a energia de apoio.
4.3.3 Verão
kWh/dia
Perfil 1
9
8
7
6
5
Energia Necessária
4
Energia Acumulada
3
Energia de Apoio
2
1
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
t [h]
Figura 34-Disponibilidade energética dia de verão (perfil1)
46
kWh/dia
Perfil 2
9
8
7
6
5
Energia Necessária
4
Energia Acumulada
3
Energia de Apoio
2
1
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
t [h]
Figura 35-Disponibilidade energética dia de verão (perfil2)
kWh/dia
Perfil 3
9
8
7
6
5
Energia Necessária
4
Energia Acumulada
Energia de Apoio
3
2
1
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
t [h]
Figura 36-Disponibilidade energética dia de verão (perfil3)
Diferente das outras estações, o verão é estação com maior radiação solar. Para além
disso, a radiação começa mais cedo do que qualquer outra estação. Nesta estação há maior
acumulação de energia, e consequentemente maior dissipação de calor devido a elevada
radiação solar. Nas primeiras horas do dia, entre 0 e 8h, as necessidades são fornecidas pela
quantidade armazenada no dia anterior ou pelo sistema de apoio, caso necessário. A partir
das 8h, já se começa a sentir a radiação solar, isto é, o sistema solar já começa a
proporcionar certa quantidade de energia necessária para satisfazer totalmente os consumos.
47
4.3.4 Outono
Perfil 1
6
5
4
Energia Necessária
3
Energia Acumulada
Energia de Apoio
2
1
0
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23
Figura 37-Disponibilidade energética dia de outono (perfil1)
Perfil 2
6
5
4
Energia Necessária
3
Energia Acumulada
Energia de Apoio
2
1
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
Figura 38-Disponibilidade energética dia de outono (perfil2)
48
Perfil 3
6
5
4
Energia Necessária
3
Energia Acumulada
Energia de Apoio
2
1
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324
Figura 39-Disponibilidade energética dia de outono (perfil3)
No outono, como podemos observar a partir dos gráficos 45, 46 e 47, existe uma mínima
necessidade de recurso a energia de apoio, semelhante a primavera. Cerca de 40% das
necessidades energética do primeiro período do dia são supridas pela energia acumulada no
dia anterior.
4.4 Comparação de resultados: Modelo horário vs mensal
A tabela 6 sumariza os resultados indicados na tese. Como se pode observar, as
necessidades de apoio aumentam significativamente quando se considera uma resolução
temporal horária.
Tabela 5-Comparação de resultados
Total Anual
Mensal
[kWh]
Horário
Solterm
Modelo
Perfil 1
Perfil 2
Perfil 3
Qfornecido
2692
2738
2733
2733
1920
Qnecessário
2669
3040
3066
3066
3066
Qapoio
277
302
539
545
717
Fração Solar
0,91
0,9
0,89
0,89
0,62
Como podemos observar na tabela 6, não há diferenças significativas na energia
fornecida entre o modelo mensal e horário, nos perfis 1 e 2. Contudo para o perfil 3 já existem
diferenças significativas. Isto deve-se ao facto de que no modelo horário, a energia é
acumulada de hora em hora, e quando não é utilizada, ou seja quando se excede a
49
temperatura requerida, há mais necessidades de dissipação de energia, motivo pela qual temse maior energia de apoio no modelo horário do que no mensal. No geral, em termos de fração
solar existe apenas divergência no perfil 3, devido ao consumo de energia nas horas de
elevada radiação.
Em termos de custos de energia, podemos observar que a tarifa simples venha ser
mais económico do que as restantes tarifas, sendo a tarifa tri-horária menos económica como
se pode observar na tabela abaixo representada. Os preços relativamente ao total anual são
maiores no perfil 3 e menores no perfil 1, isto porque, como anterior calculado, a energia de
apoio é maior no perfil 3 e menor no perfil 1, tendo o perfil 2 valores semelhantes ao perfil
devido a semelhança no período de consumo de energia diária.
Tabela 6-Avaliação de custos
Custo [€/dia]
Inverno
Primavera
Verão
Outono
Total Anual
[€]
Perfil 1
Tarifa Simples
Tarifa Bi-horária
1,102675
1,227745
0,351373
0,391228
0
0
0,187001
0,208211
75,09
83,60
Perfil 2
Tarifa Tri-horária
Tarifa Simples
Tarifa Bi-horária
1,240305
1,102675
1,227745
0,402435
0,587964
0,654653
0
0
0
0,229019
0,187001
0,208211
84,27
75,98
84,60
Perfil 3
Tarifa Tri-horária
Tarifa Simples
Tarifa Bi-horária
1,240305
1,102675
1,227745
0,671108
0,208009
0,231602
0
0
0
0,229019
0,187001
0,208211
87,12
99,93
111,26
Tarifa Tri-horária
1,210155
0,240326
0
0,229019
112,85
50
Capítulo 5 – CONCLUSÃO E TRABALHO FUTURO
Os sistemas solares térmico permitem o aquecimento de águas sanitárias através do
aproveitamento da energia proveniente do sol. Portugal tem condições excelentes para o
aproveitamento desta fonte de energia, pelo que a utilização de coletores solares para o
aquecimento de águas sanitárias permite uma diminuição dos custos energéticos e dos
impactes ambientais e a sua utilização tem vindo a crescer significativamente nos últimos anos.
Num contexto onde a optimização do sistema com vista à maximização da sua
eficiência técnica e económica, os sistemas solares térmicos podem ainda desempenhar um
papel adicional, ainda que indirecto, na integração de energias renováveis na geração de
energia eléctrica. Em geral, nos meses de inverno, os sistemas solares térmicos necessitam de
outra fonte de energia para apoiar o aquecimento de águas sanitárias, em geral gás ou
electricidade. No caso do apoio ser eléctrico, o sistema solar térmico pode então ser utilizado
como sistema de armazenamento indirecto, ao utilizar o apoio quando à produção em excesso
de energias renováveis na rede e assim evitar a sua utilização em períodos do dia onde a
utilização de energia para apoio seja menos interessante. A utilização do solar térmico nesta
vertente pode ser vantajosa em edifícios residenciais com geração de electricidade no local e
assim optimizar o consumo de energias para uma situação de “casas de balanço zero”.
Para utilizar os sistemas solares térmicos desta forma, é necessário ter um modelo de
funcionamento com uma resolução temporal pelo menos horária, quando em geral os modelos
disponíveis consideram resoluções temporais mensais (e.g. Solterm). Assim, esta tese
apresentou a modelação de um sistema solar térmico convencional para utilização no sector
residencial com resolução horária e compara os resultados do modelo com o software de
referência para Portugal, o Solterm.
A tese apresentou ainda uma análise ao impacto do consumo de electricidade no apoio
para diferentes estações do ano e considerando diferentes perfis de consumo de águas
quentes sanitárias, demonstrando através do impacto nos custos que a utilização de um
modelo de resolução horária tem um impacto significativo na análise da operação do sistema.
Sugere-se como trabalho futuro, o desenvolvimento do modelo de forma a incluir as
perdas nas tubagens e no depósito, de forma a tornar o modelo ainda mais realista, reduzindo
as actuais margens de erro.
51
52
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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53
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54
Anexo A: Fundamentos sobre energia solar
O sol é a maior fonte de energia disponível para Terra. A energia solar é indispensável não
só como fonte de energia, mas também para a existência de vida na Terra, sendo o
responsável para a realização de processos químicos e biológicos. É a fonte de energia que
controla a circulação da atmosfera. O Sol emite energia em forma de radiação eletromagnética,
da qual uma parte é intercetada pelo sistema Terra-atmosfera e convertida em outras formas
de energia como, por exemplo, calor e energia cinética da circulação atmosférica. É importante
notar que a energia pode ser convertida, mas não criada ou destruída. É a lei da conservação
da energia. Por outro lado, a energia Solar é das mais “amiga do ambiente”, podendo ser
utilizada de diversas maneiras.
No centro do Sol ocorre um processo de fusão nuclear, no qual dois núcleos de
hidrogénio se fundem com um de hélio, radiando para o espaço uma grande quantidade de
energia. Esta energia é radiada para o espaço em forma de ondas eletromagnéticas. Tendo em
conta que o Sol se encontra aproximadamente a 143 milhões de quilómetros da Terra, apenas
uma pequena fração da energia irradiada está disponível. No entanto a energia fornecida pelo
Sol durante um quarto de hora é superior à energia utilizada, a nível mundial, durante um ano.
Figura 40-Raios solar consequente da fusão nuclear no centro do sol
(Fonte: Google.pt)
O sol, com aproximadamente 5 biliões de anos segundo os astrofísicos e com uma
expetativa de existência de 10 biliões de anos, pode ser considerado como fonte de energia
para os próximos 5 biliões de anos. Assim, de uma perspetiva humana o sol apresenta uma
disponibilidade ilimitada. A energia solar não é distribuída igualmente sobre a Terra. Esta
distribuição desigual é responsável pelas correntes oceânicas e pelos ventos que,
transportando calor dos trópicos para os polos, procuram atingir um balanço de energia.
i
Radiação Solar
A energia irradiada pelo sol, para a atmosfera terrestre é praticamente constante. Esta
mesma energia irradiada pode ser denominada como constante solar por unidade de área num
plano perpendicular aos raios solar. Ela está sujeita a pequenas alterações, provocadas pela
variação da atividade solar (sun spots) e com a excentricidade da órbita da Terra. Estas
variações detetam-se na gama dos raios ultravioletas (UV) e chegam a ser menores que 5%, e
não são significativas para as aplicações de tecnologia solar. O valor médio da constante solar
é E0 = 1367 W/m².
Segundo os dados astronómicos, sabe-se que a energia solar disponível na Terra é muito
variável. Para uma determinada localização esta variação depende da latitude geográfica, do
ano e do dia. Devido à inclinação do eixo da Terra os dias de verão são maiores que os dias de
inverno, e as altitudes solares que o sol atinge são mais elevadas nos meses de verão do que
no inverno.
A radiação solar possui duas componentes: a radiação solar direta (
), proveniente do
sol, que atinge a terra sem qualquer mudança de direção e a radiação difusa (
), que
chega aos olhos do observador através da difusão de moléculas de ar e partículas de pó. Na
radiação difusa inclui-se também a radiação refletida pela superfície terrestre. A soma das duas
radiações (difusa e direta) equivale à radiação solar global
.
. Esta equação,
caso não sejam referidas outras condições, refere-se à radiação sobre uma superfície
horizontal. (GreenPro, 2004)
Figura 41-Radiação solar.
(Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004)
ii
Na posição vertical do Sol, em relação a uma determinada localização, a radiação solar
efetua o caminho mais curto através da atmosfera. Por outro lado, ao posicionar-se a um
determinado ângulo (menor que 90º), a radiação efetuará um caminho mais longo, sofrendo a
radiação solar uma maior absorção e difusão e, estando disponível uma menor intensidade de
radiação. A medida do número de vezes que o caminho da luz solar até à superfície da terra
corresponde à espessura de uma atmosfera denomina-se fator “Massa de Ar” (MA). Com o
Sol numa posição vertical (
) O fator massa de ar apresenta um valor
unitário (MA = 1). Mas quando a radiação solar no espaço não sofre influência da atmosfera
terrestre o fator massa de ar apresenta um valor nulo (MA = 0). A intensidade da radiação solar
ao passar pela atmosfera terrestre também sofre reduções devido a:

Reflexão causada pela atmosfera;

Absorção através de moléculas na atmosfera (

Difusão de Rayleigh (difusão de moléculas de ar);

Difusão Mie (difusão de partículas de pó e contaminação do ar).
,
,
,
);
A figura 5 representa o espectro da radiação solar para diferentes comprimentos de onda. O
espectro da radiação solar está próximo do de um corpo negro com uma temperatura
aproximadamente à 5800ºK. Aproximadamente 50% desta radiação situa-se na parte visível de
ondas curtas do espectro eletromagnético e a outra metade encontra-se sobretudo na zona dos
quase-infravermelhos, Uma pequena parcela está ainda na área ultravioleta do espectro.
Quando a radiação ultravioleta não é absorvida pela atmosfera (ou por outro género de
proteção) pode provocar uma alteração na pigmentação da pele.
Figura 42-Espectro da radiação solar.
(Fonte: www.wikienergia.pt)
iii
A radiação solar na terra apresenta-se como luz do dia quando o Sol está acima da linha do
horizonte. Isto acontece durante o dia, e não só, durante as noites de Verão nos pólos (mas
nunca durante o Inverno). Quando a radiação direta não é bloqueada pelas nuvens, a perceção
de uma luz brilhante muito forte é associada ao aquecimento do corpo, do solo e de outros
objetos (que dependem da absorção da radiação). A distribuição da intensidade da radiação
solar varia igualmente segundo a estação e a latitude. Assim, a latitudes de 65º a diferença da
energia solar entre o Inverno e o Verão pode variar mais de 25% em resultado da variação
orbital da Terra. (Museu da eletricidade, 2008)
A nebulosidade ou o estado do céu é o segundo fator decisivo depois das condições
astronómicas, a afetar a disponibilidade da radiação solar. A energia irradiada tal como a
quantidade de radiação difusa e direta varia com a quantidade de nuvens.
Figura 43-Irradiação solar global e os seus componentes para diferentes condições do céu.
(Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004)
Em Portugal o valor do somatório da média anual da irradiação solar global - valor importante
para o dimensionamento de sistemas solares - encontra-se entre aproximadamente 1400
2
2
kWh/m em Vila Real (norte) e 1700 kWh/m em Faro (Sul) com um incremento de Norte para
Sul. No entanto a variação da radiação solar útil entre o Sul e o Norte de Portugal, aproveitada
por um sistema solar para aquecimento de água, não é significativa.
Movimentos da Terra, Estações
A Terra possui dois movimentos principais: rotação e translação. A rotação é o
movimento que a terra faz em torno do seu eixo, e, é responsável pelo ciclo dia-noite.
A translação refere-se ao movimento da Terra em sua órbita elíptica em torno do Sol. A
posição
mais
próxima
ao
Sol
denomina-se
Perihélio
6
(147*10
km),
é
atingido
6
aproximadamente em 3 de janeiro. A mais distante denomina-se Afélio (152*10 km), em
aproximadamente 4 de julho. As variações na radiação solar recebida devidas à variação da
distância são pequenas. A figura 7 mostra-nos o plano da elíptica, na qual a Terra efetua os
seu movimentos em relação ao sol.
iv
Figura 44-Plano da eclíptica.
Fonte: Energias Renováveis, IST
As estações são causadas pela inclinação do eixo de rotação da Terra em relação ao eixo
perpendicular ao plano definido pela órbita da Terra (plano da eclíptica, Fig. 44). Esta
inclinação é representada por um ângulo chamado de declinação solar ( ), ângulo entre o
plano equatorial e o plano da elíptica e tem valor absoluto aproximado de
e
nos solstícios
nos equinócios. Na figura seguinte (fig. 45) estão também representadas as estações do
ano para ambos os hemisférios (sul e norte). No caso concreto de Portugal temos as seguintes
estações:

Primavera: 21 de Março a 21 de Junho

Verão: 21 de Junho a 23 de Setembro

Outono: 23 de Setembro a 21 de Dezembro

Inverno: 21 de Dezembro a 21 de Março
Figura 45-Estações do ano a nível mundial.
Fonte: MAGNOLI, D.; SCALZARETTO. R. Geografia, espaço, cultura e cidadania. São Paulo: Moderna, 1998. v. 1.
(adaptado)
v
Devido a inclinação, a orientação da Terra em relação ao Sol muda continuamente
enquanto a Terra gira em torno do Sol. O Hemisfério Sul inclina-se para longe do Sol durante o
inverno e em direção ao Sol durante verão. Isto significa que a altura solar, o ângulo de
elevação do Sol acima do horizonte, (ver sistema de coordenadas horizontais na Fig. 46) para
uma dada hora do dia (por exemplo, meio dia) varia no decorrer do ano. No hemisfério de
verão as alturas Solar são maiores, os dias são mais longos e há mais radiação solar. No
hemisfério de inverno as alturas Solar são menores, os dias mais curtos e há menos radiação
solar.
Figura 46-Coordenadas Horizontais
(Fonte: http://fisica.ufpr.br/)
Figura 47-Coordenadas Geográficas
(Fonte: http://fisica.ufpr.br/)
vi
A quantidade total de radiação solar recebida depende não apenas da duração do dia
como também da altura do Sol. Como a Terra é curva, a altura do Sol varia com a latitude (ver
sistema de coordenadas geográficas na Fig. 47), Isto pode ser visto na Fig 48. A altura do Sol
influencia a intensidade de radiação solar, ou irradiância, que é a quantidade de energia que
atinge uma área unitária por unidade de tempo (também chamada densidade de fluxo).
Primeiro, quando os raios solar atingem a Terra verticalmente, eles são mais concentrados.
Quando menor a altura solar, mais espalhada e menos intensa a radiação (Figura 48).
Segundo, a altura do sol influencia a interação da radiação solar com atmosfera. Quando a
altura do sol diminui, o percurso dos raios solar através da atmosfera aumenta (Figura 48) e a
radiação solar sofre maior absorção, reflexão ou espalhamento, o que reduz sua intensidade
na superfície.
Figura 48-Variação da altura do Sol com a latitude.
(Fonte: http://fisica.ufpr.br/)
Há 4 dias com especial significado na variação anual dos raios solares em relação à
Terra. No dia 21 ou 22 de dezembro os raios solares incidem verticalmente (
) em
23°27’S (Trópico de Capricórnio). Este é o solstício de inverno para o Hemisfério Norte (HN).
Em 21 ou 22 de junho eles incidem verticalmente em 23°27’N (Trópico de Câncer). Este é
o solstício de verão para o HN. A meio caminho entre os solstícios ocorrem os equinócios (dias
e noites de igual duração). Nestas datas os raios verticais do Sol atingem o equador (latitude =
0°). No HN o equinócio de outono ocorre em 22 ou 23 de setembro e o de primavera em 21 ou
22 de março. As direções relativas dos raios solares e a posição do círculo de iluminação para
essas datas estão representadas na Fig. 49.
vii
Figura 49- Características dos solstícios e equinócios
(Fonte: http://fisica.ufpr.br/)
A incidência de raios verticais do sol, portanto, ocorre entre 23°27’N e 23°27’S. Todos
os locais situados na mesma latitude tem idênticas alturas do Solar e duração do dia. Se os
movimentos relativos Terra-Sol fossem os únicos controladores da temperatura, estes locais
teriam temperaturas idênticas. Contudo, apesar da altura do Sol ser o principal controlador da
temperatura, não é o único. (Universidade Federal do Paraná)
viii
Influência da orientação
Os dados e figuras que se apresentaram até agora, referem-se a uma superfície horizontal
recetora, p.e. um telhado em forma de terraço. Para diferentes ângulos de incidência do sol ao
longo do ano, a uma determinada latitude, existe um valor máximo de radiação produzida que
poderá ser obtida se a superfície recetora estiver inclinada a um determinado ângulo. O ângulo
de inclinação ótimo, para os meses de Inverno (menor radiação) é maior que no Verão por
causa da menor altura solar. Para a tecnologia solar são usados os seguintes ângulos:
Tabela 7-Ângulos utilizados em tecnologia solar.
(Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004)
Altura Solar
Azimute Solar
Inclinação Superficial
Azimute Superficial
Figura 50-Descrição dos ângulos para a tecnologia solar.
(Fonte: GreenPro, Manual de Solar Térmico, 2004)
ix
x
Anexo B: Informações complementares de sistemas solar
térmicos
Define-se sistema solar térmico como um equipamento que aquece a água a partir do Sol.
Este sistema possui duas componentes essenciais: o coletor solar para captação da energia
solar e o depósito para armazenamento de água quente. Estes dois componentes podem ser
interligados com ou sem bomba de circulação, dependendo da possibilidade de colocar ou não
o depósito de acumulação a um nível mais elevado que o coletor solar.
Os sistemas solares mais utilizados para aquecimento solar de águas sanitárias, no sector
doméstico são:
i) Os monoblocos - sistemas compactos em que a captação e o armazenamento formam uma
unidade, com ou sem utilização de bomba de circulação; estes sistemas destinam-se a
satisfazer as necessidades de água quente de uma família.
ii) Os sistemas coletivos - sistemas que servem para mais de uma família num mesmo
edifício.
Os sistemas solar térmico são também classificados em função de vários parâmetros,
dentre eles: A movimentação do fluido, número de circuitos existentes, fixo ou orientável, forma
de aquecimento de apoio e a forma como é garantido o não funcionamento quando as
condições exteriores são adversas (evitar sobreaquecimento ou congelação da água no
sistema).
Quanto a transferência do calor, podem realizar-se de duas maneiras: circulação forçada
através da instalação de uma bomba ou circulação natural (termosifão). A escolha do tipo de
sistema depende da carga energética a cobrir e da possibilidade de colocar o depósito a um
nível superior ou inferior aos coletores. Normalmente o sistema de termossifão é aconselhado
para pequenas instalações e o sistema de circulação forçada para instalações médias ou
grandes. (Roriz, Rosendo, Lourenço, Calhau, & Morais, 2010)
Sistema passivo (Circulação natural ou Termosifão)
A circulação natural ou Termosifão é o sistema em que circulação é feita por gravidade,
ou seja o depósito encontra-se a um nível superior ao coletor solar. Neste caso, o fluido em
contacto com o absorsor (coletor) aquece e a sua densidade diminui, o que permite a sua
ascensão até ao depósito sendo substituído no interior do coletor pelo fluido de transferência
térmica mais frio, proveniente do fundo do depósito. Desta forma estabelece-se um processo
natural de circulação do fluido. Este sistema é aconselhável para pequenas instalações, é um
sistema autorregulado, isento de componentes mecânicas ou controlos eletrónicos e não
consome energia adicional. A sua instalação é menos dispendiosa e não está sujeita a avarias
mecânicas. Em contrapartida tem a inconveniência da possibilidade de inversão do sentido de
circulação do fluido durante a noite, o que consequentemente causa o arrefecimento do fluido
do depósito. No entanto este problema pode ser facilmente ultrapassado colocando um
xi
desnível na ordem dos 30 cm entre o coletor e o depósito ou instalando válvulas antirretorno.
Para além disso, a instalação de depósito a um nível superior ao coletor pode nalguns casos
ser problemática, em termos da garantia do máximo de tempo de exposição à radiação solar.
(Concurso Solar: Padre Himalaya, 2004)
Figura 51-Circuito termosifão.
(Fonte: concurso solar, Padre Hymalaia)
A circulação em termosifão é autorregulada, estabelecendo-se sempre que existe suficiente
irradiação:

Fluido térmico nos coletores aquece, tornando-se menos denso e subindo do coletor
para o depósito.

Fluido térmico dentro do depósito arrefece e desce para os coletores.
Sistema Ativo (Circulação forçada)
A circulação deste sistema é forçada através de uma bomba acionada por uma
centralina (central de controlo ligada a vários sensores) para otimizar a gestão e eficiência do
sistema solar. Os sistemas solares com circulação forçada, além dos componentes já referidos
para o termossifão (painéis e depósito), são ainda compostos por: um grupo de circulação, uma
centralina de controlo, sondas, purgadores e vaso de expansão do circuito fechado. Se for um
sistema com alguma dimensão, de apoio ao aquecimento central ou para aquecimento de
piscinas poderá ter um depósito de inércia e permutadores de placa.
xii
Figura 52-Circulação forçada.
(Fonte (Adaptação): concurso solar, Padre Hymalaia)
Como vantagens relativamente ao termossifão, salienta-se o facto de ser mais
agradável visualmente, pois não tem o depósito por cima dos painéis, e como está
normalmente dentro de uma divisão da habitação mantém mais facilmente a temperatura,
as desvantagens são a distância das tubagens que transportam o fluido térmico e o preço.
É de salientar que um sistema solar bem dimensionado, seja termossifão ou forçado
pode satisfazer até 75% das necessidades anuais de água quente sanitária de uma habitação,
estando a utilizar uma energia inesgotável e limpa, que não provoca emissões de gases
nocivos. Tendo em conta que o sol não está sempre presente, é sempre necessário um
sistema de apoio a energia solar. Este apoio poderá ser uma caldeira, um esquentador ou uma
resistência elétrica, que entram em funcionamento nos dias sem sol e aquecerão a água até a
temperatura pretendida. (GrauSolar, 2011)
xiii
Sistema Direto e Indireto
Estes sistemas são classificados em função do número de circuitos que possuírem:
Figura 53-Sistema direto e Indireto.
(Fonte: Climatização de edifício, Luís Roriz, 2008-2009)

Nos sistemas diretos a água potável que é utilizada no edifício percorre o painel solar.

Nos sistemas indiretos, os circuitos do painel solar e das águas sanitárias são distintos.
É possível efetuar o tratamento da água que circula no painel tendo em vista a
preservação dos equipamentos (uso de inibidores, uso de anticongelante, regulação do
pH da água).
xiv
xv