Análise do desempenho térmico do sistema solar de aquecimento de água através do uso de colector plano

1. Introdução

O Sol é a principal fonte de energia terrestre e essa energia chega à superfície terrestre podendi ser aproveitada de forma limpa, activa e de diversas maneiras. No entanto, com a necessidade do uso da água quente, em Moçambique tem-se recorrido ao sistema de aquecimento de água usando a corrente eléctrica como para responder as necessidades energéticas dos consumidores de água aquecida.

Um problema principal que é especulado e enfrentado nas residências e instituições de acomodação de hóspedes, como hotéis, é o maior custo de energia eléctrica necessária para o aquecimento de água para o uso sanitário dos residentes que lá se encontram. Segundo (Sinigaglia, 2014), com a utilização da energia solar térmica pode-se diminuir o consumo de energia eléctrica, contribuindo para a sustentabilidade do planeta.

Todavia, como forma de resolução da situação, nos últimos anos tem-se recorrido ao uso de dispositivos que facultam a obtenção da água quente, os chamados colectores solares térmicos (Fábio N., 2012). Os colectores solares são empregues em sistemas de aquecimento de água e, estes sistemas vêm sendo os de menos custos pós usam uma fonte natural de energia renovável que é o Sol. Através dos colectores solares é feito um aproveitamento da radiação solar para o aquecimento da água que é posteriormente utilizada para diferentes fins (Oliveira, 2014).

Entretanto, este artigo traz uma sensibilização sobre o uso de uma forma limpa de aproveitamento da energia solar através do sistema térmico para o aquecimento de água. Por outro lado, o estudo feito tinha como objectivo analisar o desempenho do sistema solar constituído por um colector solar plano selectivo na producao da energia calorifica para o conforto termico. Para tal, foi determinada a potencia util desenvolvida pelo colector solar, sua eficiencia e a curva caracterisitica do colector solar termico.

2. Revisao da literatura

2.1. Colector solar termico

É um dispositivo principal do sistema solar responsável pela captação da radiação electromagnética proveniente do Sol, convertendo-a em energia térmica que esta é posteriormente transferida para o fluido de trabalho como água, ar e fluido térmico (Viegas, 2016).

Actualmente existem diferentes tipos de colectores solares e a sua escolha depende principamente da temperatura de operacao requerida. Para este estudo, foi selecionado o colector solar plano dentre varios tipos como colectores de tubos de vacuo, e concentradores parabolicos compostos(CPC).

Em termos do rendimento, este colector apresenta valores por volta dos 70% e esta percentagem se deve substancialmente às propriedades radioactivas da superfície absorvedora do colector e do seu revestimento e isolamento termico (Carreto, 2016). Os colectores solares planos possuem uma faixa de temperatura de aquecimento de água com valores entre 30 ºC e 80 ºC e estes sao de baixas temperaturas quando comparadas ao colectores de tubos evacuados e os CPC (Maranhão, 2014).

2.2. Configuração dos sistemas solares térmicos

2.2.1. Circulação natural

É um sitema na qual a agua aquecida circula dentro do sistema de forma natural atraves da gravidade. Neste sistem, a água eh aquecida por convecção proporcionando uma diferença de densidade do fluido devido ao aumento de temperatura do mesmo (Cusseiala, 2013).

A agua que se encontra em circulacao dentro do colector solar torna-se menos densa com o aumento da temperatura e desloca-se ate a parte superior do conservatoria (termoacumulador). Por outro lado, a agua fria sendo a mais densa desloca-se do acumlador ate a parte mais baixa do colector solar e eh novamente aquecida reiniciando o ciclo de aquecimento, figura 2 (Pires, 2014).

(imagens de circulacao natural e forcada)

Figura 2. a) Sistema de circulacao natural; b) sistema de circulacao forcada

2.2. Sitema de circulacao fornacada

Neste sistema, a circulação faz-se com recurso a equipamento mecânico (uma bomba de circulacao) proporcionando assim um rendimento superior, gerido por um controlador diferencial e do grupo de circulação (circulação do fluido) figura 3.

2.3. Análise energética do colector solar

2.3.1.Determinação da potência útil e da eficiência do colector

Durante a conversao da energia solar em termica é desenvolvida a energia necessária para o aquecimento da água, proporcionando assim uma eficiência térmica do mesmo. Entretanto, a equação que governa o desempenho térmico do colector solar é generalizada e descreve a aplicação do princípio da conservação de energia em regime permanente, equação de Hottel-Whilier, equacao abaixo.

(colocar equacao do balanco energetico)

(desigacao dos paramentros)

2.3.2. Eficiência do colector e sua curva característica

A eficiência é a razão entre a energia útil pela disponível, assim, dividindo-se a energia útil pela energia solar incidente no plano do colector, obtém-se a eficiência em função da temperatura média, como mostra a equação (2.3) (Rosa, Manea, & Krenzinger, 2013).

A curva característica de funcionamento do colector é uma função da temperatura média, da temperatura ambiente e da radiação, como é expressa na equação abaixo (Cerveira, 2012).

(equacao de eneficiencia)

3. Metodolodia

Para o estudo e análise do sistema solar térmico, foram utilizados os seguintes materiais: colector solar plano de placa selectiva, termopares tipo K para a medicao das temperaturas, computador com Software Labview, data logger e um reservatorio termico.

O estudo realizado foi de caracter experimental e o método utilizado no trabalho foi o método quantitativo. O estudo foi feito na cidade de Maputo na Universidade Eduardo Mondlane localizada na Av. Julius Nyerere, número 3453, Campus Principal com as seguintes coordenadas: Lat: 25º57’ S Long: 32º,34’E.

(imagem do local)

3.1. Montagem do sistem solar termico

Para a realizacao do estudo, foi montado o sistema solar termico constituido pela estrutura de suporte, colector solar e o termo acumulador como mostrado na figura abaixo.

(imagem do sistema solar - com desenho)

3.2. Medicao dos paramentros

Para a medicao da temperatura do sistem, foram colocados os termopares sobre a superficie frontal do colector, no interior do reservatorio, na entrada e saida do colector para a medicao da temperarutura de entrada e saida respectivamente. Por outro lado, foi medida a radiação solar através do uso do painel solar com calibração de 0,03632 V com erro 0.06 o que faz a conversão da tensão produzida em valores de radiação.

Por outro lado, os dados dos parametros medidos foram processados e registados atraves do datalogger. Para a medicao da vazao volumetrica, foi usado o metodo de directo de medicao que consiste na medicao do tempo necessario t para o enchimento de um reservatorio de 10L.

3.3. Determinação da energia útil e do rendimento térmico do colector

Para a determinação dos mesmos, foram utilizadas as equações de conservação de energia (eq. 2.15) a equação de Hottel-Whilier-Bliss e da eficiência (eq. 2.17).

4. Resultados e discussão

5. Conclusão e recomendação

5.1. Referecias bibliograficas