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MANUAL INSTALADORES DE SISTEMAS SOLARES TRMICOS
Manual para Instaladores
de
Sistemas Solares Trmicos
Manual Instalador de Sistemas Solares Trmicos
Bosch Termotecnologia, SA 2
INDCE
1. INTRODUO...................................................................................................................... 6
1.1. Portugal e a energia solar trmica................................................................................... 6
1.2. Enquadramento legal....................................................................................................... 8
2. CONCEITOS DE FSICA...................................................................................................... 9
2.1. Introduo........................................................................................................................ 9
2.2. Grandezas ....................................................................................................................... 9
2.3. Mecnica........................................................................................................................ 11
2.4. Hidrulica....................................................................................................................... 11
2.5. Termodinmica .............................................................................................................. 13
2.6. Electricidade .................................................................................................................. 16
3. CONCEITOS SOLARES .................................................................................................... 17
3.1. Radiao........................................................................................................................ 17
3.2. Movimento Terra-Sol ..................................................................................................... 19
3.3. Curvas de Penalizao.................................................................................................. 21
3.4. Determinao de Sombras............................................................................................ 23
4. TIPOS DE SISTEMAS SOLARES TRMICOS.................................................................. 28
4.1 Sistema Termossifo..................................................................................................... 28
4.2 Opes de Instalao ................................................................................................31
4.3 Sistema de Circulao Forada .................................................................................... 32
Ilustraes do sistema de circulao forada...........................................................................33
4.3.1 Sistemas Directos e Indirectos ..................................................................................34
4.3.2 Acumuladores ............................................................................................................35
4.3.3 Circulao Invertida ...................................................................................................38
4.3.4 Estratificao..............................................................................................................38
4.3.5 Estao Solar.............................................................................................................39
4.3.6 Vaso de expanso .....................................................................................................40
4.3.7 Controladores.............................................................................................................41
4.3.8 Ligaes Hidrulicas..................................................................................................45
5. FIXAO DOS COLECTORES ......................................................................................... 49
5.1 Circulao Natural Termossifo ................................................................................. 49
5.2 Circulao Forada........................................................................................................ 50
6. ESQUEMAS DE PRINCPIO .............................................................................................. 54
7. ARRANQUE DA INSTALAO......................................................................................... 56
Manual Instalador de Sistemas Solares Trmicos
Bosch Termotecnologia, SA 3
8. MANUTENO DO SISTEMA SOLAR ............................................................................. 57
9. INTRODUO TECNOLOGIA DOS SISTEMAS SOLARES TRMICOS ..................... 59
10. PRINCIPIOS BSICOS PARA O APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR ............... 60
11. CONVERSO TRMICA DA ENERGIA SOLAR............................................................... 61
11.1. Constante Solar ............................................................................................................. 61
11.2. Corpo negro................................................................................................................... 61
11.3. Superfcie selectiva........................................................................................................ 61
11.4. Coeficientes de absortncia () e emitncia () ............................................................ 62 11.5. Corpo transparente e corpo opaco................................................................................ 62
11.6. Efeito de estufa.............................................................................................................. 63
12. COLECTORES SOLARES................................................................................................. 63
12.1. Tipos de colectores solares trmicos. ........................................................................... 63
12.2. Elementos constituintes de um colector plano.............................................................. 64
12.2.1. Cobertura transparente ................................................................................................. 65
12.2.2. Superfcie absorsora...................................................................................................... 66
12.2.3. Isolamento posterior ...................................................................................................... 69
12.2.4. Caixa.............................................................................................................................. 70
12.3. Estudo energtico.......................................................................................................... 70
12.3.1. Parmetros de performance.......................................................................................... 71
12.3.2. Potncia instantnea ..................................................................................................... 77
1.1.2 Caudal recomendado .................................................................................................... 78
12.4. Consideraes hidrulicas ............................................................................................ 79
12.4.1. Ligaes em srie.......................................................................................................... 79
12.4.2. Ligaes em paralelo..................................................................................................... 80
12.4.3. Ligaes em paralelo de canais .................................................................................... 80
12.4.4. Ligaes mistas ............................................................................................................. 81
12.4.4.1. Srie-paralelo ......................................................................................................... 82
12.4.4.2. Paralelo de canais-paralelo.................................................................................... 82
12.4.5. Consideraes sobre as ligaes ................................................................................. 83
12.5. Perda de carga no campo de colectores....................................................................... 84
13. ARMAZENAMENTO DE CALOR E APOIO....................................................................... 88
13.1. Estratificao ................................................................................................................. 88
13.2. Redes de distribuio de guas para consumo ............................................................ 89
13.3. Dimensionamento e critrios ......................................................................................... 91
13.3.1. Perfis de consumo......................................................................................................... 91
Manual Instalador de Sistemas Solares Trmicos
Bosch Termotecnologia, SA 4
13.3.2. Temperaturas de utilizao ........................................................................................... 91
13.3.3. rea de colectores instalada ......................................................................................... 94
13.3.4. Dimensionamento segundo R.C.C.T.E. ........................................................................ 94
13.4. Isolamento trmico ...................................................................................................... 103
14. CIRCUITOS SOLARES.................................................................................................... 103
14.1. Tubagens e materiais .................................................................................................. 103
14.1.1. Dimensionamento........................................................................................................ 104
14.1.2. Capacidade interna das tubagens............................................................................... 108
14.1.3. Isolamento trmico ...................................................................................................... 109
14.1.4. Misturas anti-congelantes............................................................................................ 110
14.2. Bombas circuladoras ................................................................................................... 113
14.2.1. Grupos de bombagem................................................................................................. 114
14.3. Permutadores de calor ................................................................................................ 116
14.4. Dispositivos de segurana........................................................................................... 119
14.4.1. Vasos de expanso ..................................................................................................... 119
15. SEGURANA NO TRABALHO ....................................................................................... 122
15.1. Utilizao de produtos qumicos.................................................................................. 123
15.2. Extintores..................................................................................................................... 123
15.3. Acidentes de trabalho.................................................................................................. 125
15.4. Legislao aplicvel..................................................................................................... 126
15.5. reas de grande risco.................................................................................................. 128
15.6. Equipamentos de proteco individual EPI.............................................................. 130
15.7. Trabalhos em altura..................................................................................................... 135
15.8. Utilizao de escadas Medidas de preveno......................................................... 136
15.9. Andaimes..................................................................................................................... 137
16. CONCEITO DE PROJECTO SOLAR TRMICO ............................................................. 142
25.1. Definio de projecto................................................................................................... 142
16.2. Levantamento da informao...................................................................................... 142
16.3. Estrutura da memria descritiva de um projecto solar trmico................................... 145
16.4. Consideraes acerca do projecto.............................................................................. 146
16.5. Estimativa de produo anual de energia ................................................................... 147
16.6. Componentes de um sistema caractersticas tcnicas ............................................ 148
16.7. Viabilidade econmica................................................................................................. 149
16.8. Consideraes finais ................................................................................................... 152
16.9. Garantias ..................................................................................................................... 152
17. INTERPRETAO DE DESENHOS TCNICOS............................................................. 153
Manual Instalador de Sistemas Solares Trmicos
Bosch Termotecnologia, SA 5
18. PLANEAMENTO E PREPARAO DO TRABALHO..................................................... 155
19. BIBLIOGRAFIA................................................................................................................ 157
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Bosch Termotecnologia, SA 6
1. INTRODUO
O aproveitamento da energia gerada pelo Sol, inesgotvel na escala terrestre de tempo, tanto
como fonte de calor como de luz, hoje, sem sombra de dvidas, uma das alternativas
energticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milnio. Quando se fala
em energia, devemos lembrar que o Sol responsvel pela origem de praticamente todas as
outras fontes de energia, ou seja, as fontes de energia so, em ltima instncia, derivadas da
energia do Sol.
A radiao solar tambm induz a circulao atmosfrica em larga escala, causando os
ventos, outra fonte de energia renovvel. Petrleo, carvo e gs natural foram gerados a partir
de resduos de plantas e animais que, originalmente, tambm obtiveram a energia necessria
ao seu desenvolvimento, da radiao solar.
1.1. Portugal e a energia solar trmica O petrleo a principal fonte de energia importada por Portugal, (com uma dependncia de
87,2% em 2005). O consumo e a dependncia crescem de ano para ano, fazendo aumentar a
factura energtica deste nosso pequeno Pas.
Para alm dos reflexos econmicos desta situao, temos ainda de ter em conta que desta
forma, Portugal, em matria de emisses de gases com efeito de estufa (36,4 milhes de
toneladas de CO2 em 2005) tem tido uma m prestao. No entanto, podemos, devemos e
vamos a tempo de atenuar todos estes efeitos se apostarmos num recurso que Portugal possui
em abundncia: O Sol.
O Sol uma fonte de energia inesgotvel e o seu aproveitamento depende de vrios factores,
(ex.: radiao, perfis de consumo, horas solares, localizaes das instalaes, capacidade de
captao, inclinaes, orientaes, etc.), alguns dos quais podemos controlar, como a
orientao e inclinao dos colectores solares. O objectivo dimensionar uma instalao que
garanta a produo de energia em funo das necessidades, sem esquecer o sistema de apoio
de energia convencional como sistema de energia auxiliar.
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Bosch Termotecnologia, SA 7
Fig.1 Radiao solar na Pennsula Ibrica
As aplicaes da energia solar mais usuais so aquecimento de gua, o aquecimento
ambiente por baixa temperatura e o aquecimento de piscinas, podendo ser econmica e
vantajosa em muitas situaes. Podemos assim dizer que a viabilidade econmica de uma
aplicao solar ser to mais vantajosa conforme:
- A quantidade de energia fornecida pelo sol, atravs da radiao solar, no local onde
estiver instalado o sistema de converso.
- As caractersticas do prprio sistema que condicionam o rendimento da converso.
- O tipo de utilizao da gua e ar quente, devendo existir sempre uma preocupao com o
uso racional do consumo energtico
Saber qual a utilizao que se vai dar ao equipamento muito importante, situao que
muitas vezes descurada. Por exemplo, uma habitao que tenha um consumo espordico
(casa de frias) de gua quente sanitria no ir ter a mesma poupana energtica que um
sistema que usado durante todo o ano.
Portugal tem um ambicioso programa com o objectivo de at 2010 atingir a meta de 1 milho
de m2 de painis solares trmicos instalados.
Esto para isso previstas diversas medidas de promoo, de onde se destacam a,
certificao, incentivos financeiros entre outras no sentido de se atingir esse fim.
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1.2. Enquadramento legal
A 4 de Abril de 2006 entraram em vigor dois Decretos de Lei (Decreto-Lei n79/2006 e
Decreto-Lei n80/2006), que tornaram obrigatria a utilizao de energia solar trmica em todas
as novas construes domsticas novas.
Cada instalao carece de projecto trmico para o aproveitamento de energia solar,
necessitando para isso de seguir as indicaes dos referidos diplomas.
A legislao em vigor assenta nos seguintes principais pressupostos:
- Obrigao de instalao de 1m2 de Colector (colector padro) por ocupante
independentemente do tipo de Colector, neste caso, o melhor colector permite uma melhor
classificao energtica.
Esta rea pode ser reduzida at ao mnimo de 50% da rea da cobertura disponvel.
- Perfil de consumo de 40 litros a 60 por pessoa
- No permitida apenas a pr-instalao de Sistemas Solares Trmicos para produo de
A.Q.S.
- O projecto: ter de prever Colectores Solares Certificados (Marca Certif ou SolarKeyMark).
- A execuo da obra ter de ser efectuada por instaladores certificados (Certificado de
Aptido Profissional).
- Fazer prova da existncia de um contrato de manuteno de 6 anos.
- Uso obrigatrio do programa de clculo solar Solterm.
- No so aceites:
Recuperadores de calor, bombas de calor, microgerao, painis termodinmicos
logo, os colectores solares s podero ser substitudos por outras fontes renovveis
que captem igual quantidade de energia numa base anual. Ex.: Geotermia, Painis
Fotovoltaicos, Elica
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2. CONCEITOS DE FSICA
2.1. Introduo
Fsica a cincia que estuda os componentes fundamentais do universo, as foras que estes
exercem e os seus resultados. O termo Fsica deriva do grego que significa natureza.
A matemtica uma ferramenta importante para a compreenso e dimensionamento desses
mesmos fenmenos.
A Fsica est dividida em diversos campos que permitem o seu estudo de uma forma
separada, assim temos:
- A Mecnica;
- A Hidrulica;
- A Termodinmica;
- A Electricidade;
- A ptica.
2.2. Grandezas
Uma grandeza descreve, quantitativamente um conceito, pois exprime-o sob a forma de um
binrio nmero/unidade.
Todas as medies devem vir acompanhada de uma unidade que permita comparar a
grandeza fsica com uma determinada escala pr-definida.
Para se poder compreender as normas, os regulamentos, alguns certificados de materiais,
placas caractersticas e tantos outros documentos tcnicos, necessrio ter presente algumas
noes sobre os sistemas de unidades que so utilizados.
Portugal, como a maioria dos pases adoptou, o chamado Sistema Internacional de Medidas
e, neste mbito, existem as grandezas principais e fundamentais da tabela 1:
Manual Instalador de Sistemas Solares Trmicos
Bosch Termotecnologia, SA 10
Grandeza Unidade Simbologia Definio
Tempo segundo s a durao de 9192631770 perodos de radiao correspondente
transio entre dois nveis hiperfinos do estado fundamental do
tomo de Csio 133
Massa quilograma kg a unidade de massa que igual massa do prottipo
internacional do quilograma
Espao metro m o comprimento do trajecto percorrido pela luz no vazio durante um
intervalo de tempo 1/299792458 do segundo
Quantidade
de matria mole mol
a quantidade de matria de um sistema contendo tantas unidades
elementares quantos tomos que existem em 0,012 kg de Carbono
12
Intensidade
Elctrica Ampere A
a intensidade de uma corrente constante que, mantida em dois
condutores paralelos, rectilneos, de comprimento infinito, de seco
circular desprezvel, e colocados distncia de 1 metro um do
outro, no vazio, produziria entre estes dois condutores uma fora
igual a 2x10-1N por metro de comprimento
Temperatura Kelvin K uma unidade de temperatura termodinmica, a fraco 1/273,16
da temperatura termodinmica do ponto triplo da gua
Tabela.1 Grandezas fsicas fundamentais
Existem outras grandezas importantes que derivam da combinao das grandezas principais
como as que se indicam na tabela 2:
Grandeza Unidades do SI
e derivadas Simbologia
Outras
unidades
utilizadas
Simbologia
Caudal mssico quilograma por
segundo kg/s ou kg.s-1
Caudal volmico metro cbico por
segundo m3/s ou m3.s-1
Frequncia Hertz Hz
Intensidade de
corrente elctrica Ampere A
Intervalo ou
variao de
temperatura
Kelvin
grau Celsius
K
C
Potncia Watt W quilocaloria por
minuto
kcal/min ou
kcal.min-1
Diferena de Volt V
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potencial ou
tenso elctrica
Presso Pascal Pa
bar
milmetro de
coluna de gua
bar
mm c.a
Quantidade de
calor joule J
quilocaloria kcal
1 bar = 105 Pa 1 Pa = 0,00001 bar = 0,01 mbar = 0,1 mm c.a = 0,0000102 kgf/cm2
1 mbar = 102 Pa = 10 mm c.a
1 kW = 860 kcal/h = 14,33 kcal/min
Tabela.2 Grandezas fsicas derivadas
2.3. Mecnica
A Mecnica o ramo da Fsica que estuda as foras em movimento, as suas causas e
implicaes. Neste campo existem algumas grandezas que so importantes conhecer e que
so indicadas na tabela 3:
Grandeza Expresso
matemtica Unidade do SI Simbologia
Fora amF rr = Newton N
Peso gmP rr = Newton N
Trabalho eFW = rr Joule J
Potncia tWPr
= Watt W g = 9,8 m/s2
Tabela.3 Grandezas da mecnica
2.4. Hidrulica
o ramo da Fsica que estuda a mecnica dos fluidos.
Podemos definir as seguintes grandezas associadas a este ramo da Fsica:
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Bosch Termotecnologia, SA 12
Grandeza Expresso
matemtica Unidade do SI Simbologia Definio
Volume
especfico mVVe =
metro cbico por
quilograma m3/kg Ve, o volume por
unidade de massa
Massa
especfica Vm= quilograma por
metro cbico kg/m3 , a massa por unidade
de volume
Peso especfico VgmPe
= Newton por metro cbico
N/m3 Pe, o quociente entre o peso e o volume
Presso SFP = Pascal P
Presso que
transmitida por um lquido
com a mesma
intensidade em todas as
direces e que
suportada pelas paredes
e fundo de um recipiente
Densidade
-
d, a relao entre a
massa de um corpo e a
massa de igual volume
de gua a 4C.
Caudal SvQ = metro cbico por segundo
m3/s S Seco
V Velocidade de
circulao do fludo
Patmosfrica = 1013 mbar
Tabela.4 Grandezas da hidrulica
Se tivermos um tubo cuja seco no uniforme, sabemos que, o caudal que entra no tubo
igual ao que sai, logo:
2211 SvSv =
Temos assim a denominada equao de continuidade do fluxo.
Se o lquido estiver em repouso a sua presso designa-se por Presso Total (PT), passando
a ter as seguintes componentes quando o lquido est em movimento:
- Presso esttica (Pe): Presso exercida por um fludo nas paredes do tubo;
- Presso dinmica (Pd): Est relacionada com a massa especfica do lquido e a sua
velocidade;
V1
S1
S2
refernciavolmicamassasubstnciavolmicamassad
____=
V2
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- Presso potncia (Pz): Termo associado energia potencial de posio.
Podemos reparar na imagem anterior que quando o fludo passa da seco S1 para a seco
S2, aumenta de velocidade e a presso dinmica mas reduz a sua presso esttica.
2.5. Termodinmica
A termodinmica o ramo da Fsica que estuda o calor e a sua propagao.
A temperatura um conceito muito til para conhecer, medir e comparar o estado trmico
dos corpos. Os termmetros so os instrumentos mais usados para medir temperatura.
Existem vrias escalas de valores para definir temperatura, a mais usada a centgrada, que
se baseia nas temperaturas de congelao da gua (0C) e de ebulio (100C) da gua
presso atmosfrica normal (1atm). No entanto existem outras unidades de temperatura:
- Fahrenheit unidade muito utilizada pelos pases anglo-saxnicos
F = C x 1,8 + 32
- A escala de temperatura absoluta (em graus Kelvin) igual escala centgrada acrescida
de um valor constante de 273,16C.
K = C + 273,16
Com o aquecimento os corpos tendem a dilatar. Essa dilatao depende do tipo de material
de que feito o corpo e proporcional variao da sua temperatura.
Para os slidos, as variaes de comprimento (L), superfcie (S) e volume (V) expressam-se,
respectivamente, de acordo com:
T= 11 TSS = 2 TVV = 3
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Nos lquidos, a dilatao expressa-se por:
TVV =
Este conceito de dilatao dos lquidos muito importante uma vez que uma das
constantes existentes num circuito com lquido quente, como os que vamos abordar neste
mbito.
Denomina-se por caloria a quantidade de calor necessria para elevar de um grau
centgrado a temperatura de um grama de gua. A quantidade de calor absorvida por um corpo
ao passar de uma temperatura inicial ti a uma temperatura final tf dada pela expresso:
( )ifp ttCmQ =
Sendo Cp o calor especfico do corpo.
Sempre que um corpo altera o seu estado fsico entre slido, lquido e gasoso, dizemos que
houve uma mudana de estado.
Durante qualquer mudana de estado h uma absoro de calor sem elevar a temperatura
tendo a presso atmosfrica uma influncia sobre as temperaturas nas mudanas de fase. Por
exemplo, um grama de gelo necessita de 80 calorias para passar do estado slido para o
estado lquido e esse grama de gua necessita de 539 calorias para passar do estado lquido
para o estado de vapor.
Fig.2 Mudanas de estado da gua
Calor latente (80 kcal a 0C)
Calor sensvel (100 kcal) de 0C at 100C
Calor latente (539 kcal a 100C)
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Calor latente Grandeza fsica que determina a quantidade de calor que uma unidade de
massa de determinada substncia deve receber para mudar de estado fsico.
Calor especfico Grandeza fsica que define a energia necessria para elevar 1C a
temperatura de determinada substncia sem haver mudana de fase.
Calor sensvel Grandeza fsica que determina a quantidade de calor que uma unidade de
massa de determinada substncia capaz de receber ou ceder sem mudar o seu estado fsico
Propagao de calor. A energia pode-se transmitir de trs formas distintas:
- Conduo: Tem de existir um contacto fsico entre dois corpos slidos a diferentes
temperaturas. O corpo com menor temperatura vai absorver a temperatura do corpo com
temperatura mais elevada at se atingir um equilbrio trmico.
Fig.3 Conduo de calor
- Conveco: Processo de transporte de massa caracterizado pelo movimento de um fludo
devido sua diferena de densidade, especialmente por meio de calor
Fig.4 Conveco de calor
T1 T2
T1 T2
S2
S1
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- Radiao trmica: a radiao electromagntica emitida por um corpo em equilbrio
trmico causada pela variao de temperatura do mesmo. um mecanismo de transmisso de
energia entre dois corpos a temperaturas diferentes, como por exemplo, o Sol e a Terra. No
processo de radiao h transferncia de energia sem ser necessria a presena de um meio
material, pois as radiaes electromagnticas propagam-se no vazio
Fig.5 Radiao de calor
2.6. Electricidade
A electricidade um fenmeno fsico que tem origem nas cargas e na sua interaco.
Os corpos, no que respeita sua capacidade de conduo elctrica podem ser classificados
como condutores ou isolantes. Um corpo to melhor condutor, quanto maior for a sua
permeabilidade passagem de corrente elctrica.
A unidade de carga elctrica o coulomb e equivalente carga de 6,25 1018 electres.
A intensidade de corrente a carga que circula num corpo condutor por unidade de tempo
e tem a seguinte expresso:
tqI = (A)
Definimos a diferena de potencial entre dois pontos A e B de um condutor como sendo o
trabalho W realizado para deslocar uma carga q do ponto A para o ponto B e tem como
expresso:
qWVVV ABAB == (V)
T2
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Chamamos de resistncia R de um condutor oposio que este oferece circulao da
corrente elctrica e a sua expresso :
IVR AB= ()
A potncia elctrica o produto entre a diferena de potencial e a intensidade de corrente
sendo a sua expresso:
2IRIVP AB == (W)
Designa-se por efeito de Joule a lei que expressa a relao entre a corrente elctrica que
percorre um determinado corpo, num intervalo de tempo e o calor que gerado. Este
aquecimento pode ser aproveitado mediante o uso de resistncias de aquecimento destinadas,
entre outros fins, para aquecer gua.
tRIQ = 2 (J)
3. CONCEITOS SOLARES
3.1. Radiao
O Sol a maior fonte de energia disponvel no planeta Terra. indispensvel para a vida no
planeta e uma energia limpa, logo amiga do ambiente.
O sol emite radiao electromagntica, sob a forma de ondas electromagnticas, compostas
essencialmente por:
- Infravermelho (46%);
- Visvel (47%);
- Ultravioleta (7%).
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Fig.6 Radiao electromagntica
A energia fornecida pelo Sol durante um quarto de hora superior energia utilizada, a nvel
mundial, durante um ano. Tendo em conta que o Sol se encontra a 143 milhes de quilmetros
da Terra apenas uma pequena fraco da energia irradiada est disponvel superfcie da
Terra.
A energia irradiada para a atmosfera terrestre tem um valor mdio constante, chamada de
constante solar, relativamente a 1 m2 de superfcie, de 1367 W/m2. Esta constante est sujeita
a alteraes provocadas pelas variaes da actividade solar. Normalmente usa-se para valor
mdio anual de irradiao na superfcie terrestre entre os 800 1000 W/m2.
A radiao solar sobre uma superfcie, dentro da atmosfera terrestre, constituda por trs
componentes:
- Radiao directa: a radiao que vem directamente do Sol e chega a uma superfcie
sem obstculos a obstruir a sua passagem.
- Radiao difusa: Provm de todo o cu excepto do disco solar. Parte da radiao, ao
atravessar a atmosfera, reflectida pelos diversos componentes atmosfricos, como
nuvens, outra parte absorvida (O2, O3, H2O, ) e a que sobra difundida (atravs de
gotas de gua, p em suspenso, etc).
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- Radiao reflectida ou indirecta: Radiao que proveniente da reflexo no solo e nos
objectos circundantes. A reflectividade do solo designa-se por albedo e depende apenas
da composio e cor do mesmo (tom mais claro ou escuro, superfcie com gua ou com
vegetao, etc. ).
Fig.7 Radiao na atmosfera
3.2. Movimento Terra-Sol
A Terra roda em torno de um eixo imaginrio que liga o Plo Norte ao Plo Sul, chamado de
eixo polar, descrevendo uma rbita elptica em torno do Sol. Este eixo quase perpendicular
ao plano da elptica formando um ngulo com a normal ao plano da rbita de 23 27. Ao fim de
24 horas d uma volta completa sobre si mesmo, o que d origem sucesso dos dias e das
noites.
Fig.8 Movimento Terra-Sol
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A trajectria do movimento da Terra em torno do Sol aproximadamente circular, existindo
uma altura do ano em que a Terra est mais prxima do Sol. Esse dia o 4 de Janeiro.
Fig.9 Trajectria terrestre
Durante os equincios da Primavera e do Outono a durao dos dias igual das noites
uma vez que a declinao solar nula. nesses dias que podemos dizer que o Sol nasce a
Este e pe-se a Oeste.
Durante o solstcio de Vero a declinao solar de 23 27 e em que o perodo diurno
maior que o perodo nocturno, sendo o solstcio de Inverno o oposto, ou seja, a declinao
solar de -23 27 e o perodo diurno menor que o perodo nocturno.
Fig.10 Declinao solar
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Podemos ento chamar declinao ao ngulo formado entre a direco da radiao e o
plano do equador.
3.3. Curvas de Penalizao
As curvas de penalizao so ferramentas grficas usadas em aplicaes solares para
detectar as penalizaes energticas que os colectores solares iro ter quando se interfere
com a inclinao dos mesmos.
Os colectores devem-se instalar de tal forma a que ao longo do perodo anual de utilizao
se aproveite a mxima radiao solar. No caso de Portugal, de uma forma geral, devem-se
orientar a Sul geogrfico 1), no coincidente com o sul magntico definido pela bssola. O
Norte geogrfico est cerca de 5 para a direita do Norte magntico.
1) Podemos determinar o Sul geogrfico atravs da direco de uma sombra projectada por
uma vara s 12 horas solares.
As curvas de penalizao devem ser usadas de forma adequada ao perodo de utilizao.
Quando se vai instalar um colector solar importante saber quais as opes que existem
para colocar o colector solar numa superfcie.
O compromisso entre a esttica da instalao e o aproveitamento mximo da radiao solar
algo importante de avaliar em cada situao.
claro que o ideal ser sempre obter as duas situaes, mas muitas vezes vemo-nos
confrontados com constrangimentos que nos obriga a optar por uma das duas situaes em
detrimento da segunda.
Em qualquer situao, as solues tero de ser explicadas ao utente de modo a ser ele a
optar por uma delas.
De uma forma sucinta, desvios at 25 relativamente ao azimute Sul no vo afectar
gravemente o rendimento e a energia trmica fornecida pelo equipamento.
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Se o desvio for para Leste o perodo dirio de captao vai-se adiantar uma hora por cada
15 de desvio relativamente a um equipamento orientado a Sul geogrfico.
Se o desvio for, para Oeste, esse perodo de captao vai-se retardar na mesma proporo
que para Leste, mas com um ligeiro acrscimo de rendimento uma vez que vai funcionar mais
tempo durante as horas em que a temperatura do ambiente mais elevada.
A tabela 5 d indicaes das inclinaes que normalmente se aconselham dar aos colectores
solares, de acordo com a poca do ano e tipo de utilizao:
Utilizao ngulo
Todo o ano (AQS) Latitude do local
Inverno (AQS e aquecimento) Latitude do local + 10
Vero (Piscinas/hotelaria de temporada) Latitude do local 10
Tabela.5 ngulo de Inclinaes do colector solar
Pode-se no entanto calcular de uma forma mais rigorosa, o efeito da orientao, utilizando os
grficos seguintes que representam as penalizaes correspondentes colocao dos
colectores com diferentes inclinaes e azimutes.
Fig.11 Curvas de penalizao (Solstcios)
Se tivermos uma latitude diferente, por exemplo 35, necessrio mudar a escala da
inclinao subtraindo 5. Se a latitude for de 42 devem acrescentar-se 2.
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Fig.12 Curvas de penalizao anual
Podemos reparar atravs das curvas de penalizao que pequenos desvios do
posicionamento no provocam grandes penalizaes na energia til fornecida pelo
equipamento solar. Logo, podemos adaptar o ngulo de inclinao do colector a uma superfcie
inclinada com um razovel compromisso entre a esttica e a resposta do sistema.
3.4. Determinao de Sombras
Com alguma frequncia necessrio colocar os colectores solares em zonas onde pode
haver influncia de sombras. Nesses casos ser conveniente conhecer as sombras que podem
afectar a resposta energtica dos colectores.
De forma a determinarmos quais as penalizaes que uma determinada sombra vai ter sobre
um colector usamos uma ferramenta muito til, as projeces estereogrficas.
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Fig.13 Projeco estereogrfica
No dia mais desfavorvel do perodo de utilizao escolhido os colectores solares no devem
ter mais do que 30% da sua superfcie til de captao coberta por sombras, durante mais de
uma hora.
Na prtica, a determinao das sombras que so projectadas sobre os colectores por parte
dos obstculos observando desde o ponto mdio da aresta inferior do colector, tomando como
referncia a linha Norte Sul.
Fig.14 Espaamento entre colectores de forma a evitar o sombreamento (horizontal)
1 2
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A distncia entre as linhas de colectores define-se de forma que s 12 horas solares do dia
mais desfavorvel (altura solar mnima do solstcio de Dezembro) a sombra da aresta superior
da fila da frente tem de se projectar, no mximo, sobre a aresta inferior da fila que fica
imediatamente atrs. Nos colectores projectados para ter uma utilizao anual (AQS), o dia
mais desfavorvel corresponde, em Portugal, a 21 de Dezembro. Neste dia, a altura mnima do
Sol (h0) s 12 horas tem o seguinte valor:
( ) 5,23__900 = localdoLatitudeh
Na figura 14 podemos ver que a distncia mnima d entre filas de colectores :
tantanh021ZZddd +=+=
+= costanh0
senLd
Durante o ms de Dezembro e na primeira metade de Janeiro, mesmo tendo respeitado os
distanciamentos entre filas ou obstculos podem produzir-se sombras no incio e fim do dia, o
que no grave para a resposta do sistema.
Se no existirem dificuldades com o espao existente, recomenda-se o aumento da distncia
anterior em 25%.
Se tivermos os colectores colocados sobre uma superfcie no horizontal, mas sim com uma
inclinao de ngulo , ento a distncia medida sobre a superfcie inclinada ser:
Fig.15 Espaamento entre colectores de forma a evitar o sombreamento (inclinado)
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( )( ) ( )
++
= cos
tan'
0hsenLd
cos'dd =
Podemos adoptar como regra geral para instalaes em superfcies planas horizontais uma
distncia, para colectores com um comprimento de 2 metros, nunca inferior a 4,5 metros.
Como referido anteriormente, as projeces estereogrficas permitem determinar as zonas
de sombreamento ao longo de um ano a que um colector solar est sujeito. Na figura 16
podemos ver para uma latitude de 40 a trajectria solar durante os 365 dias do ano.
Fig.16 Projeco estereogrfica
Trajectria Solar
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Vamos ver um exemplo de como se pode determinar o sombreamento de um colector solar
trmico instalado numa superfcie.
Fig.17 Exemplo de um obstculo
Fig.18 Exemplo da sombra que o obstculo faz sobre o colector
Podemos verificar que o obstculo representado no exemplo vai fazer uma sombra sobre o
colector durante o solstcio de Inverno durante as 12 horas e as 14 horas. Os restantes meses
do ano no sero afectados.
Latitude aproximada = 40 45 0
30
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Na figura 19 podemos ver o mesmo exemplo com o apoio do programa de clculo Solterm 5
Fig.19 Exemplo da sombra com o apoio do software Solterm 5
Se quisermos usar outra latitude, por exemplo 37, devemos mudar a escala da inclinao e
somar 3. Se a latitude for de 45, ento teremos de subtrair 5.
4. TIPOS DE SISTEMAS SOLARES TRMICOS
Na rea do aquecimento, respectivamente na captao de calor proveniente da radiao
solar, temos dois sistemas possveis:
Circulao Natural (termossifo) Circulao Forada;
A opo de escolha entre estes dois tipos de sistemas solares trmicos, depender da carga
energtica que queiramos cobrir e do tipo de instalao que ser possvel executar.
4.1 Sistema Termossifo
O sistema de circulao natural, denominado de termossifo, aplicado a instalaes de
dimenses mais reduzidas, pois um sistema limitativo em termos de capacidade de
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armazenamento de energia e de rea de campo solar. De qualquer forma, um sistema com
uma maior facilidade de instalao e no depende de meios mecnicos ou controlos
electrnicos para o seu perfeito funcionamento.
A radiao solar, ao incidir no colector, ir aumentar a temperatura do fludo solar que
percorre a tubagem do circuito primrio, que, com o aumento de temperatura diminui a sua
densidade, o que favorece o seu movimento, ou seja, a circulao faz-se por conveco
natural, o fludo quente tem uma densidade inferior e sobe do colector para o depsito e o
fludo mais frio desce e entra novamente no colector (ver figura 20). Este processo contnuo
desde que exista uma diferena de temperatura entre o acumulador e o colector, suficiente
para criar movimento do fluido.
Quando o fluido solar sobe e atinge o permutador do acumulador, transmite energia na forma
de calor, aquecendo a gua que se encontra no interior do mesmo. Quanto mais radiao
houver, maior ser o caudal de fludo e, se no houver radiao ou a temperatura no colector
no for superior do depsito, no haver circulao e, consequentemente, no ser aquecida
a gua do acumulador, havendo necessidade de prever um sistema de apoio.
Na seguinte figura est representado o princpio de funcionamento do sistema solar tipo termossifo:
Fig.20 Circuito hidrulico termossifo
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Como j foi referido anteriormente, um sistema solar, independentemente do tipo de
instalao, tem obrigatoriamente de ter um acumulador, pois temos interesse em guardar toda
a energia da radiao solar que atinge o colector a cada momento.
Seguidamente esto representadas duas ilustraes do acumulador do sistema termossifo
Fig.21 Ligaes Hidrulicas ao acumulador
Fig.22 Constituio do acumulador
Entrada do fludo solar
Enchimento/Purga Ligao para a vlvula de Segurana
Sada A.Q.S Sada do fludo Solar
Entrada da gua da rede
nodo de Magnsio
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Fig.23 Ligaes do colector ao acumulador
Para se aproveitar ao mximo a eficincia do sistema e, tal como representado na figura 23,
importante garantir que as ligaes do fluido solar no circuito primrio esto cruzadas, ou seja,
o circuito frio ligado na parte inferior do colector de um dos lados e a parte quente, sai do
colector na parte superior do lado oposto,
Das quatro ligaes disponveis (para flexibilizar a instalao, dependendo da sua
geometria), aquelas que no forem utilizadas tm de ser tamponadas, de modo a garantir a
estanquidade do sistema.
4.2 Opes de Instalao
Mediante as caractersticas das diversas instalaes necessrio escolher e adaptar as
solues existentes. possvel instalar este tipo de sistemas termossifo em telhados
inclinados e em telhados de cobertura plana. necessrio que um instalador antes de iniciar
os seus trabalhos, e como aprofundado no captulo V, d prioridade mxima ao planeamento
e estudo da instalao, pois os acessrios de montagem divergem dependendo do tipo de
telhado. Representamos seguidamente alguns exemplos dos dois tipos de instalao:
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Fig.24 Telhado plano, acumulador de 150 ou 200 L Fig.25 Telhado plano, acumulador de 300 L
Fig.26 Telhado inclinado acumulador de 150 ou 200 L Fig.27 Telhado inclinado acumulador de 300 L
4.3 Sistema de Circulao Forada
Num sistema de circulao forada o transporte do fluido entre os colectores e o depsito
garantido por uma bomba.
Uma instalao forada, pelo facto de no ter o acumulador junto e acima do painel, permite
aquecer um maior volume de gua e, por isso, maior rea do campo de colectores
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Este tipo de instalao, pelo facto de envolver mais componentes mais exigente que a de
circulao natural, pois envolve uma srie de clculos e dimensionamentos para que todo o
sistema funcione de forma eficiente.
Numa instalao de circulao forada atravs do dimensionamento da bomba de circulao,
o traado de tubagem, a altura manomtrica e as respectivas perdas de carga, podem ser
melhor ultrapassadas.
Neste tipo de instalao o acumulador poder ser instalado longe dos colectores, ou mesmo
dentro da habitao, uma vez que, por meios electrnicos possvel fazer um controlo
diferencial do funcionamento da bomba. Assim, quando existir uma diferena de temperatura
entre o lquido nos colectores e o da parte inferior do acumulador, o controlador ir transmitir
alimentao bomba que, por sua vez movimenta o fluido quente para dentro do acumulador,
transmitindo o calor do interior da serpentina do acumulador para a gua de consumo que se
encontra dentro do mesmo.
Sistemas de Circulao Forada so a soluo ideal para habitaes com espao interior
para o depsito, permitindo, igualmente, a possibilidade de ampliao futura da instalao.
Nos sistemas de circulao forada existem, acessrios de montagem para instalao em
telhados planos ou para telhados inclinados, e ainda, solues integradas no prprio telhado ou
instalao na fachada de uma habitao.
Ilustraes do sistema de circulao forada
Fig.28 Dois colectores em telhado plano Fig.29 2 colectores em telhado inclinado
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Fig.30 Instalao na fachada com inclinao ajustvel
Fig.31 Instalao integrada no telhado
4.3.1 Sistemas Directos e Indirectos
A permuta de calor entre o circuito primrio e o secundrio pode realizar-se por transferncia
directa ou indirecta. No primeiro caso no existe separao hidrulica entre o circuito primrio e
o circuito secundrio, isto , a gua que aquecida nos colectores a que enviada
directamente para consumo. No segundo caso, existe um separador entre os dois circuitos
denominado permutador de calor. Dentro de um acumulador o permutador de calor pode ser,
por exemplo, a serpentina.
No sistema directo, o circuito mais simples e tem um rendimento trmico superior, mas
apresenta diversos inconvenientes que o tornam desaconselhvel, na maior parte dos casos:
Maior restrio a nvel da variedade de materiais a utilizar, dado que a gua que vai percorrer todo o circuito hidrulico a gua de consumo;
Risco de congelamento e consequente danificao do equipamento no caso de regies em que as temperaturas mnimas sejam muito baixas;
Risco elevado de corroso, devido a uma constante oxigenao no interior da instalao;
Risco elevado de incrustao de calcrio.
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Todos estes inconvenientes fazem com que, actualmente, a maioria dos sistemas sejam
indirectos, apesar do preo que se paga a nvel do menor rendimento dos sistemas indirectos.
Fig.32 Instalao de um circuito directo
Fig.33 Instalao de um circuito indirecto
4.3.2 Acumuladores
Nos sistemas de acumulao existe alguma diversidade em termos de equipamentos:
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o Acumuladores de uma serpentina; o Acumuladores de duas serpentinas; o Acumuladores de inrcia (sem permutador de calor interno)
Nos sistemas de acumulao devemos exigir as seguintes caractersticas:
Elevada capacidade calorfica; Reduzidas Perdas trmicas; Temperatura de utilizao adaptada necessidade energtica; Rpida resposta ao consumo; Fcil integrao no edifcio; Elevada fiabilidade.
Os acumuladores de maior capacidade so indicados para situaes de maior consumo
(grande habitaes, escolas, pequenas indstrias, edifcios pblicos, balnerios, instalaes
hoteleiras, etc.), com necessidade de abastecimento simultneo de gua quente em vrios
pontos de consumo.
Os acumuladores de pequena e mdia dimenso so mais indicados para apartamentos e
vivendas de mdia dimenso, permitindo conforto e economia, fornecendo simultaneamente e
de forma imediata, gua quente em vrios pontos de consumo.
Nas instalaes solares, a radiao solar no consegue fornecer em todas as situaes
energia suficiente para a globalidade das necessidades, logo existe a necessidade de agregar
instalao um aparelho de apoio convencional. Este apoio convencional poder estar
interligado com o depsito de duas formas distintas:
No caso do depsito de uma serpentina, teremos de fazer passar a gua sada do depsito, pelo aparelho de apoio, para que, se a energia solar no for capaz de aquecer
a gua at temperatura desejada, o aparelho de apoio entrar em funcionamento e
fornece a energia adicional.
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Fig.34 Sistema de apoio solar a um Depsito de uma serpentina
No caso de um depsito de duas serpentinas, serpentina inferior e o aparelho de apoio segunda, sempre e s quando a energia solar no for suficiente. Nesta soluo, as
trocas energticas do-se todas dentro do acumulador.
Fig.35 Sistema de apoio solar a um Depsito de duas serpentinas
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Fig.36 Sistema de apoio solar a um Depsito de Inrcia
4.3.3 Circulao Invertida
Durante o perodo nocturno, em que se regista uma diminuio de temperatura ambiente, o
sentido da circulao do lquido solar pode inverter-se, ou seja, a temperatura do colector
poder ficar inferior do depsito, o que far com que a baixa temperatura do colector arrefea
a gua do depsito. Para evitar este fenmeno importante garantir a instalao de uma
vlvula de reteno na ida do fludo solar quente ao depsito.
Fig.37 Exemplo de uma instalao com circulao invertida
4.3.4 Estratificao
Estratificao o fenmeno de separao em camadas ou estratos de qualquer formao
natural ou artificial que se encontrava em forma homognea. No caso dos acumuladores,
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teremos toda a vantagem em conseguir aproveitar a estratificao para separar, dentro de um
acumulador, a gua quente da gua fria.
Os depsitos devero estar em posio vertical, para favorecer a estratificao da gua.
No caso de haver necessidade de um elevado consumo de gua, em vez de optar por um
depsito de grandes dimenses, por questes de espao e para facilitar a estratificao,
aconselhvel a utilizao de mais do que um acumulador. Na instalao de dois acumuladores
importante que da parte superior do primeiro depsito se extraia a gua para a base do
segundo acumulador, assegurando desta forma que a gua mais quente se encontra na parte
superior do segundo acumulador, local de onde se extrai a gua para o consumo sanitrio.
Fig.38 Exemplo de estratificao
4.3.5 Estao Solar
Numa instalao forada, tal como a designao o indica, necessitamos de um componente
que faa movimentar o fluido. Esse movimento criado pela estao solar que incorpora uma
bomba.
Este componente pressupe um pr-dimensionamento de acordo com a dimenso da
instalao, nomeadamente o campo de colectores e a rede de tubagens do circuito.
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Fig.39 Componentes de uma estao solar
4.3.6 Vaso de expanso
O vaso de expanso um elemento que dever ser devidamente dimensionado e inserido
numa instalao solar com o propsito de absorver as dilataes do fluido, devido ao aumento
de temperatura dentro do circuito fechado.
O correcto dimensionamento da capacidade do vaso de expanso a garantia de que este
garantir a absoro do volume de expanso do fluido. Se no houver absoro, sempre que
houver excesso de volume, haver perda de lquido pela vlvula de segurana.
Na ligao entre o circuito e o vaso de expanso no se pode instalar nenhuma espcie de
vlvula, pois a tubagem deve estar totalmente livre para que com o aumento de presso o
fluido se possa deslocar sem nenhum constrangimento.
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Fig.40 Vaso de expanso
O volume do vaso de expanso depende de:
Presso do sistema; rea de colectores; Volume de instalao; Temperatura de estagnao.
No interior do vaso de expanso existe uma membrana, (ver fig.38), que se desloca com o
aumento de presso do circuito. necessrio que o vaso de expanso receba uma pr-carga
para exercer resistncia ao fluido.
4.3.7 Controladores
Numa instalao forada muito vantajosa a instalao de controladores diferenciais,
responsveis por ligar a bomba do sistema de energia solar, sempre que a diferena de
temperatura ajustada entre o campo de colectores e o acumulador solar ultrapassada.
Existem vrios tipos de controladores, consoante a forma e o nmero de aplicaes que tem de
gerir.
4.3.7.1 Controladores para uma aplicao Os controladores que esto destinados para uma nica aplicao, gerem apenas a diferena
de temperaturas entre o campo de colectores e o acumulador solar e alimentam uma vlvula
de trs vias, que, consoante a temperatura das sondas, faz funcionar a bomba para um circuito
ou outro.
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Fig.41 Controlador para uma aplicao com possibilidade de ligao de duas sondas de temperatura
Fig.42 Controlador para uma aplicao com possibilidade de ligao de trs sondas de temperatura
Em sistemas de energia solar de apoio de aquecimento, o controlador pode ser utilizado para
o aumento da temperatura de retorno. Este compara a temperatura do retorno do aquecimento
com a do termoacumulador intermdio. Conforme a temperatura do retorno, o caudal do
retorno do aquecimento conduzido atravs do termoacumulador intermdio ou directamente
de volta para a caldeira de aquecimento.
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Fig.43 Exemplo de uma instalao solar com controlador diferencial e vlvula de trs vias
Se no se instalasse um controlador, a bomba estaria a trabalhar continuamente, fosse ou
no necessria a energia solar para aquecer a gua de consumo.
Fig.44 Exemplo de uma instalao solar com controlador diferencial
4.3.7.2 Controladores para vrias aplicaes
Numa instalao que tenha duas a trs aplicaes solares (p.ex. guas quentes sanitrias,
aquecimento por piso radiante e ainda uma piscina), j se torna necessrio a aplicao de um
controlador com maior capacidade.
1. Sonda de temperatura do acumulador
2. Vlvula de trs vias
3. Controlador diferencial
4. Sonda da temperatura no retorno do aquecim
1. Sonda de temperatura de
colector
2. Sonda de temperatura do
acumulador
3. Controlador diferencial
4. Vaso de expanso
5. Estao solar
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Este tipo de controlador tem capacidade para oito entradas para sondas de temperatura e
cinco bornes de alimentao. O controlador faz a gesto de toda a instalao. Por exemplo, se
o sistema est a satisfazer as guas quentes sanitrias e atinge a temperatura desejada, o
controlador comanda a vlvula de trs vias, comutando para o acumulador do piso radiante.
Uma vez mais, por controlo de temperatura, quando o respectivo acumulador tiver atingido a
temperatura desejada, o controlador comuta a vlvula de trs vias para o permutador de calor
da piscina. Desta maneira conseguida uma ptima gesto energtica.
Fig.45 Controlador para 2 ou 3 aplicaes com possibilidade de ligao de oito sondas de temperatura
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4.3.8 Ligaes Hidrulicas
No sistema forado, para garantir uma distribuio uniforme do caudal, conveniente que
todas as filas de colectores tenham o mesmo nmero de colectores, assegurando perdas de
carga iguais em todas elas, sem aumentar os custos com acessrios. Contudo nem sempre
isto possvel pois existem muitas variveis a influenciar, como a inclinao e rea disponvel
dos telhados.
Os painis devem ser ligados e balanceados entre si, para poder garantir o fluxo correcto do
lquido atravs de cada um deles.
Existem trs tipos de ligao entre colectores:
Ligao em srie; Ligao em paralelo; Ligao em paralelo de canais.
4.3.8.1 Ligao em Srie
A ligao de entrada a cada fila realizar-se- pelo tubo de ligao inferior do primeiro colector
e a sada pelo tubo de ligao superior do ltimo colector da linha.
Para determinar o nmero mximo de colectores que podem ser ligados em srie preciso ter
em considerao que, por um lado, a temperatura nos ltimos painis pode ser elevada e
provocar danos nos materiais ou formao de vapor no circuito e, por outro, h uma acentuada
queda do rendimento nos ltimos colectores com este tipo de ligao.
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A experincia comprova que, passando a mesma quantidade de caudal entre eles, depois do
fluido no primeiro colector ter recebido o calor transmitido, passar para o outro colector com
uma temperatura acentuada. Seguindo este raciocnio, quando o fluido atinge o ltimo colector
j ter uma temperatura bastante elevada, da que a diferena de temperatura entre a entrada
do fluido e a sada ficar to reduzida que o rendimento desse colector ir ser inferior.
Fig.46 Esquema de uma instalao em srie
4.3.8.2 Ligao em paralelo de canais
A ligao em paralelos de canais tem a vantagem de necessitar de um menor comprimento
de tubagens. Este tipo de ligao tem a possibilidade de obter um rendimento superior
ligao em srie. Como podemos observar na fig 45, cada colector recebe o fluido solar
mesma temperatura e transmite o calor proveniente da radiao solar para o mesmo. Logo
seguindo este raciocnio, no existiro problemas de sobreaquecimento do ltimo colector.
Do ponto de vista funcional, devemos ter em conta, para o traado da bateria de colectores,
os seguintes factores:
A instalao dos colectores deve assegurar o mesmo percurso hidrulico para todos, de forma a obter perdas de carga e caudais similares em todos eles. Se assim no for, os
Vantagens:
Baixo custo Instalao simples Qualquer tipo de colector
Desvantagens:
Menor rendimento Maior perda de carga
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saltos trmicos nos colectores (directamente dependentes do caudal), sero diferentes
uns dos outros, reduzindo o rendimento global da instalao.
O caudal especfico nos colectores, deve ser o caudal recomendado. Desta forma asseguramos um bom coeficiente de transmisso de calor entre o absorsor e o fludo.
O comprimento das tubagens deve ser o mais curto possvel, para minimizar as perdas de carga e de calor. As perdas de calor em tubagens e acessrios devem reduzir-se ao
mnimo, evitando zonas mal isoladas e pontes trmicas.
O desenho da bateria de colectores deve evitar a formao de bolsas de vapor ou de ar e permitir a montagem e desmontagem simples dos colectores
Fig.47 Instalao em paralelo de canais
4.3.8.3 Ligao em paralelo
Vantagens:
Baixo custo Instalao simples Maior rendimento Menor perda de carga
Desvantagens:
Dependente do tipo de colector
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Fig.48 Instalao em paralelo
4.3.8.4 Exemplos de ligaes hidrulicas
Fig.49 Instalao com ligaes hidrulicas em paralelo de canais
Vantagens:
Maior rendimento Maior controlo de caudal Menor perda de carga Qualquer tipo de colector
Desvantagens:
Custo mais elevado Instalao mais
complexa
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Fig.50 Instalao com alimentao em retorno invertido
5. FIXAO DOS COLECTORES
5.1 Circulao Natural Termossifo
Numa instalao de termossifo podemos ter fixaes para telhado inclinado ou para superfcie plana.
A ilustrao que representamos para uma instalao de dois colectores
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Fig.51 Suportes para 2 colectores em telhado inclinado
Para telhado plano existe outro tipo de estrutura, onde os colectores ficaro fixos. Tal como j
foi referido, necessrio que os colectores tenham um ngulo de inclinao favorvel
recepo da radiao solar, por isso a estrutura para telhado plano ao ser montada, dever
considerar esse mesmo ngulo, como mostra figura 50:
Fig.52 Estrutura para superfcie plana
5.2 Circulao Forada
Na circulao forada em telhado inclinado, a estrutura um pouco diferente do sistema
termossifo, pois no sendo necessrio fixar o acumulador, tem apenas os perfis de encaixe
para os colectores, fig.51.
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Fig.53 Estrutura para telhado inclinado
Tambm a fixao do sistema de circulao forada em telhado plano, mais simples, como
mostra a fig.52, por no ter acumulador integrado
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Fig.54 Estrutura para superfcie plano
Dependendo da posio do suporte face a telha, teremos formas diferentes de o fixar:
Fig. 55 Fixao com trs furos placa ou a ripa na vertical
Se este suporte que vai agarrar tipo gancho telha estiver na posio apresentada teremos
apenas que aparafusar o brao do suporte telha
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Fig. 56 Fixao directa telha
Para aplicar o sistema termossifo ou o sistema de circulao forada necessrio ter em
considerao os seguintes aspectos:
rea de captao o Nmero de pessoas o Orientao o Inclinao o rea disponvel
Acumulador o Nmero de pessoas o Quantidade de gua por elas consumida o Temperatura desejada
Determinao da rea total de colectores solares
o Capacidade do depsito de acumulao o Espao disponvel no telhado o Orientao do telhado o Inclinao do telhado o Necessidade energtica associada a cada tipo de utilizao, ex: a.q.s,
piscina
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6. ESQUEMAS DE PRINCPIO
Fig.57 Instalao solar com depsito de uma serpentina e aparelho de apoio para guas instantneas
Fig.58 Instalao solar com trs aplicaes
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Fig.59 Instalao solar colectiva s com depsito de inrcia
Fig.60 Instalao solar colectiva com depsitos individuais
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Fig.61 Instalao solar colectiva apenas com depsitos individuais
7. ARRANQUE DA INSTALAO
Terminada a instalao, preciso efectuar o enchimento do circuito primrio. Durante o
enchimento importante retirar todo o ar e impurezas que se encontram no interior do circuito
primrio, para isso utiliza-se uma bomba elctrica e deixa-se que o aparelho trabalhe o tempo
suficiente at sair todo o ar do circuito. Durante o enchimento do circuito, devem manter-se os
purgadores todos abertos, a bomba externa de enchimento conectada na estao solar
descrita anteriormente, com duas vlvulas, uma de enchimento e outra de retorno do fluido
bomba.
necessrio comprovar que todas as vlvulas de seccionamento esto montadas na posio
correcta, que permite a passagem de fluido no sentido pretendido. No momento em que se
est a executar o enchimento, essencial tapar os colectores, pois se eles j estiverem a
receber radiao solar existe uma grande diferena de temperatura do fluido solar para a
superfcie absorsora e poder danificar o material ou criar a evaporao do prprio fluido.
Depois de se ter retirado todo o ar fecham-se os purgadores.
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8. MANUTENO DO SISTEMA SOLAR
essencial realizar-se uma manuteno peridica a todos os componentes da instalao de
forma a garantir um funcionamento eficiente e duradouro.
Manuteno dos Colectores
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Sistema de Acumulao
Permutador de Calor
Circuito Hidrulico
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Sistema de Regulao
9. INTRODUO TECNOLOGIA DOS SISTEMAS SOLARES TRMICOS
O sol uma fonte de energia inesgotvel e para a aproveitar, necessrio projectar uma
instalao solar trmica eficiente. Cada instalao dever ser dimensionada em funo das
necessidades dos seus utilizadores. O principal objectivo proporcionar uma poupana de
energia convencional e contribuir para uma significativa reduo das emisses de CO2. No
entanto, importante salientar a necessidade de considerar um sistema de energia convencional
para apoio, j que o sistema de captao solar no ser autnomo durante todo o ano.
O critrio de dimensionamento de sistemas solares trmicos baseia-se nas necessidades
mdias anuais, ao contrrio do critrio de dimensionamento de sistemas convencionais, que
baseado nas necessidades de ponta. Portanto, a anlise de rentabilidade econmica, a
eficincia energtica e os benefcios ambientais dos equipamentos solares, baseiam-se na
poupana de energia convencional obtida ao longo de um ano.
Os sistemas podem ser compactos do tipo termossifo ou forados. No caso dos sistemas por
termossifo, devido s diferenas de densidade, o fludo trmico circula naturalmente entre o
colector solar e o permutador do depsito sem o auxilio de qualquer bomba de impulso. Os
sistemas forados requerem bombas circuladoras controladas por termstatos diferenciais que
colocam a bomba circuladora em funcionamento sempre que o diferencial de temperatura
existente entre os colectores solares e o depsito de acumulao seja positivo.
As principais aplicaes de energia solar trmica so:
- Sistemas de preparao de guas quentes sanitrias.
- Aquecimento da gua de piscinas.
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- Apoio de aquecimento central (principalmente por piso radiante).
O aproveitamento da energia solar trmica para o aquecimento de guas quentes sanitrias
muito vantajoso, sendo obrigatrio nos edifcios abrangidos pelo R.C.C.T.E. (Regulamento das
Caractersticas de Comportamento Trmico dos Edifcios), sempre que haja uma exposio solar
adequada.
A quantidade de calor que um sistema solar trmico pode fornecer depende da radiao solar
mdia diria do local considerado (kWh/m), da superfcie (em m) de colectores solares trmicos
e da orientao dos colectores em relao ao sol. Finalmente, a percentagem de energia solar
captada que realmente transformada em calor, depende do desempenho (rendimento) dos
colectores solares.
O desempenho de um sistema solar trmico, pode ser determinado atravs da comparao
entre a radiao solar disponvel num perodo de tempo e o aumento de temperatura da gua no
interior do depsito ou tambm com recurso a programas informticos que simulam o
desempenho trmico das instalaes.
10. PRINCIPIOS BSICOS PARA O APROVEITAMENTO DA ENERGIA SOLAR
No projecto de uma instalao solar trmica, fundamental respeitar alguns princpios bsicos
para evitar problemas que possam ocorrer. Portanto, para que a captao de energia solar seja
eficiente, necessrio:
- Instalar o nmero suficiente de colectores solares para garantir a captao de energia
necessria.
- Assegurar a correcta orientao e inclinao das superfcies absorsoras.
- Garantir o correcto ajuste dos aparelhos de regulao e controlo (termstatos diferenciais,
centralinas, etc.).
- Efectuar a correcta regulao de caudal do fludo trmico, em funo da superfcie de
captao instalada.
- Definir a melhor forma de interligao com a energia de apoio, sendo que o funcionamento
destes deve estar limitado ao mnimo indispensvel, atravs da regulao eficaz dos mesmos.
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11. CONVERSO TRMICA DA ENERGIA SOLAR
11.1. Constante Solar
O Sol emite uma energia equivalente a 1367W por cada
metro quadrado de atmosfera. Esse valor denominado de
constante solar.
Fig. 62 Constante Solar
Aps as perdas pela absoro e reflexo na atmosfera esse valor reduz-se para
aproximadamente um mximo de 1000 W/m na superfcie da terra.
11.2. Corpo negro
Colocando uma superfcie plana bem orientada radiao solar, ela absorver a energia
incidente e consequentemente a sua temperatura ir aumentar. medida que a temperatura
dessa superfcie aumenta, tambm aumentam as perdas por radiao, at que finalmente se
atinge um ponto de equilbrio trmico. O equilbrio ir ocorrer quando as perdas trmicas forem
iguais aos ganhos de energia.
O corpo negro um modelo ideal, no qual toda a radiao incidente absorvida,
independentemente do comprimento de onda e da direco da incidncia. Este corpo tem a
capacidade de absorver toda a radiao nele incidente mas tambm para uma dada temperatura
consegue emitir mais energia por radiao.
11.3. Superfcie selectiva
Uma Superfcie selectiva absorve a radiao incidente como um corpo negro, mas ao
contrrio deste, emite menos energia por radiao. Portanto possui um elevado coeficiente de
absortncia () e um baixo Coeficiente de emitncia ().
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Fig. 63 Superfcies selectivas
11.4. Coeficientes de absortncia () e emitncia ()
Coeficiente de absortncia () a relao entre a quantidade de energia de radiao que um corpo absorve e a que absorveria um corpo negro submetido mesma radiao.
Coeficiente de emitncia () a relao entre a quantidade de energia radiada que um corpo emite a determinada temperatura e a que emitiria um corpo negro mesma temperatura.
11.5. Corpo transparente e corpo opaco
Um corpo transparente aquele que deixa passar a radiao electromagntica e um corpo
opaco aquele que no se deixa atravessar pela radiao.
A cobertura de um colector solar trmico deve apresentar estas as duas caractersticas:
1. Deve ser transparente para que a luz solar atravesse o vidro de fora para dentro, at
chegar superfcie absorsora.
2. A cobertura dever ser opaca, no permitindo portanto, a fuga de radiao para o exterior
fenmeno conhecido por efeito de estufa.
Estas duas caractersticas contribuem para garantir o aquecimento da superfcie absorsora.
A transmitncia um valor que define a transparncia de uma cobertura solar.
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11.6. Efeito de estufa.
O aproveitamento da energia solar sob a forma de calor implica a existncia de um conhecido
fenmeno efeito de estufa.
O efeito de estufa consiste na reteno da radiao emitida pela superfcie de um objecto,
sem que esta se perca para o exterior. Esse objectivo consegue-se por intermdio de uma
cobertura adequada. Como consequncia disso, o calor fica retido, permitindo um aumento de
temperatura na superfcie do objecto.
Fig. 64 Efeito de estufa num colector solar.
12. COLECTORES SOLARES
Os colectores solares so os principais elementos de qualquer sistema de energia solar
trmica. Tm como objectivo captar a energia solar incidente e transmiti-la ao fluido que circula
no seu interior. Quanto ao tipo de colectores que formam o sistema de captao para a produo
de guas quentes sanitrias (e no s), podemos falar nos colectores planos com ou sem
cobertura ou nos colectores de tubos de vcuo. No caso dos colectores para piscinas, pode ser
aplicado qualquer um dos referidos, mas os colectores que no possuem cobertura, isolamento
e carcaa, normalmente so mais vantajosos.
12.1. Tipos de colectores solares trmicos.
Existem diversos tipos de colectores solares trmicos, adequados a diferentes utilizaes:
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Tubos de
vcuo
CPC
Planos
com
cobertura
Planos
sem
cobertura
Tabela 6 - Tipos de colectores solares trmicos
12.2. Elementos constituintes de um colector plano
De uma forma simples, o colector solar plano formado por uma cobertura, uma superfcie
absorsora e uma caixa isolada para evitar as perdas de calor. Geralmente, a superfcie
absorsora soldada a uma serpentina de tubos, pelos quais circula um fluido trmico.
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Fig. 65 Constituio de um colector solar plano
12.2.1. Cobertura transparente
A cobertura deve permitir a passagem de radiao solar para o interior do colector e impedir a
fuga de energia emitida pela superfcie quente para o exterior do colector. O objectivo provocar
o efeito de estufa e assegurar a estanquidade do sistema.
Fig. 66 Cobertura transparente
Para se conseguir uma boa eficincia, uma cobertura deve possuir as seguintes
caractersticas:
- Elevada transmitncia (transparncia) para poder captar cerca de 90% da radiao solar.
- Capacidade de restringir perdas por conveco do ar, aquecido pelo contacto com a superfcie
absorsora.
- Estanquidade gua e ao ar.
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- Resistncia s condies climatricas (ventos, neves e geadas, granizos e choques trmicos).
- Segurana contra eventuais ferimentos, atravs de uma cobertura que se quebre em
pequenos fragmentos sem bordas afiadas nem em estilhaos afiados.
Os materiais mais utilizados so o vidro e alguns tipos de acrlicos. Com o objectivo de diminuir
as perdas por reflexo dos raios solares incidentes, podem ser aplicados tratamentos especiais
anti-reflexo sobre as superfcies exteriores. Tambm podem ser aplicados tratamentos nas
superfcies interiores, que permitem a passagem da radiao de pequeno comprimento de onda
(ultra-violeta) e retm as de maior comprimento, isto , maior frequncia (infravermelhos).
Fig. 17 Comprimentos de frequncia de onda
Existem coberturas de vidro duplo que permitem aumentar o efeito de estufa nos colectores e
por conseguinte, a temperatura do fludo na superfcie absorsora. No entanto, esses colectores
apresentam menores rendimentos pticos, j que a energia recebida tambm menor.
De um modo geral, os colectores solares de cobertura dupla so mais interessantes em zonas
de baixa temperatura ambiente e propcias a ventos fortes. No nosso pas, este tipo de cobertura
s faz sentido em zonas onde a intensidade de radiao maior (zonas de maior altitude).
12.2.2. Superfcie absorsora
A superfcie absorsora consiste basicamente numa superfcie em contacto com os canais por
onde circula o fludo. A sua funo receber a radiao solar e transform-la em calor para
ceder ao fludo.
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Fig. 68 Superfcies absorsoras
A superfcie deve possuir um revestimento que lhe confira uma caracterstica similar de um
corpo negro, conseguindo portanto uma elevada absortncia (>90%).
Para que os rendimentos sejam elevados, recorrem-se a superfcies selectivas, que como j
foi mencionado, possuem a elevada capacidade de absorver como um corpo negro mas com
menores perdas por radiao, ou seja, com menores coeficientes de emitncia (5 a 15%).
Fig. 69 Superfcie no Selectiva versus Superfcie Selectiva
A construo das superfcies absorsoras varia consoante o tipo de revestimento e materiais
utilizados e a disposio hidrulica dos canais condutores de fludo.
Entre os diversos tipos de superfcies absorsoras que existem no mercado, destacamos os
seguintes:
- Tubos soldados placa metlica absorsora.
- Canais formados entre duas placas de cobre/alumnio unidas (colectores tipo Roll-Bond).
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Fig. 70 Tipos de superfcies absorsoras.
As soldaduras entre os tubos de distribuio hidrulica e placas metlicas absorsoras, so
geralmente realizadas por ultra-sons. Neste caso, podemos falar de dois tipos de superfcies
absorsoras:
a) Grelha de tubos de cobre soldados por ultra-sons: Consiste numa grelha de tubos pelos
quais circula o fluido trmico.
Fig. 72 Absorsor em grelha de tubos
b) Dupla serpentina em cobre soldada por ultra-sons: Neste caso, o colector constitudo por
duas serpentinas, nas quais circula o fludo trmico. A grande vantagem que este sistema
oferece, que o fludo em circulao permanece mais tempo no interior do colector, aumentando
assim o rendimento.
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Fig. 72 Absorsor em dupla serpentina
Relativamente aos revestimentos das superfcies absorsoras, podemos falar em trs tipos de
tratamento:
a) Tratamento Semi-Selectivo ou pintura solar: um tratamento baseado numa pintura
especial, resistente aos raios U.V., que oferecem uma boa relao preo/rendimento.
b) Tratamento Selectivo: Este tratamento confere superfcie um revestimento que consiste
numa lmina de Crmio negro, permitindo reduzir a percentagem de emisses e fazendo com
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