EEN18704 AULA03

Energia Solar Térmica

A energia solar térmica é uma tecnologia que permite a transformação da energia solar em energia útil para aquecer um fluido. A utilização desse fluido determina as aplicações dessa tecnologia. A aplicação mais conhecida, por ser a mais difundida, é o aquecimento de água residencial. Mas há outras possibilidades do uso dessa tecnologia, desde processos industrial em que se precisa de um fluido aquecido, até a produção de eletricidade através de um ciclo convencional de vapor superaquecido.

Objetivo

• Apresentar um panorama geral das aplicações potenciais da tecnologia solar térmica.
• Compreender a disponibilidade do recurso solar para aplicações térmicas em uma determinada localização, para poder determinar o potencial deste tipo de tecnologia.
• Definir o tipo de sistemas solares térmicos que podem ser instalados em um determinado local e para uma determinada aplicação, identificando seus componentes principais.
• Compreender o modo de operação dos sistemas solares térmicos e sua possível integração em sistemas convencionais.
• Definir e desenhar, de forma elementar, sistemas solares térmicos.

Apresentação

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Introdução

O princípio comum a todos os sistemas solares térmicos é o de que a radiação solar é captada e utilizada para aquecer um fluído (normalmente um líquido, ainda que também possa ser um gás como ar ou CO2).

Nota: Os sistemas solares térmicos utilizam a capacidade da radiação solar de aquecer, diferenciando-se claramente dos sistemas fotovoltaicos, que se baseiam na capacidade de certos materiais para transformar, diretamente, a radiação solar em energia elétrica. As diferenças entre estes dois tipos de sistemas solares se referem à tecnologia, aplicações e desenvolvimento, de modo que não podem ser tratados da mesma forma.

Nos sistemas solares térmicos se utilizam coletores para coletar a energia solar. Há muitos tipos de coletores, mas os mais simples e grandes são os próprios edifícios. Este tema é tratado no módulo intitulado Eficiência Energética na Edificação. Os sistemas solares ativos são aqueles que usam um equipamento específico para captar a energia solar: os coletores solares térmicos. O fluído aquecido pela energia solar que circula por seu interior pode direta ou indiretamente, por meio de um permutador de calor, transferir sua energia ao destino ou aplicação final.

-Quais são as vantagens específicas da energia solar térmica ativa?

• O impacto ambiental do ciclo de vida dos sistemas solares ativos é praticamente nulo. O uso de carvão, gás, petróleo ou energia nuclear representa um impacto importante sobre o meio ambiente e, portanto, nos fundos públicos e na sociedade. Trata-se de um impacto que não está refletido no custo específico ao usuário, de maneira que as energias renováveis, de modo geral, e os sistemas solares térmicos ativos, especificamente, competem em desigualdade de condições.
• A energia solar está disponível quase em qualquer parte do mundo, o que lhe confere um imenso potencial de aproveitamento, principalmente com sistemas solares térmicos que aproveitam a radiação solar global (sistemas para baixa e média temperatura).
• A energia solar térmica ativa sempre induz uma redução no consumo de energia primaria, podendo ser combinada com quase qualquer sistema auxiliar de respaldo.
• Os sistemas solares térmicos ativos têm um custo previsível, já que o montante principal do mesmo está associado ao investimento inicial, não dependendo de variações ou flutuações do mercado do custo de combustíveis.

A radiação solar

O Sol é um enorme reator de fusão nuclear formado por uma esfera de matéria gasosa quente de 1,39 milhões de quilômetros de diâmetro, que constitui a principal fonte de energia para a Terra, situada a uma distancia média de 1,496·108 km. Devido à radiação solar, a temperatura na superfície terrestre é cerca de 250ºC superior à temperatura que existiria na superfície se esta dependesse somente do calor interno.

O Sol radia continuamente uma potência de 3,8·1023 kW, das quais a Terra intercepta 1,7·1014 kW. A energia solar recebida na atmosfera exterior da Terra em um ano se conhece como SERPE (Solar Energy Received Per Year) e corresponde a 1,55·1015 MWh, quantidade que equivale aproximadamente a 12000 vezes a energia consumida no mundo, considerando os dados publicados de produção e consumo energético mundial durante o ano 2005 [British Petroleum, 2006]. Da radiação recebida na superfície exterior, 30% é refletida ao espaço, 47% é absorbido pela atmosfera, mares e Terra para manter a temperatura ambiente, e o restante 23% se usa para manter a convecção atmosférica e o ciclo hidrológico.

O espectro solar: Componentes da radiação solar

As diversas formas que apresenta a energia radiante são reunidas no chamado espectro eletromagnético, dividido, por sua vez, em diferentes bandas caracterizadas por suas frequências ou comprimentos de onda. A energia radiante pode ser considerada como um feixe de partículas ou energia luminosa denominados fótons que viajam descrevendo um movimento ondulatório na velocidade de a luz. Cada fóton tem um comprimento de onda, , e uma quantidade de energia, E, relacionadas entre si pela constante de Planck.

Certas bandas de comprimento de onda são conhecidas por nomes especiais. A mais conhecida é o espectro visível, que compreende o intervalo de radiação com comprimentos de onda de 0,38 a 0,75 $\mu$m. A região infravermelha compreende a radiação com comprimentos de onda de 0,75 a aproximadamente 100$\mu$m; as ondas de radiação de comprimentos de onda que excedem os 100 $\mu$m são conhecidas como ondas de radio. A região de radiação com comprimento de onda inferior ao visível compreende regiões do ultravioleta, os raios X e os raios gamma.

Nota: A radiação solar é a energia radiante que vem do Sol e em seu espectro podem ser distinguidas igualmente as distintas regiões do visível, infravermelho e ultravioleta. O máximo de intensidade do espectro solar cai no centro do espectro visível que se estende de 0,38 a 0,74$\mu$m.

- A atmosfera terrestre tem alguma influencia sobre a radiação solar recebida na superfície da Terra?

A radiação solar, em seu caminho até a superfície terrestre, sofre ao passar pela atmosfera uma atenuação devido a processos de absorção e de dispersão (ou difusão).

• A absorção da radiação solar na atmosfera, que produz uma redução de sua intensidade, deve-se principalmente ao ozônio da zona ultravioleta do espectro, ao vapor de água e ao dióxido de carbono nas bandas do infravermelho.
• A dispersão da radiação na sua passagem pela atmosfera, fenômeno mais conhecido como scattering, é causada pela interação da radiação com as moléculas de ar, água (vapor ou gotas de condensado) e, de modo geral, com pelas partículas em suspensão. O grau de dispersão dá-se em função do número e tamanho de partículas através das quais a radiação solar deve passar.

A dispersão da radiação solar provoca múltiplas mudanças em sua direção e, junto com a absorção, uma considerável redução de energia. A fração da radiação solar que chega à superfície terrestre sem uma trajetória definida (radiação multidireccional) se denomina radiação solar difusa (Gd). A radiação difusa varia em uma gama de menos de 10% da radiação global, para condições de céu claro e elevações solares altas (meio dia), até o 100% quando o disco solar não está visível devido a presencia de nuvens.

Aradiação solar direta (Gb) é aquela fração da radiação solar que chega à superfície terrestre com uma trajetória bem definida, que une o Sol com o ponto em que está situado o observador na superfície terrestre. Por ter carácter vectorial, pode ser concentrada por lentes ou refletores. Este componente pode significar uma fração de 90% da radiação global em dias muito ensolarados (céu claro), sendo nula em dias completamente cobertos por nuvens.

A radiação refletida (Gr), também denominada albedo, é a radiação que chega a uma superfície determinada como consequência da reflexão da radiação solar no solo ou em superfícies verticais. Normalmente reapresenta uma fração muito pequena da radiação solar global, mas pode chegar a ser algo mais de 40% da radiação global.

A radiação global (G) sobre uma superfície horizontal é a soma destes três componentes.

$G=Gb(H)\,+Gd+Gr$

Onde Gb(H) é a radiação direta sobre o plano horizontal, i.e., Gb·cos, sendo o ângulo de incidência da radiação solar, isso é, o ângulo que forma o vector que une o sol com a Terra e a superfície horizontal correspondente. Portanto, em um dia ensolarado predominará a radiação solar direta e em um dia nublado, a difusa, enquanto que a refletida depende sempre do ambiente e é muito importante em zonas nevadas ou nas cidades com edifícios altos.

Nota: De acordo com componentes da radiação solar a ser utilizados, utiliza-se um tipo ou outro de coletores solares térmicos.

Balanço energético em um coletor solar térmico

Nesta seção se descreve, de forma geral, quais são os mecanismos pelos quais é possível aproveitar a energia solar por meio de um coletor solar térmico. Para tanto é necessário conhecer os mecanismos de transferência de energia térmica, bem como os parâmetros que caracterizam ou definem estes mecanismos. Concretando estes conceitos para um coletor solar térmico é possível encontrar quais serão os requerimentos para um funcionamento ideal.

Funcionamento térmico de um coletor solar térmico

O funcionamento térmico de qualquer coletor solar térmico está determinado pelo chamado rendimento global, $\eta \,$ , definido como a relação entre a potência térmica que é capaz de proporcionar, ou potência térmica útil $P_{util}\,$, e a potência procedente do Sol tomada como referencia, $P_{solar}\,$, isso é:

$\eta ={\frac {P_{util}}{P_{solar}}}$

A potência térmica procedente do Sol, $P_{solar}\,$, é o produto da área líquida do coletor que intercepta a radiação solar, $A_{c}\,$, e da irradiância solar tomada como referência, $E_{c}\,$:

$P_{solar}=A_{c}\,E_{c}$

Em estado estacionário a potência térmica útil, $P_{util}\,$, é o resultado do balanço entre a potência energética absorvida pelo receptor, $P_{absorbida}\,$, e a potência que este perde para o ambiente, $P_{perdida}\,$, Nem toda a potência solar, $P_{solar}\,$, pode ser absorvida pelo receptor. Existe uma série de perdas de energia devidas tanto à geometria e óptica do coletor, quanto às propriedades dos materiais do próprio receptor que devem ser consideradas (Figura 1). Chama-se rendimento óptico, opt, ao fator de correção da potência absorvida pelo receptor a partir da potência solar considerada. Isso é:

$P_{absorvida}=\eta \,P_{solar}$

O receptor perde energia ao exterior já que, ao incidir a radiação solar sobre ele, é aquecido, isso é, aumenta sua temperatura com relação à temperatura ambiente. Assim, quanto maior for a diferença de temperaturas entre o absorvente, $T_{A}\,$, e o ambiente, $T_{\infty }$, maiores serão as perdas de energia. As perdas do receptor também devem ser proporcionais à área de intercambio desta energia, isso é, à área do absorvente, $A_{A}\,$. O fator de proporcionalidade deste conjunto de variáveis é denominado coeficiente global de perdas do receptor, $U_{L}\,$, e considera todos os intercâmbios de energia entre o absorvente e o ambiente. Desta forma, pode-se escrever que:

$P_{perdida}=U_{L}\,A_{A}\left(T_{A}-T_{\infty }\right)$

Figura 1 - Balanço energético em um coletor solar térmico.

A razão de concentração, C, é a relação entre a área líquida do coletor que intercepta a radiação solar, $A_{c}\,$, [Kreith&Kreider, 1978], e a área do receptor, $A_{A}\,$, (área de perdas de energia ao ambiente exterior).

Todas as superfícies em que incide a radiação solar, seja para refletir-se –quando se trata de coletores com concentração por espelhos-, para transmitir-se –coberturas de vidro que protegem o absorvente do exterior- ou para aquecer um fluído –através de um absorvente solar-, impõem uma atenuação desta radiação solar. Assim, sabendo que o rendimento óptico, opt, é a porcentagem que determina essa atenuação, pode-se dizer que tem sua origem em que:

• Em coletores de concentração, os espelhos não são refletores perfeitos, de modo que se deve considerar o valor de sua refletividade especular.
• A cobertura de vidro não é perfeitamente transparente, deixando passar uma proporção da radiação incidente, determinada por sua transmissibilidade.
• A superfície absorvente tem uma absortância da radiação solar determinada.
• Nos coletores de concentração podem existir erros no posicionamento do receptor com relação ao foco, erros na própria forma concentradora dos espelhos, erros no acompanhamento do Sol que se traduzem em raios refletidos que não interceptam o absorvente, etc. Todos estes possíveis erros englobam-se no chamado fator de interceptação.

Segundo o que foi dito anteriormente, com um coeficiente de perdas constante, quanto maior é o valor do rendimento óptico, maior será o rendimento do coletor. Assim, quanto maiores sejam os valores das variáveis que o definem, melhor será o rendimento dos coletores.

- O estado de limpeza do coletor afeta seu rendimento óptico e, portanto, seu rendimento global?

Sim. A refletividade dos espelhos e a transmitância da cobertura são, em grande parte, determinadas pela limpeza do coletor. Isto é especialmente crítico em coletores de concentração, de modo que é importante, dentro das atividades de manutenção de uma planta de coletores de concentração, ter uma estratégia adequada de manutenção e limpeza.

Mecanismo de transporte de energia

A energia térmica se transporta de regiões com maior temperatura a regiões em que a temperatura é menor. Os mecanismos básicos de transferência desta energia são: radiação, convecção e condução. Entre estes dois últimos há uma estreita vinculação a escala microscópica. Na prática, a transferência de energia costuma ocorrer por vários destes mecanismos atuando em paralelo.

Nas seguintes seções explica-se brevemente os fundamentos destes três mecanismos, bem como alguns conceitos que permitam de forma rápida trabalhar com bibliografia especializada no tema (para uma descrição mais detalhada ver, por exemplo, [Costa Novella, 1986], [Siegel&Howell, 1972], [Rohsenow et al., 1985]).

Radiação

A radiação térmica de um corpo é a radiação eletromagnética emitida devido a sua temperatura e a expensas de sua energia interna. Esta radiação eletromagnética cobre uma gama de comprimentos de onda dentre 0.1 e 100 um. Para estudar a radiação térmica a nível macroscópico se recorre ao conceito de corpo negro (black- body) e às leis que governam seu comportamento. Um corpo negro é um corpo ideal que absorve toda a radiação incidente, qualquer que seja seu comprimento de onda e seu ângulo de incidência, e que emite a máxima energia possível. As superfícies reais não se comportam como corpos ideais ou corpos negros, já que nem absorvem toda a radiação que recebem, nem emitem a máxima energia possível na proporção em que o recebem. Isso depende tanto do comprimento de onda como da direção da radiação – seja absorbida ou emitida-. Por isso os corpos reais –ou melhor as superfícies desses corpos reais- estão caracterizados por fatores chamados absortância, , e emitância, , que consideram seu desvio com relação ao comportamento ideal. O fluxo de energia emitido por um corpo negro é proporcional a quarta potência de sua temperatura absoluta (Lei de Stefan-Boltzman).

Condução

É o mecanismo de transferência de energia produzido entre dois corpos que estão em contato físico. O fluxo de energia transmitido por condução por unidade de área atravessada é proporcional ao gradiente de temperaturas através de um fator chamado condutividade térmica. Dá-se em função da temperatura do meio em que se encontre (Lei de Fourier.)

Convecção

É o mecanismo de transmissão de energia que ocorre entre um sólido e um fluído em virtude dos movimentos macroscópicos do próprio fluído. Este movimento pode ser produzido por causas externas (por exemplo, por um agitador, um ventilador ou uma bomba), em cujo caso o processo se denomina convecção forçada, ou pode ser devido a um gradiente de densidade originado por um gradiente de temperaturas, e então o processo se denomina convecção natural ou livre. A nível macroscópico a convecção é estudada a partir da lei de Newton de resfriamento, em que o fluxo de energia é considerado proporcional à diferença de temperaturas entre a superfície sólida e o fluído por meio de um coeficiente de transferência, h, sensível à geometria do sistema, às propriedades físicas e ao perfil de velocidades do fluído.

Sistemas solares térmicos: do coletor: plano aos discos de concentração

Com energia solar é possível fornecer energia térmica a distintos níveis de temperatura. De fato, as principais características (necessidade de acompanhamento do sol e a relação de concentração) dos diferentes sistemas solares térmicos se determinam pelo nível de temperatura requerido (Figura 2).

Figura 2 - Temperaturas proporcionadas por diferentes sistemas solares térmicos

Coletores de baixa temperatura (menor que 125°C)

Para aplicações que requeiram um fluído a baixa temperatura (menor que 125°C) trabalha-se com coletores sem acompanhamento e com uma pequena ou nenhuma concentração. Existe uma ampla variedade de modelos, diferenciando-se principalmente pelo fluído de trabalho e pelo número e a eficácia de barreiras térmicas que incorporam para evitar perdas térmicas ao ambiente exterior –i.e., um coeficiente de perdas baixo- e poder, assim, alcançar um determinado nível de temperatura. Os coletores sem cobertura costumam ser utilizado para climatizar piscinas elevando a temperatura da água e aumentando a temporada de banho. Estes coletores são uma grade de tubos fabricados em polímeros de alta qualidade que têm uma boa capacidade de absorção da radiação solar (cor preta) e elevada durabilidade, pelos quais circula o fluído a aquecer. O sistema de funcionamento é bastante simples; uma vez que a água da piscina tenha passado pelo sistema de filtração, ao invés de voltar a ser enviada à piscina, é enviada aos coletores solares, em que é aquecida e volta a ser enviada à piscina.

-Como é possível reduzir as perdas térmicas ao exterior destes coletores para piscina?

A melhor forma de reduzir as perdas ao exterior é isolando o coletor. Este isolamento deve ser transparente na zona sobre a que incide a radiação solar e pode ser opaco no resto. Teremos, assim, os coletores planos com cobertura de vidro.

Os coletores planos têm uma grade de tubos ou semelhante, geralmente de cobre, pelas quais circula o fluído a aquecer. Esta grade está protegida do exterior por uma caixa metálica, de alumínio e/ou aço galvanizado, cujas dimensões normais oscilam entre 80 e 120 cm de largura, 150 e 200 cm de altura, e 5 e 10 cm de grossura, ainda que existam modelos maiores. A face exposta ao sol está coberta por um vidro (normalmente temperado e sempre com baixo conteúdo de ferro para melhorar a transmitância solar), enquanto as cinco caras restantes são opacas e estão isoladas termicamente do exterior com lã de rocha ou algo semelhante. Para aumentar a área de captação solar da grade de tubos ou conduções, há uma placa, normalmente de cobre ou alumínio, chamada absorvente, que sofreu algum tipo de tratamento para que, aumentando sua capacidade de absorber a radiação solar –i.e., ter uma absortância alta-, tenha pequenas perdas por radiação –i.e., uma emissividade baixa-. Este tipo de superfícies tratadas são denominas seletivas.

O fluído que circula pelo interior dos canais pode ser:

• Um líquido, que pode ser água, glicol ou outro tipo de anti-congelante, ou uma mescla de água e anti-congelante. A escolha de um ou outro depende das condições climáticas do local do coletor e da possibilidade de congelamento do fluído por baixas temperaturas ambientais (Figura 3 (a)).

(a)

• Um gás como o ar. A geometria dos canais pelos quais circula o ar está desenhada para evitar quedas de pressão importantes ao longo de seu percurso –minimizando, assim, o consumo em bombeamento de ar- e para

que sua fabricação seja mais econômica. Assim, costumam ser canais de seção quadrada, ao invés de tubos como os utilizados para a água (Figura 3 (b)). Os coletores de ar costumam ser utilizados em aplicações em que se requer ar quente diretamente: sistemas de aquecimento por ar para grandes espaços, como naves industriais, e processos de secagem agrícola e industrial.

(b)
Figura 3 - Coletores solar térmicos com cobertura

Coletores de média e alta temperatura

Devido à baixa densidade energética da radiação solar, para níveis de temperatura acima de 125°C, é necessário utilizar coletores solares de concentração. O grau de concentração deverá ser tão alto quanto maior seja a temperatura a conseguir, sendo possível alcançar temperaturas inclusive superiores a 2000°C. A concentração da radiação solar pode ser realizada de diversas formas, sendo as mais comuns as duas seguintes:

• Utilização de uma superfície refletora (espelho) que concentra através da reflexão a radiação solar direta sobre um receptor ou absorvente.
• Utilização de lentes Fresnel ou lentes convexas que concentram através da refração.

(a)

(b)
Figura 4 - Concentração através da reflexão (a) e através de refração (b).

Os coletores que utilizam espelhos para concentrar a radiação solar são os mais utilizados já que, e principalmente, permitem valores de concentração mais altos e seus preços são menores do que quando se utilizam lentes. A parábola é a única forma geométrica possível de um refletor para concentrar um feixe colimado de radiação em um ponto. A focalização perfeita somente é possível se o feixe incidente é paralelo ao eixo de simetria da parábola. Um feixe colimado procedente de outras direções distintas a esta, não apenas não focaliza em um ponto, mas, devido às aberrações ópticas próprias de um espelho, que não é nunca perfeito, não converge em um ponto.

- Qual componente da radiação solar tem uma direção clara e definida no tempo?

Efetivamente, a radiação solar direta tem uma trajetória bem definida e, portanto, é a única aproveitável em sistemas solares térmicos de concentração. Devido a que os sistemas solares com concentração utilizam somente a radiação solar direta, e considerando que a trajetória desta radiação é definida pela posição do Sol com relação à Terra, os coletores de concentração devem possuir um sistema de movimento que permita acompanhar o sol ao longo do dia. Atendendo à geometria do foco ou o lugar em que se transforma a radiação solar concentrada em energia térmica, os sistemas de concentração podem ser classificados como: De foco pontual: discos parabólicos, sistemas de receptor central. De foco linear: coletores cilíndrico-parabólicos, concentradores lineares Fresnel. Os sistemas mais desenvolvidos comercialmente são os de coletores cilíndrico parabólicos, e os menos desenvolvidos são os concentradores lineares Fresnel, mas todos são interessantes.

Referências

[1] Observatório de Energias Renováveis para a América latina e Caribe.

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