EEN18704 AULA01

Apresentação

Primeiramente, eu convido a todos vocês, responderem algumas perguntas:

O que é produção limpa?

Para que serve o desenvolvimento industrial sustentável?

É possível mudar o modelo de eficiência energética?

Hábitos podem ser modificados através do consumo responsável?

Nesta unidade curricular, vamos trabalhar com a eficiência energética em edifícios, ver como funciona as pequenas centrais hidrelétricas, também vamos observar os efeitos que a energia tem sobre as mudanças climáticas. Ainda, a energia solar fotovoltaica, o biogás, energia mini eólica e começaremos pela energia solar térmica.

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.

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:

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

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).

Referências

[1]

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