3e. Dimensioanemto de uma instalaçao solar termica PDF

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AULA DE EEN904...

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Universidade Federal de Itajubá Instituto de Engenharia Mecânica

EEN 904 – Energia Solar térmica e fotovoltaica Prof. Dr. Christian J. Coronado Rodriguez Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI Instituto de Engenharia Mecânica -IEM Av. BPS 1303 - Itajubá- MG- CEP 37500903- Brasil [email protected] Fone: 55-35-3629 1544 www.getec-unifei.com.br

Prof. Dr. Christian R. Coronado

Energia Solar Térmica

Energia Solar 1/2016

Prof. Christian R. Coronado

DIMENSIONAMENTO DE UMA INSTALAÇÃO SOLAR TÉRMICA 1.

Montagem de um coletor solar 

Orientação e inclinação ótima



Distancia mínima entre coletores



Elementos de montagem



Integração arquitetônica

2.

Dimensionamento de um equipamento solar de

AQS 

Calculo rápido



Cálculo detalhado



Exemplo

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.1 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO OTIMA  Absorção ótima da energia solar através dos coletores  Orientação dos coletores na direção do sol  Aproveitamento

máximo da radiação ao longo do período anual de

utilização

 Montagem do coletor solar  Ângulo de inclinação  Ângulo azimutal

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.1 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO OTIMA 1.1.1 Ângulo de inclinação:  Ângulo de inclinação α: “!Angulo entre a horizontal e o

coletor”  Montagem em telhados inclinados → α =

Inclinação do telhado

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.1 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO OTIMA 1.1.1 Ângulo de inclinação:  O absorvedor absorve a maior quantidade de energia quando os

coletores estão orientados em ângulo reto com os raios solares.  O ângulo de irradiação solar depende da hora do dia e da estação

do ano.  No

geral

se

procura

que

a

radiação

solar

incida

perpendicularmente sobre a superfície do coletor ao meio-dia solar do dia médio da época de utilização do equipamento.

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.1 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO OTIMA 1.1.1 Ângulo de inclinação:  Ângulos de inclinação recomendados segundo a época de

utilização e o uso ao que se destina a instalação. 

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.1 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO OTIMA 1.1.2 Ângulo azimutal  Ângulo Azimutal: “Desvios do plano do coletor com respeito

ao sul (para observadores do hemisfério norte) e para o norte (para observadores do hemisfério sul)”

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.1 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO OTIMA 1.1.2 Ângulo azimutal  Plano dos coletores orientado para o norte geográfico.  Ângulo Azimutal

= 0°

 Plano dos coletores deveria estar orientado sempre que for

possível para o norte (na maior parte do Brasil):  Irradiação solar é muito intensa durante o meio-dia.

 Desvios de até ± 30° respeito à direção norte não afetam

sensivelmente o rendimento e a energia térmica aportada pelo equipamento solar.  Desvios maiores porém, requerem

compensação.

mais coletores como

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.1 ORIENTAÇÃO E INCLINAÇÃO OTIMA

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.2 DISTANCIA MÍNIMA ENTRE COLETORES  Separação entre linhas de coletores 

Durante o meio-dia solar do dia mais desfavorável (altura solar mínima) do período de utilização, a sombra da aresta superior de uma fila é projetada (como máximo) sobre a aresta inferior da fila seguinte.

 Utilização durante todo o ano 

O dia mais desfavorável é o 21 de dezembro (hemisfério norte), onde a altura solar é mínima e o meio-dia solar vale h0: h0 = (90° - latitude do lugar) – 23,5°

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.2 DISTANCIA MÍNIMA ENTRE COLETORES  Distancia minima entre coletores: d

d = d1 + d2 = z/tg(ho) + z/tg(α) = = L sen(α) / tg(ho) + L sen(α)/tg(α)

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.2 DISTANCIA MÍNIMA ENTRE COLETORES  Distancia mioma entre coletores: d

d = L sen(α)/tg(ho) + L sen(α)/tg(α) = L (sem(α)/tg(ho) + cos(α)) É aconselhável (se houver espaço), aumentar em um 25% a distancia d mínima, especialmente se a instalação se vai utilizar durante o solstício de verão.

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO  Ângulo de inclinação e ângulo azimutal ótimo  Distancia entre fileiras de coletores  Identificação das sombras  Sombra >

20% de superfície do coletor solar → coletor inoperante

 Sombra (dia mais desfavorável) <

5 % superfície do coletor

 Montagem dos coletores → sistema de fixação + suportes  Segurança na fixação e sujeição  Rapidez na montagem

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO  Fixação a utilizar depende de:  Localização do coletor: cobertura/terraço  Forças que agem sobre o coletor: pressão do vento 

Orientação de coletores = Norte → forças de tração sobre a fixação.

 Calculo da força do vento sobre cada coletor  Especialmente importante em lugares com fortes ventos que atingem

por trás do coletor

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO  Calculo da força do vento sobre cada coletor

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO  Calculo da força do vento sobre cada coletor

 f: Força do vento sobre o coletor  p: Pressão frontal do vento (N/m2) 

S: Superfície do coletor (m2)

 α: Ângulo de inclinação do coletor (°)

f se descompõe em f1 e f2: f1: Força do vento perpendicular a superfície do coletor f2: Força do vento paralela a superfície do coletor

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO  Calculo da força do vento sobre cada coletor

f1= f . sen(α) = p . S . sen(α) . sen(α) = p . S . sen2(α) f2= f . cos(α) = p . S . sen(α) . cos(α) lançamento do coletor → f1 

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Exercício  Calcular a força de lançamento do coletor (f1) para um

vento de 54 km/h. Ângulo de inclinação do coletor: 50° Ângulo azimutal do coletor: 0° As dimensões de cada coletor são: 1500 mm x 1133 mm x 78 mm.

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO a)

Estrutura e fixação

b)

Sujeição mediante parafusos (detalhe)

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO  Recomendações gerais  Não

ultrapassar com a

fixação a cobertura do prédio →

vazamentos. Há que construir bloques de concreto armado para assegurar a fixação total.  Dimensão

mínima do bloque de concreto (armado com varetas

de metal) = 20 x 20 cm  Materiais

e qualidade→ Todos os parafusos devem ser de aço

inoxidável ou outro material resistente a corrosão.

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO

Sistema de montagem nos telhados

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO

Simples: Coletores com a mesma orientação e inclinação que o telhado

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO

Solução pouco estética: admissível se não se enxerga da rua

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.3 ELEMENTOS DE MONTAGEM E SUJEIÇÃO

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.4 INTEGRAÇÃO ARQUITETÔNICA  Integração arquitetônica coletores solares  Parte da instalação que mais impacto produzem: 

Coletores



Deposito acumulador

 Minimização do impacto visual das instalações solares sobre o prédio

e o entorno.  Procurar a continuidade e a uniformidade do prédio e o entorno.  Manter alinhamento com os eixos principais do prédio  Conseguir um projeto estético

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.4 INTEGRAÇÃO ARQUITETÔNICA

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.4 INTEGRAÇÃO ARQUITETÔNICA

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1. MONTAGEM DE UM COLETOR SOLAR 1.4 INTEGRAÇÃO ARQUITETÔNICA

Uma enorme rede de painéis solares foi instalada sobre a laje do estádio e fazem do Mineirão a maior usina fotovoltaica sobre cobertura do Brasil.

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS  Dimensionamento incorreto  A instalação de energia solar não e capaz de cobrir as

necessidades energéticas.  Sobredimensionado repercute de forma negativa na vida da

instalação.  Antes de projetar a instalação  Escolher os dados com a máxima precisão possível  Conversar previamente com o usuário: condições econômicas

(gastos de instalação, manutenção, economia, benefícios)  Analisar o consumo (residência habitual, férias, etc)

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.1 Calculo Rápido • Objetivo: Realizar o calculo aproximado de uma instalação solar de AQS Primeira avaliação do tamanho da instalação Estimação aproximada da rentabilidade

• Os resultados obtidos são aproximados • O calculo preciso requererá de um estudo mais detalhado.

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.1 Calculo Rápido . %/$01 $ 23%%$01 $ 23$/0+1

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.1 Calculo Rápido $%$$!7 0*1

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.1 Calculo Rápido • Em caso de conhecer o consumo diário de AQS, este se anota diretamente em [3], sem utilizar os quadros [1] e [2]. • A principio, a capacidade de acumulação [4] será aproximadamente igual ao consumo diário de AQS [3].  O ICMS, dedutível de impostos, não figura como custo de instalação, pelo que deve ser adicionado pelo usuário junto com o pago inicial [10].  Quanto ao período de amortização resultante [13], cabe destacar que a vida media de uma instalação solar de AQS é de 20 anos.

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Exercício  Seja uma residência unifamiliar de 4 pessoas interessada

em instalar coletores solares térmicos para produzir AQS. O consumo de AQS da residência se estima em 40 L por pessoa e dia. Realizar uma primeira cotação da instalação.

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.1 Calculo Rápido Distribuição de custo de uma instalação solar de AQS típica por equipamentos.

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.2 Processo de cálculo (Usar Excel ou similar) 1. Calcular mês a mês o consumo energético Qa = Ce . M . (tac – tr ) . n . ρ Qa : Calor mensal necessário para aquecer a AQS [J/mês] m: Quantidade de AQS consumida por dia [l/dia] Ce : Calor específico da água [4187 J/kg °C] tac: Temperatura de acumulação de AQS [°C] tr: Temperatura de agua fria da rede [°C] N: N° de dias do mês considerado ρ: Massa especifica da água [ 1 kg/l]

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.2 Processo de cálculo • Calculo de m → Consumo médio diário de AQS em distintos tipos de edificações (aprox) " $

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.2 Processo de cálculo 2. Calcular a energia media mensal incidente sobre superfície captadora por m2.  Calcular H: Energia media diária mensal incidente sobre superfície horizontal [J/m2dia]. → Tabelas de radiação horizontal  Calcular o fator de inclinação k segundo a latitude e o ângulo de inclinação escolhido → Tabelas  Calcular E = 0,94 . K . H E: Energia media diária mensal incidente sobre superfície captadora [J/m2dia].

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.2 Processo de cálculo 3. Achar a intensidade incidente mensal I [W/m2]:  I = E/t  E: Energia media diária mensal incidente sobre superfície captadora [J/m2dia].  T: tempo útil de sol ao mês [s] → Tabela 6 4. Calcular o rendimento mensal do coletor: η η = FR . (τ . α)N – [FR . UL . ((tm – ta)/I)]

 FR . (τ . α)N : Ordenada na origem da curva característica do coletor (dado do fabricante)  FR . UL: Pendente ⇒ dado do fabricante.

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.2 Processo de cálculo 5. Calcular o aporte mensal por m2 do coletor Aporte mensal diário por m2 [J/m2.dia] = η x E

6. Corrigir o aporte Caso geral: 0,85 . η . E Caso desfavorável / fins de semana: 0,8 . η . E Caso favorável: 0,9 . η . E

7. Calcular a superfície necessária do coletor Superfície coletora [m2] = Consumo anual / Energia anual liquida disponível

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.2 Processo de cálculo Verificar a cobertura solar obtida com a superfície calculada → Método f-chart 8. Calcular o parâmetro Y Y = FR . (τ . α )N . (FR`/FR) . (τ . α)/(ττ . α)N . E . N . S / Qa Y: Relação entre a energia mensal absorvida pelo coletor e a carga calorifica total de aquecimento durante o mês. S: Superfície captadora [m2] E: Energia media diária mensal incidente sobre superfície captadora [J/m2.dia]

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2. DIMENSIONAMENTO DE UM EQUIPAMENTO SOLA DE AQS 2.2 Processo de cálculo 8. Calcular o parâmetro Y Y = FR . (τ . α)N . (FR`/FR) . (ττ . α)/(ττ . α)N . E . N . S / Qa n: n°...