Fundamentos de sistemas solares térmicos: um guia introdutório

1. Introdução
1.1. A energia solar
1.2. Radiação e constante solar
1.3. Energia radiante, fótons e corpos negros
1.4. Espectro solar de emissão
1.5. Efeitos da atmosfera sobre a irradiação solar
1.6. Irradiação sobre uma superfície: absorção, reflexão e transmissão
2. Noções de astronomia e posição solar
2.1. Principais parâmetros na posição relativa entre o sol e a terra
2.1.1. Latitude
2.1.2. Declinação solar
2.1.3. Azimute e altura
2.1.4. Inclinação
2.2. Tempo solar e ângulo horário
2.3. Gráficos Solares
2.5. Distância mínima entre painéis e cálculo de sombras
2.6. Modelos utilizados
3. Sistemas térmicos e fotovoltaicos
3.1. Energia solar passiva (arquitetura)
3.1.1. Sistemas passivos de aquecimento
3.1.2. Sistemas de ganho direto
3.1.3. Sistemas de ganho indireto
3.1.4. Sistemas de ganho misto
3.1.5. Outras considerações
3.2. Energia solar ativa
3.2.1. Energia solar ativa de baixa temperatura
3.2.2. Energia solar ativa de alta temperatura
3.3. Processos diretos de conversão elétrica
4. Equipamentos e acessórios
4.1. Subsistema de captação: o coletor solar de placa plana
4.2. Elementos constitutivos
4.2.1. Absorvedor
4.2.3. Circuito de fluido
4.2.4. Isolamento térmico
4.2.5. Caixa de revestimento ou carcaça
4.2.6. Juntas
4.3. Estudo energético do coletor de placa plana
4.3.1. Balanço energético
4.3.2. Curva característica ou rendimento de um coletor solar de placa plana (CSPP)
4.3.3. Fluido térmico para armazenamento de calor
4.4. Subsistema de armazenamento de calor: acumuladores ou reservatórios
4.4.1. Acumulador de água quente sanitária (AQS)
4.4.2. Trocadores de calor
4.5. Subsistema de distribuição e consumo
4.5.1. Tubulações
4.5.2. Válvulas
4.5.3. Isolamento
4.5.4. Controle
4.5.5. Apoio energético
4.6. Outros elementos
4.6.1. Termômetros e termostatos
4.6.2. Sensores de temperatura (termostatos) diferenciais
4.6.3. Manômetros
5. Reservatórios de calor
5.1. Primeiro princípio: Maximizar a captação da energia solar
5.2. Segundo princípio: priorizar o consumo de energia solar
5.3. Terceiro princípio: garantir a complementaridade entre a energia solar e as fontes convencionais
5.3.1. Produção instantânea de energia de suporte
5.3.2. Produção de energia de suporte em um acumulador independente
5.4. Quarto princípio: não misturar a energia de procedência solar com a convencional
5.5. Conclusões
6. Água quente sanitária
6.1. Estudo das necessidades a cobrir: Folha de carga
6.1.1. Demanda de água quente
6.1.2. Necessidades de calefação
6.2. Escolha do sistema
6.3. Sistemas de produção de água quente sanitária (A.Q.S.)
6.3.1. Circuito por termossifão
6.3.2. Circulação forçada
6.3.3. Circulação do fluido do portador de calor primário por bombeamento
6.4. Transmissão de calor por meio de um trocador de calor externo
6.5. Energia de apoio de A.Q.S
6.6. Execução e manutenção de uma instalação de A.Q.S
6.6.1. Processo prévio ao início da instalação
6.6.2. Provisão de material
6.6.3. Fases do processo de montagem
6.6.4. Partida da instalação
6.7. Manutenção preventiva
6.8. Localização e conserto de avarias
6.9. Estruturas de suporte e ancoragem
6.10. Orientação e inclinação dos coletores
6.11. Determinação de sombras
6.12. Distância mínima entre os coletores
7. Dimensionamento e termorregulação de sistemas solares
7.1. Dimensionamento da superfície coletora
7.1.1. Critérios de partida
7.1.2. Intensidade útil e rendimento do coletor
7.1.3. Cálculo da energia útil
7.1.4. Energia útil e determinação da superfície necessária
7.2. Cálculos envolvendo elementos da instalação
7.2.1. Subconjunto do coletor
7.2.2. Sistema de aquecimento
7.2.3. Subconjunto de armazenamento
7.3. Regulação e controle das instalações solares
7.3.1. Circuito de coletores com regulação por termostato
7.3.2. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura sobre a bomba
7.3.3. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula de comutação
7.3.4. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula misturadora progressiva
7.3.5. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula de by-pass progressiva
7.3.6. Circuito de coletores com regulador diferencial de temperatura e válvula de by-pass e misturadora progressiva
7.4. Montagem em série e paralelo de coletores
8. Concentradores solares – parte 1 - apresentação
8.1 Sistemas de Coleta Solar
8.2. Principais Tipos de Coletores
8.2.1. Coletores Planos ou "de Pratos"
8.2.2. Coletores Parabólicos Compostos
8.3. Principais Tipos de Concentradores
8.3.1. Concentrador Solar Cilíndrico Parabólico
8.3.2. Torre Central
8.3.3. Refletor Linear de Fresnel
8.3.4. Concentrador de disco parabólico
9. Concentradores solares – parte 2 - dimensionamento
9.1. Dimensionamento do Tubo absorvedor
9.2. Dimensionamento do Concentrador solar
9.2.1. Análise energética de concentradores (primeira lei)
9.2.2. Análise exergética de concentradores (segunda lei)
9.2.3. Análises econômica e ambiental
9.3. Modelo hidráulico – queda de pressão
9.4. Otimização de concentradores parabólicos
9.4.1. Modelo econômico
9.4.2. Otimização – Método termohidráulico
9.4.3. Otimização – Método térmico-exergético
9.5. Noções sobre o dimensionamento de torres concentradoras e sua combinação com ciclos termodinâmicos
9.5.1. Circuito da torre concentradora
9.5.2. Melhoria da integração do ciclo CRO através da utilização de bombas de calor
9.5.3. Análise fenomenológica
10. Concentradores solares – parte 3 – estudo de caso
10.1. Introdução
10.2. Estudo de caso – concentrador no vale do aço
10.3. Resultados dos métodos de otimização
10.4. Análise energética, exergética, econômica e ambiental (4E) de sistema com torre solar concentradora para produção de eletricidade em diferentes cenários
10.4.1. Análise de sensibilidade para a efetividade da torre concentradora
10.4.2. Análise de temperaturas e entalpia
11. Anexo 1 – Fenomenologia térmica
11.1 Modelagem da Placa do Coletor
11.1.1. Modelo dinâmico do coletor
11.1.2. Balanço de energia do fluido
11.2. Modelo do reservatório
11.3. Modelo de Newton (reservatório)
11.3.1. Balanço de energia
11.4. Modelo para o Cálculo da Taxa Mássica (termossifão)
11.5. Modelo simplificado para sistema com convecção forçada (concentradores)
11.6. Estimativas de custos de sistemas com coletores e concentradores
11.6.1. Coletores
11.6.2. Concentradores
11.7. Propriedades de fluidos térmicos para sistemas solares
11.8. Água como fluido térmico em sistemas solares
12. Anexo 2 – Normas e informações técnicas
12.1. Normas relacionadas a sistemas solares e de aquecimento – nacionais
12.2. Normas relacionadas a sistemas solares e de aquecimento – internacionais
12.3. Normas e procedimentos
12.3.1. Coletores solares planos – banho e piscina
12.3.3. Procedimentos dos ensaios
12.3.3. Critérios de Conformidade
12.3.4. Grau de severidade, ações corretivas e sanções aplicáveis às não-conformidades obtidas nos ensaios de reservatórios térmicos
12.4. Normas e procedimentos aplicáveis à etiquetagem de sistemas acoplados e sequência de ensaios
12.5. Etiqueta nacional de conservação de energia – formato padronização
12.6. Testes de coletores em laboratórios e certificados
13. Anexo 3 – Glossário e informações adicionais
Conversão de unidades e relações úteis
Tabela C.1. Conversão de unidades.
Tabela C.2. Análise dimensional das variáveis.
Tabela C.3. Velocidades recomendadas e perdas de carga.
Tabela C.4. Velocidades recomendáveis para água e vapor.
Tabela C.5. Velocidades recomendáveis para hidrocarbonetos.
Tabela C.6. Velocidades recomendáveis para vapores conforme massa molar e pressão.
Tabela C.7. Coeficientes típicos de transferência de calor (U) para alguns fluidos e sistemas de transferência de calor.
Tabela C.8. Coeficientes típicos de transferência de calor (U) para alguns fluidos e sistemas de transferência de calor [146].
Tabela C.9. Fatores de incrustração de água para coletores e concentradores solares, e outros sistemas tubulares de aquecimento.
Tabela C.10. Fatores de incrustração e coeficientes de filme de diferentes fluidos para sistemas de troca térmica.
14. Referências bibliográficas