Captação de Energia Solar

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Introdução: 
 
 Para a construção de uma piscina olímpica no sul de Minas, apresentaremos 
a seguir uma proposta de aquecimento da água por meio de energia renovável, 
utilizaremos em nosso projeto a captação de energia solar, ou seja, 
transformaremos a energia por radiação solar em energia elétrica. 
 De forma geral a água da piscina fica numa temperatura aproximada entre 
18° à 22°C sem o aquecimento. Ao se instalar um aquecedor solar a temperatura 
será elevada em cerca de 10°C mantendo-se entre 28° à 30°C, que é a temperatura 
ideal de uma piscina olímpica. Como a fabricação da piscina será no sul de Minas e 
a temperatura no inverno equivale a 10°C, precisaremos elevar a temperatura em 
pelo menos 20°C, logo utilizaremos mais coletores de energia e um sensor de 
temperatura. 
 
Objetivo: 
 
 Dimensionar o sistema de aquecimento solar para uma piscina olímpica, 
deixando-a em conformidade com as normas do COB (Comitê Olímpico Brasileiro) 
bem como, realizar todo o memorial de cálculos necessários para tal feito. Onde 
serão descritos e especificados ítens como quantidade de energia necessária para 
manter uma piscina olímpica aquecida a uma temperatura de 28°C, e o número de 
placas necessárias para a captação ideal. Junto com todo o equipamento necessário 
para o perfeito funcionamento da piscina, junto com o enquadramento nas normas 
apresentadas. 
 
Dados técnicos de uma piscina olímpica: 
 
Comprimento: 50 metros 
Largura: 25 metros 
Número de raias: 8 
Largura das raias: 2,5 metros 
Temperatura da água: 25°C a 28°C 
Intensidade da luz: >1500 lux 
Profundidade: 2 metros 
 
Coletor solar: 
 Um sistema básico de Aquecimento de água por energia solar é composto 
de coletores solares(placas). 
 As placas coletoras são responsáveis pela absorção da radiação solar. O 
calor do sol, captado pelas placas do aquecedor solar, é transferido para a água que 
circula no interior de suas tubulações de cobre e efetua a troca de calor com o 
reservatório ou piscina. 
 
Dimensionamento inicial da piscina: 
 
�� = � × � 
 
Onde: 
 
As= Área superficial 
L= Comprimento 
H= Largura 
 
As = 50x25 As = 1250M² 
 
Logo teremos um volume de: 
 
� = �� × � 
 
Onde: 
 
V = Volume 
P = Profundidade 
 
V = 1250 x 2 V = 2500M³ 
 
Sendo assim a massa da piscina vale: 
M = Massa 
V = Volume 
p = Densidade da água 
 
onde 
 
M = V x p 
M = 2500M³ (2.500.000 L) x 1 M = 2.500.000 kg ou 2500 T 
 
Dimensionamento dos coletores: 
 
Especificações técnicas de acordo com especificações do fabricante. 
 
 
 
 
 A quantidade ideal de coletores a serem usados em nosso projeto se resume 
em: 
N° de coletores = Área da piscina x Relação de perdas 
 Área do coletor utilizado 
Onde: 
 
Área da piscina = 1250M² 
Relação de perdas = 0,9 conforme especificação ABNT 15747.2:2009 
Área do coletor = Modelo UR500 5,0M x 1,2M = 6m² 
Resultado = 188 coletores do tipo UR500 com pressão de trabalho de 40MCA 
(metros de coluna de água) 
 
Média mensal de captação de energia solar dos painéis: 
 
 Segundo o Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia 
(INMETRO), coletores do tipo UR500 captam em média mensalmente 617,7 
KWh/mês ou 104 KWh/m².mês da radiação solar. (vide tabela a seguir). 
 
 
(Esta tabela segue como anexo 1 em tamanho real) 
 Considerando que a irradiação solar no sul de minas em média durante o ano 
gira em torno de 5300 a 5500 Wh/m².dia ou 159 a 165 KWh/m² mês. (vide mapas de 
irradiação solar no brasil, a seguir). 
 
 
(Este mapa segue como anexo 2 em tamanho real) 
 
 
(Este mapa segue como anexo 3 em tamanho real) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(Este mapa segue como anexo 4 em tamanho real) 
 
A captação solar diária pelos 188 coletores é dada por: 
 
Área dos 188 Coletores = 188 * 6m² = 1128 m² 
Área total dos coletores * Captação média por m²/mês 
1128 m² * 104 KWh/m².mês = 117.312 MWh/mês ou 3.910 MWh/dia 
Em média, no sul de Minas a insolação diária dura 6 horas, então: 
3.910 MWh/dia . 6h/dia = 23,46 MW 
 Sendo assim os coletores serão capazes de captar 23,46MW de energia solar 
por dia. 
 A título de comparação, caso essa energia fosse fornecida pela Cia 
energética local, geraria um custo de: 
 
Custo atual de um KW/h = R$ 0,58929686 
Captação mensal = 117.312 MWh 
Economia do sistema = Custo atual de um KW/h (R$) * Captação mensal 
Economia do sistema = R$ 0,58929686 KW/h * 117312 KW/h 
Economia do sistema = R$ 69.131,59 
Esse valor é o que seria gasto para se obter a mesma quantidade de energia elétrica 
por mês. 
Aquecimento solar de piscinas: 
 A piscina é o acumulador do sistema de aquecimento solar. 
Toda energia térmica produzida pelos coletores solares étransferida para a água e 
armazenada na piscina. 
Para se aquecer uma piscina pode-se empregar dois métodos de dimensionamento. 
São eles: 
1. Cálculo da energia necessária para aquecer a piscina em um determinado 
tempo; 
2. Cálculo da energia para reposição das perdas térmicas da piscina; 
Métodos das perdas: 
Consiste basicamente em dimensionar uma área coletora compotência tal capaz de 
produzir energia suficiente para,diariamente, repor as perdas térmicas da piscina 
aquecida. 
Tipos de perda de calor em uma piscina aquecida com coletores solares: 
 
• Perda por Evaporação: responsável por 70% das perdas térmicas de uma 
piscina aquecida. Consiste na passagem da agua, localizada na superfície da 
piscina, do estado liquido para o estado gasoso. 
• Perda por convecção: ocorre quando há um movimento de correntes de ar 
pela superfície da piscina. 
• Perda por radiação: as piscinas irradiam energia térmica diretamente para o 
céu. 
• Perdas por condução: ocorre através da transferência de calor entre a água 
da piscina enterrada e o solo ou concreto que circunda suas laterais e fundo. 
 
Fatores de dimensionamento: 
1. Temperatura da piscina: 26°C 
2. Tipo da piscina: Fechada 
3. Taxa de utilização: 10hrs diariamente 
4. Capa térmica: Sim 
5. Temperatura ambiente: 10°C 
6. Paredes da piscina revestida com material isolante 
7. Evaporação da água será desprezada. 
8. Piscina será um sistema permanente 
9. Dissipação de calor pela tubulação será desprezada ( Tubulação 
completamente isolada ) 
 
Cálculo da perda de calor (Condução): 
Qcond. = (K*(Tsup-Tar)/L)*A 
Onde 
Qcond. = Taxa de transferência de calor por condução 
K = Condutividade térmica da água 
Tsup= Temperatura da água (273,15+26)= 299,15K 
Tar= Temperatura ambiente (273,15+10) = 283,15K 
L = Comprimento da piscina 
A= Área total da piscina 
Qcond. = (0,58 w/mK*(299,15K - 283,15K)/50M). (50M*25M) 
Qcond. = 232W 
Cálculo da perda de calor (Convecção): 
Qconv = hA*(Tsup-Tar) 
Onde: 
Qconv = Taxa de transferência de calor por convecção 
h = Coeficiente de transferência de calor por convecção = 50W/M²*K conforme 
tabela 1.1 fundamentos de transferência de calor e massa, Incropera 
A = Área superficial 1250M² 
Tsup= Temperatura da água (273,15+26)= 299,15K 
Tar= Temperatura ambiente (273,15+10) = 283,15K 
Qconv = 50w/m²k*1250m²*(299,15k-283,15k) 
Qconv= 1000KW 
 
Cálculo de perda de calor por radiação: 
Qrad= Ɛσ(Tsup4–Tar4) 
Qrad = Taxa de transferência calor por radiação 
Ɛ = Emissividade da superfície ( 0< Ɛ < 1) 
σ = constante de Stefan = σ = 5,67 . 10-8 w/m²K4 
Tsup= Temperatura da água (273,15+26) = 299,15K 
Tar= Temperatura ambiente (273,15+10) = 283,15K 
Qrad = 0,96*5,67*10-8 w/m²K4(299,154k-283,154k) 
Qrad = 86,04W 
 
Taxa total de transferência de calor: 
Qtotal= Qconv+Qrad 
Qtotal= 1000000+232+86,04 
Qtotal= 1000,318KW 
 
Então a relação de perdas é dada por: 
 
 De acordo com a Norma ABNT 15747-2:2009, as relações de perda não 
podem ser superioresa 0,9% de geração do sistema de aquecimento. Sendo assim, 
entendemos que a representação percentual da soma de todas as taxas de perdas 
de calor, são e dada por: 
Relação de perda = Média de captação solar - Taxa total de transferência de calor 
então: 
Relação de perda = 117312 KWh/mês - 1000,318KWh/mês 
Relação de perda = 116311.682 KWh/mês 
Ou seja, a energia real que o sistema irá utilizar é igual a: 1116311.682 KWh/mês. 
 Sendo assim a taxa de perda de 100,318 KWh/mês representa 0,85% da 
absorção do sistema, estando portanto abaixo dos 0,9% especificado pela norma 
regente da ABNT.