Os sistemas de aquecimento através da energia solar são uma fonte interessante de energia acessível e distribuída. No Brasil, a utilização de coletores solares planos já é bem conhecida e difundida. Os coletores solares de tubo evacuado até pouco tempo tinham um custo considerado elevado para o nosso mercado, mas atualmente esta tecnologia está cada vez mais difundida no mercado nacional com custos menores. Para se entender se o custo adicional deste coletor quando comparado aos tradicionais coletores planos é vantajoso, são necessários estudos comparativos para determinar as reais vantagens e quando as mesmas podem proporcionar uma maior economia financeira à instalação. Esta dissertação compara as tecnologias atuais de coletores planos com os de tubo evacuado disponíveis no mercado nacional, mostrando comparações em diferentes regiões do país e analisando se as vantagens encontradas são interessantes do ponto de vista do custo da instalação. Para realizar estas analises foram desenvolvidos testes para caracterização dos tubos destes coletores, de forma a determinar os parâmetros de desempenho dos mesmos. Também foi preparada uma bancada de testes para os coletores solares e foram realizados ensaios de comportamento térmico. Conhecendo os resultados foi possível adequar e utilizar um software de simulação desenvolvido no Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Este software visa a simulação de sistemas de aquecimento de água com diferentes configurações em qualquer região do país. Com a implementação dos coletores de tubo evacuado, e com simulações do seu desempenho em diferentes regiões, é possível comparar o seu comportamento em relação ao coletor plano. Nesta dissertação as curvas de desempenho foram comparadas em diferentes situações, onde foi possível verificar em que momentos o coletor de tubos pode ser melhor que o plano. Também foram realizadas comparações entre a área ocupada e o custo destes coletores para instalações em 3 diferentes regiões do país. Com estas comparações ficou evidente que para climas mais frios o coletor de tubos evacuados pode apresentar melhor desempenho que os coletores planos, mas o seu custo ainda é muito maior que os coletores planos nacionais. / The solar water heating systems are a interesting source of accessible and distributed energy. In Brazil, the flat plate solar collector use is well known. The vaccum tube solar collectors until little time ago had an elevated cost for our market, but, today, the technology is available in our national market with lower costs. And to understand if this costs, that are higher than the flat plane collectors are worth it, some studies are necessary to understand the real benefits of this technology. This work aims to compare both technologies available in the national market, showing comparisons in different regions of the country and studying if the advantages are interesting in the economical point of view. To achieve that some tests were developed in order to obtain the performance parameters of this collectors. Also an external bench was developed to test this collectors according to the Brazilian standard. With the results and knowing the behavior of this collectors it was possible to program the simulation software that was developed in the Laboratório de Energia Solar of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. This software aims at the simulation of water heating systems in different regions of the country. With the implementation of the vacuum collectors in the software, it was possible to simulate different climate conditions over the country and compare the behavior with the flat plate collectors. In this work the performance curves were compared in different climate situations, so that was possible to understand when the vaccum collector can be better. Also some comparisons where made between the occupied area and the costs in three different regions of the country. With the results of this comparisons it is evident that for cold climates the vaccum collector can obtain a better performance than the flat plate collectors, but its cost is still higher.

No presente trabalho avalia-se o comportamento da difusão e da convecção natural em sistemas térmicos que possuem armazenadores de calor, como os que envolvem coletores solares ligados a reservatórios de água quente. Através da solução das equações diferenciais que regem o problema, obtém-se os campos de velocidade e temperatura no interior destes armazenadores. Este último, especialmente, é importante para a determinação da performance térmica de todo o sistema. A intensidade da estratificação térmica depende do fluxo de entrada e saída de água no reservatório, da sua razão de aspecto, da posição da resistência elétrica de apoio, se ela existir, da espessura e difusividade térmica da parede e da espessura e material do isolamento térmico. A perda de calor para o meio ambiente causa um fluxo de líquido descendente, junto às paredes do reservatório, incorrendo em camadas limites hidrodinânlica e térmica. Além do papel destas camadas limites, também investiga-se a importância relativa da difusão de calor através da parede metálica do armazenador, na sua direção axial (altura). Não são investigados neste trabalho os efeitos de entrada e saída do líquido do armazenador, e também as correntes convectivas originadas do suprimento de calor por resistência elétrica. As equações da energia e do movimento são resolvidas de forma acoplada, em coordenadas cilíndricas axissimétricas, em regime transiente, empregando o Método dos Volumes Finitos. / In the present work the diffusion behavior as well as the natural convection in thermal systems that possess heat reservoirs, like the ones that involve solar collectors connected to hot water reservoirs, have been evaluated. Through the solution of the differential equations that describe the problem, the velocity fields and the internal temperature of these tanks have been obtained. The last one is specially important for the determination of the thermal performance of the whole system. Intensity of the thermal stratification depends on the entrance and exit water flow in the reservoir, on the tanks aspect ratio, on the position support of the electrical resistance, if it exists, on the thickness and thermal diffusion of the wall and on the material of thermal insulation. The loss of heat for the environment brings about a descending liquid flow, next to the walls of the reservoir, ending up by creating hidrodynamic and thermal boundary layers. Besides the role of these boundary layers, the relative importance o f the heat diffusion through the metallic wall of the reservoir in its axial direction (height), also has been investigated. The effects of the entrance and exit of liquid in the reservoir, as well as the convective currents originated from the heat supplied by electric resistance have not been investigated. The energy and moment equations are solved in a coupled way, in axissimetrical cilyndrical coordinates, in transient regime, employing a Finite Volume Method.

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No presente trabalho avalia-se o comportamento da difusão e da convecção natural em sistemas térmicos que possuem armazenadores de calor, como os que envolvem coletores solares ligados a reservatórios de água quente. Através da solução das equações diferenciais que regem o problema, obtém-se os campos de velocidade e temperatura no interior destes armazenadores. Este último, especialmente, é importante para a determinação da performance térmica de todo o sistema. A intensidade da estratificação térmica depende do fluxo de entrada e saída de água no reservatório, da sua razão de aspecto, da posição da resistência elétrica de apoio, se ela existir, da espessura e difusividade térmica da parede e da espessura e material do isolamento térmico. A perda de calor para o meio ambiente causa um fluxo de líquido descendente, junto às paredes do reservatório, incorrendo em camadas limites hidrodinânlica e térmica. Além do papel destas camadas limites, também investiga-se a importância relativa da difusão de calor através da parede metálica do armazenador, na sua direção axial (altura). Não são investigados neste trabalho os efeitos de entrada e saída do líquido do armazenador, e também as correntes convectivas originadas do suprimento de calor por resistência elétrica. As equações da energia e do movimento são resolvidas de forma acoplada, em coordenadas cilíndricas axissimétricas, em regime transiente, empregando o Método dos Volumes Finitos. / In the present work the diffusion behavior as well as the natural convection in thermal systems that possess heat reservoirs, like the ones that involve solar collectors connected to hot water reservoirs, have been evaluated. Through the solution of the differential equations that describe the problem, the velocity fields and the internal temperature of these tanks have been obtained. The last one is specially important for the determination of the thermal performance of the whole system. Intensity of the thermal stratification depends on the entrance and exit water flow in the reservoir, on the tanks aspect ratio, on the position support of the electrical resistance, if it exists, on the thickness and thermal diffusion of the wall and on the material of thermal insulation. The loss of heat for the environment brings about a descending liquid flow, next to the walls of the reservoir, ending up by creating hidrodynamic and thermal boundary layers. Besides the role of these boundary layers, the relative importance o f the heat diffusion through the metallic wall of the reservoir in its axial direction (height), also has been investigated. The effects of the entrance and exit of liquid in the reservoir, as well as the convective currents originated from the heat supplied by electric resistance have not been investigated. The energy and moment equations are solved in a coupled way, in axissimetrical cilyndrical coordinates, in transient regime, employing a Finite Volume Method.

Os sistemas de aquecimento através da energia solar são uma fonte interessante de energia acessível e distribuída. No Brasil, a utilização de coletores solares planos já é bem conhecida e difundida. Os coletores solares de tubo evacuado até pouco tempo tinham um custo considerado elevado para o nosso mercado, mas atualmente esta tecnologia está cada vez mais difundida no mercado nacional com custos menores. Para se entender se o custo adicional deste coletor quando comparado aos tradicionais coletores planos é vantajoso, são necessários estudos comparativos para determinar as reais vantagens e quando as mesmas podem proporcionar uma maior economia financeira à instalação. Esta dissertação compara as tecnologias atuais de coletores planos com os de tubo evacuado disponíveis no mercado nacional, mostrando comparações em diferentes regiões do país e analisando se as vantagens encontradas são interessantes do ponto de vista do custo da instalação. Para realizar estas analises foram desenvolvidos testes para caracterização dos tubos destes coletores, de forma a determinar os parâmetros de desempenho dos mesmos. Também foi preparada uma bancada de testes para os coletores solares e foram realizados ensaios de comportamento térmico. Conhecendo os resultados foi possível adequar e utilizar um software de simulação desenvolvido no Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Este software visa a simulação de sistemas de aquecimento de água com diferentes configurações em qualquer região do país. Com a implementação dos coletores de tubo evacuado, e com simulações do seu desempenho em diferentes regiões, é possível comparar o seu comportamento em relação ao coletor plano. Nesta dissertação as curvas de desempenho foram comparadas em diferentes situações, onde foi possível verificar em que momentos o coletor de tubos pode ser melhor que o plano. Também foram realizadas comparações entre a área ocupada e o custo destes coletores para instalações em 3 diferentes regiões do país. Com estas comparações ficou evidente que para climas mais frios o coletor de tubos evacuados pode apresentar melhor desempenho que os coletores planos, mas o seu custo ainda é muito maior que os coletores planos nacionais. / The solar water heating systems are a interesting source of accessible and distributed energy. In Brazil, the flat plate solar collector use is well known. The vaccum tube solar collectors until little time ago had an elevated cost for our market, but, today, the technology is available in our national market with lower costs. And to understand if this costs, that are higher than the flat plane collectors are worth it, some studies are necessary to understand the real benefits of this technology. This work aims to compare both technologies available in the national market, showing comparisons in different regions of the country and studying if the advantages are interesting in the economical point of view. To achieve that some tests were developed in order to obtain the performance parameters of this collectors. Also an external bench was developed to test this collectors according to the Brazilian standard. With the results and knowing the behavior of this collectors it was possible to program the simulation software that was developed in the Laboratório de Energia Solar of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. This software aims at the simulation of water heating systems in different regions of the country. With the implementation of the vacuum collectors in the software, it was possible to simulate different climate conditions over the country and compare the behavior with the flat plate collectors. In this work the performance curves were compared in different climate situations, so that was possible to understand when the vaccum collector can be better. Also some comparisons where made between the occupied area and the costs in three different regions of the country. With the results of this comparisons it is evident that for cold climates the vaccum collector can obtain a better performance than the flat plate collectors, but its cost is still higher.

Os sistemas de aquecimento através da energia solar são uma fonte interessante de energia acessível e distribuída. No Brasil, a utilização de coletores solares planos já é bem conhecida e difundida. Os coletores solares de tubo evacuado até pouco tempo tinham um custo considerado elevado para o nosso mercado, mas atualmente esta tecnologia está cada vez mais difundida no mercado nacional com custos menores. Para se entender se o custo adicional deste coletor quando comparado aos tradicionais coletores planos é vantajoso, são necessários estudos comparativos para determinar as reais vantagens e quando as mesmas podem proporcionar uma maior economia financeira à instalação. Esta dissertação compara as tecnologias atuais de coletores planos com os de tubo evacuado disponíveis no mercado nacional, mostrando comparações em diferentes regiões do país e analisando se as vantagens encontradas são interessantes do ponto de vista do custo da instalação. Para realizar estas analises foram desenvolvidos testes para caracterização dos tubos destes coletores, de forma a determinar os parâmetros de desempenho dos mesmos. Também foi preparada uma bancada de testes para os coletores solares e foram realizados ensaios de comportamento térmico. Conhecendo os resultados foi possível adequar e utilizar um software de simulação desenvolvido no Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Este software visa a simulação de sistemas de aquecimento de água com diferentes configurações em qualquer região do país. Com a implementação dos coletores de tubo evacuado, e com simulações do seu desempenho em diferentes regiões, é possível comparar o seu comportamento em relação ao coletor plano. Nesta dissertação as curvas de desempenho foram comparadas em diferentes situações, onde foi possível verificar em que momentos o coletor de tubos pode ser melhor que o plano. Também foram realizadas comparações entre a área ocupada e o custo destes coletores para instalações em 3 diferentes regiões do país. Com estas comparações ficou evidente que para climas mais frios o coletor de tubos evacuados pode apresentar melhor desempenho que os coletores planos, mas o seu custo ainda é muito maior que os coletores planos nacionais. / The solar water heating systems are a interesting source of accessible and distributed energy. In Brazil, the flat plate solar collector use is well known. The vaccum tube solar collectors until little time ago had an elevated cost for our market, but, today, the technology is available in our national market with lower costs. And to understand if this costs, that are higher than the flat plane collectors are worth it, some studies are necessary to understand the real benefits of this technology. This work aims to compare both technologies available in the national market, showing comparisons in different regions of the country and studying if the advantages are interesting in the economical point of view. To achieve that some tests were developed in order to obtain the performance parameters of this collectors. Also an external bench was developed to test this collectors according to the Brazilian standard. With the results and knowing the behavior of this collectors it was possible to program the simulation software that was developed in the Laboratório de Energia Solar of the Universidade Federal do Rio Grande do Sul. This software aims at the simulation of water heating systems in different regions of the country. With the implementation of the vacuum collectors in the software, it was possible to simulate different climate conditions over the country and compare the behavior with the flat plate collectors. In this work the performance curves were compared in different climate situations, so that was possible to understand when the vaccum collector can be better. Also some comparisons where made between the occupied area and the costs in three different regions of the country. With the results of this comparisons it is evident that for cold climates the vaccum collector can obtain a better performance than the flat plate collectors, but its cost is still higher.

A iluminação dos espaços é observada há milênios, desde a utilização do fogo até as mais novas tecnologias em iluminação. Iluminar ambientes procurando, cada vez mais, a eficiência e a economia de energia vem sendo motivo de investigação constante dos pesquisadores. Atualmente, o grande problema enfrentado pela iluminação artificial é o custo da energia elétrica e por isso vários pesquisadores têm procurado soluções alternativas. O presente trabalho realizou um estudo sobre a viabilidade técnica e o desempenho de um equipamento (patenteado como Girassol®) que emprega a fibra óptica para iluminação natural em ambientes que não recebem luz direta, ainda no formato de um protótipo. O aspecto da sustentabilidade visando a economia de energia através da captação solar e condução da luz através dos cabos de fibra óptica até a célula-teste foi analisado. A questão principal a ser observada foi quão eficiente pode ser o sistema de iluminação com fibra óptica utilizando a captação de luz solar. Para isso foram feitos testes do equipamento em um ambiente previamente construído, denominado célula teste, com área aproximada de 4 m². Foi medida a quantidade de luminância e iluminâncias que chegam ao ambiente da célula-teste. Esta pesquisa visou conhecer a tecnologia atual existente no mercado comercial nacional e internacional e a tecnologia do equipamento desenvolvido no Brasil. A pesquisa considerou como a hipótese de que a correta captação de luz solar aliada à correta condução através dos cabos de fibra óptica, que permite com que a iluminação em ambientes iluminados somente com luz artificial passem a ser iluminados com a luz natural conduzida pelos cabos de fibra óptica, pode colaborar para a qualidade da luz para seus usuários e para a eficiência energética da edificação. A metodologia desenvolvida foi através de medições uma vez por semana, durante um ano, três vezes ao dia (às 9, 12 e 15 horas) comprovando a eficiência do equipamento na diversidade de situações impostas por intempéries. Os resultados obtidos comprovaram a viabilidade técnica e o bom desempenho do equipamento confirmando sua potencialidade de contribuição para a eficiência energética quando implantado. Este estudo contribuiu para a comunidade acadêmica por sua interdisciplinaridade e por apresentar avanço em conhecimentos técnicos e teóricos sobre o melhor aproveitamento da luz natural para obtenção de eficiência energética, tema de grande interesse frente a questões estéticas, ambientais e de saúde.\" / The lighting of spaces has been observed for millennia, since the use of fire up the latest lighting technologies. Lighting environments increasingly looking for efficiency and energy being a reason for constant research of the researchers. Currently, the major problem faced by artificial lighting is the cost of electrical energy and that is why several researchers have sought solutions alternatives. The present work carried out a study on the viability technique and the performance of an equipment (patented as Girassol®) that fiber optics for natural lighting in receive direct light, still in the shape of a prototype. The sustainability to save energy through solar and conduction of light through fiber optic cables to the test cell It was analyzed. The main issue to note was how efficient can be the lighting system with fiber optics using the capture of sunlight. For this, equipment tests were performed in a previously constructed environment, called the test cell, with an approximate area of 4sqm. The amount of luminance and illuminances that reached the environment of the test cell. This research aimed to know the technology existing in the national and international commercial market and the equipment technology developed in Brazil. The research considered as the hypothesis that the correct capture of sunlight allied to the correct through fiber optic cables, which allows illuminated areas with only artificial light be illuminated with natural light led by fiber optic cables, can collaborate on the quality of light for its users and for the energy efficiency of the building. The methodology developed was through measurements once a week, for one year, three times (9 am, 12 pm, and 3 pm), demonstrating the efficiency of the equipment in the diversity of situations imposed by inclement weather. The obtained results proved the technical feasibility and good performance of the equipment confirming its potential contribution to efficiency when implanted. This study contributed to the its interdisciplinarity and to present advances in technicians and theorists about the best use of natural light to obtain energy efficiency, a subject of great interest in aesthetic, environmental and health matters.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica - Energia Térmica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2008

Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Civil - Especialização em Construções. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012

Neste trabalho, foi desenvolvido um filme absorvedor solar, de negro de fumo (NF) ou de grafite sobre base polimérica, para coletores de baixa temperatura (até ~ 50°C) com alta absortância no espectro solar (>90%), usando um método simples de produção. Com vistas às condições de trabalho do coletor, a adesão ao substrato foi verificada com água corrente e, embora sua condutividade térmica seja baixa em relação a do cobre – tradicionalmente empregado, a custos bem maiores – isto é, compensável por um aumento na área de contato absorvedor-água, permitida pela facilidade de processamento dos polímeros. Dentre estes, foram utilizados policarbonato (PC) e polimetilmetacrilato (PMMA), de alta transmitância no espectro visível (>80%), pouca degradação pela radiação ultravioleta e temperatura de transição vítrea suficiente para evitar seu sobreaquecimento (Tg > 100oC). Adicionalmente, foi depositado um recobrimento super-hidrofóbico, utilizando nanopartículas de sílica, silano e politetrafluoretileno, atingindo o efeito de superfície auto-limpante (histerese de ~ 2º). Com uma cobertura de poliéster, foi obtida baixa emissividade do conjunto (água/filme absorvedor/placa polimérica/ar/cobertura) no infravermelho (na faixa de 5 a 15 μm) e, por simulação experimental com a combinação selecionada de NF/PMMA, verificado um melhor aproveitamento da radiação solar. Na expectativa de também agregar anti-reflexão e melhor adesão entre o filme super-hidrofóbico e a cobertura, em seguimento a este trabalho, a abordagem aqui apresentada poderá se tornar viável para a produção de coletores autolimpantes de qualidade e com boa relação custo-benefício. / In this work, a solar absorber film, of carbon black (NF) or graphite, on a polymeric base, was developed for low temperature collectors (up to ~ 50 ° C) with high absorptance in the solar spectrum (> 90%), using a simple production method. With regard to collector working conditions, the film adhesion to the substrate was verified with running water and, although its thermal conductivity is low compared to that of copper - traditionally employed, at higher costs - this can be compensed by an increase in the water-absorber contact area, which is allowed by the easiness of polymer processing. Among these, polycarbonate (PC) and polymethylmethacrylate (PMMA) were used, with high transmittance in the visible spectrum (> 80%), small degradation by ultraviolet radiation and sufficient glass transition temperature to prevent overheating (Tg>100°C). In addition, a superhydrophobic coating was deposited, using silica nanoparticles, silane and polytetrafluoroethylene, and the self-cleaning surface effect was achieved (hysteresis ~ 2º). With a polyester cover, low emissivity was obtained from the assemble (water / absorber film / polymer plate / air / cover) in the infrared (in the range of 5 to 15 μm), and by experimental simulation with the selected NF / PMMA combination, thus providing a better harvesting of solar radiation. With the perspective of also adding anti-reflection and better adhesion between the superhydrophobic film and the cover, as a follow-up of this work, the approach presented here could become viable to the production of quality self-cleaning collectors and with a good cost-benefit relation.