Orientador: Vicente Luis Scalon / Banca: Santiago Del Rio Oliveira / Banca: João Batista Campos Silva / Resumo: O uso da energia térmica provinda da energia solar a partir do uso de aquecedores solares de água residuais associados aos sistemas convencionais vêm crescendo, principalmente com o intuito da redução do uso dos chuveiros elétricos. Porém é necessário que tais equipamentos sejam dimensionados de maneira correta de acordo com cada aplicação e necessidade, já que se isso não ocorrer o sistema não apresentará vantagens. Um sistema de aquecimento de água é basicamente composto por um coletor de placa plana, um reservatório térmico e um sistema de aquecimento auxiliar. Coletores solares são capazes de transformar a energia da radiação solar em energia térmica, que na forma de calor, é transferida para um fluido. O sistema de um coletor solar depende da radiação solar sobre as placas, da temperatura do ar ambiente e da temperatura desejada da água quente. A radiação solar é dependente da localização em que o coletor foi instalado e para que a direção o mesmo está voltado, definindo assim a quantidade de calor útil absorvido pelo coletor e seu rendimento. A eficiência do coletor solar é definida como a razão entre o calor útil recebido pelo fluido e a radiação solar incidente sobre a superfície do coletor, na forma de radiação direta, difusa e a refletida de outras superfícies, em um dado intervalo de tempo. A eficiência do coletor depende de vários fatores de projetos, sendo os principais: o número de coberturas da placa, o tipo de vidro e suas características refletivas, o espaçamento entre o coletor e o vidro, o tipo e espessura do isolamento, o fator de absorção da placa absorvedora, entre outros fatores. Para o dimensionamento correto de sistemas de aquecimento solar de água para o uso doméstico, a partir das curvas de eficiência dos coletores, foram desenvolvidas algumas metodologias, baseadas na equação da energia útil, ou no cálculo da utilizabilidade diária da radição solar, ou na... / Abstract: The thermal solar energy use for domestic water heaters associated with conventional system, have been growing, especially the aim of reducing the electric showers use. However it is necessary that the equipment is design correctly according to each application, since if that system does not fulfill this will not present advantages. A solar hot water system is composed by a flat-plate collector, a thermal storage and auxiliary heating system. Solar collectors are able to transform solar radiation into thermal energy and in the heat form that is transferred to al fluid. The solar collector depends on the solar radiation over the plates, the ambient temperature and the demand hot water temperature. Solar radiation is depended on the localion which the collector was collector was installed and the direction it is facing, thus the useful heat absorved by the collector and its performance can be define. The solar collector efficiency is defined as the ratio of useful heat received by the fluid and the solar radiation incident on the collector surface, which it is composed by the radiation direct, diffuse and reflected from other surfaces, in a given time interval. The collector efficiency depends on several projects factors, and the main factors are: the number of collectors covers, the kind of the glass and its reflective characteristics, the spacing between the absorber surface and the glass and the thickness of insulation, the absorption factor of the plate, the other factors. The correct design of the domestic solar hot water using, from the collectors efficiency curves, some methodologies based on the useful energy equation, or the calculation of daily utilizability of solar radiation, or the determination of solar fraction of the system that supplied the hot water demand. This paper proposes an analysis of different methods to desing solar hot water system, the economic study of solar heating systems and optimized analysis in order to... / Mestre

Made available in DSpace on 2016-05-17T16:51:41Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2015-10-20. Added 1 bitstream(s) on 2016-05-17T16:55:28Z : No. of bitstreams: 1 000864141.pdf: 2474920 bytes, checksum: 0df8cf23c83271ed498848b27a4c4cdc (MD5) / Com a motivação existente pela necessidade de crescimento das novas fontes de energia alternativas, bem como pelos avanços das tecnologias para os sistemas de conversão de energia, o presente estudo propõe a utilização do conversor integrado três estados Buck-Boost monofásico para o aproveitamento da energia proveniente dos sistemas solares fotovoltaicos. Os sistemas de painéis fotovoltaicos fornecem tensões contínuas, contudo, a grande maioria de aparelhos ou cargas de uso domiciliar necessita de tensões alternadas, com valores eficazes nominais de 127 V ou 220 V, no Brasil. Isso leva à necessidade do estudo de estruturas conversoras CC-CA, conhecidas como inversores. Considerando que as tensões alternadas fornecidas pelos inversores encontram-se dependentes do valor máximo da tensão de entrada, é indispensável a inclusão de um estágio elevador no sistema geral, antes de fornecer energia para as cargas, resultando, assim, em uma redução no rendimento, devido à quantidade de componentes, ao aumento de peso e ao volume. Nesta dissertação, o inversor estudado realiza, em uma única estrutura, a função do estágio elevador ou redutor, garantindo níveis reduzidos de distorção harmônica na corrente injetada e tensão de saída no modo ilhado, com um bom rendimento, fornecendo energia para cargas conectadas em modo de operação ilhado ou conectado à rede. Neste conversor, o sistema de chaveamento de três estados proporciona uma melhora das características dinâmicas. A adição do terceiro estado simplifica o controle por modo tensão, na medida em que elimina o zero presente no semiplano direito da função de transferência do conversor Buck-Boost convencional. Para o desenvolvimento das estratégias de controle, adotou-se o modelo matemático por valores médios instantâneos, em espaço de estados. Adicionalmente, foi realizada uma revisão e avaliação de alguns dos algoritmos de MPPT (Maximum Power Point... / The current motivation of growing need for new alternative energy sources, as well as by improvements in technologies for energy conversion systems, this study proposes the use of the single-phase tri-states Buck-Boost integrated converter for the use of energy from solar photovoltaic systems. Photovoltaic systems provide DC voltages and, on the other hand, the large majority of machines or domestic use loads require alternating voltage with RMS values of 127 V or 220 V in Brazil. This points out to the need to study of DC-AC converter structures, known as inverters. Due to the limitation that the alternating voltage supplied by the inverters are dependent on the maximum value of the input voltage, the inclusion of an elevator stage in the general system is necessary, before providing power to the load, thus resulting in a reduction in the performance by the number of components, increased weight and volume. In this dissertation, the studied inverter performs, in a single structure, the functions of the elevator stage or reducer stage, also performs the continues in alternating voltage conversion function, ensuring reduced levels of harmonic distortion in the current injected to the main grid and the output voltage in islanding mode, with an increase performance in the output voltage, and that should provide power to loads connected in both modes islanding or grid connected. In the presented converter, the switching system of three states has improved the behavior of dynamic characteristics due to the addition of the third estate, simplifying the control by eliminating the zero present in the right half-plane of the transfer function of Buck-Boost inverter, controlled in voltage mode. For the development of control strategies is adopted the mathematical model for instantaneous average values. The modeling of the structure is made by the mean values method in the state spaces. Additionally, is carried out a review and assessment of some ...

Made available in DSpace on 2015-03-03T11:52:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-07-18Bitstream added on 2015-03-03T12:07:02Z : No. of bitstreams: 1 000801347.pdf: 1246592 bytes, checksum: 2b850076b8670784bd0061c5d3757f39 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O uso da energia térmica provinda da energia solar a partir do uso de aquecedores solares de água residuais associados aos sistemas convencionais vêm crescendo, principalmente com o intuito da redução do uso dos chuveiros elétricos. Porém é necessário que tais equipamentos sejam dimensionados de maneira correta de acordo com cada aplicação e necessidade, já que se isso não ocorrer o sistema não apresentará vantagens. Um sistema de aquecimento de água é basicamente composto por um coletor de placa plana, um reservatório térmico e um sistema de aquecimento auxiliar. Coletores solares são capazes de transformar a energia da radiação solar em energia térmica, que na forma de calor, é transferida para um fluido. O sistema de um coletor solar depende da radiação solar sobre as placas, da temperatura do ar ambiente e da temperatura desejada da água quente. A radiação solar é dependente da localização em que o coletor foi instalado e para que a direção o mesmo está voltado, definindo assim a quantidade de calor útil absorvido pelo coletor e seu rendimento. A eficiência do coletor solar é definida como a razão entre o calor útil recebido pelo fluido e a radiação solar incidente sobre a superfície do coletor, na forma de radiação direta, difusa e a refletida de outras superfícies, em um dado intervalo de tempo. A eficiência do coletor depende de vários fatores de projetos, sendo os principais: o número de coberturas da placa, o tipo de vidro e suas características refletivas, o espaçamento entre o coletor e o vidro, o tipo e espessura do isolamento, o fator de absorção da placa absorvedora, entre outros fatores. Para o dimensionamento correto de sistemas de aquecimento solar de água para o uso doméstico, a partir das curvas de eficiência dos coletores, foram desenvolvidas algumas metodologias, baseadas na equação da energia útil, ou no cálculo da utilizabilidade diária da radição solar, ou na... / The thermal solar energy use for domestic water heaters associated with conventional system, have been growing, especially the aim of reducing the electric showers use. However it is necessary that the equipment is design correctly according to each application, since if that system does not fulfill this will not present advantages. A solar hot water system is composed by a flat-plate collector, a thermal storage and auxiliary heating system. Solar collectors are able to transform solar radiation into thermal energy and in the heat form that is transferred to al fluid. The solar collector depends on the solar radiation over the plates, the ambient temperature and the demand hot water temperature. Solar radiation is depended on the localion which the collector was collector was installed and the direction it is facing, thus the useful heat absorved by the collector and its performance can be define. The solar collector efficiency is defined as the ratio of useful heat received by the fluid and the solar radiation incident on the collector surface, which it is composed by the radiation direct, diffuse and reflected from other surfaces, in a given time interval. The collector efficiency depends on several projects factors, and the main factors are: the number of collectors covers, the kind of the glass and its reflective characteristics, the spacing between the absorber surface and the glass and the thickness of insulation, the absorption factor of the plate, the other factors. The correct design of the domestic solar hot water using, from the collectors efficiency curves, some methodologies based on the useful energy equation, or the calculation of daily utilizability of solar radiation, or the determination of solar fraction of the system that supplied the hot water demand. This paper proposes an analysis of different methods to desing solar hot water system, the economic study of solar heating systems and optimized analysis in order to...

Made available in DSpace on 2015-03-03T11:52:48Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2014-07-10Bitstream added on 2015-03-03T12:07:02Z : No. of bitstreams: 1 000800570.pdf: 1978237 bytes, checksum: 1385fb72b3720e3ea9077369b13be410 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Atualmente a disponibilidade de energia é uma uma grande preocupação da humanidade, pois a maior porcentagem da energia consumida é oriunda da exploração de recursos naturais, como o carvão mineral, gás natural e petróleo. Neste cenário, as energias renováveis têm um papel muito importante. As hidroelétricas, biomassa, eólica, geotérmica, solar, entre outras são a solução da disponibilidade de energia para o futuro. Dentre tais energias, a energia solar merece um destaque pelo seu enorme potencial, porém muito ainda é preciso progredir para aumentar a eficiência destas fontes. Com esse intuito, este trabalho tem como foco estudar a influência na eficiência de coletores solares planos ao introduzir barreiras em sua cavidade interna, a fim de bloquear a livre circulação do ar, desta maneira, diminuindo a perda de calor pela convecção interna. Foi realizado testes experimentais com as mesmas características térmica e geométricas dos espaços de confinamento de ar. O fluxo de calor é introduzido através de resistências elétricas e acompanhamento de um controle eletrônico para garantir que a temperatura permaneça constante ao longo de toda a base (chapa de alumínio). Com a monitoração e coleta dos dados da potência elétrica dissipada e as temperaturas do volume de controle estudado, foi analizado o comportamento do coeficiente convective natural, possibilitando a análise ao variar o número de barreiras (cavidades) assim como sua inclinação, sendo possível notar uma redução do coeficiente convectivo com o uso de barreiras / Currently the availability of energy is a major concern of humanity, for the largest percentage of energy consumed comes from the exploitation of natural resources, such as coal, natural gas and oil. In this scenario, renewable energies have a very important role. Hydroelectric, biomass, wind, geothermal, solar, among others are the solution to the because of its enormous potential, however much progress is still needed to increase the efficiency of these sources. To this end, this work focuses on studying the influence on the efficiency of solar collector plans to its internal cavity in order to block the free flow of air, thus, reducing heat loss by internal convection. Experimental testing was performed with the same thermal and geometrical characteristics of the air spaces of confinement. The heat flow is introduced through electrical and accompanied by an electronic control to ensure that the resistance temperature remains constant over the entire base (aluminum plate). With monitoring and data collection of dissipated electrical power and temperature control volume studied was verified behavior of the coefficient of the film, allowing the analysis to vary the number of barriers (wells) and the slope, which was noticeable reduction convective coefficient using barriers

Orientador: Alcides Padilha / Banca: Enio Pedone Bandarra Filho / Banca: Ismael de Marchi Neto / Banca: Vicente Luiz Scalon / Banca: Delson Luiz Modolo / Resumo: As alterações climáticas tem fomentado a busca por fontes renováveis de energia. Assim, novos coletores solares têm sido o foco de pesquisadores em todo o mundo para novos concentradores, novas configurações de instalação e o estudo da estratificação térmica para melhorar o desempenho do sistema de armazenamento térmico. O sistema proposto, ou seja, utilizando concentrador solar com tubo evacuado, proporciona linearidade e constância na sua eficiência em relação aos coletores de placas planas. A alteração proposta, ou seja, tubo com duas aberturas, uma para entrada do líquido frio e outra para saída do líquido aquecido, elimina a interface física entre a água quente na região voltada para o fluxo de calor solar e a água fria na região inferior do tubo. Essa alteração provoca redução na eficiência térmica, porém aumenta o volume de água aquecida por dia. O concentrador CPC mostrou-se um importante equipamento do sistema, uma vez que a os raios solares incidem em uma região longitudinal definida no tubo coletor solar, direcionado pela geometria do CPC. Com a utilização desse equipamento elimina-se a necessidade de espelhos com seguidores solares, tornando o sistema vulnerável a oscilações elétricas, encarecendo o projeto e consumindo energia elétrica. O desempenho do coletor é avaliado a partir de testes experimentais utilizando a Primeira Lei da Termodinâmica como análise da eficiência. Esses resultados são comparados aos conceitos teóricos descritos na literatura científica. ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Climate change has encouraged the search for renewable energy sources. Thus, new solar collectors have been the focus of researchers around the world with new hubs, new installation settings and the study of thermal stratification to improve the performance of the thermal storage system. The proposed system, ie using evacuated tube solar concentrator provides linearity and stability of efficiency compared to flat plate collectors. The proposed change, i.e. a tube with two openings, one for cold liquid inlet and the other for hot liquid outlet, eliminates the physical interface between the hot water in the region facing the solar heat flow and the cold water in the lower region of the tube. This change causes a reduction in thermal efficiency, however increases the volume of water heated per day. Two radiometers were also developed, one thermal and the other optical, and the thermal radiometer was chosen because it had a similar behavior to the solar collectors, thus reducing the cost of the experimental bench. The CPC concentrator proved to be important equipment, once the concentration of sunlight focus on a longitudinal region defined in the solar collector tube, directed by the CPC geometry. Using this equipment eliminates the need for mirrors with solar trackers, making the system vulnerable to electrical oscillations, making the project more expensive and consuming electricity. The collector performance is evaluated from experimental tests using the First Law of Thermody... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento solar operando por termossifão. Neste tipo de sistema o fluido no coletor solar é circulado por convecção natural, que acontece devido à diferença de massa específica da água ao longo circuito. Nestes sistemas a vazão mássica varia ao longo do dia e do ano, dependendo, dentre outros fatores, da irradiância solar absorvida, do perfil de temperaturas da água no sistema, da geometria, do volume e do perfil de demanda de água quente. Para uma avaliação detalhada do comportamento térmico de aquecedores solares operando por termossifão foram realizados ensaios experimentais e cálculos teóricos. Os resultados dos experimentos concordaram com aqueles apresentados na literatura e sua análise fundamentou o desenvolvimento do aplicativo TermoSim, um programa de simulação computacional do comportamento térmico de sistemas de aquecimento de água com energia solar. O tratamento matemático adotado no TermoSim compreende a modelagem dos coletores solares de acordo com a teoria de Hottel-Bliss-Whillier. O reservatório térmico é modelado com estratificação térmica, convecção e condução entre as camadas. A vazão mássica é obtida a partir do balanço da quantidade de movimento no circuito. Os modelos matemáticos empregados na construção do aplicativo TermoSim foram validados através do confronto dos resultados simulados com medidas experimentais. Foi demonstrado que a utilização destes modelos é adequada e permite reproduzir com precisão o comportamento térmico dos coletores solares e do reservatório térmico. Além do programa TermoSim, foi também desenvolvido o programa TermoDim, que é uma ferramenta para o dimensionamento de sistemas de aquecimento solar, que requer apenas o conhecimento dos parâmetros geométricos do sistema, dados meteorológicos em média mensal e informação a respeito do volume de demanda. O TermoDim é apropriado para estimar o desempenho de aquecedores solares operando por termossifão com tanques verticais e horizontais. O método de dimensionamento do TermoDim é baseado na correlação para a eficiência média mensal obtida neste trabalho a partir de um grande número de simulações. / This thesis presents an analysis of the thermal behavior of a thermosyphon solar water heating system. In these systems the collector fluid circulates by natural convection, i.e., due to the density difference along the system. The mass flow rate varies along the day and the year, depending on the absorbed solar radiation, the system fluid temperatures, the system geometry, the demand conditions and others factors. Preliminary calculations and measurements were performed on the mass flow rate, fluid and storage tank temperatures. Comparison between experimental and predicted theoretical results is presented. The results analysis was used on the development of TermoSim: a software for computer simulation of solar water heating systems. The mathematical models considered on TermoSim comprises mainly the solar collectors, storage tanks and connecting pipes. The solar collectors are modeled according the classical quasi-steady approximation by Hottel-Bliss-Whillier theory. The storage tank is modeled as stratified liquid tank with multinodal convection and conduction. The collector mass flow rate is evaluated from a balance between the friction pressure drop and the pressure due to density differences along the thermosyphon circuit (thermosyphon head). The models were validated from the comparison between simulated results and experimental data. It was found that the models are adequate to reproduce accurately the thermal behavior for the solar collector and storage tank. Besides the software TermoSim, it was also developed the program TermoDim, which is a design tool that requires only system geometric parameters, monthly averaged meteorological data and information about the load amount. TermoDim is appropriate for estimating the performance of thermosyphon systems with vertical and horizontal storage tanks. The design method was based on the correlation for the system monthly efficiency obtained in this Thesis from a large number of simulations.

O objetivo fundamental desta dissertação foi desenvolver modelos de estimativa da radiação solar no intuito de complementar a base de dados visando o traçado de mapas de radiação solar para o Rio Grande do Sul. Inicialmente foi realizada uma pesquisa na literatura sobre as metodologias desenvolvidas para a estimativa da radiação solar para locais onde inexistem dados medidos desta variável. Foi feito um levantamento das técnicas estatísticas utilizadas na previsão de valores de variáveis. As metodologias pesquisadas foram aplicadas ao banco de dados SAMSON (Solar and Meteorological Surface Observational Network). Entre as variáveis deste banco de dados estão a radiação solar, a umidade relativa, a temperatura, a latitude, a altitude e a nebulosidade. A metodologia dos modelos de estimativa aplicada neste trabalho baseia-se no Método dos Mínimos Quadrados. Foram realizadas correlações mensais e anuais entre as variáveis acima citadas e seus resultados validados através de validação cruzada. Resultou apropriada, na disponibilidade de dados climatológicos, a aplicação de modelos com parâmetros mensais de regressão linear múltipla envolvendo as variáveis explicativas: insolação, temperatura média e umidade relativa. Este modelo, entre outros, foi aplicado aos dados do Rio Grande do Sul. A metodologia acima descrita aplicada aos dados medidos no Rio Grande do Sul, resultou eficaz. Foram pesquisadas técnicas de interpolação para traçado de mapas e estabelecidas regras para o traçado dos mesmos. Foram utilizados dados periféricos para a Argentina, Uruguai e Santa Catarina. Foram feitos mapas mensais de médias mensais de radiação solar global horizontal diária bem como um mapa da média anual de radiação solar global horizontal diária. Observou-se que o modelo de Ångström–Prescott apresenta bons resultados quando se dispõe apenas da insolação Os mapas serão úteis para a pesquisa e implementação de sistemas empregando Energia Solar no Estado do Rio Grande do Sul. Finalmente, a principal conclusão é a de que modelos de correlações obtidos com dados de cada mês e produzindo parâmetros mensais são mais adequados do que um único modelo de correlação com parâmetros de validade anual utilizado nas estimativas mensais.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-15T21:24:18Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T14:26:48Z : No. of bitstreams: 1 180868.pdf: 4552919 bytes, checksum: 6414270ad62fcbb5661f688fc85313dc (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-15T23:54:26Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T15:29:54Z : No. of bitstreams: 1 181010.pdf: 5235038 bytes, checksum: 0745947520818fc227a05abdebea3777 (MD5)

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro Tecnologico / Made available in DSpace on 2012-10-16T05:59:26Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-08T18:02:18Z : No. of bitstreams: 1 90563.pdf: 2553448 bytes, checksum: a31b7c4155956d19e902d10f66186dfe (MD5) / O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de três códigos computacionais, para utilização em simulação térmica de edificações, quais sejam: 1) estimativa da radiação solar em presença de nuvens; 2) análise da penetração de radiação solar através de superfícies transparentes e 3) cálculo do sombreamento sobre superfícies. O primeiro modelo estima a intensidade da radiação solar incidente sobre superfícies planas, com qualquer orientação e inclinação, em função de um índice de limpidez. Tal índice foi inferido a partir de dados metereológicos obtidos pelo laboratório de energia solar da Universidade Federal de Santa Catarina. O segundo modelo visa à análise da penetração de radiação solar através de superfícies transparentes, podendo estas serem compostas por uma ou várias lâminas e podendo ainda possuir ou não películas de filmes finos depositados sobre suas superfícies. O terceiro modelo apresenta uma metodologia para estimar o sombreamento sobre superfícies opacas ou não, provocado por elementos de sombreamento e/ou edificações adjacentes. Cada módulo apresentado tem suas potencialidades discutidas e ilustradas através de exemplos e/ou figuras. Em decorrência dos bons resultados obtidos, verifica-se que o presente trabalho vem a se constituir num forte subsídio para a área de simulação térmica de edificações.