Evaluation of a thermally driven heat pump for solar heating and cooling applications

Exploiting solar energy technology for both heating and cooling purposes has the potential of meeting an appreciable portion of the energy demand in buildings throughout the year. By developing an integrated, multi-purpose solar energy system, that can operate all twelve months of the year, a high utilisation factor can be achieved which translates to more economical systems. However, there are still some techno-economic barriers to the general commercialisation and market penetration of such technologies. These are associated with high system and installation costs, significant system complexity, and lack of knowledge of system implementation and expected performance. A sorption heat pump module that can be integrated directly into a solar thermal collector has thus been developed in order to tackle the aforementioned market barriers. This has been designed for the development of cost-effective pre-engineered solar energy system kits that can provide both heating and cooling. This thesis summarises the characterisation studies of the operation of individual sorption modules, sorption module integrated solar collectors and a full solar heating and cooling system employing sorption module integrated collectors. Key performance indicators for the individual sorption modules showed cooling delivery for 6 hours at an average power of 40 W and a temperature lift of 21°C. Upon integration of the sorption modules into a solar collector, measured solar radiation energy to cooling energy conversion efficiencies (solar cooling COP) were between 0.10 and 0.25 with average cooling powers between 90 and 200 W/m2 collector aperture area. Further investigations of the sorption module integrated collectors implementation in a full solar heating and cooling system yielded electrical cooling COP ranging from 1.7 to 12.6 with an average of 10.6 for the test period. Additionally, simulations were performed to determine system energy and cost saving potential for various system sizes over a full year of operation for a 140 m2 single-family dwelling located in Madrid, Spain. Simulations yielded an annual solar fraction of 42% and potential cost savings of €386 per annum for a solar heating and cooling installation employing 20m2 of sorption integrated collectors.

Triggering Solar-Powered Vehicle Activated Signs using Self Organising Maps with K-means

Solar-powered vehicle activated signs (VAS) are speed warning signs powered by batteries that are recharged by solar panels. These signs are more desirable than other active warning signs due to the low cost of installation and the minimal maintenance requirements. However, one problem that can affect a solar-powered VAS is the limited power capacity available to keep the sign operational. In order to be able to operate the sign more efficiently, it is proposed that the sign be appropriately triggered by taking into account the prevalent conditions. Triggering the sign depends on many factors such as the prevailing speed limit, road geometry, traffic behaviour, the weather and the number of hours of daylight. The main goal of this paper is therefore to develop an intelligent algorithm that would help optimize the trigger point to achieve the best compromise between speed reduction and power consumption. Data have been systematically collected whereby vehicle speed data were gathered whilst varying the value of the trigger speed threshold. A two stage algorithm is then utilized to extract the trigger speed value. Initially the algorithm employs a Self-Organising Map (SOM), to effectively visualize and explore the properties of the data that is then clustered in the second stage using K-means clustering method. Preliminary results achieved in the study indicate that using a SOM in conjunction with K-means method is found to perform well as opposed to direct clustering of the data by K-means alone. Using a SOM in the current case helped the algorithm determine the number of clusters in the data set, which is a frequent problem in data clustering.

A simplified heat pump model for use in solar plus heat pump system simulation studies

Solar plus heat pump systems are often very complex in design, with sometimes special heat pump arrangements and control. Therefore detailed heat pump models can give very slow system simulations and still not so accurate results compared to real heat pump performance in a system. The idea here is to start from a standard measured performance map of test points for a heat pump according to EN 14825 and then determine characteristic parameters for a simplified correlation based model of the heat pump. By plotting heat pump test data in different ways including power input and output form and not only as COP, a simplified relation could be seen. By using the same methodology as in the EN 12975 QDT part in the collector test standard it could be shown that a very simple model could describe the heat pump test data very accurately, by identifying 4 parameters in the correlation equation found. © 2012 The Authors.

SOLAR PANEL MODELING ON SUITABLE ROOFS AT COLBY

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Solar Panel Modeling on Suitable Roofs at Colby

With the recent construction of Colby Green and the current plans for the construction of several new buildings, the total area for future development on campus has declined. The goal of this study was to illustrate existing campus development and to determine where future growth could occur. GIS was used in determining the different soil systems on campus, the current use of the land, and the boundaries of the Colby property. The project shows what potential obstacles the college will have in attempting to expand the campus and proposes where the best options are for construction.

Radiação solar direta em Porto Alegre

Neste trabalho foi calculada teoricamente a radiação solar direta normal para Porto Alegre e vizinhanças. Para tal fim foi feito um levantamento da insolação horária em Porto Alegre, entre os anos de 1968 a 1982 e, a partir destes como não se dispunha de dados experimentais, calculou-se a radiação solar global efetiva, com o auxílio de uma expressão do tipo Angstrom. A posse destes dados permitiu calcular a radiação direta normal, que se apresenta em forma de tabelas e gráficas. Como um resultado adicional, calculou-se a percentagem de dias aproveitáveis ou não para distintas hipóteses de uso da Energia Solar. Com o intuito de comprovar a validade dos cálculos desenvolvidos, compararam-se os dados de radiação difusa, calculados a partir dos de direta normal, com os obtidos por outras teorias.

Construcao e calibracao de sensores termoeletricos para a medida da radiacao solar

Neste trabalho experimental, apresenta-se várias propostas para a construção de sensores termoelétricos para a medida da radiação solar. 0s sensores construídos segundo estas propostas obedecem 4 configurações geométricas, e têm seus princípios de funcionamento de acordo com dois sistemas: Preto e Branco e de Grande Capacidade Calorífica. 0s materiais utilizados são facilmente encontrados no mercado brasileiro, e a técnica de construção é simples e assegura a reprodutibilidade dos instrumentos. Uma das grandes vantagens oferecidas por alguns destes instrumentos é a possibilidade da utilização de instrumentos auxliares de leitura, baratos e comuns no mercado brasileiro. Enfim, os instrumentos construídos para este trabalho são considerados bons, fornecem um sinal de saída alto e um custo relativamente baixo, quando comparado aos instrumentos importados.

Caracterização da distribuição de intensidade da radiação solar difusa

A proposta deste trabalho é caracterizar a distribuição de intensidade da radiação solar difusa. sob diferentes condições de nebulosidade, através da análise de imagens monocromáticas do hemisfério celeste e das correspondentes medidas da irradiância solar difusa. O sistema experimental tem como elementos principais uma câmera CCD monocromática. empregada na aquisição de imagens e um piranômetro, que realiza medidas de irradiância difusa. Tanto a câmera CCD quanto o piranômetro empregam anéis de sombra com as mesmas dimensões. Desta fonna. os equipamentos bloqueiam a mesma região correspondente ao caminho do Sol. O piranômetro também emprega um aro horizontal que bloqueia a irradiância difusa da região do hemisfério celeste, cuja altitude é inferior a 25°, tornando o seu ângulo de visão igual ao da câmera CCD. Um processo de análise permitiu reduzir os IÚveis de cinza da imagem original, que passaram de 256 para apenas 16 IÚveis.Determinou-se o ângulo sólido de cada pixel em função de sua distância ao centro da imagem. O ângulo sólido de toda a imagem foi calculado pela soma do ângulo sólido de cada pixel que compõe a imagem Determinaram-se mapas de distribuição de intensidade relativa. obtidos pela razão entre os valores de intensidade do cinza. observados para os pixels que compõem uma certa região, e o valor de intensidade do cinza do pixel que pertence à região que compreende o zênite. Estes mapas estão também relacionados à distribuição de luminância no hemisfério celestes. Também se determinaram as distribuições de intensidade direcional da radiação difusa. usando toda a infonnação dispoIÚvel associada a cada imagem. Os valores de intensidade direcional são calculados em função da irradiância difusa medida. do ângulo sólido de cada região e de características da imagem. Estes mapas fornecem infonnações mais completas sobre a distribuição de intensidade energética. A partir das características da imagem, estimou-se o índice de nebulosidade para imagens que correspondem à condição de céu parcialmente nublado. O índice de nebulosidade é calculado pela razão entre o ângulo sólido da região que corresponde às nuvens e o ângulo sólido total da imagem.

Contribuição ao estudo da viabilidade da cura do concreto por energia solar

O presente trabalho visou a utilização da energia solar na cura de pré-fabricados de concreto. Para tanto, foi utilizado dois modelos. O primeiro modelo constou da utilização de coletores solares planos, ligados até uma câmara de cura por um sistema de dutos; A radiação direta do sol incide sobre os coletores, que acumulam energia, que é removida pela água que circula pelos mesmos, levando essa energia através do sistema de distribuição (dutos) até a câmara de cura; Essa câmara, possui uma pista metálica em sua base, onde a energia é cedida para os pré-fabricados de concreto; Esse ciclo de captação distribuição e consumo é repetido a cada hora do dia, onde há radiação solar; Um segundo modelo constou de uma heliocâmara, princípio de um destilador solar convencional, onde a radiação incide diretamente sobre a câmara de cura; A radiação, penetra pela cobertura e forma-se um efeito estufa no interior da câmara, aquecendo seu interior e consequentemente os pré-fabricados de concreto; Avaliou-se os dois sistemas para as estações de verão e inverno na cidade de Porto Alegre (dias típicos) e concluiu-se que para o verão, tanto o sistema com coletores solares quanto o sistema com heliocâmaras poderão ser utilizados. No período de inverno, nenhum destes sistemas serão satisfatórios, porém suas utilizações serão viáveis em conjunto com uma fonte de energia alternativa; A energia solar constitui-se assim numa importante fonte de energia a ser utilizada em pré-fabricados de concreto.

Desenvolvimento de um programa de simulação computacional de sistemas de aquecimento solar para água

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.

Modelos de estimativa de radiação solar para elaboração de mapas solarimétricos

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.

Desempenho animal em sistema silvipastoril com acácia-negra (Acacia mearnsii De Wild.) e rendimento de matéria seca de cultivares de Panicum maximum Jacq. sob dois regimes de luz solar

Esse estudo foi compreendido por dois experimentos de campo, no período de outubro/2003 a abril/2004, na Fundação Estadual de Pesquisa Agropecuária (FEPAGRO), localizado em Tupanciretã, no Planalto Médio, região ecoclimática do RS. O principal objetivo do primeiro experimento foi avaliar o desempenho de novilhas de corte e a dinâmica de três pastos constituídos por Panicum maximum cvs. Gatton e Aruana e por Digitaria diversinervis em um sistema silvipastoril (SSP), associadas com acácia-negra (Acacia mearnsii De Wild.) sob duas densidades arbóreas (833 e 500 árvores/ha). Os resultados mostraram que não houve efeito da densidade arbórea com relação à dinâmica dos pastos e no desempenho animal. As cvs. de P. maximum apresentaram maiores resultados de massa de forragem residual do que a D. diversinervis. A taxa de acúmulo diário de MS, forragem total, oferta de forragem real e relação folha/colmo não diferiram entre as espécies. A cv. Gatton obteve maior resultado de forragem disponível quando comparado com a D. diversinervis. O ganho médio diário, ganho por área, animais.dia/ha, lotação animal e carga animal média também não diferiram com relação as forrageiras. O objetivo do segundo experimento foi avaliar o rendimento de matéria seca total de cinco cultivares de Panicum maximum, crescendo dentro e fora de um bosque de Eucalyptus sp. de 17 anos de idade, estabelecido na densidade de 1111 árvores/ha. A produção media de MS e a taxa de crescimento diário foram significativamente menores (P≤0.05) na condição de sombra (5.529 kg/ha) do que em pleno sol (22.346 kg/ha). Na condição de sombra, os resultados das cvs. não diferiram, enquanto que os resultados em pleno sol apresentaram diferenças significativas (P≤0,01), onde a cv. Tanzânia apresentou menores resultados no rendimento de matéria seca e taxa de crescimento e a cv. Mombaça os maiores resultados Pode-se concluir que as cvs. Mombaça, Tobiatã, Gatton e Vencedor são boas promissoras para o uso em SSP. Esse estudo indicou claramente altos níveis de desempenho animal sob pastejo em SSP com algumas cvs. de P. maximum selecionadas ou D. diversinervis usando Acacia-Negra no Sul do Brasil.

Análise energética de sistemas de aquecimento de água com energia solar e gás

Esta Tese apresenta uma análise do comportamento térmico de um sistema de aquecimento de água combinando energia solar e gás como fontes energéticas. A ênfase desta análise está na influência que a forma de conexão dos coletores solares e do circuito da fonte auxiliar de energia ao reservatório exercem sobre a eficiência e o custo de operação do sistema. O trabalho engloba uma montagem experimental, caracterização de componentes, validação experimental de um programa de simulação, análises de eficiência utilizando o programa e análises econômicas com dados simulados. Na fase experimental desta Tese, foram montados três sistemas de aquecimento de água. Dois sistemas utilizando reservatórios verticais e um sistema utilizando reservatório horizontal. Os sistemas foram montados com componentes similares: reservatórios metálicos isolados termicamente com capacidade de 600 litros (verticais), reservatório de polietileno isolado termicamente com capacidade de 600 litros (horizontal), 2 coletores solares de placas planas, tubulação de cobre e aquecedores a gás de passagem de 7,5 l /min. Os componentes foram caracterizados mediante a curva de eficiência dos coletores solares, eficiência dos aquecedores a gás de passagem e o coeficiente de perdas térmicas dos reservatórios Sensores foram instalados para monitorar os sistemas em operação. Os sinais dos sensores foram medidos através de uma central de aquisição de dados conectado a um computador. Temperaturas, irradiância solar, consumo de gás e consumo de água foram registrados ao longo do tempo. Os resultados experimentais foram comparados com resultados calculados por meio de um programa desenvolvido no Laboratório de Energia Solar apresentando boa concordância. Utilizando o mesmo programa determinou-se a configuração do sistema de aquecimento de água com energia solar e gás mais eficiente para a cidade de Porto Alegre com um determinado perfil de consumo. Outros tipos de sistemas de aquecimento de água foram simulados para atender o mesmo perfil de demanda. Análises econômicas comparando estes sistemas entre si foram realizadas considerando diversos cenários econômicos.