projeto de um sistema de aquecimento solar de água
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projeto de um sistema de aquecimento solar de água
CARLOS HENRIQUE FICHE DE CARVALHO PROJETO DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA PARA POUSADAS Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do curso de Pós Graduação Lato Sensu em Fontes Alternativas de Energia, para obtenção do título de especialista em Fontes Alternativas de Energia. Orientador: Prof. Carlos Alberto Alvarenga LAVRAS MINAS GERAIS - BRASIL CARLOS HENRIQUE FICHE DE CARVALHO PROJETO DE UM SISTEMA DE AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA PARA POUSADAS Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do curso de Pós Graduação Lato Sensu em Fontes Alternativas de Energia, para obtenção do título de especialista em Fontes Alternativas de Energia. APROVADA em ____de _____________de________ Prof. ______________________________ Prof. ______________________________ Prof. ______________________________ UFLA Prof. Carlos Alberto Alvarenga LAVRAS MINAS GERAIS - BRASIL Dedico este trabalho aos meus pais, Luiz Manoelino de Carvalho e Suely Fiche de Carvalho pelo apoio incondicional. AGRADECIMENTOS • A Deus, pela saúde que me proporciona para vencer os desafios da vida; • Aos meus pais, pela criação e educação que me deram; • Ao meu orientador Professor Carlos Alberto Alvarenga, que com seu empenho e conhecimento tornou-se possível a conclusão deste trabalho; • Ao Sr. Paulo Sérgio Della-Sérvia Rodrigues, proprietário da pousada Serra do Ouro em São João del Rei, objeto de estudo deste trabalho. SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ................................................................... 06 2. OBJETIVOS ..................................................................... 09 3. REVISÃO DE LITERATURA ............................................. 10 3.1. A radiação solar ......................................................... 15 3.2. Instrumentos de medição da radiação solar ........... 19 3.2.1. Piranômetros .......................................................... 20 3.3. Campo de utilização .................................................. 21 3.4. Sistemas de aquecimento solar ............................... 22 3.4.1. Circulação em termossifão.................................... 22 3.4.2. Circulação Forçada ................................................ 24 3.5. Os coletores solares.................................................. 25 3.5.1. Coletor solar plano................................................. 27 3.5.2. Coletores concentradores ..................................... 29 3.5.3. Coletores concentradores parabólicos ................ 30 3.6. Tanques de armazenamento..................................... 32 3.7. Requisitos para uma boa instalação........................ 33 4. A POUSADA ..................................................................... 35 4.1. Cálculos ..................................................................... 36 4.2. AS BUILT .................................................................... 39 5. ANÁLISE DOS RESULTADOS ......................................... 45 6. CONCLUSÃO ................................................................... 47 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................... 50 2 LISTA DE FIGURAS Figura 01 – Distribuição de consumo de energia elétrica doméstica no Brasil .......................................................................09 Figura 02 – Diversas fontes renováveis de energia.......................13 Figura 03 – Representação das estações do ano e do movimento da terra em torno do sol ..............................................15 Figura 04 – Média anual de insolação diária no Brasil (horas) ......16 Figura 05 – Piranômetro ................................................................21 Figura 06 – Circulação por termossifão .........................................23 Figura 07 – Circulação forçada......................................................25 Figura 08 – Coletor solar plano .....................................................27 Figura 09 – Coletor concentrador .................................................30 Figura 10 – Coletor concentrador parabólico.................................31 Figura 11 – Tanques de armazenamento......................................33 Figura 12 – Planta baixa dos coletores e Boiler ............................41 Figura 13 – Corte BB .....................................................................42 Figura 14 – Corte AA .....................................................................43 Figura 15 – Vista dos coletores .....................................................44 Figura 16 – Vista parcial da pousada ............................................44 Figura 17 – Quadro de comando ...................................................45 3 LISTA DE TABELAS Tabela 01 – Quadro comparativo de diversas fontes de energia ....... 07 Tabela 02 – Irradiação solar nas regiões............................................ 35 4 RESUMO A energia tem sido através da história a base do desenvolvimento das civilizações. Acredito ser chegada a hora de ingressarmos na era das Fontes Alternativas de Energia, devido a vários fatores, como por exemplo, a crise do petróleo, dificuldades para a construção de novas centrais hidroelétricas e termelétricas, o carvão mineral e outras formas de energia suja que causam degradação ambiental e não são renováveis. A energia Termo Solar, que utiliza a energia do sol, pode ser utilizada para aquecimento de água em suas mais diversas aplicações, tais como para substituição de chuveiros elétricos, em cozinhas, piscinas térmicas, estufas, secadoras, saunas e etc. Neste trabalho será mostrado como o aquecimento de água utilizando a energia solar, através de coletores solares e armazenamento em reservatórios especiais pode ser vantajoso, tanto do ponto de vista econômico quanto do ponto de vista ecologicamente correto. 5 1. INTRODUÇÃO As primeiras experiências para entender melhor a capacidade do sol de aquecer água foram documentadas em 1767 pelo Suíço Horace de Saussure, que fez várias experiências com uma caixa revestida com isolamento térmico (Soletrol). No Brasil os primeiros aquecedores surgiram nos anos 70, impulsionado pela crise do petróleo. Na década de 90 houve um crescente profissionalismo em resposta a um mercado cada vez mais exigente e devido ao surgimento das primeiras normas da ABNT específicas para o setor. O sol é uma fonte de energia renovável, e o aproveitamento desta energia tanto como fonte de calor como fonte de luz é uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentarmos os desafios do novo milênio. A energia solar utilizada para aquecimento de água é a solução ideal para áreas mais afastadas e ainda não eletrificadas ou com demanda elétrica insuficiente para a instalação, por exemplo, de uma pousada. 6 A tabela 01 abaixo nos mostra como o uso de aquecedores solares pode evitar a utilização de diversas fontes convencionais de produção de energia. Tabela 01: Quadro comparativo de diversas fontes de energia Para cada m2 de coletor solar instalado permite: - Economizar 55 kg de GLP por ano - Economizar 66 litros de diesel por ano - Evitar a inundação de cerca de 56 m2 de terras para a geração de energia elétrica - Economizar 215 kg de lenha por ano Fonte: ASTROSOL Ainda podemos dizer que uma parte do milionésimo de energia solar que nosso País recebe durante o ano poderia nos dar 01 suprimento de energia equivalente a: - 54% do petróleo nacional; - 02 vezes a energia obtida com o carvão mineral; - 04 vezes a energia gerada no mesmo período por uma usina hidrelétrica. O território brasileiro, devido as suas proporções continentais e localização tropical, possui um dos maiores 7 potenciais do mundo para a utilização da energia solar como forma alternativa de energia. Hoje no Brasil a aplicação em maior escala da energia solar está no uso de aquecedor solar para substituir o chuveiro elétrico, mas mesmo assim a utilização ainda é pequena perto do potencial oferecido, devido ao custo do sistema de aquecimento ser elevado em comparação ao custo de um chuveiro, chegando a ser 15 vezes maior, levando em conta o seu preço estar na ordem de R$20,00. Nos últimos dois anos, 600 mil metros quadrados de coletores solares foram instalados no país, e somente em Belo Horizonte, 860 prédios funcionam com aquecimento solar (SOLBRASIL). Considerando dados solarimétricos do Brasil, há regiões que proporcionam 65% de economia e outras, mais quentes, que podem atingir até 80% de economia anual, na geração de água quente (CEMIG). Segundo dados do PROCEL (1998), uma grande parcela da produção de energia do país é utilizada no aquecimento de água, com 26% do consumo doméstico, conforme figura 01 abaixo: 8 Figura 01 – Distribuição de consumo de energia elétrica doméstica no Brasil (PROCEL, 1998). 2. OBJETIVO A Estrada Real percorre quase todo o interior de Minas Gerais, passando por São Paulo e Rio de Janeiro, partindo de Diamantina até Paraty (Caminho Velho) e Rio de Janeiro (Caminho Novo), totalizando mais de 1.400 km de estradas cercadas por regiões que reúnem as condições ideais para prática de esportes radicais ou ligados à natureza, sem falar no potencial turístico. Foi pensando neste grande potencial de investimento que este trabalho foi desenvolvido, a fim de levar conhecimento necessário para quem queira, por exemplo, construir uma pousada e utilizar a energia solar como fonte de energia. Tal 9 necessidade se explica devido às localidades com pouca demanda de energia elétrica, o que implicaria em gastos de reforço na rede elétrica da concessionária local para suprir a demanda. Algumas fazendas, por exemplo, são transformadas em hotéis e não disponibilizam de energia suficiente para um determinado número de hóspedes. Com o uso da energia solar para aquecimento de água, além da economia com gastos no consumo da energia elétrica, temos uma fonte de energia ecologicamente correta, limpa, inesgotável e gratuita. Ela pode ser utilizada não somente em substituição aos chuveiros elétricos, mas também para aquecimento da água em piscinas, ofurôs, cozinhas, vestiários e também para pré-aquecimento de caldeiras. Em um mercado de turismo cada vez mais exigente e preocupado com a preservação do meio ambiente, nada melhor que se utilizar uma fonte de energia limpa. 3. REVISÃO DE LITERATURA Ao tratar as fontes renováveis de energia, não poderia deixar de primeiramente definir quais são as fontes renováveis de energia e qual o significado do termo renovável. 10 Quanto às fontes de energia, considera-se toda substância (petróleo, carvão, urânio, biomassa) capaz de produzir energia em processos de transformação (combustão, fissão nuclear) como também as formas de energia (energia solar, gravitacional), associada ou não ao movimento dos corpos, fluidos (energia das ondas, hidráulica) e ventos (energia eólica), ou à temperatura das substâncias (energia geotérmica), cuja transformação em outras formas de energia pode ser realizada em larga escala. As fontes de energia mais conhecidas hoje podem ser classificadas em dois tipos: fontes primárias, originadas de processos fundamentais da natureza, como a energia dos núcleos dos átomos ou a energia gravitacional, e secundária, derivada da primeira, representando apenas transformações e/ou diferentes formas daquelas, tais como a energia da biomassa (solar) e a das marés (gravitacional). Quanto à renovabilidade das fontes, em princípio todas podem ser produzidas e repostas na natureza. Mas, para várias delas, o processo de reposição natural envolve milhares de anos e condições favoráveis (como o petróleo), enquanto que e reposição artificial quando não é impossível é 11 absolutamente inviável, envolvendo um gasto de energia igual ou superior à quantidade de energia a ser obtida, ou custos proibitivos (como é o caso da energia nuclear). Estas fontes são classificadas como não renováveis. Da mesma forma, em princípio, nenhuma fonte de energia pode ser considerada inesgotável. Entretanto, aquelas cuja utilização pela humanidade não representa qualquer variação significativa em seu potencial, que em muitos casos está avaliado para uma duração de vários milhões ou bilhões de anos (energia solar, gravitacional), e aquelas outras, cuja reconstituição pode ser feita sem grandes dificuldades em prazos de apenas alguns anos menos, como no caso da biomassa, são designadas fontes renováveis de energia. A figura 02 abaixo mostra a classificação geral das fontes de energia conhecidas. 12 Figura 02 – Diversas fontes renováveis de energia Fonte:(COMCIENCIA) Segundo as Nações Unidas, em 1998 o consumo mundial de energia primária proveniente de fontes não renováveis (petróleo, carvão, gás natural e nuclear) correspondeu a aproximadamente 86% do total, cabendo apenas 14% às fontes renováveis. Do total de energia consumido em 1999, cerca de 53% ocorreu nos 24 países com economia desenvolvida, ficando os cerca de 100 países denominados de economia em desenvolvimento com os 47% restantes. 13 transição ou em Podemos constatar que mais cedo ou mais tarde a oferta destas fontes não renováveis será reduzida, obrigando a utilização de outras fontes de energia. Neste ponto, muitos especialistas apontam as fontes de energias renováveis como a única solução de suprimento de energia para um desenvolvimento econômico e ambientalmente sustentável. O conceito de desenvolvimento sustentável é bastante amplo, implicando em ações em todas as áreas da atividade humana, tais como planejamento familiar, alterações nos processos agrícolas e industriais e também a criação de taxas para os impactos ambientais inevitáveis provocados por algumas atividades essenciais, como, por exemplo, a geração de energia, o que elevará os custos principalmente das fontes não renováveis. Apesar de não estarem isentas de provocarem inúmeras alterações no meio ambiente, pois todas as atividades humanas em maior ou menor grau assim o fazem, as fontes renováveis de energia aparecem hoje como as melhores opções para um futuro sustentável para a humanidade. 3.1. A RADIAÇÃO SOLAR 14 Além das condições atmosféricas (nebulosidade, umidade relativa do ar etc.), a disponibilidade de radiação solar, também denominada energia total incidente sobre a superfície terrestre, depende da latitude local e da posição no tempo (hora do dia e dia do ano). Isso se deve à inclinação do eixo imaginário em torno do qual a Terra gira diariamente (movimento de rotação) e à trajetória elíptica que a Terra descreve ao redor do Sol (translação ou revolução), como ilustrado na Figura 03. Figura 03: Representação das estações do ano e do movimento da terra em torno do sol. Fonte: (ANEEL, 2006) Desse modo, a duração solar do dia – período de visibilidade do Sol ou de claridade – varia, em algumas regiões e períodos do ano, de zero hora (Sol abaixo da linha do 15 horizonte durante o dia todo) a 24 horas (Sol sempre acima da linha do horizonte). O mapa da Figura 04 apresenta a média anual de insolação diária, segundo o Atlas Solarimétrico do Brasil (2000). Figura 04: Média anual de insolação diária no Brasil (horas) Fonte: (ANEEL, 2006) A maior parte do território brasileiro está localizado relativamente próximo da linha do Equador, de forma que não se observam grandes variações na duração solar do dia. 16 Contudo, a maioria da população brasileira e das atividades socioeconômicas do País se concentra em regiões mais distantes do Equador. Em Porto Alegre, capital brasileira mais meridional (cerca de 30º S), a duração solar do dia varia de 10 horas e 13 minutos a 13 horas e 47 minutos, aproximadamente, entre 21 de junho e 22 de dezembro, respectivamente. Desse modo, para maximizar o aproveitamento da radiação solar, pode se ajustar a posição do coletor ou painel solar de acordo com a latitude local e o período do ano em que se requer mais energia. No Hemisfério Sul, por exemplo, um sistema de captação solar fixo deve ser orientado para o Norte, com ângulo de inclinação similar ao da latitude local. A radiação solar depende também das condições climáticas e atmosféricas. Somente parte da radiação solar atinge a superfície terrestre, devido à reflexão e absorção dos raios solares pela atmosfera. Mesmo assim, estima-se que a energia solar incidente sobre a superfície terrestre seja da ordem de 10 mil vezes o consumo energético mundial (CRESESB, 2000). 17 No Brasil, entre os esforços mais recentes e efetivos de avaliação da disponibilidade de radiação solar, destacam-se os seguintes: a) Atlas Solarimétrico do Brasil, iniciativa da Universidade Federal de Pernambuco – UFPE e da Companhia Hidroelétrica do São Francisco – CHESF, em parceria com o Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito – CRESESB; b) Atlas de Irradiação Solar no Brasil, elaborado pelo Instituto Nacional de Meteorologia – INMET e pelo Laboratório de Energia Solar – LABSOLAR, da Universidade Federal de Santa Catarina – UFSC. O Atlas Solarimétrico do Brasil (2000) apresenta uma estimativa da radiação solar incidente no país, resultante da interpolação e extrapolação de dados obtidos em estações solarimétricas distribuídas em vários pontos do território nacional. Devido, porém, ao número relativamente reduzido de estações experimentais e às variações climáticas locais e regionais, o Atlas de Irradiação Solar no Brasil faz estimativas da radiação solar a partir de imagens de satélites. Como lembrado por pesquisadores do Centro de Pesquisas de Eletricidade – CEPEL, ambos os modelos apresentam falhas e limites e não devem ser vistos como 18 concorrentes. Ao contrário, devem ser complementares, na medida em que reúnem o máximo possível de dados e podem, dessa forma, melhorar as estimativas e avaliações da disponibilidade de radiação solar no Brasil (CRESESB, 2000). 3.2. INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO DA RADIAÇÃO SOLAR A medição da radiação solar, tanto a componente direta como a componente difusa na superfície terrestre é de maior importância para os estudos das influências das condições climáticas e atmosféricas. Com um histórico dessas medidas, pode-se viabilizar as instalações de sistemas térmicos e fotovoltaicos em uma determinada região garantindo o máximo aproveitamento ao longo do ano onde as variações da intensidade da radiação solar sofrem significativas alterações. De acordo com as normas preestabelecidas pela OMM (Organização Mundial de Meteorologia) são determinados limites de precisão para quatro tipos de instrumentos: de referência ou padrão, instrumentos de primeira, segunda e terceira classe. As medições padrões são: radiação global e difusa no plano horizontal e radiação direta normal. 19 3.2.1. Piranômetros Os piranômetros medem a radiação global. Este instrumento caracteriza-se pelo uso de uma termopilha que mede a diferença de temperatura entre duas superfícies, uma pintada de preto e outra pintada de branco igualmente iluminada. A expansão sofrida pelas superfícies provoca um diferencial de potencial que, ao ser medida, mostra o valor instantâneo da energia solar. Um outro modelo bem interessante de piranômetro é aquele que monocristalino utiliza para uma coletar célula fotovoltaica medidas de silício solarimétrias. Este piranômetro é largamente utilizado, pois apresenta custo bem menor do que os equipamentos tradicionais. Pelas características da célula fotovoltaica, este aparelho apresenta limitações quando apresenta sensibilidade em apenas 60% da radiação solar incidente. Existem vários modelos de piranômetros de primeira (2% de precisão) e também de segunda classe (5% de precisão). Existem vários modelos de diversos fabricantes entre eles: Eppley 8-48 (USA), Cimel CE-180 (França), Schenk (Áustria), M-80M (Russia), Zonen CM5 e CM10 (Holanda). 20 Figura 05 - Piranômetro de Segunda Classe Fonte: CRESESB 3.3. CAMPO DE UTILIZAÇÃO A área de atuação utilizando a energia solar é bastante ampla, valendo ressaltar algumas aplicações mais conhecidas, tais como: ¾ Eletrificação - Utiliza-se para eletrificação de residências, escolas, comércio, fazendas, cercas, estradas, indústrias, estações e postos avançados de vigilância e de torres e radiodifusão. ¾ Telecomunicações retransmissores, – Telefonia estações radiocomunicações. 21 terrestres, rural, radiotelefonia e ¾ Sinalização aérea e náutica – Faróis náuticos, sinalização em antenas de transmissão de energia elétrica e de radiodifusão, sinalização em portos e aeroportos. ¾ Sinalização rodoferroviária – painés de mensagens randômicas e variáveis, para sinais luminosos e na iluminação de placas de sinalização. ¾ Televigilância – Depósitos e silos, tráfego rodoviário, rios, e pontos sujeitos a enchente. ¾ Refrigeradores e freezer. ¾ Bombeamento de água. ¾ Aquecimento de água 3.4. SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR Os dois sistemas de aquecimento solar mais utilizados são: - Circulação em termossifão; - Circulação forçada. 3.4.1. Circulação por termossifão O mesmo fluido a temperaturas diferentes tem também densidades diferentes, quanto maior é a sua temperatura menor a sua densidade. Por isso, quando se aquece um fluido, 22 este tem tendência a estratificar-se ficando a parte mais quente na zona superior. No sistema de termossifão a água aquecida pelo sol no coletor sobe empurrando a água mais fria do depósito, forçando-a a tomar o seu lugar, descendo, para subir novamente quando, por sua vez for aquecida. O depósito deve ficar acima do coletor, senão dá-se o fenômeno inverso quando já não houver sol (termossifão invertido). Estes sistemas são compostos pelo coletor solar, depósito acumulador, purgador, vaso de expansão e outros pequenos acessórios. (Portal das Energias Renováveis, 2004). FIGURA 06: Circulação em termossifão Fonte: ASTROSOL 1- Coletores solares; 2- Boiler. 23 3.4.2. Circulação Forçada Nas situações em que não é viável a colocação do depósito acima da parte superior dos coletores e para os grandes sistemas em geral é necessário usar bombas eletrocirculadoras para movimentar o fluido térmico. A bomba poderá ser comandada por um sistema de controle automático (o comando diferencial). O sistema de controle (comando diferencial) está regulado de modo a colocar a bomba em funcionamento logo que a diferença de temperatura entre os coletores e o depósito atinja 5ºC. Estes sistemas são compostos pelo coletor solar, depósito acumulador, bomba eletrocirculadora, controlador diferencial, purgador, vaso de expansão e outros pequenos acessórios. (Portal das Energias Renováveis, 2004). 24 FIGURA 07: Circulação forçada Fonte: ASTROSOL 1 - Caixa d'água 2 - Boiler 3 - Coletor Solar 4 - Respiro 5 - Descida p/ coletores 6 - Retorno dos coletores 7 - Alimentação de água fria 8 - Consumo de água quente 9 - Moto bomba 10 - Termostado diferencial de temperatura (TDT) 3.5. OS COLETORES SOLARES Quando os raios do sol atravessam o vidro da tampa do coletor solar, eles esquentam as aletas que são feitas de cobre ou alumínio e pintadas com uma tinta especial e escura que ajuda na absorção máxima da radiação solar. O calor passa então das aletas para os tubos (serpentina) que geralmente 25 são de cobre. Daí a água que está dentro da serpentina esquenta e vai direto para o reservatório do aquecedor solar . Os coletores solares são fabricados com matéria-prima nobre, como o cobre e o alumínio. Recebem um cuidadoso isolamento térmico e ainda vedação com borracha de silicone. Eles têm cobertura de vidro liso e são instalados sobre telhados ou lajes, sempre o mais próximo possível do reservatório térmico. Geralmente são fornecidos com válvula anticongelamento. O número de coletores solares a ser usado numa instalação depende do tamanho do reservatório térmico, mas pode também variar de acordo com o nível de insolação de uma região ou até mesmo de acordo com as condições de instalação. Devido à baixa densidade da energia solar que incide sobre a superfície terrestre, o atendimento de uma única residência pode requerer a instalação de vários metros quadrados de coletores. Para o suprimento de água quente de uma residência típica (três ou quatro moradores), são necessários cerca de 4 m2 de coletor. Existem vários tipos de coletores solares, a saber: 26 - Planos; - Coletores concentradores; - CPC ou coletores concentradores parabólicos. 3.5.1. Coletor solar plano É o mais comum e destina-se a produção de água quente a temperaturas inferiores a 100ºC. O uso dessa tecnologia ocorre principalmente em residências, mas há demanda significativa e aplicações em outros setores como edifícios públicos e comerciais, hospitais, restaurantes e hotéis ou pousadas, objeto de estudo deste trabalho. A figura 08 abaixo mostra um típico coletor solar e suas partes constituintes. FIGURA 08: Coletor solar plano Fonte: ASTROSOL 27 A - Cobertura transparente B - Tubulação condutora de água C - Chapa absorvedora de calor D - Caixa externa E - Isolamento térmico F - Chapa de fundo A - Cobertura transparente: Provoca o efeito estufa e reduz as perdas de calor e ainda assegura a estanquicidade do coletor. B - Tubulação condutora de água: Por onde o fluido térmico circula. C - Chapa absorvedora de calor: Ou placa absorvedora de calor. Serve para receber a energia e transforma-la em calor, transmitindo-a para o fluido térmico que circula pela tubulação condutora. D - Caixa externa: A Caixa do coletor solar deve ser feita em material resistente à corrosão e com rigidez mecânica suficiente para garantir a integridade estrutural do equipamento. As caixas podem ser feitas em chapa dobrada de aço galvanizado ou de alumínio, com perfis e chapas de alumínio, moldadas em plástico, etc. 28 E - Isolamento térmico: Serve para evitar perdas de calor uma vez que deverá ser isolada termicamente, para dar rigidez e proteger o interior do coletor dos agentes externos. 3.5.2. Coletores concentradores Para atingir temperaturas mais elevadas há que diminuir as perdas térmicas do receptor. Estas são proporcionais a superfície deste. Reduzindo-a em relação a superfície de captação, consegue-se reduzir as perdas térmicas na proporção dessa redução. Os sistemas assim concebidos chamam-se concentradores, e concentração é precisamente a relação entre a área de captação (a área de vidro que serve de tampa á caixa) e a área de recepção. Acontece que, quanto maior é a concentração menor é o ângulo com a superfície dos coletores segundo o qual têm que incidir os raios solares para serem captados pelo que o coletor tem de se manter sempre perpendicular aos raios solares, seguindo o sol no seu movimento aparente diurno. Esta é uma desvantagem, pois o mecanismo de controle para fazer o coletor seguir a trajetória do sol, é bastante 29 dispendioso e complicado, para além de só permitir a captação da radiação direta. (Portal das Energias Renováveis, 2004). Figura 09: Coletor concentrador Fonte: PORTAL DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS 3.5.3. CPC ou coletores concentradores parabólicos O desenvolvimento da óptica permitiu muito recentemente a descoberta de um novo tipo de concentrador (chamados CPC ou Winston) que combinam as propriedades dos coletores planos (também podem ser montados em estruturas fixas e têm um grande ângulo de visão o que também permite a captação da radiação difusa) com a capacidade de produzirem temperaturas mais elevadas (>70ºC), como os concentradores convencionais do tipo de lentes. 30 Figura 10: Coletor concentrador parabólico Fonte: PORTAL DAS ENERGIAS RENOVÁVEIS A diferença fundamental entre coletores parabólicos e planos é a geometria da superfície de absorção, que no caso dos CPC’s a superfície absorvedora é constituída por uma grelha de alhetas em forma de acento circunflexo, colocadas por cima de uma superfície refletora. A captação solar realizase nas duas faces das alhetas já que o sol incide na parte superior delas e os raios que são refletidos acabam por incidir na parte inferior das alhetas, aumentando assim ainda mais a temperatura do fluido e diminuindo as perdas térmicas. (Portal das Energias Renováveis, 2004). 31 3.6. TANQUES DE ARMAZENAMENTO Devido ao fato da radiação solar não ser constante ao longo do dia, se faz necessário o uso de um reservatório térmico capaz de armazenar a energia absorvida para possibilitar o uso do sistema em períodos sem radiação solar, ou quando esta é muito baixa. Para manter a água aquecida, o reservatório deve contar com um baixo coeficiente de trocas térmicas com o ambiente, usar materiais que sejam resistentes a corrosão, que tenham uma boa rigidez estrutural e suportem temperaturas entre 60ºC e 80ºC, faixa normalmente utilizada sistemas domésticos. A união destes requisitos acaba levando ao uso do aço inoxidável, no entanto, devido ao custo deste, outros metais como o cobre, apesar de seu alto coeficiente de condução térmica (385W/mK), também são utilizados. Para garantir um bom isolamento térmico, o tanque metálico é normalmente recoberto por um bom material isolante (lã de vidro e poliuretano), com coeficientes de condução térmica na ordem de 0,03 a 0,04 W/mK. Um encapsulamento de aço galvanizado ou alumínio garante um bom acabamento e certa rigidez ao sistema. 32 A Figura 11 abaixo mostra alguns modelos de tanques de armazenamento de fabricação nacional. Figura 11 – Tanque de armazenamento Fonte: Soletrol, 2004 3.7. REQUISITOS PARA UMA BOA INSTALAÇÃO Um sistema de aquecimento solar instalado corretamente pode economizar até 80% da energia elétrica consumida para banho. Essa proporção, entretanto, depende do correto dimensionamento do equipamento para atender o nível de conforto pretendido pelos usuários. Estudos da Cemig indicam que a maioria das falhas deve-se a erros no projeto hidráulico de distribuição de água quente (56%). Projetos arquitetônicos inadequados respondem pelo mau funcionamento de 33% dos sistemas de aquecimento solar e erros no próprio sistema, como a instalação errada ou 33 placas de má qualidade respondem por apenas 11% das falhas. Contudo, quando bem instalado, o sistema de aquecimento solar é muito eficiente. Para um melhor aproveitamento dos coletores solares, os mesmos devem estar voltados para a face norte e se não for possível, para o noroeste ou nordeste. Caso se utilize a face leste ou oeste do telhado deve-se acrescentar mais 25% de área de coletor solar. Deve-se observar também a inclinação do coletor, que deve ser igual a latitude local + 5 graus. Quando isso não for possível, deve ser considerada uma inclinação de 15 graus. Um desnível de 60 cm entre o nível inferior do reservatório e a saída da água quente do coletor deve ser considerado, para que a convecção natural aconteça, no caso de sistemas de circulação natural. Buscar posições com o mínimo de sombreamento sobre os coletores nas horas de maior incidência de calor a fim de aproveitar ao máximo a eficiência dos mesmos. As tubulações que levam água quente ao ponto de consumo devem ser construídos com tubos resistentes ao calor como aço galvanizado, cobre, CPVC e polipropileno. 34 Existem regiões que de acordo com a irradiação solar, pode-se obter um melhor rendimento das instalações, como mostra o quadro abaixo. Tabela 02: Irradiação solar nas regiões Irradiação média anual Cidade (Kcal/m2/dia) Porto Alegre 3.755 São Paulo 3.944 Belo Horizonte 4.467 Brasília 4.556 Recife 4.608 Manaus 3.918 Ribeirão Preto 4.439 Fonte: ASTROSOL 4. A POUSADA Trata-se de uma pousada de médio porte instalada na Estrada Real, mais precisamente na cidade de São João Del Rei. Foi inaugurada em 2001 já com o sistema de aquecimento solar instalado. Os cálculos a seguir confirmam as instalações existentes na pousada, como por exemplo, a área dos coletores solares e a capacidade de consumo de água quente. 35 4.1. CÁLCULOS O tamanho do aquecedor, dado pela área da placa coletora e pelo volume do reservatório térmico é, basicamente, uma função da insolação média local, do número de usuários, da temperatura requerida para a água, da quantidade de água consumida por banho e do número de banhos que cada usuário toma por dia. A Norma Técnica Brasileira, NB 128/ABNT*, que rege a instalação de água quente no Brasil, fornece as seguintes especificações para o aquecimento de água residencial: temperaturas usuais para uso pessoal em banhos ou higiene: 35° a 50°C; cozinhas (dissolução de gorduras) 60° a 70°C. Consumo diário de água a uma temperatura média de 60°C: casa popular ou rural, 36 litros por pessoa; residencial, 45 litros por pessoa; apartamento 60 litros por pessoa. Confirmando essa Norma, diversos autores adotam o consumo médio diário entre 30 e 50 litros por pessoa, a uma temperatura entre 50° e 60°C. * Agência Brasileira de Normas Técnicas 36 Os valores adotados num projeto podem variar, a depender de exigências e costumes dos futuros usuários. Por exemplo, é pouco provável que se use no chuveiro, água a uma temperatura superior a 40°C. Por outro lado existem usuários que têm o hábito de banhar-se por mais de 10 minutos, com a água quente aberta, o que pode significar um consumo superior a 50 litros, por dia. Considerando a vazão de 7 litros/minuto para cada chuveiro e um tempo médio de 10 minutos para cada banho, teremos uma vazão total de 70 litros. Se em cada apartamento ficarem hospedadas três pessoas, teremos uma vazão total de: Vazão = 3(pessoas) x 70 litros = 210 litros Como são 20 apartamentos, teremos: Vazão total = 20 x 210 = 4.200 litros/dia. Considerando que pode-se utilizar a água quente na cozinha e uma margem de segurança, adotaremos uma vazão total de 5.000 litros/dia. Logo: VAZÃO TOTAL = 5.000 litros/dia Para o cálculo dos coletores, utilizaremos a seguinte fórmula: S = Q / Ixn, onde: 37 S = área dos coletores solares; Q = Quantidade de energia necessária para elevar a temperatura de uma determinada quantidade de água em xºC; I = Intensidade da radiação solar n = Rendimento do coletor, fornecido pelo fabricante. Vamos considerar o rendimento dos coletores solares de 60%. A temperatura ambiente da água na região é T1=24ºC. Portanto, para chegar a uma temperatura T2 = 50ºC, a temperatura da água terá que ser elevada em 26ºC. Considerando o tempo médio de funcionamento dos coletores de 07 horas, verifica-se uma insolação média de 0,95 cal/cm².min. O volume total de água de 5.000 litros, por um período de 7 horas por dia, corresponde a 715 litros/hora, ou seja, 715 Kg/hora. Portanto: Q = 715 Kg/h x 1 kcal/Kg.ºCx26ºC = 18.590 I = 0,95 cal/cm2.min = 57,0 cal/cm2.h = 0,057 Kcal/ cm2.h. A área dos coletores solares será: S = 18.590 / 0,057 x 0,60 = 54.3567,25 cm2 38 S = 54,35 m2 Portanto, para aquecermos 5.000 litros de água diariamente a uma temperatura para banho em torno de 50ºC teremos uma área total de 54,35 m2 de coletores solares. Em dias de menor insolação, pode-se utilizar um resistor, instalado dentro do Boiler. Geralmente este método é utilizado quando o sistema é manual, ou seja, quando o resistor é ligado manualmente. Utiliza-se um resistor de 5 a 8W para cada litro do reservatório. Portanto, para cada Boiler da pousada, que tem capacidade de 2.500 litros, o resistor deverá ter uma potência de: R = 2.500 x 8 = 20 kW 4.2. AS BUILT Os dados calculados são confirmados com a área dos coletores solares instalados hoje na pousada, que é de 57 m2. O sistema existente na pousada utiliza a circulação forçada, com duas bombas fazendo com que a água circule pela tubulação até os coletores solares. Existe também 39 instalado um sistema de aquecimento a gás, que entra em operação em tempos de menor insolação, tudo automatizado através de sensores e controlado por um quadro elétrico de comando. As placas coletoras foram instaladas orientadas para o Norte Geográfico e com uma inclinação de 30º. Os 57 m2 de coletores solares foram divididos em dois grupos de 28,5 m2, sendo cada grupo com um Boiler de 2.500 litros de capacidade, totalizando uma capacidade de consumo de 5.000 litros. Na Figura 12 está a planta de cobertura da pousada, com a localização dos coletores solares e dos Boiler’s com capacidade de 2.500 litros, cada um instalados no entreforro. 40 Figura 12: Planta baixa dos coletores e dos Boiler’s 41 Nas figuras 13 e 14 abaixo, estão os cortes AA e BB da planta da pousada, com a localização dos coletores solares com sua inclinação, localização dos Boiler’s e do aquecimento a gás. Foto 13: Corte BB 42 Figura 14: Corte AA Nas fotos a seguir estão as instalações em funcionamento na pousada, com a vista dos coletores solares e o quadro de comando de todo o sistema. 43 Figura 15: Vista dos coletores Figura 16: Vista parcial da pousada 44 Figura 17: Quadro de comando 5. ANÁLISE DOS RESULTADOS Para analisar a viabilidade econômica das instalações, será feita uma simulação com a pousada utilizando chuveiro elétrico nos vinte apartamentos, com uma média de ocupação de três hóspedes por apartamento. Para o nosso cálculo, vamos considerar que cada apartamento tenha instalado um chuveiro de 5.400W de 45 potência, alimentado em 127V, utilizado na posição inverno (pior situação). O consumo diário de cada apartamento será calculado considerando 03 banhos por dia, com duração média de 10 minutos cada banho (mesmos dados utilizados para calcular o consumo de água e da área dos coletores). Portanto, o consumo diário de cada apartamento será: Consumo diário = 5,4 kW x 0,5 hora = 2,7 kWh Como a pousada possui 20 apartamentos: Consumo diário total = 2,7 kWh x 20 = 54 kWh O consumo mensal será: Consumo mensal = 54 kWh x 30 dias = 1.620 kWh Portanto, o consumo mensal, considerando 100% de ocupação, ou seja, 20 apartamentos ocupados com três hóspedes tomando três banhos por dia com duração média de 10 minutos cada banho será de 1.620 kWh por mês. Em valores de hoje, considerando os dados da conta de energia da pousada, que está localizada em área urbana e o preço do kWh está na faixa de R$0,49 centavos de real, o valor gasto com energia elétrica durante 01 mês seria de R$793,80. 46 Considerando que a pousada tem 100% de ocupação durante 04 meses do ano, temos: 4 x 1,0 x R$ 793,80 = R$ 3.175,20 Nos outros 08 meses do ano, considerando 40% de ocupação: 8 x 0,4 x R$ 793,80 = R$ 2.540,16 Portanto, o gasto com energia elétrica da pousada somente com chuveiro elétrico, considerando uma ocupação de 100% em 04 meses e de somente 40% nos outros 08 meses, durante 01 ano seria de: R$ 3.175,20 + R$ 2.540,16 = R$ 5.715,36 Portanto: Custo anual = R$ 5.715,36 6. CONCLUSÃO Segundo dados coletados com o proprietário, a média do consumo de energia nos últimos doze meses foi de apenas 718 kWh. Nos cálculos feitos anteriormente, somente com os chuveiros elétricos o consumo seria de 1.620 kWh, o que vem comprovar que o chuveiro elétrico seria o grande vilão no consumo energia da pousada. 47 Ainda de acordo com o proprietário, os gastos para implantação do sistema de aquecimento da pousada foram de aproximadamente de R$30.000,00 em dezembro de 2001. Para atualizar estes valores, vamos considerar um aumento de 25%, ou seja, o custo das instalações passaria para R$ 37.500,00. Como foi calculado, o custo anual da pousada utilizando chuveiros elétricos seria de R$ 5.715,36, em valores atuais. Logo, o retorno dos investimentos se daria em aproximadamente 06 anos. Conclui-se também que o investimento no padrão de entrada da pousada foi drasticamente reduzido, tendo em vista que o padrão atual de fornecimento de energia elétrica é bifásico, pois no local não existe rede de distribuição trifásica. Caso o proprietário optasse por instalar chuveiros elétricos, somente para os mesmos a pousada teria de construir um padrão de energia com proteção de no mínimo 300A. Diante deste fato, a concessionária de energia local teria de fazer uma reforma na rede de distribuição a fim de atender a pousada. O custo desta reforma na rede, 48 dependendo do caso, é divido entre a concessionária de energia local e o cliente. Fica evidente, portanto, o quanto o uso da energia solar para aquecimento de água para substituir os chuveiros elétricos em uma pousada é viável, tanto economicamente quanto ecologicamente, por se tratar de uma energia totalmente limpa. 49 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ABRAVA – Associação Brasileira de Refrigeração, Ar condicionado, Ventilação e Aquecimento. São Paulo. Disponível em: http://www.abrava.com.br/index.php; 2. ABREU, S. L., Utilização da Energia Solar em Substituição a Chuveiros Elétricos, Fontes NãoConvencionais de Energia – As Tecnologias Solar, Eólica e de Biomassa, Laboratório de Energia Solar, UFSC, Florianópolis, Brasil, 2000; 3. ALVARENGA, C. A. – Energia Solar. Lavras: UFLA / FAEPE, 2001; 4. AMBIENTEBRASIL. Disponível http://www.ambientebrasil.com.br; em: 5. ANEEL – Agência Nacional de Energia Elétrica, disponível em http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03Energia_Solar(3).pdf; 6. ASTROSOL http://www.astrosol.com.br/; Disponível em: 7. CEMIG. Disponível em: http://www.cemig.com.br/; 8. CENTRO NACIONAL EM PEQUENAS CENTRAIS HIDRELÉTRICAS – CERPCH http://www.cerpch.unifei.edu.br/fontes_renovaveis/solar. htm; 9. COMCIÊNCIA Disponível em: http://www.comciencia.br/reportagens/2004/12/13.shtml; 10. CRESESB - Centro de Referência para Energia Solar e Eólica Sérgio de Salvo Brito, disponível em http://www.cresesb.cepel.br/Publicacoes/download/Diren g.PDF 50 11. Energia solar para o aquecimento de água, Instruções para Projetistas e Instaladores, CEMIG/PROCEL, Belo Horizonte, 1995; 12. Energias Renováveis – Site consultado: http://www.energiasrenovaveis.com/html/energias/solar_t ecnologias.asp; 13. LORENZETTI http://www.lorenzetti.com.br; Disponível em: 14. SOLETROL - Disponível em: http://www.soletrol.com.br. 51