CURSO DE PROJETOS DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
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CURSO DE PROJETOS DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR
CURSO DE PROJETOS DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR MÓDULO INTRODUTÓRIO Eng. Carlos Felipe da Cunha Faria (Café) Diretor Executivo da ABRAVA Coordenador da Iniciativa Cidades Solares Introdução O presente material foi desenvolvido com a finalidade de compor uma material de base que dá inicio às atividades de capacitação e formação de projetistas de sistemas de aquecimento solar. A planilha de calculo disponibilizada deve ser utilizada exclusivamente para fins educativos. Energia Solar Tecnologia e Qualidade Gerando calor, frio e energia elétrica Coletores Solares Tipos de Coletores As aplicações térmicas se dividem em categorias dependentes da temperatura e estas determinam a tecnologia de conversão. Energia Solar Coletores Solares Tipos de Coletores Coletores Solares Tipos de Coletores Coletores Solares Tipos de Coletores Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Torre Solar Produção de Vapor a alta Pressão (T- 550 a 1500oC) Mundo: 50 usinas solares térmicas em diferentes estágios de planejamento ou construção Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Concentradores Parabólicos Produção de Vapor (T >400oC) Nove plantas na Califórnia com capacidade instalada de 354 MW geram energia para 350 mil pessoas e deslocamento do consumo de 2,3 Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Centrais termoelétricas solares Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Solar Dish Produção de Vapor a alta Pressão (T >1000oC) Cada prato tem capacidade que varia de 5 a 50 kW. Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Chaminé Solar Casos de demonstração Manzanares- Espanha Projeto Austrália 1 km altura – 130 diâmetro Raio de 3,5 km Cobre 10.000 hectares Capacidade - 200 MW Atendimento: 200 Mil Residências Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Aquecimento de Ar: 50 sistemas instalados, totalizando 10.000m2 em 27 edificações reduzindo a emissão de 2000 toneladas de CO2 por ano. Fonte: Solarwall Coletores Solares Tecnologia e Aplicaçõesc Aquecimento de Ar – Secagem : Secagem de grãos Fonte: Solarwall http://www.arb.ca.gov/research/icat/projects/conserval.htm Coletores Solares Tecnologia e Aplicaçõesc Aquecimento de Ar – Secagem : Secagem de grãos Coletores Solares 1. India Tecnologia e Aplicações- Fogoes Solares 2. China 3. Paquistão 4. Etiópia 5. Nigéria 6. Uganda 7. Sudão 8. Afeganistão 9. Tanzânia 10.África do Sul 11.Nigéria 12.Somália 13.Brasil 14.Quênia 15.Nepal Fonte: Solar Cookers http://solarcooking.org/ International Coletores Solares Tecnologia e Aplicações- Cozinhas Solares Solar Bowl- cozinha solar Local: Auroville- Índia Capacidade: 2000 refeições/dia 15 m de Diâmetro Produção de Vapor a 150oC Coletores Solares Tecnologia e Aplicações- Dessalinização Solar Placas Solares Tecnologia e Aplicações – Sistemas Isolados Solar fotovoltaico (Geração Descentralizada) Eletrificação Rural Iluminação Bombeamento de Água Placas Solares Tecnologia e Aplicações Solar fotovoltaico Placas Solares Tecnologia e Aplicações – Conexão à rede Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Solar PVT: Fotovoltaico+ Térmico: geração de energia elétrica e calor de ventilação. Fonte: Solarwall International Energy Agency Task 35. Projetando uma Instalação de Aquecimento Normatização Um novo conceito de projeto no Brasil A NBR 15569 estabelece os requisitos para o sistema de aquecimento solar (SAS), considerando aspectos de concepção, dimensionamento, arranjo hidráulico, instalação e manutenção, onde o fluido de transporte é a água. Projeto: ART – Anotações de Reponsabilidade Técnica O que é um sistema de aquecimento solar O sistema de aquecimento solar (SAS) Sistema de aquecimento solar (SAS) Sistema composto por coletor(es) solar(es), reservatório(s) térmico(s), aquecimento auxiliar, acessórios e suas interligações hidráulicas, que funciona por circulação natural ou forçada O sistema de aquecimento solar (SAS) Captação Transferencia Controle Armazenamento Aq. Auxiliar Distribuição Energia Solar Térmica Coletores Solares e Reservatórios Térmicos Coletores Solares Pré-requisitos Os coletores solares devem ser capazes de operar nas faixas de pressão, temperatura e demais condições especificadas em projeto, incluindo resistência de exposição direta à radiação solar. Colectores Solares Tipos de Coletores Dispositivo que absorve a radiação solar incidente, transferindoa para um fluido de trabalho, sob a forma de energia térmica Coletores Solares Coletor solar plano fechado 1.Tinta 2.Aleta 3.Flauta 4.Isolamento Térmico 5.Caixa 6.Calha coletora 7.Vedação 8.Cobertura transparente Coletores Solares Coletor solar plano fechado Coletores Solares Coletor solar plano fechado- aletas ++=1 Coletores Solares Coletor solar plano fechado- aletas Coletores Solares Coletor solar plano fechado- aletas Coletores Solares Coletor solar plano fechado- aletas Coletores Solares Coletor solar plano fechado- materiais aletas Influência dos parâmetros de projeto - coletor solar tipo A Coletores Solares Vidros – Efeito Estufa • Ter uma boa transparência ( perto de 90%) • Provocar o efeito estufa e reduzir as perdas por convecção,. • Assegurar a estanqueidade do coletor à água e ao ar. • Devem resistir à pressão do vento, ao peso do gelo, da neve e aos choques térmicos, quando aplicável. Coletores Solares Vidros – Tipos Coletores Solares Vidros – Tipos Coletores Solares Vidros – tratamentos especiais As coberturas de vidro normalmente utilizadas refletem cerca de 4% da radiação em ambos os lados da superfície do vidro. Coletores Solares Coletor solar plano fechado- tintas Coletores Solares Vidros e manutenção do SAS A lavagem dos vidros é uma das principais manutenções de um sistema de aquecimento solar Coletores Solares Isolantes térmicos Isolamentos térmicos são compostos por materiais de baixa condutividade térmica que podem ser combinados entre si para que se atinja uma condutividade térmica do conjunto ainda menor (a) Poliuretano Material Lã de vidro Lã de rocha Espuma rígida de poliuretano (b) Lã de vidro (c) Lã de rocha Condutividade Térmica (W / m K) 0,038 0,040 0,026 Coletores Solares Isolantes térmicos Coletores Solares Tipos quanto à geometria (a) Verticais (b) Horizontais Coletores Solares Coletor solar plano aberto Coletores Solares Coletor solar plano aberto Coletores Solares Coletor solar de tubos de vácuo CPC Coletores Solares Coletor solar evacuados- tubos de calor Reservatórios Térmicos O armazenamento de energia captada, quando necessário, em função da não simultaneidade entre consumo e disponibilidade de energia solar, é feito através do armazenamento de água em reservatório(s) apropriado(s) e se manifesta pela elevação da temperatura da água armazenada Reservatórios Térmicos Pré requisitos Os reservatórios térmicos devem ser conforme ABNT NBR 10185 Os sistemas de armazenamento devem ser capazes de operar nas faixas de pressão, temperatura e demais condições especificadas em projeto, incluindo resistência de exposição direta à radiação solar (se aplicável) Reservatórios Térmicos Pré requisitos Os reservatórios térmicos podem ser fabricados com materiais naometalicos Reservatórios Térmicos Classificações (a) horizontais (b) verticais A Indústria Brasileira e o Programa Brasileiro de Etiquetagem A Indústria Brasileira PBE- Programa Brasileiro de Etiquetagem completa 10 anos em 2008 250 produtos etiquetados Possui um dos 6 simuladores solares no mundo http://www.green.pucminas.br A Indústria Brasileira Soletrol Ind. e Com. Ltda. Colet or Sola r SO LE TROL Ind ust ria l Plu s http://www.inmetro.gov.br/consumidor/tabelas.asp A Indústria Brasileira 140 fabricantes 2500 revendedores e distribuidores tecnologia nacional 500 mil metros quadrados por ano ( 1/3 da capacidade) Isenção de IPI e ICMS até Dezembro 2008 A Indústria Brasileira Cadeia de fornecimento: distribuidores, representantes, revendedores, instaladoras e projetistas. Meta: cadeia de 400 revendas em 2008. 2007- 60 empresas qualificadas http://www.inmetro.gov.br/consumidor/pbeQualisol.asp Princípios de Funcionamento Eficiência com economia O sistema de aquecimento solar (SAS) O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Circulação natural ou por termossifão circulação de água no sistema de aquecimento solar devido ao fenômeno de termossifão, que consiste na movimentação de um fluido cuja força motriz tem origem na diferença de densidade decorrente da variação de sua temperatura Circulação forçada circulação de água no sistema de aquecimento solar devido predominantemente à imposição externa de pressão no circuito hidráulico (por exemplo, através de uma motobomba) O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão SUSPIRO ENTRADA ÁGU A FR IA SIFÃO CONSUMO DRENO O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão P=dens×g×h Onde: P: é a pressão manométrica estática em pascals dens: é a densidade do fluido em kg/m3 g: é a aceleração da gravidade (aproximadamente 9,8 m/s2) h: é altura da coluna em metros. O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão 1000 3 densidade (kg/m ) 995 990 985 980 975 970 965 960 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento – Termossifão Tipo Torre O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento – Termossifão Tipo Nivel O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão Acoplado: sistema em que o dispositivo de armazenamento termina com o coletor e está montado sobre uma estrutura de suporte comum; O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão Acoplado: sistema em que o dispositivo de armazenamento termina com o coletor e está montado sobre uma estrutura de suporte comum; O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão Acoplado: sistema em que o dispositivo de armazenamento termina com o coletor e está montado sobre uma estrutura de suporte comum; O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Integrado: sistema em que as funções de coleta e armazenamento de energia solar são realizadas dentro do mesmo dispositivo. O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão – Perda de Carga Normalmente usa-se tubos de 22 mm (3/4") em instalações de até 8 m2 e 28 mm para instalações acima disso, até um limite de 12 m 2. O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão – Perda de Carga Um sistema ainda terá fluxo de água mesmo que a perda de pressão (perda de carga) na tubulação seja alta. Se a diferença de temperatura na entrada e na saída do coletor for 35oC ou maior, pode-se concluir que existe um problema de circulação no sistema. Um sintoma desse tipo de problema é um sistema que, ao final do dia, sem que a água tenha sido usada durante o período, apresenta uma pequena quantidade de água muito quente no topo do RT enquanto o resto é água fria. O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão – Perda de Carga ( coletores 2 x 1) O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão – Perda de Carga Lista de materiais - cobre Item Desc. Tubo 22mm Cotovelo 90º 22mm Curva 45º 22mm Tê 22mm Qtde 8,7m 2 2 1 Comprimento real: Alimentação: 5,2m Retorno: 3,5m Comprimento equivalente: 2 cotovelos 90º = 2 x 1,2m = 2,4m 2 curvas 45º = 2 x 0,5 = 1m 1 tê passagem lateral = 2,4m Comprimento Total = 15,3m O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão – Sifão e pontos de acumulos de ar Ponto de formação de bolhas de ar O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão – Sifão e pontos de acumulos de ar Sifão não prejudicial ao escoamento O sistema de aquecimento solar ( SAS) Interligações Hidráulicas O sistema de aquecimento solar ( SAS) Transferência de Calor O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento - Forçada O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento - Forçada O sistema de aquecimento solar ( SAS) Transferencia de calor O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento - Forçada presilha presilha coletor solar reservatório térmico sensor frio sensor quente retorno para o reservatório saída para os coletores O sistema de aquecimento solar de piscinas Princípios de Funcionamento - Forçada Casos de Sucesso O mercado brasileiro de aquecedores solares por setor Aplicações X Temperatura Aplicações e tecnologias apropriadas para usos finais a diferentes temperaturas: Geração de energia elétrica Aquecimento para processos industriais Refrigeração solar Pré-aquecimento para processos industriais; Aquecimento para calefação Aquecimento de água para fins sanitários Secagem e ventilação solar Aquecimento solar de piscinas Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar - integração Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar - integração Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar de interesse social Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar de interesse social Light Rio: Retiro dos Artistas e Formoso CEMIG: São João Del Rei e Betim Casos de Sucesso Setor residencial multifamiliar Casos de Sucesso Setor residencial multifamiliar Casos de Sucesso Setor residencial multifamiliar Casos de Sucesso Setor residencial multifamiliar Casos de Sucesso Setor residencial multifamiliar Casos de Sucesso Setor residencial multifamiliar Casos de Sucesso Setor hoteleiro Casos de Sucesso Setor comercial SENAC- Santo Amaro-SP 6000 litros Casos de Sucesso Setor industrial Natura 35.000 litros a 60oC 574 m2 de coletores Casos de Sucesso Setor industrial REDUCPetrobrás 39.3000 litros a 60oC 652 m2 de coletores Casos de Sucesso Setor industrial Casos de Sucesso Setor industrial Setor Industrial Setor Industrial Setor Industrial Contank- Espanha 40.000 litros por dia 510 m2 de coletores solares Uma instalação solar térmica de 360 kW para um processo de lavagem industrial Setor Industrial Grupo Bimbo: México 7500 litros por dia 144 m2 de coletores solares Água quente para limpeza e para processo industrial denominado “ chaquetas”; Setor Industrial NASR Farmacêutica: Egito 1900 m2 coletores parabólicos 1,33 t/hr Casos de Sucesso Aquecimento solar de piscinas Alphaville Tênis Clube 650 m2 de coletores Casos de Sucesso APCEF - Associação do Pessoal da Caixa Econômica Federal Belo Horizonte - MG Área da piscina: 325m² Área coletora: 271,44m² Casos de Sucesso Esporte Clube Sírio Belo Horizonte - MG Área da piscina: 325m² Área coletora: 324,72m² Casos de Sucesso Palácio da Alvorada Brasília - DF Área da piscina: 900m² Área coletora: 814m² Casos de Sucesso Minas Tênis Clube - Unidade II Belo Horizonte - MG Área da piscina: 1500m² Área coletora: 930m² Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Hamburg Bramfeld Alemanha Coletores Solares 3,000m² Tipo de Instalação Aquecimento de água e calefação com armazenamento em reservatório enterrado com capacidade de 4500m3 Desempenho Armazenamento sazonal com 50% de fração solar Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Hamburg Bramfeld Alemanha Coletores Solares 3,000m² Tipo de Instalação Aquecimento de água e calefação com armazenamento em reservatório enterrado com capacidade de 4500m3 Desempenho Armazenamento sazonal com 50% de fração solar Coletores Solares Integração Arquitetônica Coletores Solares 75m² coletores solares tipo fachada. Tipo de Instalação Aquecimento de 3.000 litros de água por dia Fração Solar 30 % Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Esslingen Obra Complexo residencial com60 apartamentos Coletores Solares 128 m2 (2001) + 154 m2 (2002) Tipo de Instalação Aquecimento de àgua Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Esslingen Obra Complexo residencial com60 apartamentos Coletores Solares 128 m2 (2001) + 154 m2 (2002) Tipo de Instalação Aquecimento de àgua Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Freiburg Obra Complexo residencial (600 moradores) Coletores Solares 228 m2 Redução de CO2 39 ton por ano Fração Solar 48% Coletores Solares Integração Arquitetônica Coletores Solares Integração Arquitetônica Área instalada 63 m2 Local França Coletores Solares Integração Arquitetônica Área instalada 90 m2 Local Áustria Coletores Solares Integração Arquitetônica αs Preta: 0.94 Azul: 0.83 Vermelha: 0.75 Cinza: 0.27 Verde: 0.81 Cor Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Áustria Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Áustria Coletores Solares Integração Arquitetônica Coletores Solares Integração Arquitetônica Coletores Solares Integração Arquitetônica 630 m2 de coletores solares Solar + Biomassa Coletores Solares Aquecimento Distrital Coletores Solares Aquecimento Distrital Benefícios e Impactos Porque os aquecedores solares ? Aquecimento de água O chuveiro elétrico Número de chuveiros por residência 1,4 1,2 1,04 1,10 1 ,17 1,0 0,91 0,8 0,55 0,6 0,4 0,2 0,02 0,0 N NE CO SE S ~27 milhões de chuveiros instalados (2005) Brasil O aquecimento de água 24% Setor Residencial 25% Aquecimento de água 8% Energia do Brasil Aquecimento de Água Residencial (PPH – Procel / Eletrobras 2005) 78% Aquecedor Elétrico (99,7 % Chuveiro Elétrico) 6% Gás 14% Não utilizam O aquecimento de água Entre 18 a 25% da demanda máxima de potência do sistema elétrico Data: 23/11/2006 - Fonte: ONS Fonte: PROCEL (PPH 2005) O aquecimento de água Deficit Habitacional X Infra Estrutura Elétrica 7,9 milhões de residências 7,9 milhões de aquecedores solares O Brasil economizaria uma usina de 6.950 MW Que Custaria 20 Bilhões de Reais; Deixaria de Alagar 884.800.000 m2 Evitando a emissão anual de 1.300.000 de toneladas de CO2 O aquecimento de água C OM AQUECIMENTO SOLAR Consumo de E nergia : 81 kW h/mês Redu ção Co nsumo Energia : 44% Tarifa de Ener gia: R$ 0,344 18 Taxa il uminaç ão púb lica: R$ 3,63 Capacidade E merge ncial: R$ 1,32 Custo médio total : R$ 32,08/mê s Aument o renda familiar: R$ 51,43/mês Consumo de Energia: 145 kWh/mês O aquecimento de água geraçã gera ção o Sistema complexo Sistema Simples transmissã transmiss ão Aquecedor solar distribuiçã distribui ção o kWe chuveiro elé el étrico Chuveiro ou ducha calor Água Água aquecida aquecida energia solar O Panorama do Setor Um mercado que cresce em todo o mundo Mercado Mundial Aquecedores solares – tecnologia mundial 45 países 159 milhões de m2 de coletores solares instalados: 110 GWth de potência nominal térmica instalada; Produção de 66.406 GWh de energia; Redução da emissão de 29,3 milhões de toneladas de CO2. Mercado Mundial Aquecedores solares – tecnologia mundial Área Coletora Área Coletora Paises m2 Paises m2 China 75.000.000 Canada 723.124 Estados Unidos 29.141.546 Holanda 620.400 Turq uia 9.000.000 Italia 533.000 Alemanha 7.401.000 Dinamarca 350.240 Japao 6.999.449 Portugal 285.800 Australia 5.150.000 Suecia 278.825 Israel 4.800.000 Reino Unido 201.160 Grecia 3.047.200 Tunisia 143.000 Austria 3.008.612 Polonia 122.740 Brasil 2.700.468 Belgica 101.783 Tai wan 1.425.700 Nov a Zelandia 93.950 India 1.250.000 Barbados 77.232 França 913.868 Rep Thceca 65.550 Espanha 796.951 Hungria 37.700 Chipre 784.000 Albania 32.680 Af rica do Sul 781.500 Noruega 13.500 Mexico 728.644 Finlandia 10.380 Área de coletores instalada nos diferentes países do mundo Mercado Mundial Aquecedores solares – tecnologia mundial Potência Solar Per Capita Potência Solar Per Capita Paises KWth por 1000 Habitantes Paises KWth por 1000 Habitantes Chipre 657,00 Suécia 17,63 Israel 498,00 Nov aZelândia 15,92 Austria 205,36 Holanda 13,21 Barbados 200,49 Espanha 12,95 Grécia 191,82 Brasil 10,14 Turq uia 86,07 Tunisia 9,91 Australia 59,15 França 9,24 Alemanha 56,30 Eslov aquia 8,32 Dinamarca 42,32 Albania 7,31 Tai wan 41,58 Italia 6,23 China 39,90 Estados Unidos 5,21 Japao 38,25 Macedo nia 5,16 Eslov enia 37,83 Belgica 4,60 Suiça 35,60 Republica Tcheca 4,49 Malta 33,71 Af rica do Sul 3,54 Luxemburgo 20,17 Hungria 2,42 Portugal 19,06 Reino Unido 2,36 Potência de aquecedores solares Per Capita em diferentes países O mercado brasileiro de aquecedores solares Faturamento de 300 milhões em 2007 Economia de Energia e Potência Somente no ano de 2007, foram economizados no Brasil com o aquecimento solar cerca de 620 GWh , energia suficiente para abastecer 350.000 residências brasileiras consumindo cerca de 145 kWh por mês. Além das economias diretas obtidas pelos consumidores, os impactos econômicos podem ser extrapolados para todo o país. O aquecimento solar já economizou para o Brasil e seus cidadãos 1,94 bilhão de reais, recursos equivalentes e bem conservadores, necessários à construção de uma usina hidrelétrica de 645 MW. Penetração Os quase 730.000 domicílios brasileiros que já usam o aquecedor solar representam, entretanto, apenas 1,48% de todos os domicílios do país Para entendermos o potencial do aquecimento solar no Brasil basta dizer que somente 1,48 % de todas as casas possuem a tecnologia. Em Israel, onde o aquecimento solar é item obrigatório em todas edificações do país, em 20 anos, 90% das residências se converteram para o aquecedor solar. Se tomarmos este numero como referência, certamente um número ambicioso (mas necessário), até 2030 o Brasil teria uma quantidade de coletores solares para aquecimento de água equivalente a um parque de usinas de 40.000 MW, ou seja, o equivalente a 30 usinas nucleares como Angra, 300 três Marias ou ainda 3 Itaipus.