UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais. Rafael Celuppi

Transcrição

1 UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais Rafael Celuppi PRÉ-AQUECIMENTO DE ÁGUA EM CALDEIRAS INDUSTRIAIS USANDO ENERGIA SOLAR Chapecó SC, 2012

2 UNIVERSIDADE COMUNITÁRIA DA REGIÃO DE CHAPECÓ Programa de Pós-Graduação em Ciências Ambientais PRÉ-AQUECIMENTO DE ÁGUA EM CALDEIRAS INDUSTRIAIS USANDO ENERGIA SOLAR Rafael Celuppi Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação da Universidade Comunitária da Região de Chapecó, como parte dos prérequisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências Ambientais. Orientador: Prof. Dr. Jacir Dal Magro Prof. Dr. Jaime H. P. Revello Chapecó SC, Setembro, 2012

3 i

4 ii

5 iii RESUMO CELUPPI, Rafael. Pré-aquecimento de água em caldeiras industriais com energia solar. Dissertação (Mestrado). Universidade Comunitária da Região de Chapecó, O consumo de energia no mundo vem crescendo a cada ano, e a utilização de fontes energéticas não renováveis representa a maior parte da matriz energética mundial. Dentre os consumidores dessa demanda de energia, 27,32% vem da indústria. Sendo grande parte dos problemas ambientais causados pela utilização da matriz energética a partir de recursos não renováveis, com sua provável escassez, pretende-se neste estudo desenvolver um modelo de pré-aquecimento de água para caldeiras a partir da energia solar. Para realização do experimento foram empregados quatro coletores solares tubular AP 30 em série, com monitoramento da temperatura na entrada e saída de cada coletor. Os resultados obtidos foram bastante satisfatórios, chegando a uma temperatura máxima para água na saída de coletor solar de 97,9ºC. A eficiência média obtida nos coletores foi de 65% nos ensaios experimentais, para temperatura reduzida inferior a 0,04 m 2.K/W. Com relação a viabilidade financeira, foi utilizado o cálculo do payback, que resultou em 4, 7 e 5 anos, para os respectivos combustíveis, lenha, GLP e energia elétrica. Fez-se a quantificação dos gases do efeito estufa que deixariam de serem enviados para a atmosfera, se fosse implantado o préaquecimento solar nas caldeiras a lenha e a GLP, obtendo valores de e 356 Kg de CO 2 por m² de solar instalado em um ano. Palavras-chave: Coletor solar, aquecimento de água, viabilidade econômica.

6 iv LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 Avaliação da concentração global de CO 2 em ppm entre 1854 até 2000, conforme IPCC, Figura 2.2 Participação das fontes na oferta total de energia primária: mundo, Fonte: IEA, Figura 2.3 Consumo mundial de energia por setor, correspondente ao ano Fonte: IEA, Figura 2.4 Matriz energética brasileira, Pereira et al., Figura 2.5 Radiação solar global diária no Brasil - média anual típica (MJ/m².dia). Fonte: ATLAS Solarímétrico do Brasil (adaptado) Figura 2.6 Tubo a vácuo. Fonte: APRICUS (2009) Figura 2.7 Esquema da troca de calor no tubo coletor. Fonte: APRICUS (2009) Figura 2.8 Consumo energético por segmento industrial em Fonte: EPE Figura 2.9 Participação da área instalada de coletores solares por setor econômico, conforme Ferro, Figura 3.1 Foto dos coletores instalados para o experimento Figura Esquema representativo do experimento realizado com os coletores solares tubulares e acessórios Figura 3.3 Esquema representativo do processo implantado a nível industrial Figura 3.4 Estação meteorológica de Xanxerê-SC, INMET Figura 4.1 Gráficos das temperaturas ao longo de um dia de testes no período de verão Figura 4.2 Gráficos das temperaturas ao longo de um dia de testes durante o período de inverno Figura 4.3 Relação da eficiência com a temperatura reduzida de vários experimentos Figura 4.4 Relação da eficiência com a temperatura de entrada no coletor solar

7 v INDICE DE TABELAS Tabela 4.1 Dados referentes às temperaturas de entrada e de saída do coletor solar apresentado na Figura Tabela 4.2 Eficiência obtida nos coletores solares Tabela 4.3 Dados para a temperatura reduzida calculada Tabela 4.4 Comparativo entre 3 combustíveis diferentes Tabela 4.5 Custo de implantação de um sistema de aquecimento solar Tabela 4.6 Custos totais anuais para os 3 combustíveis Tabela 4.7 Payback para o combustível lenha Tabela 4.8 Payback para o combustível GLP Tabela 4.9 Payback para o combustível energia elétrica Tabela 4.10 Composição média da madeira em base seca Tabela 4.11 Quantidade de CO 2 deixado de ser gerado... 42

8 vi SUMÁRIO RESUMO... iii LISTA DE FIGURAS... iv Indice DE tabelas... v 1 Introdução Revisão Bibliográfica A problemática ambiental e social Matriz energética mundial Matriz energética brasileira Energia Solar Coletores Solares Coletores de aquecimento solar tubos à vácuo Energia na indústria Aquecimento solar na indústria Viabilidade econômica na utilização de energia solar em indústrias Materiais e Métodos Implantação do coletor fototérmico Representação do modelo final implementado no projeto Medição da radiação solar e comparação com os resultados do desempenho do sistema Métodos de análise Descrição da área de estudo Determinação do potencial energético solar de Chapecó Comparação do potencial energético do coletor e do potencial energético solar regional Avaliação econômica Prazo de retorno do investimento (Payback) Valor presente líquido (VPL) Resultados e discussões Conclusões Referências... 44

9 7 Anexo vii

10 1 1 INTRODUÇÃO A preocupação com os recursos naturais, com o meio ambiente, bem como com o aumento da lucratividade das empresas tem incentivado o estudo de novas técnicas, usando-se fontes energéticas renováveis e com menor geração de poluentes, que possam oferecer ganhos na produtividade e na redução dos custos do processo. Dentre as fontes de energias alternativas está a energia solar, que atualmente vem sendo muito usada no aquecimento de águas residenciais, mostrando-se uma alternativa bastante econômica em relação ao uso da energia elétrica e ao gás natural (MARTINS; PEREIRA; ECHER, 2004; GOLDEMBERG; LUCON, 2007). Para um melhor aproveitamento das técnicas de aquecimento já difundidas, usando-se energia solar, é necessário conhecer todas as variáveis independentes que influenciam o sistema e estabelecer a forma de controle de cada uma delas, visando a otimização do mesmo. O conhecimento dos valores ótimos das variáveis controladas, irão levar aos melhores resultados em relação a taxa de aquecimento, e valores de lucratividade obtidos no processo. É conveniente salientar que a energia obtida na maior parte dos países do mundo é obtida de termoelétricas, através da queima de óleos combustíveis, derivados do petróleo, e de centrais hidroelétricas, na qual a energia potencial de um fluído é transformada em trabalho, e este por sua vez em energia elétrica. Processos de geração de energia através da queima de óleos e derivados de petróleo, carvão mineral, lenha e gás natural, além de liberar altas cargas de poluentes atmosféricos, contribuem para o aquecimento global do planeta, gerando altas quantidades de dióxido e monóxido de carbono, e outros gases poluentes (MENDES; RODRIGUES FILHO, 2012). A energia gerada a partir de plantas hidroelétricas também ocasiona um grande impacto ambiental. A água represada gera um acúmulo de lodos em alguns pontos do reservatório, ocasionando-se uma alta produção e uma posterior liberação de gás metano para o meio ambiente. Neste processo são extintas espécies animais e vegetais presentes, que são necessárias no perfeito funcionamento do ecossistema (BERMANN, 2007). O aquecimento global emerge como um dos principais problemas ambientais devido à utilização de combustíveis fósseis, que levam à acumulação na atmosfera de gases causadores do efeito estufa. O desafio de mitigar os riscos iminentes advindos das mudanças climáticas abrange não apenas os governos, como também a sociedade civil e as empresas. Diversas iniciativas internacionais estão sendo desenvolvidas e vem sendo implementadas para

11 2 estabilizar e, até mesmo reduzir a concentração de gases geradores do efeito estufa na atmosfera. Neste projeto de mestrado é justificado o uso da energia solar como fonte de préaquecimento da água usada nas caldeiras, para a produção de vapor, sendo reduzido em grande parte a massa de material combustível a ser queimada na caldeira. No estudo são realizados diversos experimentos, nos quais são identificados os principais parâmetros relevantes do problema, assim como as principais respostas do processo. É interessante salientar que na obtenção da energia necessária nos processos convencionais da indústria, são queimadas diariamente altas quantidades de lenha e de outros materiais combustíveis, que dão origem a grandes quantidades de dióxido de carbono e monóxido de carbono, no caso de uma combustão incompleta. Devido a isto o pré-aquecimento da água usada em caldeiras através do uso de coletor tubular solar é bastante atrativo, tendo-se uma redução significativa do combustível principal e, portanto dos gases que resultam do processo de combustão, que contribuem no aumento do efeito estufa e, uma redução nos custos do processo. A instalação e uso de coletores solares do tipo tubular ao nível industrial é bastante simples. Esta característica faz com que o uso da energia solar se torne bastante atrativo nos diversos processos industriais que exigem aquecimento de fluidos. Além dos ensaios de transferência de calor, realizados com o coletor solar tubular é realizado também neste projeto de mestrado um estudo de viabilidade econômica, sendo calculados o tempo e a taxa de retorno do investimento. Este trabalho está dividido em quatro capítulos, conforme descrito a seguir: CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA: Na seção 2.1 é feita uma abordagem da problemática ambiental e social, seguido da seção 2.2, onde é feita uma breve revisão da matriz energética mundial e, da seção 2.3 onde é analisada a matriz energética brasileira. No estudo é amplamente explorado o uso de energia solar, seção 2.4; dos coletores solares, seção 2.5; do coletor de aquecimento solar tubular a vácuo, seção 2.6; do uso da energia na indústria, seção 2.7; do aquecimento solar na indústria, seção 2.8; e na parte final são abordados os principais conceitos para a realização de uma analise de viabilidade econômica, seção 2.9. CAPÍTULO 3 MATERIAIS E MÉTODOS: Neste capítulo é apresentada a metodologia de trabalho adotada para a realização das diversas atividades, junto com uma explicação detalhada do coletor solar tubular empregado. No capítulo também é realizada uma descrição do local de trabalho em termos das coordenadas de localização.

12 3 CAPÍTULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO: Neste capítulo, são apresentados os resultados obtidos de acordo com a metodologia proposta no CAPÍTULO 3, acompanhados de uma discussão detalhada. É feita também uma analise econômica do uso da energia solar na indústria, usando-se o coletor solar tubular e, uma breve comparação com o uso de três formas convencionais de energia usadas no aquecimento de água para caldeiras. CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES E SUGESTÕES: São apresentadas, neste capítulo, as principais conclusões obtidas neste trabalho, bem como algumas sugestões para o desenvolvimento de trabalhos futuros.

13 4 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 A problemática ambiental e social As civilizações do século XX desenvolveram-se com base no consumo de energias de fontes fósseis, tais como carvão, gás natural e petróleo, que representam mais de 75% da energia consumida no mundo. Porém, nas últimas décadas esse consumo tem-se intensificado, causando um desequilíbrio no meio ambiente, pois na queima desses combustíveis são liberados uma quantidade significativa de gases, que contribuem diretamente para o aumento do efeito estufa (GOERCK, 2008 apud BOYLE, 2004). Noorgard (1989) reconhece que existem estudiosos que acreditam em um futuro de crescente e ilimitada prosperidade, com base na ciência, na tecnologia e na organização social que possam garantir ou suprir recursos escassos, e aqueles que, com base científica se preocupam com a fragilidade dos sistemas socioambientais, com os altos índices de crescimento da produção e da população bem como com a ocorrência de efeitos indesejáveis de todo este processo e tentam conservar os recursos naturais, em especial os não renováveis, por meio de práticas sustentáveis no campo e nas cidades. A cada ano são despejados cerca de 8 à 9 bilhões de toneladas de carbono na atmosfera, provenientes da queima de combustíveis fósseis, produção de cimento e pelo desmatamento de florestas tropicais. Deste total, cerca 3,2 bilhões de toneladas permanecem na atmosfera, sendo o resto reabsorvido pelos oceanos e pelas plantas. O carbono excedente presente na atmosfera contribui para o aquecimento do planeta e impede que a radiação vinda do sol seja refletida para o espaço, causando o fenômeno denominado de efeito estufa (IPCC, 2008). Segundo Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas IPCC (2008), a concentração de CO 2 (dióxido de carbono) no planeta terra, tem aumentado consideravelmente nos últimos 150 anos. Na Figura 2.1 é mostrada a avaliação da concentração do CO 2 em relação ao tempo. O comportamento que apresenta uma tendência exponencial, esta associado à inúmeros fatores, sendo um dos mais significativos o aumento considerável no número de indústrias nas últimas décadas. As análises sistemáticas do IPCC mostram que o aquecimento global observado nos últimos 50 anos pode ser explicado principalmente pelas diversas atividades nas quais participa o homem, gerando gases que provocam o efeito estufa (IPCC, 2008).

14 5 Figura 2.1 Avaliação da concentração global de CO 2 em ppm entre 1854 até 2000, conforme IPCC, Matriz energética mundial De forma global, o consumo de energia em nosso planeta está aumentando gradativamente, devido ao aumento populacional e, ao crescimento tecnológico associado com o aumento no número de indústrias. O consumo de energia utilizada pela humanidade até o século XIX era proveniente basicamente da queima de materiais como: lenha, carvão e resíduos agrícolas. Porém ao longo dos anos ocorreu uma mudança radical neste cenário, devido a Revolução Industrial. Sendo que do século XX até meados da década de 1970, o carvão mineral passou a ser a principal fonte energética. Nos últimos 40 anos, o petróleo assumiu a liderança, passando a ser uma das fontes energéticas mais importantes para a manutenção das necessidades energéticas mundiais (FANTINELLI, 2006 apud MME-EPE- BEN, 2005; IEA, 2004). De acordo com a CNI (2007), os principais insumos energéticos usados pela indústria no mundo são; o petróleo, o gás natural e o carvão. Esses insumos têm apresentado elevadas taxas de crescimento do consumo, devido, principalmente, ao grande desempenho das economias emergentes, lideradas pela China e pela Índia. O crescimento acelerado da demanda, aliado à instabilidade política nas regiões produtoras de petróleo e gás natural, e às pressões pela redução das emissões dos gases causadores do efeito estufa, traz preocupações sobre a disponibilidade da oferta de energia e seu impacto nos preços. Esse panorama energético mundial torna-se ainda mais preocupante quando se verifica que apenas dez países concentram 85% das reservas mundiais de petróleo e a maioria desses países situam-se em regiões de turbulências geopolíticas. Em relação ao gás natural, 58% das

15 6 reservas mundiais estão concentradas em apenas três países: Rússia, Catar e Irã, ocasionado à tendência de comoditização do produto, o que faz com que o preço do gás se equipare ao do petróleo. Enquanto o carvão é responsável por aproximadamente 25% do consumo mundial de energia, e possui suas reservas localizadas em apenas quatro países: Rússia, Estados Unidos, China e Índia (CNI, 2007). Nas últimas décadas tem aumentado a utilização de combustíveis fósseis que foram formados e acumulados ao longo dos últimos 4,0 bilhões de anos. Para ilustrar o nível desta intensa utilização atual, a International Energy Agency - IEA (2011) mostra através da Figura 2.2, a porcentagem de participação das principais fontes de energia na matriz energética mundial. 5,8% -Nuclear 2,3% -Hidro 0,8% -Outras renováveis 10,2% - Bioenergia 32,8% -Petróleo 20,9% -Gás natural 27,2% -Carvão mineral Figura 2.2 Participação das fontes na oferta total de energia primária: mundo, Fonte: IEA, Com a matriz energética sustentada pelas fontes visualizadas na Figura 2.2, o relatório com ano base 2009, estima que foram produzidas milhões de toneladas de CO 2 em todo o mundo (IEA, 2011). Devido à necessidade de aumento do uso energético para suprir o modelo de desenvolvimento atual, nota-se que os sistemas energéticos estão ocasionando modificações nas condições de vida, algumas modificações já podem ser observadas e outras ainda são desconhecidas pelo homem. Segundo a IEA (2011), comparando-se a matriz energética por setor, é possível visualizar que as indústrias são uma das maiores consumidoras de energia no mundo, conforme Figura 2.3.

16 7 8,94% -Uso não energético 27,32% - Indústria 36,40% -Outros 27,35% - Transporte Figura 2.3 Consumo mundial de energia por setor, correspondente ao ano Fonte: IEA, Neste novo momento da sociedade, que busca a utilização de fontes de energias renováveis, aumenta-se a importância do estudo na determinação de fontes de energias alternativas baratas, renováveis e de baixo impacto ambiental. As fontes de energias renováveis vêm conquistando um espaço importante na matriz energética mundial, pois estão conciliando a geração de riquezas com a redução da degradação do meio ambiente e, diminuição consequentemente das emissões de gases poluentes (AITA, 2006). De acordo com Hinrichs e Kleinbach (2003), as fontes renováveis de energia fornecem aproximadamente 9% da energia mundial, podendo chegar próximo de 22%, se incluída a energia a partir da biomassa. Os autores acreditam que as fontes renováveis possam aumentar sua participação de 30 à 40% até 2050, diante das preocupações e políticas públicas voltadas para as questões ambientais. 2.3 Matriz energética brasileira A matriz energética brasileira tem apresentado perspectivas energéticas excepcionais comparadas as da matriz energética mundial. A participação de fontes renováveis na matriz energética mundial é de 14%, e no Brasil, este percentual é de 45%. Sendo ainda possível manter a participação das fontes tradicionais, ionais, como o caso da hidroeletricidade, e aumentar a participação de novas fontes renováveis, tais como, a energia solar e a energia eólica (CNI, 2007). No Brasil, grande parte dos recursos energéticos tem a origem nas hidroelétricas e por se apoiarem em um recurso renovável não produzem externalidades negativas, porém Bergmann (2007) defende que os empreendimentos hidroelétricos têm-se revelado

17 insustentáveis, tanto no âmbito nacional como internacional. Dentre os principais problemas socioambientais em usinas hidrelétricas, ele destaca: Alteração do regime hidrológico, comprometendo as atividades a jusante do reservatório; Comprometimento da qualidade das águas, em razão do caráter lêntico do reservatório, dificultando a decomposição de rejeitos, provocando o acúmulo de lodos, e consequentemente produzindo-se uma eutrofização acelerada; Dificuldades para assegurar o uso múltiplo das águas, em razão do caráter histórico de priorização da conversão hidroelétrica em detrimento dos outros usos, como irrigação, transporte, piscicultura, etc; Irregularidades na valoração e no processo de desapropriação dessas terras; A vida útil dos reservatórios é considerada curta pelo impacto ambiental causado. Na Figura 2.4 é notório que a estrutura da energia utilizada no Brasil ainda depende da queima de combustíveis fósseis, porém com relação às energias renováveis, a matriz energética brasileira vem apresentando vantagem ambiental significativa em relação à matriz energética mundial. O Brasil já possui uma matriz energética diferenciada dos demais países emergentes. Apesar da predominância de fontes renováveis no cenário energético do Brasil, o governo brasileiro tem defendido internacionalmente, o aumento de novas fontes renováveis nas matrizes energéticas de todos os países, de forma que os impactos futuros ao meio ambiente sejam diminuídos (COSTA, PRATES, 2005). Projeta-se que a partir do ano de 2020, assim que a tecnologia de geração através de fonte eólica e solar apresentar maior maturidade e menor custo torna-se imprescindível a inclusão delas na matriz energética brasileira com uma boa participação (BRONZATTI; NETO, 2008). O Brasil é um país privilegiado em termos de radiação solar e da alta velocidade dos ventos em algumas regiões. Devido a isto é necessário, portanto explorar um pouco mais a geração de energia solar, bem como as regiões do Brasil na qual se tem as maiores velocidades dos ventos para a geração de energia eólica. O Plano Nacional de Energia 2030 reproduz dados do Atlas Solarimétrico do Brasil e registra que essa radiação varia de 8 a 22 MJ/m² durante o dia, sendo que as menores variações ocorrem nos meses de maio a julho, variando de 8 a 18 MJ/m². Além disso, o Nordeste possui irradiação comparável às melhores regiões do mundo nessa variável, como a cidade de Dongola, no deserto do Sudão, e a região de Dagget, no Deserto de Mojave, Califórnia. (SALAMONI, 2009, p. 43). 8

18 9 13,2% -Etanol 13,1% -Outros biomassa 14,5% -Hidro 1,5% -Nuclear 6,5% -Carvão mineral 8,7% -Gás natural 2,8% -Outros renováveis 39,7% -Petróleo Figura 2.4 Matriz energética brasileira, Pereira et al., Energia Solar De forma objetiva, a Energia Solar é consequência de um processo de fusão nuclear no qual, dois núcleos de hidrogênio se fundem com um de hélio. Esta energia é radiada para o espaço sob forma de ondas eletromagnéticas, contudo uma pequena parte é radiada para o planeta Terra. A Terra ra encontra-se a uma distância do sol de cerca de 143 milhões de quilômetros. É conveniente salientar que num único quarto de hora da energia solar irradiada pelo sol é superior a toda energia utilizada a nível mundial durante um ano (SOUZA, 2010). O sol é a estrela mais próxima da terra e sua estrutura e características determinam a natureza da irradiação de energia no espaço. É constituído basicamente por hidrogênio, possuindo uma temperatura efetiva de corpo negro de aproximadamente 5777K. Emite radiação eletromagnética entre os comprimentos de onda de 0,2 e 25µm, estando à faixa do visível localizada entre 0,38 e 0,78µm. A intensidade da radiação varia com o comprimento de onda e atinge 95% do total da energia solar dentro do intervalo de 0,3 a 2,12µm (LAFAY, 2005). A energia recebida por unidade de tempo, em uma área unitária perpendicular a direção de propagação da radiação, medida na distância média entre o sol e a terra fora da atmosfera, 38 km de altura, é a constate solar e assume o valor de 1373 W/m². (SCHOFFEL, 2010). A radiação que incide num determinado ponto qualquer na superfície da terra é inferior a constante solar, pois ao atravessar a atmosfera parte desta radiação é absorvida e ou refletida pelos constituintes da atmosfera, tais como poeira, vapor d água, ar e aerossóis

19 10 (LAFAY, 2005). A grande maioria das energias utilizadas no planeta é derivada diretamente ou indiretamente da energia solar. É a partir da energia do sol que se dá a evaporação, origem do ciclo das águas, que possibilita o represamento e a consequente geração de eletricidade (hidroeletricidade). A radiação solar também induz a circulação atmosférica em larga escala, causando os ventos. Petróleo, carvão e gás natural foram gerados a partir de resíduos de plantas e animais que, originalmente, obtiveram a energia necessária ao seu desenvolvimento, da radiação solar (ANEEL, 2010). O aproveitamento da energia gerada pelo sol, inesgotável na escala terrestre de tempo, tanto como fonte de calor quanto de luz, é hoje, uma das alternativas energéticas mais promissoras para enfrentar os desafios do novo milênio. O sol fornece anualmente, para a atmosfera terrestre, 1,5x10 18 kwh de energia. Trata-se de um valor considerável, correspondendo a vezes o consumo mundial de energia neste período. Havendo um enorme potencial de utilização por meio de sistemas de captação e conversão em outra forma de energia (térmica, elétrica, etc.) (KALOGIROU, 2004) Este tipo de energia, já se mostrou eficiente em processos de aquecimento de água, pois a água, possui uma capacidade calorífica de 4,184J/g C, porém esta, é quatro vezes maior que a capacidade calorífica do ar, que é de 1,0J/g C, assim, a troca de calor entre o ar e o sistema de aquecimento é muito mais difícil, do que se utilizando um fluido líquido como a água (INCROPERA, 1992). A radiação solar pode ser utilizada diretamente como fonte de energia térmica, para aquecimento de fluidos e ambientes e para geração de potência mecânica ou elétrica, pode ainda ser convertida diretamente em energia elétrica, por meio de efeitos sobre determinados materiais, entre os quais se destacam o termoelétrico e o fotovoltaico. O aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores ou concentradores solares. Entre os vários processos de aproveitamento da energia solar, os mais usados atualmente são o aquecimento de água e a geração fotovoltaica de energia elétrica. No Brasil, o aquecimento de água é mais encontrado nas regiões Sul e Sudeste, devido a características climáticas, e a geração de energia elétrica, nas regiões Norte e Nordeste, em comunidades isoladas da rede de energia elétrica (ANNEL, 2010). Conforme destaca Salomoni (2009), o Brasil é um país privilegiado em termos da radiação solar, pois vale ressaltar que mesmo as regiões com menores índices de radiação apresentam grande potencial de aproveitamento energético (Figura 2.5).

20 11 Figura 2.5 Radiação solar global diária no Brasil - média anual típica (MJ/m².dia). Fonte: ATLAS Solarímétrico do Brasil (adaptado). 2.5 Coletores Solares O avanço tecnológico, quanto ao uso de energia solar, inicialmente ocorreu através de empresas de telecomunicações que necessitavam de energia para estações de transmissão em regiões remotas, e também, a partir da necessidade de energia para uso espacial, pois é a forma mais barata e viável de obtenção de energia para estações espaciais ou satélites (ANEEL, 2010). Segundo Cresesb (2010), o aproveitamento térmico para aquecimento de fluidos é feito com o uso de coletores ou concentradores solares. Os concentradores solares destinamse a aplicações que requerem temperaturas mais elevadas, como a geração de energia elétrica através de placas fotovoltaicas nas regiões norte e nordeste, e produção de vapor. Neste último caso, pode-se gerar energia mecânica com o auxílio de uma turbina a vapor, e posteriormente, eletricidade, por meio de um gerador. Conceitualmente, um coletor solar térmico destina-se a absorver a radiação da luz do sol a fim de fornecer calor, esta classe de sistema de aquecimento solar é amplamente utilizada em muitos países, especialmente com elevada incidência de climas ensolarados, como a Tailândia (LEEPHAKPREEDA, 2010).

21 12 Os coletores solares estão sendo empregados tanto para o aquecimento de ar como de água. Sendo o primeiro utilizado em muitas aplicações comerciais, tais como o fornecimento de ar quente para processos de secagem agrícola e industriais. Para os coletores solares que são usados para aquecimento de água (higiene pessoal e lavagem de utensílios e ambientes), têm-se destacado sua utilização em aplicações residenciais e comerciais (hotéis, restaurantes, clubes, hospitais etc.) (UCAR; INALLI, 2006). A maioria dos coletores solares utilizados tem superfícies planas absorventes com uma ou mais tampas de vidro plano para retardar a perda de calor das superfícies absorventes. Porém, os coletores solares planos convencionais ainda perdem energia térmica significativa para a atmosfera, devido à convecção e condução no espaço aéreo adjacente a superfície de absorção (Mc CONNELL et al. 1984). Quando a radiação incide no coletor, boa parte da mesma atravessa a cobertura, enquanto uma parte menor de energia é refletida, a outra é absorvida pela cobertura. A maior parte da fração que atravessou a cobertura é absorvida pela camada absorvedora, de cor preta e com boa condutividade térmica. Esta emite radiação em uma faixa de comprimento de onda maior que a da radiação incidente, devido à menor temperatura em que se encontra. Para esta faixa de comprimento de onda a cobertura, geralmente vidro, é opaca e não deixa passar a energia radiante. A cobertura então absorve esta energia e emite novamente, causando efeito estufa. A energia absorvida pela placa é removida pelo fluído que escoa no interior dos tubos, que estão em contato térmico com a camada absorvedora. O fluído frequentemente empregado para aquecimento é a água que circula por termossifão até um reservatório térmico, onde a energia será armazenada (LAFAY, 2005). A maior parte do território brasileiro está localizada relativamente próxima da linha do Equador, de forma que não se observam grandes variações na radiação solar durante o dia. Desse modo, para melhorar 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 (ANEEL, 2010). 2.6 Coletores de aquecimento solar tubos à vácuo É sabido que o vácuo é um bom isolante térmico, por não caracterizar um meio condutor, por onde o calor possa se dissipar. Este princípio é levado em consideração na fabricação do coletor solar tubular reduzindo-se as perdas de energia e, facilitando-se