CURSO DE PROJETOS DE SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR

Transcrição

1 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

2 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.

3 Energia Solar Tecnologia e Qualidade Gerando calor, frio e energia elétrica

4 Coletores Solares Tipos de Coletores As aplicações térmicas se dividem em categorias dependentes da temperatura e estas determinam a tecnologia de conversão.

5 Energia Solar

6 Coletores Solares Tipos de Coletores

9 Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Torre Solar Produção de Vapor a alta Pressão (T- 550 a 1500 o C) Mundo: 50 usinas solares térmicas em diferentes estágios de planejamento ou construção

10 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 Concentradores Parabólicos Produção de Vapor (T >400 o C)

11 Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Centrais termoelétricas solares

12 Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Solar Dish Produção de Vapor a alta Pressão (T >1000 o C) Cada prato tem capacidade que varia de 5 a 50 kw.

13 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 hectares Capacidade MW Atendimento: 200 Mil Residências

14 Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Aquecimento de Ar: 50 sistemas instalados, totalizando m 2 em 27 edificações reduzindo a emissão de 2000 toneladas de CO 2 por ano. Fonte: Solarwall

15 Coletores Solares Tecnologia e Aplicaçõesc Aquecimento de Ar Secagem : Secagem de grãos Fonte: Solarwall

16 Coletores Solares Tecnologia e Aplicaçõesc Aquecimento de Ar Secagem : Secagem de grãos

17 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 International

18 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 150 o C

19 Coletores Solares Tecnologia e Aplicações- Dessalinização Solar

20 Placas Solares Tecnologia e Aplicações Sistemas Isolados Solar fotovoltaico (Geração Descentralizada) Eletrificação Rural Iluminação Bombeamento de Água

21 Placas Solares Tecnologia e Aplicações Solar fotovoltaico

22 Placas Solares Tecnologia e Aplicações Conexão à rede

23 Coletores Solares Tecnologia e Aplicações Solar PVT: Fotovoltaico+ Térmico: geração de energia elétrica e calor de ventilação. Fonte: Solarwall International Energy Agency Task 35.

24 Projetando uma Instalação de Aquecimento

25 Normatização Um novo conceito de projeto no Brasil A NBR 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

26 O que é um sistema de aquecimento solar

27 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

28 O sistema de aquecimento solar (SAS) Captação Transferencia Armazenamento Distribuição Controle Aq. Auxiliar

29 Energia Solar Térmica Coletores Solares e Reservatórios Térmicos

30 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.

31 Colectores Solares Tipos de Coletores Dispositivo que absorve a radiação solar incidente, transferindoa para um fluido de trabalho, sob a forma de energia térmica

32 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

33 Coletores Solares Coletor solar plano fechado

34 Coletores Solares Coletor solar plano fechado- aletas + + = 1

35 Coletores Solares Coletor solar plano fechado- aletas

38 Coletores Solares Coletor solar plano fechado- materiais aletas Influência dos parâmetros de projeto - coletor solar tipo A

39 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.

40 Coletores Solares Vidros Tipos

41 Coletores Solares Vidros Tipos

42 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.

43 Coletores Solares Coletor solar plano fechado- tintas

44 Coletores Solares Vidros e manutenção do SAS A lavagem dos vidros é uma das principais manutenções de um sistema de aquecimento solar

45 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 (b) Lã de vidro (c) Lã de rocha Material Lã de vidro Lã de rocha Espuma rígida de poliuretano Condutividade Térmica (W / m K) 0,038 0,040 0,026

46 Coletores Solares Isolantes térmicos

47 Coletores Solares Tipos quanto à geometria (a) Verticais (b) Horizontais

48 Coletores Solares Coletor solar plano aberto

49 Coletores Solares Coletor solar plano aberto

50 Coletores Solares Coletor solar de tubos de vácuo CPC

51 Coletores Solares Coletor solar evacuados- tubos de calor

52 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

53 Reservatórios Térmicos Pré requisitos Os reservatórios térmicos devem ser conforme ABNT NBR 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)

54 Reservatórios Térmicos Pré requisitos Os reservatórios térmicos podem ser fabricados com materiais naometalicos

55 Reservatórios Térmicos Classificações (a) horizontais (b) verticais

56 A Indústria Brasileira e o Programa Brasileiro de Etiquetagem

57 A Indústria Brasileira PBE- Programa Brasileiro de Etiquetagem completa 10 anos em produtos etiquetados Possui um dos 6 simuladores solares no mundo

58 A Indústria Brasileira Soletrol Ind. e Com. Ltda. Coletor Solar SO LETROL Ind ust ria l Plu s

59 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

60 A Indústria Brasileira Cadeia de fornecimento: distribuidores, representantes, revendedores, instaladoras e projetistas. Meta: cadeia de 400 revendas em empresas qualificadas

61 Princípios de Funcionamento Eficiência com economia

62 O sistema de aquecimento solar (SAS)

63 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)

64 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento - Termossifão SUSPIRO ENTRADA ÁGU A FR IA SIFÃO CONSUMO DRENO

65 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.

66 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento - Termossifão densidade (kg/m 3 )

67 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento - Termossifão

71 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão Tipo Torre

72 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento Termossifão Tipo Nivel

73 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;

76 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.

77 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 m 2 e 28 mm para instalações acima disso, até um limite de 12 m 2.

78 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.

79 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão Perda de Carga ( coletores 2 x 1)

80 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão Perda de Carga Lista de materiais - cobre Item Desc. Qtde Tubo 22mm 8,7m Cotovelo 90º 22mm 2 Curva 45º 22mm 2 Tê 22mm 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

81 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão Sifão e pontos de acumulos de ar Ponto de formação de bolhas de ar

82 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Regras importantes no termossifão Sifão e pontos de acumulos de ar Sifão não prejudicial ao escoamento

83 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Interligações Hidráulicas

84 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Transferência de Calor

85 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento - Forçada

86 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento - Forçada

87 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Transferencia de calor

88 O sistema de aquecimento solar ( SAS) Princípios de Funcionamento - Forçada presilha reservatório térmico presilha coletor solar sensor frio sensor quente retorno para o reservatório saída para os coletores

89 O sistema de aquecimento solar de piscinas Princípios de Funcionamento - Forçada

90 Casos de Sucesso

91 O mercado brasileiro de aquecedores solares por setor

92 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

93 Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar

94 Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar - integração

95 Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar - integração

96 Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar de interesse social

97 Casos de Sucesso Setor residencial unifamiliar de interesse social Light Rio: Retiro dos Artistas e Formoso CEMIG: São João Del Rei e Betim

98 Casos de Sucesso Setor residencial multifamiliar

104 Casos de Sucesso Setor hoteleiro

105 Casos de Sucesso Setor comercial SENAC- Santo Amaro-SP 6000 litros

106 Casos de Sucesso Setor industrial Natura litros a 60oC 574 m 2 de coletores

107 Casos de Sucesso Setor industrial REDUC- Petrobrás litros a 60oC 652 m 2 de coletores

108 Casos de Sucesso Setor industrial

109 Casos de Sucesso Setor industrial

110 Setor Industrial

111 Setor Industrial

112 Setor Industrial Contank- Espanha litros por dia 510 m2 de coletores solares Uma instalação solar térmica de 360 kw para um processo de lavagem industrial

113 Setor Industrial Grupo Bimbo: México 7500 litros por dia 144 m2 de coletores solares Água quente para limpeza e para processo industrial denominado chaquetas ;

114 Setor Industrial NASR Farmacêutica: Egito 1900 m2 coletores parabólicos 1,33 t/hr

115 Casos de Sucesso Aquecimento solar de piscinas Alphaville Tênis Clube 650 m 2 de coletores

116 Casos de Sucesso APCEF - Associação do Pessoal da Caixa Econômica Federal Belo Horizonte - MG Área da piscina: 325m² Área coletora: 271,44m²

117 Casos de Sucesso Esporte Clube Sírio Belo Horizonte - MG Área da piscina: 325m² Área coletora: 324,72m²

118 Casos de Sucesso Palácio da Alvorada Brasília - DF Área da piscina: 900m² Área coletora: 814m²

119 Casos de Sucesso Minas Tênis Clube - Unidade II Belo Horizonte - MG Área da piscina: 1500m² Área coletora: 930m²

120 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

121 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

122 Coletores Solares Integração Arquitetônica Coletores Solares 75m² coletores solares tipo fachada. Tipo de Instalação Aquecimento de litros de água por dia Fração Solar 30 %

123 Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Esslingen Obra Complexo residencial com60 apartamentos Coletores Solares 128 m 2 (2001) m 2 (2002) Tipo de Instalação Aquecimento de àgua

124 Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Esslingen Obra Complexo residencial com60 apartamentos Coletores Solares 128 m 2 (2001) m 2 (2002) Tipo de Instalação Aquecimento de àgua

125 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%

126 Coletores Solares Integração Arquitetônica

127 Coletores Solares Integração Arquitetônica Área instalada 63 m 2 Local França

128 Coletores Solares Integração Arquitetônica Área instalada 90 m 2 Local Áustria

129 Coletores Solares Integração Arquitetônica Cor αs Preta: 0.94 Azul: 0.83 Vermelha: 0.75 Cinza: 0.27 Verde: 0.81

130 Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Áustria

131 Coletores Solares Integração Arquitetônica Local Áustria

134 Coletores Solares Integração Arquitetônica 630 m2 de coletores solares Solar + Biomassa

135 Coletores Solares Aquecimento Distrital

136 Coletores Solares Aquecimento Distrital

137 Benefícios e Impactos Porque os aquecedores solares?

138 Aquecimento de água O chuveiro elétrico 1,4 Número de chuveiros por residência 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,17 1,10 1,04 0,91 0,55 0,02 N NE CO SE S Brasil ~27 milhões de chuveiros instalados (2005)

139 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

140 O aquecimento de água Entre 18 a 25% da demanda máxima de potência do sistema elétrico Data: 23/11/ Fonte: ONS Fonte: PROCEL (PPH 2005)

141 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 MW Que Custaria 20 Bilhões de Reais; Deixaria de Alagar m 2 Evitando a emissão anual de de toneladas de CO 2

142 O aquecimento de água C OM AQUECIMENTO SOLAR Consumo de Energia: 81 kwh/mês Redução Co nsumo Energia: 44% Consumo de Energia: 145 kwh/mês Tarifa de Energia: R$ 0, Taxa iluminaç ão pública: R$ 3,63 Capacidade E merge ncial: R$ 1,32 Custo médio total: R$ 32,08/mês Aument o renda familiar: R$ 51,43/mês

143 O aquecimento de água geração transmissão Sistema complexo Sistema Simples energia solar distribuiçã ção Aquecedor solar kw e chuveiro elétrico Chuveiro ou ducha calor Água aquecida

144 O Panorama do Setor Um mercado que cresce em todo o mundo

145 Mercado Mundial Aquecedores solares tecnologia mundial 45 países 159 milhões de m 2 de coletores solares instalados: 110 GWth de potência nominal térmica instalada; Produção de GWh de energia; Redução da emissão de 29,3 milhões de toneladas de CO2.

146 Mercado Mundial Aquecedores solares tecnologia mundial Área Coletora Área Coletora Paises m2 Paises m2 China Canada Estados Unidos Holanda Turquia Italia Alemanha Dinamarca Japao Portugal Australia Suecia Israel Reino Unido Grecia Tunisia Austria Polonia Brasil Belgica Taiwan Nov a Zelandia India Barbados França Rep Thceca Espanha Hungria Chipre Albania Af rica do Sul Noruega Mexico Finlandia Área de coletores instalada nos diferentes países do mundo

147 Potência de aquecedores solares Per Capita em diferentes países 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 Turquia 86,07 Tunisia 9,91 Australia 59,15 França 9,24 Alemanha 56,30 Eslov aquia 8,32 Dinamarca 42,32 Albania 7,31 Taiwan 41,58 Italia 6,23 China 39,90 Estados Unidos 5,21 Japao 38,25 Macedonia 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

148 O mercado brasileiro de aquecedores solares Faturamento de 300 milhões em 2007

149 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 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.

150 Penetração Os quase 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 MW, ou seja, o equivalente a 30 usinas nucleares como Angra, 300 três Marias ou ainda 3 Itaipus.