UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA ENGENHARIA MECÂNICA ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE ENERGIAS ALTERNATIVAS ENG03371 Módulo de sistemas solares térmicos Prof. Paulo Smith Schneider Projeto de Sistemas de Aquecimento de Água de Postos de Combustíveis Através do uso de Painéis Solares Planos Celson Eduardo Pauli Lanius Wagner Henrique Cardias Porto Alegre, Outubro de 2009.
CARDIAS, W. H.; LANIUS, C. E. P. Projeto de Sistemas de Aquecimento de Água de Postos de Combustíveis Através do uso de Painéis Solares Planos. 2009. 09f. Trabalho de Conclusão da Disciplina de Energias Alternativas do Curso de Engenharia Mecânica Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2009. RESUMO Escolhe-se um posto de combustível na região metropolitana de Porto Alegre para estudo de implantação de sistema de aquecimento de água por meio de painéis solares planos. Tais painéis de alta eficiência de conversão, se implantados, reduzem ou até eliminam custos de operação de chuveiros elétricos, que são altíssimos. Para o caso é escolhido um modelo de painel solar para atender a demanda considerada de 100 banhos diários de 15 minutos, com vazão média de 5 litros por minuto. O estudo apresenta, por fim, uma taxa de retorno do investimento em um prazo muito pequeno, o que viabiliza a implantação dos painéis. PALAVRAS-CHAVE: Painéis Solares Planos, Energia Térmica, Aquecimento, Chuveiro Elétrico. ABSTRACT We choose a gas-station on metropolitan region of Porto Alegre city to a implementation study of a water heat system using plan solar panels. The high efficiency panels, if implanted, will decrease or even eliminate electrical shower operating costs, which are very high. In this case is chosen a solar panel model to meet the demand of 100 seen daily baths of 15 minutes, with average flow 5 liters per minute. The study shows, ultimately, a very short payback period, which enables the deployment of the panels. KEYWORDS: Plan Solar Panels, Thermical Energy, Heating, Electrical Shower.
1. INTRODUÇÃO A implantação de sistemas de coleta de energia solar para aquecimento de água em ambientes com grande demanda de água aquecida pode ser viável apesar do custo da energia elétrica no Brasil ainda não ser tão elevado como nos países da Europa. Painéis solares são atrativos e viáveis economicamente se o projeto for bem dimensionado bem e implantado. Os sistemas que usam energia solar também tem forte apelo ecológico, pois evitam a emissão de gases causadores do efeito estufa por parte das usinas termelétricas. Dessa forma, o objetivo deste trabalho é o dimensionamento e estudo do retorno financeiro de implantação de coletores solares planos para aquecimento de água de banho em um posto de combustíveis da cidade de Canoas/RS.
2. DESENVOLVIMENTO DO PROJETO 2.1. LOCALIZAÇÃO O posto de combustíveis escolhido é o Posto Buffon 3, que localiza-se na rodovia BR-386 km 445, cidade de Canoas, região metropolitana de Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil. Abaixo segue imagem do posto: Figura 1: Posto Buffon 3 Tal posto de combustíveis oferece aos seus clientes serviços diversos, entre eles, o serviço de Banho, que é oferecido gratuitamente aos clientes que ali abastem seus caminhões ou vendido para as demais pessoas. 2.2. CONDIÇÕES CLIMÁTICAS A localização geográfica do posto é extremamente importante devido às condições climáticas e de insolação diária. O posto está localizado sob as coordenadas de latitude e longitude: -29.893758, -51.194542. Em Porto Alegre, capital brasileira mais meridional, 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. As condições climáticas e de insolação do local são idênticas às da cidade de Porto Alegre, que é a base do banco de dados da planilha Carta F de SCHNEIDER 1 ou ainda pelo ATLAS 2 brasileiro, que apresenta uma taxa média de 6 horas diárias de insolação com radiação média entre 4700 a 4900 Wh/m².dia. 1 SCHENIDER: Planilha da carta F em Excel. 2 ATLAS de Irradiação Solar no Brasil.
A obtenção dos resultados fez-se por meio do uso da Carta F de SCHNEIDER 3, onde é necessário introduzir os valores de latitude do posto de combustíveis e as informações a respeito da posição de fixação dos painéis solares. 2.3. DADOS DE OPERAÇÃO Como se trata de um posto de grande fluxo diário de clientes, estima-se uma quantidade média de 100 banhos por dia, sendo 20 destes no intervalo entre às 12:00 e 13:00 horas. Os outros 80 banhos seriam na parte da noite, das 18:00 às 22:00 horas, quando já não existe mais a fonte solar para continuar aquecendo a água. No local há cinco chuveiros elétricos que fornecem vazão de 5 litros por minuto, com banhos de 15 minutos, em média. O banho oferecido deve ter temperatura mínima de 42ºC na saída do coletor, já a temperatura na entrada do mesmo é variável e foi estimada neste trabalho com valores entre 12ºC e 19ºC. Os cálculos apresentados levam em consideração que a pessoa que utilizar o sistema de banho sabe operar corretamente o sistema com água aquecida pelos painéis solares planos. 2.4. PAINÉIS EMPREGADOS De acordo com o INMETRO 4 existem 41 empresas fabricantes de equipamentos para sistemas de coleta de energia solar no país. Estas empresas produzem produtos de 60 marcas diferentes, com 230 modelos etiquetados. Escolheu-se o fabricante de painéis solares Transsen, da cidade de Birigui/SP. A empresa Termosol é o representante da Transsen na cidade de Lajeado/RS, distante de 85km do local da implantação, e é o responsável pela instalação do sistema no local. Como o representante está relativamente próximo do local, tornam-se menores os custos implantação e operação. O modelo de painel utilizado é o BAHAMAS 9T III V2.0 que, conforme planilha de ensaios do INMETRO possui produção mensal média de energia de 166,0 kwh/mês. Tal coletor é fabricado com aletas de alumínio com tubulação interna de cobre com área de contato de 100% com a aleta. Tal fator influencia de forma muito positiva no aumento da eficiência do sistema. O detalhe da área de contato aleta/tubo é mostrado na figura abaixo: Figura 2: detalhe do contato aleta/tubo 3 SCHENIDER: Planilha da carta F em Excel. 4 INMETRO: Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial.
A caixa externa do painel é fabricada em alumínio, e na parte frontal, vidro temperado de 5mm de espessura. Cada painel possui dimensões de 1,0 x 2,0 metros, com área absorvedora total de 2,0 m², conforme mostrado a seguir: 2.5. FORMATAÇÕES AVALIADAS Figura 3: coletor empregado no sistema Três formatações de instalação são avaliadas a seguir. Serão analisados os custos de cada sistema, os meses atendidos completamente por cada sistema e o retorno financeiro ao longo dos anos para cada tipo de sistema. Em todos os sistemas há necessidade de uma bomba radial para fornecer o fluxo de água no interior das placas. O acionamento do motor da bomba é controlado por um micro controlador e se dá quando a temperatura de saída do coletor é superior à temperatura de saída do reservatório térmico ou quando a temperatura da água do painel fica inferior a 3ºC, para evitar o congelamento e possível ruptura do painel. As formatações avaliadas compreendem diferentes áreas de coletores, de 100m², 150m² e 200m², todas elas consideradas com dois reservatórios térmicos de 2500 litros cada. Este tamanho de reservatório é o máximo tamanho fabricado pela empresa fornecedora e o volume total de 5000 litros é aproximadamente a demanda diária de consumo para banho. Como se tratando de dois reservatórios, pode-se montar a formatação de um reservatório posicionado sobre o outro, com saída para banho do reservatório superior, que contém a água com maior temperatura. Há conexões entre os dois reservatórios de modo a separar a água mais aquecida para o reservatório superior pelo efeito termo-sifão, já que a água mais aquecida é menos densa. A saída de água fria para os painéis se dá pela parte de baixo do reservatório inferior, com água mais fria. A primeira formatação, com 100m² de painéis, necessita de 50 painéis, com custo de aproximadamente R$ 25.000,00, mais os dois reservatórios de 2500 litros, no valor de R$ 10.000,00 e um custo de instalação total aproximado em R$ 20.000,00. Portanto, o custo total de implantação deste sistema fica em R$ 55.000,00. Estima-se também um custo anual de manutenção de R$ 300,00. Na formatação com 150m² de painéis, estima-se o mesmo custo para os reservatórios e custo de R$ 37.500,00 para aquisição dos painéis. Para instalação o custo sobe para R$ 30.000,00. Custo total de implantação fica em torno de R$ 77.500,00 com R$ 400,00 de custo de manutenção anual.
Já na formatação com 200m² de placas, o valor total de implantação é de R$ 100.000,00. Os tanques também custam R$ 10.000,00. Os painéis custam R$ 50.000,00, a instalação custa R$ 40.000,00 com custo anual de manutenção de R$ 500,00. 3. RESULTADOS Utilizando-se a carta F de SCHNEIDER 5 para coletores com o produto Fr.UL = 6,026, onde Fr é o fator de eficiência de troca do coletor e UL é o coeficiente global de transferência de calor do coletor, e Fr.τ.α = 0,83, onde τ.α é o produto da transmitância e absortância médios mensais. A formatação de coletores com 100m² não atende nenhum dos 12 meses do ano em 100% da necessidade, com atendimento médio de 90% da carga térmica diária. Os coletores de 150m² de área atenderam a demanda completa de energia em 6 meses do ano, ficando apenas os meses de Abril a Setembro com atendimento médio de 94% da carga, precisando ser complementado com energia auxiliar ou admitindo-se uma redução na temperatura do banho, conforme o conforto desejado pelos usuários. Já na última configuração, com 200m² de área, o atendimento anual fica em 8 meses do ano, com taxa média de atendimento de 97% da carga térmica nos 4 meses não tendidos integralmente. O atendimento da carga térmica mensal está demonstrado abaixo: 1.20 1.00 fator F 100.00 150.00 200.00 0.80 f 0.60 0.40 0.20 0.00 JAN MAR MAI JUL SET NOV tempo (meses) Figura 4: atendimento da carga térmica mensal Realizou-se a análise financeira de retorno do investimento para os coletores avaliados de 100m², 150m² e 200m². Para tanto foi considerado o preço de R$0,40/kWh para a energia elétrica evitada. Para a configuração de 100m² o tempo de retorno do investimento fica em aproximadamente 1,83 anos. Já para 150m² de painéis solares, o tempo de retorno é um pouco maior, em torno de 2,25 anos. 5 SCHENIDER: Planilha da carta F em Excel.
O maior tempo de retorno do investimento é para a configuração com 200m², que fica na casa de 2,67 anos. Abaixo encontram-se as figuras que demonstram o tempo aproximado em que ocorrerá o retorno do capital investido. Retorno de Investimento para Coletor 100m² 120000 100000 Valor em R$ 80000 60000 40000 20000 Capital Evitado em R$ Custo Total Coletor 100m² 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Tempo em anos Figura 5: Retorno de investimento para coletor de 100m². Retorno de Investimento para Coletor de 150m² Valor em R$ 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0 1 2 3 4 5 Tempo em anos Capital Evitado em R$ Custo Total Coletor 150m² Figura 6: Retorno de investimento para coletor de 150m².
Retorno de Investimento para Coletor de 200m² Valor em R$ 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0 1 2 3 4 5 Tempo em anos Capital Evitado em R$ Custo Total Coletor 200m² Figura 7: Retorno de investimento para coletor de 200m². 4. CONCLUSÃO Conforme apresentado nos resultados, pode-se perceber que o coletor de 150m² atenderia razoavelmente bem o sistema, se suprido com aquecimento auxiliar nos meses de abril a setembro, e teria retorno financeiro satisfatório para o investimento. Já o sistema com 200m² de área também é viável tecnicamente e apresenta um prazo de retorno de investimento maior, mas ainda aceitável pois o atendimento é muito maior ao longo do ano. Com os dados obtidos, conclui-se que os sistemas de 150m² e 200m² são considerados viáveis, podendo qualquer um dos dois sistemas ser instalado no posto de combustíveis para oferecer o serviço de banho quente a seus clientes. A escolha fica por parte do investidor do posto, que pode optar por um investimento maior com prazo de retorno mais estendido, mas com custo adicional para aquecimento nos meses frios sendo mínimo ou um sistema de custo inicial menor, mas que necessita de pequeno auxílio energético nos meses frios. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS SCHNEIDER, P. C. Planilha da carta F em Excel, acessado em 08 de outubro de 2009, disponível em: http://143.54.70.55/pss/energiasalternativas/solar/fchart2007.xls ATLAS de Irradiação Solar no Brasil, Recife, Editora Universitária da UFPE, 1998 (adaptado). Website Rede Buffon de postos de combustíveis, acessado em 08 de outubro de 2009, disponível em: http://www.buffon.com.br/?section=postos&cidade=5&id=15 Website do INMETRO, Tabelas de consumo/eficiência energética/, acessado em 10 de outubro de 2009, disponível em: www.inmetro.gov.br/consumidor/tabelas.asp Website do Projeta Brasil, acessado em 10 de outubro de 2009, disponível em: http://www.projetabrasil.com.br/energia solar