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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.
Coletores SolaresTipos de Coletores
As aplicações térmicas se dividem em categorias dependentes da temperatura e estas determinam a tecnologia de conversão.
Coletores SolaresTecnologia e Aplicações
Torre SolarProdução de Vapor a alta Pressão (T- 550 a 1500oC)
Mundo: 50 usinas solares térmicas em diferentes estágios de planejamento ou construção
Coletores SolaresTecnologia e Aplicações
Concentradores Parabólicos
Produção de Vapor(T >400oC)
Nove plantas na Califórnia comcapacidade instalada de 354 MW geram energia para 350 mil pessoas edeslocamento doconsumo de 2,3milhões de barris de
Coletores SolaresTecnologia e Aplicações
Solar Dish
Produção de Vapor a alta Pressão (T >1000oC)
Cada prato tem capacidade que varia de 5 a 50 kW.
Coletores SolaresTecnologia e Aplicações
Chaminé Solar
Casos de demonstraçãoManzanares- Espanha
Projeto Austrália1 km altura – 130 diâmetroRaio de 3,5 kmCobre 10.000 hectaresCapacidade - 200 MWAtendimento: 200 Mil Residências
Coletores SolaresTecnologia e AplicaçõesAquecimento de Ar: 50 sistemas instalados, totalizando10.000m2 em 27 edificações reduzindo a emissão de 2000 toneladas de CO2 por ano.
Fonte: Solarwall
Coletores SolaresTecnologia e AplicaçõescAquecimento de Ar – Secagem : Secagem de grãos
Fonte: Solarwallhttp://www.arb.ca.gov/research/icat/projects/conserval.htm
1. India2. China 3. Paquistão4. Etiópia5. Nigéria 6. Uganda 7. Sudão8. Afeganistão9. Tanzânia10.África do Sul11.Nigéria12.Somália 13.Brasil 14.Quênia15.NepalFonte: Solar Cookers
International
Coletores SolaresTecnologia e Aplicações- Fogoes Solares
http://solarcooking.org/
Solar Bowl- cozinha solar
Local: Auroville- ÍndiaCapacidade: 2000 refeições/dia15 m de DiâmetroProdução de Vapor a 150oC
Coletores SolaresTecnologia e Aplicações- Cozinhas Solares
Solar fotovoltaico
(Geração Descentralizada)
Eletrificação RuralIluminaçãoBombeamento de Água
Placas SolaresTecnologia e Aplicações – Sistemas Isolados
Coletores SolaresTecnologia e AplicaçõesSolar PVT: Fotovoltaico+ Térmico: geração de energia elétricae calor de ventilação.
Fonte: SolarwallInternational Energy Agency Task 35.
NormatizaçãoUm 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, instalaçãoe manutenção, onde o fluido de transporte é a água.
Projeto: ART – Anotações de Reponsabilidade Técnica
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 interligaçõeshidráulicas, que funciona por circulação natural ou forçada
O sistema de aquecimento solar (SAS)
Captação Transferencia Armazenamento Distribuição
Controle Aq. Auxiliar
Coletores Solares Pré-requisitos
Os coletores solares devem ser capazes de operar nasfaixas de pressão, temperatura e demais condiçõesespecificadas em projeto, incluindo resistência de exposição direta à radiação solar.
Colectores SolaresTipos de Coletores
Dispositivo que absorve a radiação solar incidente, transferindo-a para um fluido de trabalho, sob a forma de energia térmica
Coletores SolaresColetor solar plano fechado
1.Tinta2.Aleta 3.Flauta4.Isolamento Térmico5.Caixa6.Calha coletora7.Vedação8.Cobertura transparente
Coletores SolaresColetor solar plano fechado- materiais aletas
Influência dos parâmetros de projeto - coletor solar tipo A
Coletores SolaresVidros – 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 SolaresVidros – tratamentos especiaisAs coberturas de vidro normalmente utilizadas refletem cerca de 4% da radiação em ambos os lados da superfície do vidro.
Coletores SolaresVidros e manutenção do SASA lavagem dos vidros é uma das principais manutenções de um sistema de aquecimento solar
Coletores SolaresIsolantes térmicosIsolamentos 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
(c) Lã de rocha(b) Lã de vidro(a) Poliuretano
0,026Espuma rígida depoliuretano
0,040Lã de rocha0,038Lã de vidro
Condutividade Térmica (W / m K)Material
Reservatórios Térmicos
O armazenamento de energia captada, quando necessário, emfunção da não simultaneidade entre consumo e disponibilidadede energia solar, é feito através do armazenamento de água emreservatório(s) apropriado(s) e se manifesta pela elevação da temperatura da água armazenada
Reservatórios TérmicosPré requisitos
Os reservatórios térmicos devem ser conforme ABNT NBR 10185
Os sistemas de armazenamento devem ser capazes de operar nasfaixas de pressão, temperatura e demais condições especificadas emprojeto, incluindo resistência de exposição direta à radiação solar (se aplicável)
Reservatórios TérmicosPré requisitos
Os reservatórios térmicos podem ser fabricados com materiais nao-metalicos
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 LETROLInd 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
O sistema de aquecimento solar ( SAS)Princípios de Funcionamento
Circulação natural ou por termossifão circulação de água no sistema de aquecimento solar devido aofenômeno de termossifão, que consiste na movimentação de um fluido cuja força motriz tem origem na diferença de densidadedecorrente da variação de sua temperatura
Circulação forçada circulação de água no sistema de aquecimento solar devidopredominantemente à imposição externa de pressão no circuitohidráulico (por exemplo, através de uma motobomba)
O sistema de aquecimento solar ( SAS)Princípios de Funcionamento -Termossifão
CONSUMO
SUSPIRO
ENTRADAÁGU A FR IA
SIFÃO
DRENO
O sistema de aquecimento solar ( SAS)Princípios de Funcionamento -Termossifão
P=dens×g×hOnde:P: é a pressão manométrica estática em pascalsdens: 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
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100960
965
970
975
980
985
990
995
1000
temperatura (oC)
dens
idad
e (k
g/m
3 )
O sistema de aquecimento solar ( SAS)Princípios de Funcionamento -Termossifão
Acoplado: sistema em que o dispositivo de armazenamento terminacom o coletor e está montado sobre uma estrutura de suportecomum;
O sistema de aquecimento solar ( SAS)Princípios de Funcionamento -Termossifão
Acoplado: sistema em que o dispositivo de armazenamento terminacom o coletor e está montado sobre uma estrutura de suportecomum;
O sistema de aquecimento solar ( SAS)Princípios de Funcionamento -Termossifão
Acoplado: sistema em que o dispositivo de armazenamento terminacom o coletor e está montado sobre uma estrutura de suportecomum;
O sistema de aquecimento solar ( SAS)Princípios de Funcionamento
Integrado: sistema em que as funções de coleta e armazenamentode 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 m2.
O sistema de aquecimento solar ( SAS)Regras importantes no termossifão –Perda de CargaUm 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 - cobreItem Desc. QtdeTubo 22mm 8,7m
Cotovelo 90º 22mm 2Curva 45º 22mm 2
Tê 22mm 1
Comprimento real:Alimentação: 5,2mRetorno: 3,5mComprimento equivalente:2 cotovelos 90º = 2 x 1,2m = 2,4m2 curvas 45º = 2 x 0,5 = 1m1 tê passagem lateral = 2,4mComprimento Total = 15,3m
O sistema de aquecimento solar ( SAS)Regras importantes no termossifão –Sifão e pontos de acumulos de ar
Ponto de formaçãode 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)Princípios de Funcionamento - Forçada
sensor quente
presilhasensor frio
presilhareservatório
térmico
retorno para o reservatório saída para os coletores
coletorsolar
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
Light Rio: Retiro dos Artistas e Formoso
CEMIG: São João Del Rei e Betim
Casos de SucessoSetor residencial unifamiliar de interesse social
Contank- Espanha40.000 litros por dia510 m2 de coletores
solares
Uma instalação solar térmica de 360 kW para um
processo de lavagem
industrial
Setor Industrial
Grupo Bimbo: México7500 litros por dia
144 m2 de coletores solares
Água quente para limpeza e para processo industrial denominado “ chaquetas”;
Setor Industrial
Casos de Sucesso
APCEF - Associação do Pessoal da Caixa Econômica FederalBelo Horizonte - MG
Área da piscina: 325m²Área coletora: 271,44m²
Casos de Sucesso
Esporte Clube SírioBelo Horizonte - MG
Área da piscina: 325m²Área coletora: 324,72m²
Casos de Sucesso
Minas Tênis Clube - Unidade IIBelo Horizonte - MG
Área da piscina: 1500m²Área coletora: 930m²
Coletores SolaresIntegração Arquitetônica Local
Hamburg BramfeldAlemanha
Coletores Solares3,000m²
Tipo de InstalaçãoAquecimento de água
e calefação com armazenamento em
reservatório enterrado com capacidade de
4500m3
DesempenhoArmazenamento
sazonal com 50% de fração solar
Coletores SolaresIntegração Arquitetônica Local
Hamburg BramfeldAlemanha
Coletores Solares3,000m²
Tipo de InstalaçãoAquecimento de água
e calefação com armazenamento em
reservatório enterrado com capacidade de
4500m3
DesempenhoArmazenamento
sazonal com 50% de fração solar
Coletores SolaresIntegração Arquitetônica
Coletores Solares
75m² coletores solarestipo fachada.
Tipo de InstalaçãoAquecimento de 3.000 litros de água por dia
Fração Solar30 %
Coletores SolaresIntegração Arquitetônica
LocalEsslingen
ObraComplexo residencialcom60 apartamentos
Coletores Solares
128 m2 (2001) + 154 m2 (2002)
Tipo de InstalaçãoAquecimento de àgua
Coletores SolaresIntegração Arquitetônica
LocalEsslingen
ObraComplexo residencialcom60 apartamentos
Coletores Solares
128 m2 (2001) + 154 m2 (2002)
Tipo de InstalaçãoAquecimento de àgua
Coletores SolaresIntegração Arquitetônica
LocalFreiburg
ObraComplexo residencial
(600 moradores)
Coletores Solares228 m2
Redução de CO239 ton por ano
Fração Solar48%
Coletores SolaresIntegração Arquitetônica
Cor αs Preta: 0.94 Azul: 0.83 Vermelha: 0.75 Cinza: 0.27 Verde: 0.81
0,02
0,55
1,041,10
1,17
0,91
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
N NE CO SE S Brasil
Núm
ero
de c
huve
iros
por
resi
dênc
ia
~27 milhões de chuveiros instalados (2005)
Aquecimento de águaO chuveiro elétrico
O aquecimento de água
24% Setor Residencial
25% Aquecimento de
água
8% Energia do Brasil
78% Aquecedor Elétrico(99,7 % Chuveiro
Elétrico)
6% Gás
14% Não utilizam
Aquecimento de Água Residencial(PPH – Procel / Eletrobras 2005)
O aquecimento de água
Fonte: PROCEL (PPH 2005)
Data: 23/11/2006 - Fonte: ONS
Entre 18 a 25% da demanda máxima de potência do sistema elétrico
O aquecimento de água
Deficit Habitacional X Infra Estrutura Elétrica
7,9 milhões de residências7,9 milhões de aquecedores solares
O Brasil economizaria uma usina de6.950 MW
Que Custaria20 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
Consumo de Energia: kWh/mês145
C OM AQUECIMENTO SOLAR
Consumo de Energia: kWh/mês
Tarifa de Energia: R$
Taxa iluminaç ão pública: R$
Capacidade Emergencial: R$
81
0,34418
3,63
1,32
Custo médio total : R$ 32,08/mês
Redução Co nsumo Energia: 44%
Aumento renda familiar:R$ 51,43/mês
O aquecimento de água
Água aquecida
calor
gerageraçãçãoo
Água aquecida
SistemaSistemacomplexocomplexo
SistemaSistemaSimplesSimples energiaenergia
solarsolar
AquecedorAquecedorsolarsolar
ChuveiroChuveiroouou duchaducha
transmisstransmissããoo
distribuidistribuiçãçãoo
chuveirochuveiroeleléétricotrico
calor
kWe
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 MundialAquecedores solares – tecnologia mundial
Mercado MundialAquecedores solares – tecnologia mundial
Área de coletores instalada nos diferentes países do mundo
Paises
Área Coletora
Paises
Área Coletora
m2 m2
China 75.000.000 Canada 723.124
Estados Unidos 29.141.546 Holanda 620.400
Turquia 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
Taiwan 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
Mercado MundialAquecedores solares – tecnologia mundial
Potência de aquecedores solares Per Capita em diferentes países
Paises
Potência Solar Per Capita
Paises
Potência Solar Per Capita
KWth por 1000 Habitantes 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
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 residênciasbrasileiras consumindo cerca de 145 kWh por mês.
Além das economias diretas obtidas pelosconsumidores, os impactos econômicos podem ser extrapolados para todo o país. O aquecimento solar jáeconomizou para o Brasil e seus cidadãos 1,94 bilhãode 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 casaspossuem 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 aquecedorsolar. Se tomarmos este numero como referência, certamente um número ambicioso (mas necessário), até2030 o Brasil teria uma quantidade de coletores solarespara aquecimento de água equivalente a um parque de usinas de 40.000 MW, ou seja, o equivalente a 30 usinasnucleares como Angra, 300 três Marias ou ainda 3 Itaipus.