curso de projetos de sistemas de...

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 SolarTecnologia e Qualidade

Gerando calor, frio e energia elétrica

Coletores SolaresTipos de Coletores

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

Energia Solar

Coletores SolaresTipos de Coletores

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


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 AplicaçõesCentrais termoelétricas solares


Solar Dish

Produção de Vapor a alta Pressão (T >1000oC)

Cada prato tem capacidade que varia de 5 a 50 kW.


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

Coletores SolaresTecnologia e AplicaçõescAquecimento de Ar – Secagem : Secagem de grãos

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

Coletores SolaresTecnologia e Aplicações- Dessalinização Solar

Solar fotovoltaico

(Geração Descentralizada)

Eletrificação RuralIluminaçãoBombeamento de Água

Placas SolaresTecnologia e Aplicações – Sistemas Isolados

Solar fotovoltaico

Placas SolaresTecnologia e Aplicações

Placas SolaresTecnologia e Aplicações – Conexão à rede

Coletores SolaresTecnologia e AplicaçõesSolar PVT: Fotovoltaico+ Térmico: geração de energia elétricae calor de ventilação.

Fonte: SolarwallInternational Energy Agency Task 35.

Projetando uma Instalação de Aquecimento

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 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 interligaçõeshidráulicas, que funciona por circulação natural ou forçada


Captação Transferencia Armazenamento Distribuição

Controle Aq. Auxiliar

Energia Solar TérmicaColetores Solares e

Reservatórios Térmicos

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

Coletores SolaresColetor solar plano fechado- aletas

+ + = 1

Coletores SolaresColetor solar plano fechado- aletas

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 – Tipos

Coletores SolaresVidros – tratamentos especiaisAs coberturas de vidro normalmente utilizadas refletem cerca de 4% da radiação em ambos os lados da superfície do vidro.

Coletores SolaresColetor solar plano fechado- tintas

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

Coletores SolaresIsolantes térmicos

Coletores SolaresTipos quanto à geometria

(a) Verticais

(b) Horizontais

Coletores SolaresColetor solar plano aberto

Coletores SolaresColetor solar de tubos de vácuo CPC

Coletores SolaresColetor solar evacuados- tubos de calor

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

Reservatórios TérmicosClassificações

(b) verticais(a) horizontais

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 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

Princípios de FuncionamentoEficiência com economia

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


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.


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 Tipo Torre

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


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)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)Transferencia de calor

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

O sistema de aquecimento solar de piscinasPrincípios 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 SucessoSetor residencial unifamiliar

Casos de SucessoSetor residencial unifamiliar - integração

Casos de SucessoSetor residencial unifamiliar de interessesocial

Light Rio: Retiro dos Artistas e Formoso

CEMIG: São João Del Rei e Betim

Casos de SucessoSetor residencial unifamiliar de interesse social

Casos de SucessoSetor residencial multifamiliar

Casos de SucessoSetor hoteleiro

Casos de SucessoSetor comercial

SENAC- Santo Amaro-SP

6000 litros

Casos de SucessoSetor industrial

Natura35.000 litros a

60oC574 m2 de

coletores


REDUC-Petrobrás

39.3000 litros a 60oC

652 m2 de coletores

Setor Industrial

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

NASR Farmacêutica: Egito

1900 m2 coletores parabólicos

1,33 t/hr

Setor Industrial

Casos de SucessoAquecimento solar de piscinas

Alphaville TênisClube

650 m2 de coletores

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

Palácio da AlvoradaBrasília - DF

Área da piscina: 900m²Área coletora: 814m²

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

Coletores Solares

75m² coletores solarestipo fachada.

Tipo de InstalaçãoAquecimento de 3.000 litros de água por dia

Fração Solar30 %


LocalEsslingen

ObraComplexo residencialcom60 apartamentos

Coletores Solares

128 m2 (2001) + 154 m2 (2002)

Tipo de InstalaçãoAquecimento de àgua


LocalFreiburg

ObraComplexo residencial

(600 moradores)

Coletores Solares228 m2

Redução de CO239 ton por ano

Fração Solar48%


Área instalada63 m2

LocalFrança


Área instalada90 m2

LocalÁustria


Cor αs Preta: 0.94 Azul: 0.83 Vermelha: 0.75 Cinza: 0.27 Verde: 0.81


LocalÁustria


630 m2 de coletores solaresSolar + Biomassa

Coletores SolaresAquecimento Distrital

Benefícios e ImpactosPorque os aquecedores solares ?

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)


Fonte: PROCEL (PPH 2005)

Data: 23/11/2006 - Fonte: ONS

Entre 18 a 25% da demanda máxima de potência do sistema elétrico


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


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


Água aquecida

calor

gerageraçãçãoo

Água aquecida

SistemaSistemacomplexocomplexo

SistemaSistemaSimplesSimples energiaenergia

solarsolar

AquecedorAquecedorsolarsolar

ChuveiroChuveiroouou duchaducha

transmisstransmissããoo

distribuidistribuiçãçãoo

chuveirochuveiroeleléétricotrico

calor

kWe

O Panorama do SetorUm mercado que cresce em todo o mundo

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


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


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

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 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.

curso de projetos de sistemas de...

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