Coletor Solar Dimensionamento PUC_RJ

8/7/2019 Coletor Solar Dimensionamento PUC_RJ

1/28

ABEAMAABEAMA FIRJANFIRJANA ENERGIA SOLAR E SUAA ENERGIA SOLAR E SUACONTRIBUIO PARA ACONTRIBUIO PARA A

INDSTRIAINDSTRIAProf. ALCIR DE FARO ORLANDO, PhDProf. ALCIR DE FARO ORLANDO, PhD

LABORATRIO DE AVALIAO METROLGICA ELABORATRIO DE AVALIAO METROLGICA E

ENERGTICAENERGTICADepartamento de Engenharia MecnicaDepartamento de Engenharia MecnicaPUCPUC--RioRio


2/28

ENERGIAS RENOVVEISENERGIAS RENOVVEIS

NA INDSTRIANA INDSTRIA BIODIESELBIODIESEL-- Queima em CaldeirasQueima em Caldeiras

GS NATURALGS NATURAL-- Queima em Caldeiras eQueima em Caldeiras eGerao de Energia EltricaGerao de Energia Eltrica

ENERGIA SOLARENERGIA SOLAR-- Aquecimento deAquecimento deguagua


3/28


NA INDSTRIANA INDSTRIA Critrios para a escolhaCritrios para a escolha

Razes econmicasRazes econmicas

Disponibilidade de combustvelDisponibilidade de combustvel

Espao disponvel na indstriaEspao disponvel na indstria

Razes ambientaisRazes ambientais


4/28


NA INDSTRIANA INDSTRIA Parmetros de anliseParmetros de anlise

Legislao e preservao ambientalLegislao e preservao ambiental

Investimento InicialInvestimento Inicial Custo OperacionalCusto Operacional

Custos de sistemas alternativosCustos de sistemas alternativos

PaybackPayback Taxa interna de retorno (TIR)Taxa interna de retorno (TIR)

Deciso : Alternativas de rentabilidadeDeciso : Alternativas de rentabilidade


5/28


NA INDSTRIANA INDSTRIA MetodologiaMetodologia

Comparao entre o investimento propostoComparao entre o investimento proposto

e o investimento alternativo.e o investimento alternativo. A reduo do custo operacional serA reduo do custo operacional ser

utilizada para pagar o acrscimo deutilizada para pagar o acrscimo deinvestimento.investimento.

Clculo do Payback e da TIRClculo do Payback e da TIR

Comparao com a alternativa da indstriaComparao com a alternativa da indstria


6/28

ENERGIA SOLARENERGIA SOLAR

AplicaesAplicaes Gerao de energia eltrica(Fotovoltaico)Gerao de energia eltrica(Fotovoltaico)

Pequenos sistemasPequenos sistemas

Locais isoladosLocais isolados SeguranaSegurana

Aquecimento de fluidosAquecimento de fluidos

Banho, Cozinha e PiscinaBanho, Cozinha e Piscina Aquecimento de fluidos industriaisAquecimento de fluidos industriais PrPr--aquecimentoaquecimento


7/28


Dados climticosDados climticos Radiao solar incidente mdia mensalRadiao solar incidente mdia mensal

numa superfcie horizontalnuma superfcie horizontal

Temperatura ambiente mdia mensalTemperatura ambiente mdia mensal Quanto maior o perodo de apurao,Quanto maior o perodo de apurao,

melhor a previso.melhor a previso.

Dados mdios anuais conduzem umaDados mdios anuais conduzem umamelhor previsomelhor previso


8/28


Dados climticosDados climticosData

Inicial: Data Final:Hora Radiao Chuva

UTC Inst, Mx, Mn, Inst. Mx. Mn. Inst, Mx, Mn, Inst, Mx, Mn, Vel. Dir. Raj. (kJm) (mm)

0 20,5 20,6 20,3 84 85 83 17,7 17,8 17,6 1014,6 1014,8 1014,4 //// /// //// 0,0 0,0

1 20,2 20,5 20,2 83 84 83 17,2 17,7 17,2 1014,7 1014,9 1014,6 //// /// //// 0,0 0,0

2 19,6 20,2 19,5 87 87 83 17,3 17,4 17,1 1014,1 1014,7 1014,1 //// /// //// 0,0 0,0

3 19,0 19,6 18,9 89 90 87 17,2 17,5 17,0 1013,5 1014,2 1013,3 //// /// //// 0,0 0,0

4 19,1 19,1 18,5 91 91 89 17,6 17,6 16,9 1012,7 1013,5 1012,7 //// /// //// 0,0 0,0

5 18,7 19,2 18,4 92 92 89 17,3 17,6 17,0 1012,1 1012,7 1012,1 //// /// //// 0,0 0,0

6 18,1 18,7 17,9 93 93 91 16,9 17,3 16,7 1011,5 1012,1 1011,5 //// /// //// 0,0 0,0

7 17,8 18,1 17,7 94 94 93 16,8 17,0 16,6 1011,5 1011,5 1011,3 //// /// //// 0,0 0,0

8 18,2 18,2 17,5 94 94 93 17,1 17,2 16,5 1011,8 1011,9 1011,3 //// /// //// 0,0 0,0

9 18,1 18,2 17,3 94 94 93 17,1 17,2 16,2 1012,3 1012,4 1011,7 //// /// //// 14,3 0,0

10 19,2 19,2 17,9 94 94 94 18,2 18,2 16,8 1012,8 1012,8 1012,2 //// /// //// 311,9 0,0

11 21,2 21,2 19,2 84 94 84 18,4 18,9 18,2 1013,4 1013,4 1012,8 //// /// //// 1119,0 0,0

12 21,3 22,1 21,1 83 84 79 18,3 18,6 17,8 1013,4 1013,7 1013,4 //// /// //// 1806,0 0,0

13 21,6 22,0 21,3 84 84 80 18,7 19,0 18,3 1012,9 1013,4 1012,8 //// /// //// 2300,0 0,0

14 22,2 22,6 21,6 81 84 78 18,7 19,0 18,3 1012,4 1012,9 1012,4 //// /// //// 2957,0 0,0

15 22,5 22,6 22,0 81 84 80 19,1 19,5 18,7 1011,4 1012,4 1011,4 //// /// //// 3204,0 0,0

16 22,6 22,7 22,3 81 83 79 19,1 19,4 18,7 1010,5 1011,4 1010,5 //// /// //// 3190,0 0,0

17 23,1 23,6 22,7 78 81 75 19,1 19,4 18,7 1009,8 1010,5 1009,8 //// /// //// 2636,0 0,0

18 23,0 23,4 22,7 80 81 77 19,3 19,5 19,0 1009,4 1009,8 1009,4 //// /// //// 2288,0 0,0

19 22,3 23,3 22,3 82 82 77 19,1 19,5 18,9 1009,0 1009,4 1009,0 //// /// //// 1621,0 0,0

21 21,5 21,8 21,5 90 90 88 19,8 19,9 19,7 1009,4 1009,8 1009,4 //// /// //// 57,0 0,0

22 21,4 21,6 21,4 91 91 90 19,9 19,9 19,7 1009,7 1009,7 1009,1 //// /// //// 0,0 0,0

23 21,3 21,4 21,2 92 92 91 20,0 20,0 19,8 1011,0 1011,0 1009,5 //// /// //// 0,0 0,0

0 21,5 21,6 21,2 92 92 91 20,1 20,2 19,8 1012,6 1012,9 1011,0 //// /// //// 0,0 0,4

1 20,8 21,5 20,8 94 94 92 19,8 20,1 19,8 1011,0 1012,6 1011,0 //// /// //// 0,0 1,4

2 20,9 20,9 20,4 94 94 94 20,0 20,0 19,4 1010,8 1011,3 1010,8 //// /// //// 0,0 0,0

3 20,7 20,9 20,6 95 95 94 19,8 20,0 19,8 1011,1 1011,3 1010,6 //// /// //// 0,0 0,0

4 20,4 20,7 20,3 95 95 95 19,5 19,8 19,5 1010,4 1011,1 1009,9 //// /// //// 0,0 0,2

5 20,0 20,4 20,0 95 95 95 19,2 19,6 19,2 1008,6 1010,5 1008,6 //// /// //// 0,0 0,8

6 20,2 20,2 19,8 95 95 95 19,3 19,4 19,0 1009,9 1009,9 1008,6 //// /// //// 0,0 0,0

7 20,8 20,9 20,1 94 95 93 19,7 19,9 19,2 1011,0 1011,1 1009,7 //// /// //// 0,0 0,8

8 20,8 20,8 20,5 93 94 92 19,6 19,6 19,2 1011,4 1011,5 1010,3 //// /// //// 0,0 0,2

9 20,3 20,8 20,3 94 94 93 19,2 19,5 19,2 1011,5 1011,8 1011,4 //// /// //// 0,7 0,8

10 20,4 20,5 20,2 94 94 94 19,4 19,5 19,2 1011,3 1011,5 1011,3 //// /// //// 64,5 0,6

11 20,2 20,4 20,2 95 95 94 19,3 19,4 19,3 1011,1 1011,3 1010,9 //// /// //// 141,5 0,4

12 20,9 20,9 20,1 93 95 93 19,7 19,8 19,3 1009,2 1011,1 1009,2 //// /// //// 529,7 0,0

13 22,1 22,1 20,9 85 93 85 19,4 19,7 19,2 1009,0 1009,2 1008,2 //// /// //// 359,3 0,0

14 23,1 23,1 21,9 76 87 76 18,7 19,6 18,5 1006,2 1009,2 1006,2 //// /// //// 644,3 0,2

15 25,9 25,9 23,1 63 76 62 18,4 18,8 17,9 1006,7 1006,9 1004,4 //// /// //// 1387,0 0,0

16 25,6 26,3 25,6 66 66 63 18,7 18,9 18,3 1006,1 1006,8 1006,1 //// /// //// 1411,0 0,0

17 25,6 25,6 25,5 64 67 64 18,3 18,9 18,1 1005,8 1006,1 1005,7 //// /// //// 674,6 0,0

18 25,8 25,9 25,6 64 65 63 18,5 18,6 18,2 1006,2 1006,3 1005,8 //// /// //// 726,3 0,0

19 25,6 25,8 25,5 63 67 63 18,2 19,0 18,1 1005,7 1006,3 1005,6 //// /// //// 532,9 0,0

20 25,3 25,6 25,3 64 65 63 18,1 18,4 18,0 1005,9 1005,9 1005,5 //// /// //// 284,6 0,0

21 25,1 25,3 25,1 65 65 64 18,0 18,1 17,9 1006,4 1006,5 1005,9 //// /// //// 76,5 0,0

22 25,0 25,2 25,0 65 65 64 17,9 18,1 17,9 1006,8 1006,8 1006,3 //// /// //// 0,6 0,0

23 23,4 25,0 23,2 75 75 65 18,7 18,7 17,9 1007,7 1007,8 1006,8 //// /// //// 0,0 0,02/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

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2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

1/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

2/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

1/10/2008

Presso (hPa) Vento (m/s)

1/10/2008

Data Temperatura (C) Umidade (%) Pto, Orvalho (C)

1/10/2008

0 1/ 10 /2 00 8 3 1/ 10 /2 00 8Pesquisar


9/28


Aquecimento de fluidosAquecimento de fluidos Especificao da temperatura de usoEspecificao da temperatura de uso

Piscinas : 26 a 28Piscinas : 26 a 28 ooCC

Banho : 40Banho : 40 ooCC Cozinha : 60Cozinha : 60 ooCC Ar Condicionado : 90Ar Condicionado : 90 CC

Melhor custoMelhor custo--benefciobenefcio Temperatura no maior do que o necessrioTemperatura no maior do que o necessrio Sistemas hbridosSistemas hbridos


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Coletores solaresColetores solares Somente coletores solares testados porSomente coletores solares testados por

laboratrios acreditados (Rede Brasileiralaboratrios acreditados (Rede Brasileira

de Ensaiosde Ensaios -- RBE) devem ser utilizados.RBE) devem ser utilizados. Os certificados informam a energiaOs certificados informam a energia

coletada em determinadas condies.coletada em determinadas condies.

Para uma anlise de custo benefcio oPara uma anlise de custo benefcio oque importa o custo do coletor porque importa o custo do coletor porenergia coletadaenergia coletada


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Coletores solaresColetores solares Aplicaes tpicasAplicaes tpicas

Coletores com uma nica cobertura de vidroColetores com uma nica cobertura de vidro

: gua para banho, cozinha e pr: gua para banho, cozinha e pr--aquecimentoaquecimento Coletores sem cobertura de vidro : Piscina eColetores sem cobertura de vidro : Piscina e

prpr--aquecimentoaquecimento

Sistemas hbridosSistemas hbridos Coletores a vcuo com tubos de calor : ArColetores a vcuo com tubos de calor : Ar

condicionadocondicionado


12/28


Coletores solaresColetores solares Caractersticas tpicasCaractersticas tpicas

Coletores com uma cobertura de vidroColetores com uma cobertura de vidro Tubos de cobre a cada 12,5 cmTubos de cobre a cada 12,5 cm Chapa de alumnio em bom contato trmico comChapa de alumnio em bom contato trmico com

os tubos.os tubos.

Isolamento inferior e lateral de 25 a 50 mm.Isolamento inferior e lateral de 25 a 50 mm.

Quanto menor a temperatura da gua, maiorQuanto menor a temperatura da gua, maiora eficincia do coletora eficincia do coletor


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Coletores solaresColetores solares Caractersticas tpicasCaractersticas tpicas

Coletores sem cobertura de vidroColetores sem cobertura de vidro PlsticoPlstico Sem aletasSem aletas Sem isolamentoSem isolamento

Quanto menor a temperatura da gua, maiorQuanto menor a temperatura da gua, maior

a eficincia do coletora eficincia do coletor Em baixas temperaturas so mais eficientesEm baixas temperaturas so mais eficientes

do que aqueles com uma cobertura de vidrodo que aqueles com uma cobertura de vidro


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ReservatriosReservatrios Chapa fina para baixas pressesChapa fina para baixas presses

Chapa grossa para altas pressesChapa grossa para altas presses

Proteo interna contra corrosoProteo interna contra corroso

Isolamento de 50 a 100 mmIsolamento de 50 a 100 mm

Quanto maior o volume, mais baixa aQuanto maior o volume, mais baixa atemperatura da gua e mais elevada atemperatura da gua e mais elevada aeficincia dos coletoreseficincia dos coletores


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SistemaSistema Sem bomba : TermoSem bomba : Termo--sifo.sifo.

Pequenos sistemasPequenos sistemas

Reservatrio acima dos coletores 20 a 30 cmReservatrio acima dos coletores 20 a 30 cm Nmero pequeno de coletores em srieNmero pequeno de coletores em srie

Com bombaCom bomba Grandes sistemasGrandes sistemas

Nmero pequeno de coletores em srieNmero pequeno de coletores em srie Qualquer posio relativa Coletores/ReservatrioQualquer posio relativa Coletores/Reservatrio


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Dimensionamento de SistemasDimensionamento de Sistemas Dados de entradaDados de entrada

Temperatura de uso e consumoTemperatura de uso e consumo

Dados climticosDados climticos Tarifas do combustvel alternativoTarifas do combustvel alternativo

Certificado de desempenho pela RBECertificado de desempenho pela RBE

Custo do sistemaCusto do sistema

Percentual de participao da energia solar ePercentual de participao da energia solar enmero de coletores (Sistema hbrido)nmero de coletores (Sistema hbrido) Minimiza o custo da gua quenteMinimiza o custo da gua quente


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Dimensionamento de SistemasDimensionamento de Sistemas ClculosClculos

Programa de simulao de desempenhoPrograma de simulao de desempenho

Variar iterativamente o nmero de coletoresVariar iterativamente o nmero de coletorese o volume do reservatrioe o volume do reservatrio Analisar diferentes alternativas de coletoresAnalisar diferentes alternativas de coletores

e reservatrios.e reservatrios.

O custo da gua quente pode ser maisO custo da gua quente pode ser maiselevado com o uso de coletores maiselevado com o uso de coletores maisbaratos com menor eficincia (RBE)baratos com menor eficincia (RBE)


18/28


Simulao de desempenhoSimulao de desempenho

ea 120 Bo ba 7200 g/h

Con u o 7500 L/diaIni io 9 h ino 21 h

otal 12 hCon u o 625 g/h


19/28


Simulao de desempenhoSimulao de desempenho

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35

Dia

Temperaturado

Reservatrio(C

)


20/28


Simulao de desempenhoSimulao de desempenhoReserv t

ri

l e 7500 LTemp.

i , r

Temper

t

r

0,0 % l r 72,0 %

let rFr() 0,

Fr , 5K 0,

fic. i , %Radia dia 4, kW

/m/dia

Temperat ra Mdia 22, F- art

alefa H t Water l meX 2, , ,494 1,047Y 1,205

% lar 76, %

rre es


21/28


Anlise econmicaAnlise econmica AplicaoAplicao gua quente para banho, Bomba,gua quente para banho, Bomba,

coletores com uma cobertura,coletores com uma cobertura,combustvel alternativo energia eltricacombustvel alternativo energia eltricada concessionariada concessionaria

Payback econmico : cerca de 5 anosPayback econmico : cerca de 5 anos Payback energtico : cerca de 5 anosPayback energtico : cerca de 5 anos Vida til 20 anosVida til 20 anos


22/28


Anlise econmicaAnlise econmica(5) I t

t

t

!

"

!# t

$

#

$

%

t#

&$

' &$

(

t

#

)

0

1

,1 1 2 1 3 ) 2 1 1

,1 1

&

# t4

0

1 1 2 1

,1 1 5

500 3 30180,00Bomba 1500,00 1 1500,00

Cont

olador 800,00 1 800,00Subtotal 81080,00Desconto 0,00Subtotal 81080,00Mode

6

bra 24324,00TOTAL 105404,00

(6)CustoOperacionalsemenergiasolar

Carga t7

rmica 115592 kWh/anoTarifadeenergiaeltrica 228 R$/MWhCustoanuals/solardaenergia trmica(valorfuturo) 26355,05 R$/ano

(7)CustoOperacionalcomenergiasolar

Carga trmica 115592 kWh/anoEnergiaeltricaeconomizada 48575 kWh/anoEnergiaeltricadeapoio(Backup) 67018 kWh/anoTarifadeenergiaeltrica 228 R$/MWhCustoanualdaenergiaeltricadeapoio(valorfuturo) 15280,01 R$/ano


23/28


Anlise econmicaAnlise econmica(8) Anlise do Investimento

Horizonte 20 anos

Energia eltrica economizada 48575 kWh/ano

Tarifa de energia eltrica 228 R$/MWhEconomia anual de energia eltrica (valor futuro) 11075,04 R$/anoInvestimento (valor presente) 105404,00 R$

8ayback 9,5 anos

TIR 8,42 % a.a.

Economia total de energia eltrica (valor presente) 105404,00 R$Custo anual s/solar da energia trmica (valor futuro) 26355,05 R$/anoCusto total s/solar da energia trmica (valor presente) 250827,79 R$Custo anual da energia eltrica de apoio (valor futuro) 15280,01 R$/anoCusto total da energia eltrica de apoio (valor presente) 145423,79 R$Investimento + energia eltrica de apoio (valor presente) 250827,79 R$

(9) Custo unitrio da energia trmica

Horizonte 20 anos

Investimento (valor presente) 105404,00 R$Custo anual da energia eltrica de apoio (valor futuro) 15280,01 R$/anoJuros (igual a TIR) 8,42 % a.a.

Custo total da energia eltrica de apoio (valor presente) 145423,79 R$Investimento + energia eltrica de apoio (valor presente) 250827,79 R$Carga trmica 115592 kWh/ano

Custo unitrio da energia trmica (valor presente) 108,50 R$/kWh


24/28


Anlise econmicaAnlise econmica

6

7

8

9

0 50 100 150 200 250r l r S l r

x

n

rn

r

rn

-

I

%

.

.


25/28


Anlise econmicaAnlise econmica

105

110

115

120

125

0 50 100 150 200 250

rea de o e ores So ares

usou

rioda

e

ergiarmica

$/MWh


26/28


Coletores a vcuoColetores a vcuo

rea 120 mBomba 7200 kg/h

Consumo 7500 L/dia

Inicio 9 h

Trmino 21 h

Total 12 h

Consumo 625 kg/h

Reservatrio

Volume 7500 LTemp.Mdia 62,6 C

Carga

Temperatura 90,0 C

% Solar 59,6 %


27/28


Coletores a vcuoColetores a vcuo

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25 30 35

Dia

T

emperatrado

Reseratrio(

)


28/28


Cuidados e RestriesCuidados e Restries Existncia de rea disponvelExistncia de rea disponvel

No caso de sistemas hbridos, aNo caso de sistemas hbridos, a

temperatura da gua no reservatrio,temperatura da gua no reservatrio,controlada por uma resistncia, nocontrolada por uma resistncia, nodeve ser ajustada de cerca de 60deve ser ajustada de cerca de 60 ooC paraC para

cerca de 45cerca de 45oo

C, pois a eficincia dosC, pois a eficincia doscoletores se reduz.coletores se reduz.

Coletor Solar Dimensionamento PUC_RJ

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