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Trabalho realizado por: Ricardo Marques Orientador: Prof. Armando Oliveira Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para.

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1 Trabalho realizado por: Ricardo Marques Orientador: Prof. Armando Oliveira Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

2 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento; Colectores Híbridos Analisados; Determinação das Curvas de Rendimento; Energia Anual Obtida (Térmica e Eléctrica); Análise Económica; Conclusão. FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

3 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Apresentação do Tema e Principais Objectivos Três Configurações de Colectores Híbridos Determinação das Curvas de Rendimento Térmico e Eléctrico Comportamento Anual (Energia Térmica e Eléctrica) Colector Híbrido Placa – Tubo Com Células Transparentes Colector Híbrido Placa – Tubo Sem Cobertura Colector Híbrido Placa – Tubo Com Cobertura Sistema Misto Fotovoltaico+Térmico em Separado Análise Económica Colectores Híbridos VS Sistema Misto Estudo da Arte Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

4 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de O que é um Colector Híbrido? O colector solar híbrido é uma tecnologia que converte a radiação solar, simultaneamente, em electricidade e calor. O calor pode ser aproveitado para aquecimento de água ou ar. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

5 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Constituição de um Sistema Híbrido Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

6 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Colectores Híbridos Analisados Os colectores híbridos analisados foram os seguintes: Colector Híbrido Placa - Tubo Com Uma Cobertura; Colector Híbrido Placa – Tubo Sem Cobertura; Colector Híbrido Placa – Tubo Com Células Transparentes. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

7 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Colectores Híbridos Analisados Colector Híbrido Placa - Tubo Com Uma Cobertura Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

8 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Colectores Híbridos Analisados Colector Híbrido Placa - Tubo Sem Cobertura Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

9 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Colectores Híbridos Analisados Colector Híbrido Placa - Tubo Com Células Transparentes Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

10 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Modelos Desenvolvidos Com objectivo de obter-se as curvas de rendimento, dos módulos híbridos, foram desenvolvidos três modelos numéricos. Tais modelos representam os vários processos de transferência de calor entre os elementos do colector. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

11 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Curvas de Rendimento - Térmico Possui um comportamento térmico melhor que os demais módulos; A cobertura de vidro no topo do colector diminui as perdas de calor. Tem elevadas perdas de calor; Este módulo não possui uma cobertura no topo; É mais apropriado para aplicações que necessitem de uma temperatura de água mais baixa. O rendimento térmico está muito dependente da área de células, no topo do módulo; Quanto menor for a área de células, maior será a radiação solar incidente na placa absorsora, melhorando o rendimento térmico. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

12 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Curvas de Rendimento - Térmico O tipo de células fotovoltaicas influência o rendimento térmico; As células de silício policristalino proporcionam um rendimento térmico mais elevado, pois não geram tanta energia eléctrica. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

13 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Curvas de Rendimento - Eléctrico Perdas de radiação por reflexão; A temperatura das células aumenta. Não possui cobertura no topo; A radiação reflectida é mínima, proporcionando um aumento da energia absorvida nas células. Rendimento eléctrico é baixo; Área de células reduzida comparada com os outros colectores. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

14 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Curvas de Rendimento - Eléctrico O rendimento eléctrico está estritamente dependente do tipo de células; As células de silício monocristalinas geram mais eléctricidade. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

15 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Energia Anual Obtida A análise será feita para uma habitação de quatro pessoas, que consumem 40l/(pessoa dia) a 50ºC; O sistema eléctrico está ligado à rede; Os colectores são simulados em três climas: Bragança, Faro e Porto; Será feita uma comparação com um sistema misto (fotovoltaico + térmico). Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

16 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Energia Anual Obtida – Térmica (Bragança) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

17 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Energia Anual Obtida – Térmica (Faro) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

18 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Energia Anual Obtida – Térmica (Porto) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

19 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Energia Anual Obtida - Térmica A energia térmica gerada num colector híbrido é menor do que num colector térmico; O Colector Híbrido Placa – Tubo Com Cobertura proporciona uma maior quantidade de energia térmica, que os restantes módulos. A principal razão para este facto é a existência de uma cobertura no topo, que reduz as perdas térmicas; O Colector Híbrido Placa – Tubo Sem Cobertura tem o pior comportamento térmico, pois para temperaturas de água elevadas, regista-se um aumento acentuado de perdas de calor; O Colector Com Células Transparentes, possui uma elevada área de células no topo, responsável pela baixa radiação incidente na placa absorsora; O tipo de célula fotovoltaica utilizado (policristalina e monocristalina) não é preponderante para a energia térmica obtida; Em Faro obtém-se a maior quantidade de energia térmica. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

20 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Energia Anual Obtida – Eléctrica (Bragança) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

21 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Energia Anual Obtida – Eléctrica (Faro) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

22 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Energia Anual Obtida – Eléctrica (Porto) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

23 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Energia Anual Obtida – Eléctrica Os Colectores Híbridos Sem Cobertura e Com Células Transparentes geram uma maior quantidade de energia eléctrica. Na comparação com os módulos fotovoltaicos, estes colectores conseguem ter um melhor comportamento eléctrico; O Colector Com Cobertura tem um desempenho eléctrico pior, devido à perda de radiação na cobertura e ao aumento da temperatura das células; A energia eléctrica gerada varia consoante o clima, sendo maior para zonas de elevada insolação (Faro); Com o uso de células monocristalinas, gera-se uma maior quantidade de energia eléctrica. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

24 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Análise Económica Neste trabalho foram utilizados os seguintes critérios de análise do investimento: Valor Actualizado Líquido (VAL); Taxa Interna de Rentabilidade (TIR); Tempo de Recuperação do Investimento (Pay – Back). Optou-se pelo método de preços constantes, sendo a taxa de actualização de 2,1% e o tempo de vida do projecto de 20 anos. Preço da energia térmica considerado (preço do gás natural): Para Bragança – 0,8714/m 3 +5% de IVA (Duriensegás Dezembro de 2007); Para Faro – 0,8579/m 3 +5% de IVA (Medigás Dezembro de 2007); Para o Porto - 0,6097 /m 3 +5% de IVA (Portgás Dezembro de 2007). Preço da energia eléctrica considerado: De 1 a 5 anos – 0,65/kWh; De 6 a 15 anos – 0,50/kWh; De 16 a 20 anos – 0,155/kWh. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

25 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Análise Económica Viabilidade dos colectores híbridos por ordem decrescente para os diferentes climas (Bragança, Faro e Porto) Colector Híbrido Sem Cobertura (Monocristalino) Colector Híbrido Com Cobertura (Monocristalino) Colector Híbrido Sem Cobertura (Policristalino) Colector Híbrido Com Cobertura (Policristalino) Colector Híbrido Com Células Transparentes (Monocristalino) Colector Híbrido Com Células Transparentes (Policristalino) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

26 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Análise Económica Comparação da viabilidade (por ordem decrescente) dos sistemas mistos com os colectores híbridos para o Porto Colector Híbrido Sem Cobertura (Monocristalino) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Suntech STP 280S – 24/Vb) Colector Híbrido Com Cobertura (Monocristalino) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Suntech STP 240 – 24/V ) Colector Híbrido Sem Cobertura (Policristalino) Colector Híbrido Com Cobertura (Policristalino) Colector Híbrido Com Células Transparentes (Monocristalino) Colector Híbrido Com Células Transparentes (Policristalino) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Mitsubishi PV – MF 185 TD4) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico SunPower SPR – 210 – BLK ) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

27 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Análise Económica Comparação da viabilidade (por ordem decrescente) dos sistemas mistos com os colectores híbridos para o Bragança Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Suntech STP 280S – 24/Vb) Colector Híbrido Sem Cobertura (Monocristalino) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Suntech STP 240 – 24/V ) Colector Híbrido Com Cobertura (Monocristalino) Colector Híbrido Sem Cobertura (Policristalino) Colector Híbrido Com Células Transparentes (Monocristalino) Colector Híbrido Com Cobertura (Policristalino) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Mitsubishi PV – MF 185 TD4) Colector Híbrido Com Células Transparentes (Policristalino) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico SunPower SPR – 210 – BLK ) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

28 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Análise Económica Comparação da viabilidade (por ordem decrescente) dos sistemas mistos com os colectores híbridos para o Faro Colector Híbrido Sem Cobertura (Monocristalino) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Suntech STP 280S – 24/Vb) Colector Híbrido Com Cobertura (Monocristalino) Colector Híbrido Sem Cobertura (Policristalino) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Suntech STP 240 – 24/V ) Colector Híbrido Com Células Transparentes (Monocristalino) Colector Híbrido Com Cobertura (Policristalino) Colector Híbrido Com Células Transparentes (Policristalino) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico SunPower SPR – 210 – BLK ) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Mitsubishi PV – MF 185 TD4) Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

29 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de Conclusão Os colectores híbridos são uma solução exequível para aplicação ao aquecimento de águas e microgeração de electricidade; O Colector Híbrido Placa – Tubo Sem Cobertura Monocristalino é o que apresenta uma maior rentabilidade; A maior rentabilidade dos Colectores Sem Cobertura, está no facto destes módulos obterem maiores quantidades de energia eléctrica, sendo esta forma de energia melhor remunerada que a térmica; A rentabilidade dos colectores híbridos está estritamente dependente da remuneração associada a venda da energia eléctrica, estipulada no Decreto-Lei nº 363/2007; Em comparação com um sistema misto, os colectores híbridos são mais viáveis para áreas de colector maiores, pois os híbridos possuem um preço de instalação menor; Os sistemas solares, na sua generalidade, são não só uma solução lucrativa, em termos económicos, como também contribuem para a redução das emissões associadas ao uso de combustíveis fósseis. Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

30 Trabalho realizado por: Ricardo Marques Orientador: Prof. Armando Oliveira Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008 FIM


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