Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade Trabalho.

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

2 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP 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. 01 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

3 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Apresentação do Tema e Principais Objectivos Estudo da Arte Três Configurações de Colectores Híbridos Colector Híbrido Placa – Tubo Com Cobertura Colector Híbrido Placa – Tubo Sem Cobertura Colector Híbrido Placa – Tubo Com Células Transparentes Determinação das Curvas de Rendimento Térmico e Eléctrico Comportamento Anual (Energia Térmica e Eléctrica) Análise Económica Colectores Híbridos VS Sistema Misto Sistema Misto Fotovoltaico+Térmico em Separado 02 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

4 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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. 03 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

5 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Constituição de um Sistema Híbrido 04 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

6 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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. 05 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

7 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Colectores Híbridos Analisados Colector Híbrido Placa - Tubo Com Uma Cobertura 06 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

8 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Colectores Híbridos Analisados Colector Híbrido Placa - Tubo Sem Cobertura 07 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

9 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Colectores Híbridos Analisados Colector Híbrido Placa - Tubo Com Células Transparentes 08 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

10 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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. 09 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

11 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Curvas de Rendimento - Térmico 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. Possui um comportamento térmico melhor que os demais módulos; A cobertura de vidro no topo do colector diminui as perdas de calor. 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. 10 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

12 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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. 11 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

13 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Curvas de Rendimento - Eléctrico Não possui cobertura no topo; A radiação reflectida é mínima, proporcionando um aumento da energia absorvida nas células. Perdas de radiação por reflexão; A temperatura das células aumenta. Rendimento eléctrico é baixo; Área de células reduzida comparada com os outros colectores. 12 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

14 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Curvas de Rendimento - Eléctrico O rendimento eléctrico está estritamente dependente do tipo de células; As células de silício monocristalinas geram mais eléctricidade . 13 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

15 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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). 14 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

16 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Energia Anual Obtida – Térmica (Bragança) 15 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

17 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Energia Anual Obtida – Térmica (Faro) 16 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

18 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Energia Anual Obtida – Térmica (Porto) 17 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

19 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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. 18 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

20 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Energia Anual Obtida – Eléctrica (Bragança) 19 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

21 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Energia Anual Obtida – Eléctrica (Faro) 20 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

22 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão Energia Anual Obtida – Eléctrica (Porto) 21 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

23 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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. 22 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

24 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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€/m3+5% de IVA (Duriensegás Dezembro de 2007); Para Faro – 0,8579€/m3 +5% de IVA (Medigás Dezembro de 2007); Para o Porto - 0,6097 €/m3 +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. 23 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

25 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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) 24 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

26 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Suntech STP 240 – 24/V ) 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) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Mitsubishi PV – MF 185 TD4) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico SunPower SPR – 210 – BLK ) 25 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

27 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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) Sistema Misto (Com o Módulo Fotovoltaico Suntech STP 240 – 24/V ) Colector Híbrido Sem Cobertura (Monocristalino) 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 ) 26 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

28 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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) 27 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

29 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
FEUP Sumário dos Tópicos a Abordar Enquadramento Colectores Híbridos Analisados Determinação das Curvas de Rendimento Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica) Análise Económica Conclusão 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. 28 Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Fevereiro de 2008

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