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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
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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Fevereiro de 2008
01
•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.
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Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
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02
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
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03
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
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04
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
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05
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
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06
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
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07
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
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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
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09
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
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•Colectores Híbridos Analisados
•Determinação das Curvas de Rendimento
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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
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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)
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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
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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
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•Determinação das Curvas de Rendimento
•Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica)
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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
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•Colectores Híbridos Analisados
•Determinação das Curvas de Rendimento
•Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica)
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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
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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)
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Energia Anual Obtida – Térmica (Porto)
•Sumário dos Tópicos a Abordar
•Enquadramento
•Colectores Híbridos Analisados
•Determinação das Curvas de Rendimento
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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)
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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
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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
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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
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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
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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.
•Sumário dos Tópicos a Abordar
•Enquadramento
•Colectores Híbridos Analisados
•Determinação das Curvas de Rendimento
•Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica)
•Análise Económica
•Conclusão
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Análise Económica
Viabilidade dos colectores híbridos por ordem decrescente para os diferentes climas (Bragança, Faro e Porto)
•Sumário dos Tópicos a Abordar
•Enquadramento
•Colectores Híbridos Analisados
•Determinação das Curvas de Rendimento
•Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica)
•Análise Económica
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Análise Económica
Comparação da viabilidade (por ordem decrescente) dos sistemas mistos com os colectores híbridos para o Porto
•Sumário dos Tópicos a Abordar
•Enquadramento
•Colectores Híbridos Analisados
•Determinação das Curvas de Rendimento
•Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica)
•Análise Económica
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Análise Económica
Comparação da viabilidade (por ordem decrescente) dos sistemas mistos com os colectores híbridos para o Bragança
•Sumário dos Tópicos a Abordar
•Enquadramento
•Colectores Híbridos Analisados
•Determinação das Curvas de Rendimento
•Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica)
•Análise Económica
•Conclusão
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Análise Económica
Comparação da viabilidade (por ordem decrescente) dos sistemas mistos com os colectores híbridos para o Faro
•Sumário dos Tópicos a Abordar
•Enquadramento
•Colectores Híbridos Analisados
•Determinação das Curvas de Rendimento
•Energia Anual Obtida ( Térmica e Eléctrica)
•Análise Económica
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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
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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