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As equações e demonstrações para avaliar a viabilidade de coletores híbridos fotovoltaicos e térmicos para aquecimento de águas e micro-geração de electricidade. O texto aborda as transferências de calor entre vidros de proteção de células e placas absorvedoras, a condução entre células fotovoltaicas e seus vidros de proteção, e o rendimento térmico em função da temperatura de entrada da água.
Tipologia: Teses (TCC)
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Ricardo Licínio Moreira da Rocha Pereira Marques
Relatório da Dissertação do MIEM Orientador na FEUP: Prof. Armando Oliveira
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica
Fevereiro 2008
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
Abstract
In this Work Project the economic viability of hybrid solar collectors for water heating and electricity generation was studied. The hybrid solar collector converts, solar radiation into both electrical and thermal energy.
In the first stage of the project, three hybrid solar collectors configurations were selected: Sheet and Tube PVT With One Cover, Sheet and Tube PVT Uncovered and Sheet and Tube PVT With Transparent Solar Cells. Each one was simulated with polycrystalline and monocrystalline solar cells.
Afterwards, three numeric models, which consider the heat transfer balances between the collector elements, were developed, with the aim of obtaining the electrical and thermal efficiencies. The Sheet and Tube PVT With Cover has the best thermal performance, while the Sheet and Tube PVT Uncovered has an electrical efficiency higher than the remaining collectors. This is due to the fact that the top cover allows less thermal losses, therefore increasing the thermal efficiency. On the other hand, the cover glass increases cell temperature, decreasing the electric efficiency. The Sheet and Tube PVT With Transparent Solar Cells shows a low electrical and thermal behavior, compared with the other collectors. The type of solar cells influences the results. The monocrystalline cells provide a higher electrical yield, while polycrystalline cells lead to a better thermal energy conversion.
After that, the hybrid collector’s annual yield was studied for a four person residential building in three different climates (Bragança, Faro e Porto). The generated electric is sold to the grid, according to “Decreto-Lei 363/2007”.The thermal and electrical energy, obtained in hybrid collectors, was compared with four mixed systems (photovoltaic + thermal collector apart), having approximately the same electrical peak power. The mixed systems provide higher thermal energy, although hybrid collectors (Uncovered PVT and Transparent cells PVT) generate a larger quantity of electrical energy, comparing with the same photovoltaic power. Between the hybrid collectors, the models with the top cover can provide more thermal energy.
At the end, an economic analysis for hybrid collectors and mixed systems has been done. An auxiliary heating system using natural gas was considered.
The most viable hybrid collector is the Uncovered Sheet and Tube PVT with monocrystalline cells; meanwhile, it was possible to draw the following viability relation (by decreasing order):
(Uncovered Sheet and Tube PVT Monocrystalline) > (Sheet and Tube PVT Monocrystalline With One Cover) > (Uncovered Sheet and Tube PVT Polycrystalline) > (Sheet and Tube PVT Polycrystalline With One Cover/ Sheet and tube PVT With Transparent Solar Cells Monocrystalline) > (Sheet And Tube PVT With Transparent Solar Cells Polycrystalline)
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
Comparing with mixed systems, hybrid collectors are more interesting for higher collectors areas.
Águas e Micro-Geração de Electricidade
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
Anexo A – Tipo de Células de Silício................................................................................ 92 A1 – Células Policristalinas ................................................................................................... 92 A2 – Células Monocristalinas ................................................................................................ 93
Anexo B – Distribuição da Temperatura na Placa Absorsora ..................................... 94
Anexo C – Características Eléctricas dos Módulos Fotovoltaicos para Comparação.. 98
C1 - Suntech STP 240 – 24/V ................................................................................................. 98 C2 - Suntech STP 280S – 24/Vb ............................................................................................. 99 C3 - Mitsubishi PV – MF 185 TD4 ........................................................................................ 100 C4 - SunPower SPR – 210 - BLK ......................................................................................... 101
Anexo D - Investimento Inicial - Colectores Híbridos e Sistema Misto (Fotovoltaico + Térmico) ........................................................................................................................... 102
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
PF PF Razão entre a área de células e área do colector
Prágua Prwater Número de Prandtl da água^ [-] Prar Prair Número de Prandtl do ar^ [-] qágua qwater Fluxo de calor na água^ [W/m^2 ] qamb,conv qskyconv Fluxo de calor por convecção para o ambiente
[W/m^2 ]
qamb,rad qskyrad Fluxo de calor por radiação para o ambiente [W/m^2 ] qar,conv qairconv Fluxo de calor por convecção no espaço de ar
[W/m^2 ]
qar,rad qairrad Fluxo de calor por radiação no espaço de ar^ [W/m^2 ] qba qba Fluxo de calor por condução entre placa absorsora e o ambiente
[W/m^2 ]
qca qca Fluxo de calor por condução entre células e a placa absorsora
[W/m^2 ]
qVidrocélulas qpvglass Fluxo de calor por condução entre as células e o vidro de protecção
[W/m^2 ]
qvidrocéluas,baixo qpvglass Fluxo de calor por condução entre as células e o vidro de protecção de baixo (colector híbrido placa – tubo com células transparentes)
[W/m^2 ]
qvidrocéluas,cima qtopglass1 Fluxo de calor por condução entre as células e o vidro de protecção de cima (colector híbrido placa – tubo com células transparentes)
[W/m^2 ]
qvidrocobertura qtopglass Fluxo de calor por condução no vidro da cobertura
[W/m^2 ]
Reágua Rewater Número de Reynolds [-] Raar Raair Número de Rayleigh^ [-] Tágua Twater Temperatura de saída da água [K] Tamb Tamb Temperatura ambiente [K] Tbond Tbond Temperatura na base do tubo^ [K] Tcélulas Tcell Temperatura da célula fotovoltaica^ [K] Tcéu Tsky Temperatura do céu [K] Tin Tin Temperatura de entrada da água^ [K] TVidrocélulas Tpvglass Temperatura do vidro de protecção das células
Tvidrocélulas,baixo Tpvglass Temperatura do vidro de protecção das células (baixo) - colector híbrido placa – tubo com células transparentes
Tvidrocélulas,cima Ttopglass1 Temperatura do vidro de protecção das células (cima) - colector híbrido placa – tubo com células transparente
Tvidrocobertura,baixo Ttopglassbaixo Temperatura do vidro da cobertura (baixo)^ [K] Tvidrocobertura,cima Ttopglasscima Temperatura do vidro da cobertura (cima)^ [K]
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
Uba hba Coeficiente de transferência de calor entre a placa absorsora e o ambiente
[W/m^2 K]
Uca hca Coeficiente de transferência de calor entre as células e a placa absorsora
[W/m^2 K]
Vca Vca Tensão de circuito aberto^ [V] Vmax Vmax Tensão máxima [V] Vvento VWind Velocidade do vento^ [m/s] W W Distância entre dois tubos [m]
αabs alfaabs Coeficiente de absorção da placa absorsora [-] αVento hwind Coeficiente de transferência de calor por convecção para o ambiente
[W/m^2 K]
βar Bai Coeficiente de expansão^ [1/K] εabs eabs Emissividade da placa absorsora^ [-] εVidrocélulas epv Emissividade do vidro de protecção das células
εvidrocélulas,baixo epvglass Emissividade do vidro de protecção das células (baixo) - colector híbrido placa – tubo com células transparente
εvidrocélulas,cima etop1 Emissividade do vidro de protecção das células (cima) - colector híbrido placa – tubo com células transparente
εvidrocobertura etop Emissividade do vidro da cobertura^ [-] ηcélulas Rel Rendimento eléctrico das células fotovoltaicas
ηMP(REF) Rel0 Rendimento eléctrico das células fotovoltaicas à máxima potência nas condições STC
ηeléctrico Reléctrico Rendimento eléctrico do colector híbrido^ [-] ηTérmico Reltérmico Rendimento térmico do colector híbrido [-] λabs Kabs Condutividade da placa absorsora^ [W/mK] λágua Kwater Condutividade da água [W/mK] λar Kairdentro Condutividade do ar [W/mK] λvidrocélulas Kpvglass Condutividade do vidro de protecção das células
[W/mK]
λvidrocelulas, baixo Kpvglass Condutividade do vidro (baixo) de protecção das células – colector híbrido placa – tubo com células transparente
[W/mK]
λvidrocelulas, cima Kglass1 Condutividade do vidro (cima) de protecção das células – colector híbrido placa – tubo com células transparente
[W/mK]
λvidrocobertura Kglass Condutividade do vidro da cobertura^ [W/mK] μar uair Viscosidade do ar^ [Kg/m s] μIcc μIcc Coeficiente de variação da corrente de curto
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaico
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
s e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
1.1. Apresentação do Tema e Principais Objectivos
O projecto, desenvolvido em seguida, foi realizado na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto.
Este trabalho tem como principal objectivo a avaliação da viabilidade de colectores híbridos (colector que gera energia térmica e eléctrica) para aplicação ao aquecimento de águas e microgeração de electricidade.
Numa primeira fase, pretende-se elaborar um modelo computacional de três configurações de colectores híbridos, variando o tipo de células fotovoltaicas (policristalinas ou monocristalinas). O modelo será utilizado para se obter as características de rendimento (térmico e eléctrico), para condições de referência.
Seguidamente, irá ser feita uma avaliação do comportamento anual, dos colectores híbridos, para diferentes climas de Portugal (Bragança, Faro e Porto), sendo comparado com um sistema fotovoltaico mais térmico em separado (misto). Por fim, pretende-se elaborar um estudo económico, comparando os colectores híbridos a um sistema misto, tendo em conta os preços da energia e tarifas de venda de electricidade vigentes em Portugal.
A figura 1.1 resume os principais objectivos aqui retratados.
Estado da Arte
Três Configurações de Colectores Híbridos
Determinação das Curvas de Rendimento Térmico e Eléctrico
Comportamento Anual (Energia Térmica e Eléctrica)
Colector Híbrido Placa
Colector Híbrido Placa
Colector Híbrido Placa
Sistema Misto Fotovoltaico+Térmico em Separado
Análise Económica Colectores Híbridos VS Sistema Misto
Figura 1.1 – Objectivos do trabalho.
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaico
Nas últimas décadas e, em particular, a partir nacional tem apresentado um crescimento bastante acentuado. De facto, entre o período de 1990 - 2005, a procura de energia final aumentou, aproximadamente, 3,2 % ao ano, superior a média dos restantes Estados (Mantzos, L. e Capros, P., um forte aumento da taxa de crescimento da procura de energia nos sectores dos Transportes e Edifícios (Residencial e Serviço
O sector dos edifícios representa cerca de 32% do consumo energético final em Portugal (Mantzos, L. e Capros, P., 2005) conforto dos edifícios au comodidades, que originam um maior consumo de energia, quer no sector doméstico quer no sector de serviços (Fernandes, E., 2002) procura de energia eléctrica tem aumentado gradualmente, representando aproximadamente 42% da energia final (Direcção eléctrica gerada por combustíveis fósseis
Com este ascendente do consumo de energia e a forte dependência do sector energético do exterior, devido à ausência de recursos de origem fóssil, torna uma sinergia entre eficiência energética e a aposta em fontes de energia renovável. Com efeito, o aproveitamento das energias endógenas e utilização racional da energia servirá para baixar a factura energética externa, mas também contribuirá para o aumento do desempenho ambiental dos sistemas energéticos, vertente fundamental para o desenvolvimento sustentável
Como em Portugal média Europeia (figura 2. exequível (Direcção – Geral de E
3728
1052
2290
Consumo de Energia Final
Figura 2.1 – Comparação do consumo de energia final por sector em 1990 e 1995.
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
décadas e, em particular, a partir dos anos noventa, a procura de energia nacional tem apresentado um crescimento bastante acentuado. De facto, entre o período de 2005, a procura de energia final aumentou, aproximadamente, 3,2 % ao ano, superior a média dos restantes Estados – Membro da União Europeia que se situou em cerca de 1,1% 2005). Uma análise desagregada, por sector consumidor um forte aumento da taxa de crescimento da procura de energia nos sectores dos Transportes e Edifícios (Residencial e Serviços) (figura 2.1).
Fonte: (Mantzos, L. e Capros, P., 2005).
O sector dos edifícios representa cerca de 32% do consumo energético final em (Mantzos, L. e Capros, P., 2005). Com o decorrer dos tempos, a qualidade e o conforto dos edifícios aumentou. Hoje, encontram-se à disposição do utilizador comodidades, que originam um maior consumo de energia, quer no sector doméstico quer no (Fernandes, E., 2002); (Monteiro, J., 2005). No sector dos edifícios a eléctrica tem aumentado gradualmente, representando aproximadamente (Direcção – Geral de Geologia e Energia, 2005). Sendo 64% da energia eléctrica gerada por combustíveis fósseis (Direcção – Geral de Geologia e Energia, 2007
ascendente do consumo de energia e a forte dependência do sector energético do exterior, devido à ausência de recursos de origem fóssil, torna uma sinergia entre eficiência energética e a aposta em fontes de energia renovável. Com aproveitamento das energias endógenas e utilização racional da energia servirá para baixar a factura energética externa, mas também contribuirá para o aumento do desempenho ambiental dos sistemas energéticos, vertente fundamental para o mento sustentável (Martins, A. e Santos, V., 2005). a disponibilidade do recurso solar é elevada, situando 2.2), o aproveitamento da energia solar para fins energéticos é Geral de Energia, 2003).
4580
Consumo de Energia Final - 1990
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Consumo de Energia Final
Comparação do consumo de energia final por sector em 1990 e 1995.
s e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de
2.1 Enquadramento
venta, a procura de energia nacional tem apresentado um crescimento bastante acentuado. De facto, entre o período de 2005, a procura de energia final aumentou, aproximadamente, 3,2 % ao ano, superior a que se situou em cerca de 1,1% por sector consumidor, evidencia um forte aumento da taxa de crescimento da procura de energia nos sectores dos Transportes e
O sector dos edifícios representa cerca de 32% do consumo energético final em
. Com o decorrer dos tempos, a qualidade e o se à disposição do utilizador novas comodidades, que originam um maior consumo de energia, quer no sector doméstico quer no No sector dos edifícios a eléctrica tem aumentado gradualmente, representando aproximadamente . Sendo 64% da energia eral de Geologia e Energia, 2007). ascendente do consumo de energia e a forte dependência do sector energético do exterior, devido à ausência de recursos de origem fóssil, torna-se necessário uma sinergia entre eficiência energética e a aposta em fontes de energia renovável. Com aproveitamento das energias endógenas e utilização racional da energia, não só servirá para baixar a factura energética externa, mas também contribuirá para o aumento do desempenho ambiental dos sistemas energéticos, vertente fundamental para o
a disponibilidade do recurso solar é elevada, situando-se acima da da energia solar para fins energéticos é
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Consumo de Energia Final - 2005
Indústria Transportes Serviços Doméstico Valores em Ktep
Comparação do consumo de energia final por sector em 1990 e 1995.
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
Geralmente, a energia solar é convertida de duas formas (Fernandes, E. O., 2002):
Figura 2.3 – Sistema de produção de águas quentes sanitárias.
Figura 2.4 – Sistema fotovoltaico de geração de electricidade.
Figura 2.2 – Mapa da distribuição da radiação solar incidente no plano horizontal na Europa.
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaico
Potência a Injectar ≤ 50% Contratada
Os módulos fotovoltaicos permitem converter d electricidade. Normalmente eléctrica gerada um elevado grau de fiabilidade impacto ambiental de produzir energia eléc associada ao fabrico das próprias células
Os painéis fotovoltaicos podem ser empregues em sistemas
No caso de instalações fotovoltaicas, directamente ligadas à rede pública, incentivos na compra da energia eléctrica gerada. Assim, o produtor pode vender a electricidade a um preço superior a microprodutor terá uma comparativamente aos 10 cêntimos fundo, em termos de balanço de energia energia à rede e depois comprar o que necessita para consumo. Para o acesso a esta tari regime bonificado, os requisitos necessários são: poder injectar na rede uma potência superior a 50% da potência contratada para a instalação eléctrica de utilização, potência de ligação até 3,68 kW electricidade vendida ser limitada a 2,4 MWh/ano por cada quilowatt instalado ( (Decreto-Lei nº 363/2007).
Figura 2.
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
Fonte de Energia Renovável
Potência de Ligação ≤ 3,68 kW
Colector Solar Instalado
Electricidade Vendida ≤ 2, MWh/ano/ kW instalado
Potência a Injectar ≤ 50% Potência Contratada
Os módulos fotovoltaicos permitem converter directamente a radiação solar em Normalmente, utiliza-se o silício como material conversor, possu um elevado grau de fiabilidade (Castro, R., 2004). É a forma com menos impacto ambiental de produzir energia eléctrica, sendo a única poluição resultante a que está associada ao fabrico das próprias células (Monteiro, J., 2005).
Os painéis fotovoltaicos podem ser empregues em sistemas (Castro, R., 2004): Ligados a rede eléctrica, injectando nesta a totalidade da energia; Isolados, onde a energia é consumida pelo utilizador; Híbridos, alimentando directamente cargas isoladas, em conjunto com outros conversores de energias endógenas (eólico).
No caso de instalações fotovoltaicas, directamente ligadas à rede pública, incentivos na compra da energia eléctrica gerada. Assim, o produtor pode vender a electricidade a um preço superior ao da rede. Com o novo Decreto microprodutor terá uma remuneração de 65 cêntimos por quilowatt parativamente aos 10 cêntimos por quilowatt – hora vendidos pele rede pública. No fundo, em termos de balanço de energia, o produtor beneficia se vender a totalidade da rede e depois comprar o que necessita para consumo. Para o acesso a esta tari regime bonificado, os requisitos necessários são: ser uma fonte de energia renovável, não injectar na rede uma potência superior a 50% da potência contratada para a instalação eléctrica de utilização, potência de ligação até 3,68 kW, possuir u limitada a 2,4 MWh/ano por cada quilowatt instalado (
Figura 2.5 – Condições de acesso ao regime bonificado.
s e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de
irectamente a radiação solar em o silício como material conversor, possuindo a energia É a forma com menos trica, sendo a única poluição resultante a que está
(Castro, R., 2004): rgia;
Híbridos, alimentando directamente cargas isoladas, em conjunto com outros
No caso de instalações fotovoltaicas, directamente ligadas à rede pública, existem incentivos na compra da energia eléctrica gerada. Assim, o produtor pode vender a o da rede. Com o novo Decreto-Lei nº 363/2007, o ilowatt – hora gerado, hora vendidos pele rede pública. No vender a totalidade da rede e depois comprar o que necessita para consumo. Para o acesso a esta tarifa, do ser uma fonte de energia renovável, não injectar na rede uma potência superior a 50% da potência contratada para a instalação , possuir um colector solar e a limitada a 2,4 MWh/ano por cada quilowatt instalado (figura 2.5)
de acesso ao regime bonificado.
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaico
O regime bonificado está dividido em trê (Decreto-Lei nº 363/2007).
Da mesma forma, como a electricidade é de origem renovável, emissões de dióxido de carbono das centrais térmicas, que podem assim ser menos solicitadas. Como é obrigatório a emissões é ampliada. Assim, em alternativa, ou em compensação às grandes centrais elect produtoras, a microgeração impõe (Fernandes, E., 2002).
Figura 2.
Avaliação da Viabilidade de Colectores Híbridos Fotovoltaicos e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de Águas e Micro-Geração de Electricidade
1 a 5 anos 65 cêntimos por kWh
6 a 15 anos preço da tarifa do ano em vigor
≥ 16 anos preço da rede pública
O regime bonificado está dividido em três etapas, caracterizadas na figura
Da mesma forma, como a electricidade é de origem renovável, emissões de dióxido de carbono das centrais térmicas, que podem assim ser menos tadas. Como é obrigatório a existência de colectores solares térmicos, esta Assim, em alternativa, ou em compensação às grandes centrais elect produtoras, a microgeração impõe-se cada vez mais como uma solução para o
Figura 2.6 – Etapas do regime bonificado.
Regime Bonificado
s e Térmicos para Aplicação ao Aquecimento de
caracterizadas na figura 2.
Da mesma forma, como a electricidade é de origem renovável, reduzem-se as emissões de dióxido de carbono das centrais térmicas, que podem assim ser menos colectores solares térmicos, esta diminuição de Assim, em alternativa, ou em compensação às grandes centrais electro – se cada vez mais como uma solução para o futuro
